吕文静 化工仪表及自动化

1、n按功能不同，分四类：检测仪表 (包括各种参数的测量和变送)显示仪表 (包括模拟量显示和数字量显示)控制仪表 (包括气动、电动控制仪表及数字控制器)执行器(包括气动、电动、液动等执行器) 图0-1 各类仪表之间的关系 在工业生产、科学研究等各个领域中，压力、是经常需要测量的重要参数。这些参数都是力的现象，因此在测量方法和所用仪器设备上有很多相同的地方。 本章介绍压力的测量方法、测量中所用的仪器设备及所用典型传感器的基本原理及结构。 压力的基本概念压力的基本概念 压力是工业生产过程中重要的工艺参数之一，正确地测量和控制压力是保证工业生产过程良好地运行，达到高产优质低耗及安全生产的重要环节。 压力

2、的定义压力的定义 压力是垂直而均匀地作用在单位面积压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力，即物理学中常称的压强。工程上，上的力，即物理学中常称的压强。工程上，习惯把压强称为压力。习惯把压强称为压力。由此定义，压力可表示为: 式中 p压力； F垂直作用力；S受力面积SFp 压力的表示方法压力的表示方法 由于参照点不同，在工程上压力有几种不同表示方法。(1)绝对压力绝对压力 被测介质作用于物体表面上的全部压力称为绝对压力，用符号 表示。(2)大气压力大气压力 由地球表面空气质量所形成的压力，称为大气压力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件而变化，用符号 表示。ip0p(3)表压力表压力 绝对压力与当

3、地大气压之差称为表压力，用符号 表示，。通常压力测量仪表总是处于大气之中，其测得的压力值均是表压力。 (4)真空度真空度( (负压负压) ) 当绝对压力小于大气压力时，表压力为负值(负压力)，其绝对值称为真空度，用符号 表示。(5)差压差压( (压差压差) ) 任意两个压力p1、p2之差称为差压 ， 。gp0pppigVpp21ppp这几种表示法的关系如图3-1所示。此外，工程上按压力随时间的变化关系还有静态压力(不随时间变化或变化缓慢的压力)和动态压力(随时间作快速变化的压力)之分。 压力的计量单位 压力是力和面积的导出量。在国际单位制中，取力的单位为牛顿，面积单位为米2，则压力单位为牛顿/

4、米2，用符号N/m2表示；压力单位又称为帕斯卡或简称帕，符号为Pa。1Pa1N/m2。因帕单位太小，工程上常用kPa(103Pa)和MPa(106Pa)表示。我国已规定帕斯卡为压力的法定单位。n由于历史发展的原因、单位制的不同以及使用场合的差异，压力还有多种不同的单位。目前工程技术部门仍在使用的压力单位有工程大气压、物理大气压、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。压力单位换算表单 位帕Pa(N/m2)巴(bar)毫米水柱(mmH2O)标准大气压(stm)工程大气压(kgf/cm2)毫米汞柱(mmHg)磅力/英吋2(lbf/m2)帕Pa(N/m2)1110-51.01971610-10.986923610

5、-51.01971610-50.7500610-21.45044210-4巴(bar)110511.0197161040.98692361.0197160.750061031.45044210毫米水柱(mmH2O)0.980665100.98066510-410.967810-4110-40.7355610-11.422310-3标准大气压(stm)1.013251051.013251.03322710411.03320.761031.469610工程大气压(kgf/cm2)0.9806651050.98066511040.967810.735561031.42239810毫米汞柱(mmHg)

6、1.3332241021.33322410-31.35951101.31610-31.3595110-311.93410-2磅力/英吋2(lbf/m2)0.680491040.6804910-10.703071030.680510-10.7030710-10.517151021 压力检测的基本方法 根据不同工作原理，压力检测方法可分为如下几种： (1)重力平衡方法这种方法利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理，将被测压力转换为液柱高度或平衡砝码的重量来测量。例如液柱式压力计和活塞式压力计。 (2)弹性力平衡方法 利用弹性元件受压力作用发生弹性变形而产生的弹性力与被测

7、压力相平衡的原理，将压力转换成位移，通过测量弹性元件位移变形的大小测出被测压力。此类压力计有多种类型，可以测量压力、负压、绝对压力和压差，应用最为广泛。(3) (3) 机械力平衡方法机械力平衡方法这种方法是将被测压力经变换元件转换成一个集中力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的外力测知被测压力。力平衡式仪表可以达到较高精度，但是结构复杂。 (4) (4) 物性测量方法物性测量方法 利用敏感元件在压力的作用下，其某些物理特性发生与压力成确定关系变化的原理，将被测压力直接转换为各种电量来测量。如应变式、压电式、电容式压力传感器等等。n在工业过程控制与技术测量过程中，由于机械式压力表的弹性敏感元件具有

8、很高的机械强度以及生产方便等特性，使得机械式压力表得到越来越广泛的应用。n机械压力表中的弹性敏感元件随着压力的变化而产生弹性变形。机械压力表采用弹簧管（波登管），膜片，膜盒及波纹管等敏感元件并按此分类。所测量的压力一般视为相对压力。一般相对点选为大气压力。弹性元件在介质压力作用下产生的弹性变形，通过压力表的齿轮传动机构放大，压力表就会显示出相对于大气压的相对值(或高或低)。 n在测量范围内的压力值由指针显示，刻度盘的指示范围一般做成270度。 压力表的分类：压力表的分类： 压力表按其测量精确度，可分为精密压力表、一般压力表。精密压力表的测量精确度等级分别为0.1、0.16、0.25、0.4级；

9、一般压力表的测量精确度等级分别为1.0、1.6、2.5、4.0级。 n压力表按其指示压力的基准不同，分为一般压力表、绝对压力表、差压表。一般压力表以大气压力为基准；绝压表以绝对压力零位为基准；差压表测量两个被测压力之差。 n压力表按其测量范围，分为真空表、压力真空表、微压表、低压表、中压表及高压表。真空表用于测量小于大气压力的压力值；压力真空表用于测量小于和大于大气压力的压力值；微压表用于测量小于60000 Pa的压力值；低压表用于测量06MPa压力值；中压表用于测量1060MPa压力值；高压表用于测量100MPa以上压力值。 n耐震压力表的壳体制成全密封结构，且在壳体内填充阻尼油，由于其阻尼

10、作用可以使用在工作环境振动或介质压力（载荷）脉动的测量场所。 n带有电接点控制开关的压力表可以实现发讯报警或控制功能。 n 带有远传机构的压力表可以提供工业工程中所需要的电信号（比如电阻信号或标准直流电流信号）。 n隔膜表所使用的隔离器（化学密封）能通过隔离膜片，将被测介质与仪表隔离，以便测量强腐蚀、高温、易结晶介质的压力。n 压力表的弹性元件机械压力表中的弹性敏感元件随着压力的变化 n而产生弹性变形。机械压力表采用弹簧管（波登管）、膜片、膜盒及波纹管等敏感元件并按此分类。敏感元件一般是由铜合金、不锈钢或由特殊材料制成。 n弹簧管（波登管）分为C型管、盘簧管、螺旋管等型式。一般采用冷作硬化型材

11、料坯管，在退火态具有很高的塑性，经压力加工冷作硬化及定性处理后获得很高的弹性和强度。弹簧管在内腔压力作用下，利用其所具有的弹性特性，可以方便地将压力转变为弹簧管自由端的弹性位移。弹簧管的测量范围一般在0.1MPa 250MPa。 n膜片敏感元件是带有波浪的圆形膜片，膜片本身位于两个法兰之间，或焊接在法兰盘上或其边缘夹在两个法兰盘之间。膜片一侧受到测量介质的压力。这样膜片所产生的微小弯曲变形可用来间接测量介质的压力。压力的大小由指针显示。膜片与波登管相比其传递力较大。由于膜片本身周围边缘固定，所以其防振性较好。n膜片压力表可达到很高的过压保护（比如膜片贴附在上法兰盘上）。膜片还可以加上保护镀层以

12、提高防腐性。利用开口法兰、冲洗、开口等措施可用膜片压力表测量粘度很大、不清洁的及结晶的介质。膜片压力表的压力测量范围在1600Pa 2.5 MPa。 n膜盒敏感元件由两块对扣在一起的呈圆形波浪截面的膜片组成。测量介质的压力作用在膜盒腔内侧，由此所产生的变形可用来间接测量介质的压力。 n压力值的大小由指针显示。膜盒压力表一般用来测量气体的微压，并具有一定程度的过压保护能力。几个膜盒敏感元件叠在一起后会产生较大的传递力来测量极微小的压力。膜盒压力表的压力测量范围在250Pa 60000Pau压力传感器从其原理及结构来看可分为：液柱式、机械式及电气式u测量压力的仪表，按信号原理不同，大致可分为四类：

13、n液柱式：根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度。n机械式：根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移。n电气式：将被测压力转换成各种电量，如电感、电容、电阻、电位差等，依据电量的大小实现压力的间接测量。n活塞式：根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量。n利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的原理，通过液柱高度来反映被测压力的大小n优点：结构简单，使用方便，有相当高的准确度，在本专业中应用很广泛n缺点：量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管容易损坏及读数不方便 液体压力计种类： U型管压力计、 杯型压力计、斜管式微压计等。弹性式压力计弹性

14、元件的结构和压力测量范围弹性元件的结构和压力测量范围膜片结构示意膜片结构示意（a）平面膜片；（）平面膜片；（b）波纹膜片；（）波纹膜片；（c）挠性膜片挠性膜片 膜盒结构示意图膜盒结构示意图 膜片膜盒n弹簧管是横截面呈非圆形(椭圆形或扁圆形)，弯成圆弧状(中心角常为270)的空心管子。管子的一端为封闭，另一端为开口。闭口端作为自由端，开口端作为固定端。 3、弹簧管压力表 弹簧管压力表是生产过程中和实验室应用非常普遍的 测压仪表。它可以测量压力，也可以测量真空。按照使用的弹簧管的种类可分为单圈和多圈弹簧管压力表 1）.单圈弹分管压力表的结构及工作原理 结构组成如图所示，主要由 弹簧管、齿轮传动系统

15、（包括 拉杆、扇形齿轮、中心齿轮等） 、指针、刻度盘和外壳等。压力变送器n压力传感器：能够感受压力（压差）并能按一定规律将压力（压差）转换成同种或别种性质输出量的仪表。n弹性元件检测压力的输出只是机械位移信号，该信号可以就地显示，也可以变换为电信号以供远传。这种变换一般称为电变送。其方法很多，如电阻式、电感式、电容式、应变式、力平衡式、霍尔式、振弦式、光纤式等。目前工业生产使用的电变送后的压力信号都是标准化的电流或电压信号，其变送器都是定型的产品。一、压力表的选择1、类别选择：压力仪表的选用与安装压力仪表的选用与安装n1、一般根据被测介质的性质，比如状态(气体、液体)、温度、粘度、腐蚀性、玷污

16、程度、易燃和易爆程度等来选择压力仪表的类别。比如用来测量液体介质的压力时，压力变化缓慢的多选用普通压力表，压力波动较大的多选用防震压力表；测量易燃易爆气体介质的压力时，多选用带有“禁油”标志的氧压表、乙炔表；测量气体负压时多选用真空表或压力真空表。 当测量粘稠或酸碱等特殊介质的压力时，应选用不锈钢弹簧管、不锈钢机芯的压力表。当有定点报警要求时可选用电接点压力表。当有其它特殊要求时可选用远传压力表、压力圆图记录仪或其它仪表。2、测量量程的选择 压力仪表的上限选择的合适与否，不仅关系到测量的准确度，同时也关系到压力仪表的使用寿命，所以在选择压力仪表的测量上限时，一般应留有一定的余地。 3、准确度的

17、选择： 压力仪表准确度的选择是讲究科学性、合理性的，许多人片面追求高精度因而造成浪费，而选择过低准确度的压力表又无法满足测量准确度的要求。 n压力检测仪表的精度主要根据生产允许的最大误差来确定，即要求仪表的基本误差应小于实际被测压力允许的最大绝对误差。另外，在选择时应坚持节约的原则，只要测量精度能满足生产的要求，就不必追求用过高精度的仪表。n常用压力仪表的精度有1.0级、1.6级、2.5级、4.0级等四个级别。在实用中，应先选定仪表的测量上限，然后试选一准确度等级，并按上述公式计算出最大允差。如果允差值小于工艺要求的准确度，则可选择该准确度等级的压力仪表；如果允差值超过工艺要求的准确度，则需更

18、换准确度高一级的压力仪表。n4、表径的选择n压力仪表的表径指仪表外壳的直径，常用的有60mm、 l00mm、 150mm、200mm、250mm等规格。n一般根据检测，仪表所处位置和照明情况来选用适合的表径，以能便于观察清楚为宜。在远距离和较暗处，适于用中l00mm 以上直径的仪表。二、压力仪表的正确安装与使用： 进行压力检测，实际上需要一个测量系统来实现。要做到准确测量，除对仪表进行正确选择和检定(校准)外，还必须注意整个系统的正确安装。 n如果只是仪表本身准确，其示值并不能完全代表被测介质的实际参数，因为测量系统的误差并不等于仪表的误差。系统正确安装包括取压口的开口位置、连接导管的合理铺设

19、和仪表安装位置的正确等。n n对于新购置的压力仪表，在安装使用之前，一定要进行计量检定，以防压力仪表运输途中震动、损坏或其它因素破坏准确度。取压口的位置选择： 1）取压口应与工质流速方向垂直，与设备内壁平齐 2）防止仪表感受件与高温和有害的被测介质接触。高温介质要冷凝，含尘气体要设灰尘捕集器；腐蚀介质应加装隔离容器 n3）仪表与取压口如不在同一水平上，应注意校正由于高度差对仪表造成的额外的读数误差。n 4）压力取出口位置，测量气体介质应在工艺管道的上部，测量蒸汽应在工艺管道的两侧，测量液体压力应在工艺管道的下部。 (5)为了准确测得静压，压力表取压点应在直管段上，并设切断阀；其中，清洁无腐蚀性

20、介质用针形阀粘度大，有腐蚀性介质用闸阀，可免除突然的压力波动和消除脉动。使用于腐蚀性介质和重油时，可在压力表和阀门间装隔离器，隔离器内装隔离液(隔离液可为轻柴油或甘油水溶液等)。 (6)工艺设备上的测压点开口应在气相段。对立式高设备(例如分馏塔)顶部压力。可沿塔顶出口管在其较低处取压，以便于维护检修。(7)取压点的位置要注意工艺管道分叉、阀前、阀后，严格按工艺流程要求，同一处测压点，压力表和压力变送器可合用一个取压口。n(8)压力表管嘴安装位置一般离焊缝大于 100mm，距法蓝小于300 mm。n(9)现场指示用压力表的设置位置，最适宜的高度为13001800 mm ，过高时(2200 mm)

21、应设平台或直梯，以便检查和维护。(12)避免处于管路弯曲、分又及流束形成涡流的区域。(13)当管路中有突出物体(如测温元件)时，取压口应取在其前面。n(14)当必须在调节阀门附近取压时，若取压口在其前，则与阀 门距离应不小于2倍管径；若取压口在其后，则与阀门距离应不小于3倍管径。n(15)对于宽广容器，取压应处于流体流动平稳和无涡流的区域。n 总之，在工艺流程上确定的取压口位置应能保证测得所要选取的工艺参数。2. 导压管的铺设导压管是传递压力、压差信号的。连接导管的铺设： 连接导管的水平段应有一定的斜度，以利于排除冷凝液和气体。当被测介质为气体时，导管应向取压口方向低倾；当被测介质为液体时，导

22、管应向测压仪表方向倾斜；当被测参数为较小差压值时，倾斜度可再稍大一点。 此外，如导管在上下拐弯处，则应根据导管中的介质情况，在最低点安装排泄冷凝液体装置或在最高处安置排气装置，以保证在相当长的时间内不致因在导管中积存冷凝液体或气体而影响测量的准确度，冷凝液体或气体要定期排放。 导压管粗细长短要合适，一般内径为68 mm，长度不超过50mm。必要时采取措施，防止被测介质冷凝或结冰。导压管敷设时，应保持1：1 01：20的坡度，以利于导压管内积存的少量液体或气体的排出。物位测量：物位测量：液位液位气体和液体间的分界面。气体和液体间的分界面。界位界位两种不同液体间的接触面；液体与固体间的两种不同液体

23、间的接触面；液体与固体间的 接触面。接触面。料位料位气体与固体颗粒或粉末的分界面。气体与固体颗粒或粉末的分界面。返回返回 物位测量的目的物位测量的目的在于要正确的测知容器或设备中存储物在于要正确的测知容器或设备中存储物质的容量或质量。这不仅是物料消耗或产量计量的参数，也质的容量或质量。这不仅是物料消耗或产量计量的参数，也是保证连续生产和设备安全的重要参数。是保证连续生产和设备安全的重要参数。 测量液位、界位或料位的仪表称为物位测量仪表又称物测量液位、界位或料位的仪表称为物位测量仪表又称物位计，进而又分：液位计、界位计和料位计。这些仪表由于位计，进而又分：液位计、界位计和料位计。这些仪表由于其测

24、量的对象不同，且应用的工况亦不同，因此其原理、结其测量的对象不同，且应用的工况亦不同，因此其原理、结构和使用方法亦不相同。本章仅对常用的测量方法及典型仪构和使用方法亦不相同。本章仅对常用的测量方法及典型仪表进行介绍。表进行介绍。物位检测仪表的分类物位检测仪表的分类按测量方式：按测量方式：连续测量连续测量和和定点测量定点测量（物位开关）（物位开关）按工作原理：按工作原理：直读式物位仪表浮力式物位仪表静压式物位仪表电气式物位仪表核辐射式物位仪表声波式物位仪表雷达式物位仪表磁致伸缩物位仪表光学式物位仪表机械式物位仪表玻璃管液位计玻璃管液位计浮标液位计浮标液位计浮筒液位计浮筒液位计法兰式物位计法兰式物

25、位计 利用漂浮于液面上的浮子高度或浸入液体中浮利用漂浮于液面上的浮子高度或浸入液体中浮 子的浮力变化测知液位或界位。子的浮力变化测知液位或界位。恒浮力式恒浮力式自动跟踪式、浮标式、浮球式、钢带式液位计自动跟踪式、浮标式、浮球式、钢带式液位计等。等。变浮力式变浮力式浮筒式液位计浮筒式液位计 浮力不变。浮子永远漂浮在液面上，位置随着液位变化。浮力不变。浮子永远漂浮在液面上，位置随着液位变化。浮力变化。浮子浸没在液体里，浮力随液位变化。浮力变化。浮子浸没在液体里，浮力随液位变化。 返回返回测量原理：测量原理：返回返回一、恒浮力式一、恒浮力式 浮子位置随液位高低而变，检测其位移，可知液位高度。浮子位置

26、随液位高低而变，检测其位移，可知液位高度。浮球式液位计浮球式液位计 OBGOAFW )（1. 工作原理工作原理2. 特点特点（1）量程小，受连杆长度和角度限制；）量程小，受连杆长度和角度限制；（2）精度低，最高）精度低，最高0.5级左右；级左右；（3）适用于温度、粘度较高，压力不）适用于温度、粘度较高，压力不 高的液位测量。高的液位测量。W浮球的重力；浮球的重力；G重锤的重力；重锤的重力；OA转轴到浮球中心垂直距离；转轴到浮球中心垂直距离；OB转轴到重锤中心垂直距离。转轴到重锤中心垂直距离。内浮球液位计内浮球液位计返回返回浮球式液位计浮球式液位计 返回返回 液柱静压液柱静压P=gH，与介质密度

27、和液柱高度成正比。，与介质密度和液柱高度成正比。gHPPPgHPPABAB 其中：其中：P差压值；差压值； H液位高度；液位高度； 介质密度；介质密度； g重力加速度。重力加速度。敞口容器：敞口容器：差压变送器负压室通大气或压力变送器。差压变送器负压室通大气或压力变送器。密闭容器：密闭容器：差压变送器负压室连接容器的气相部分。差压变送器负压室连接容器的气相部分。 一、工作原理一、工作原理 返回返回操作条件不变时，测静压得液位。操作条件不变时，测静压得液位。二、零点迁移二、零点迁移 gHPPPAB差压变送器测液位，一般情况下：差压变送器测液位，一般情况下： 实用中，大多数情况下，存在实用中，大多

28、数情况下，存在零点迁移零点迁移问题。问题。 此为理想情况，称为此为理想情况，称为无迁移无迁移。即：即：H=0 ，P =0 1. 正迁移正迁移ghgHpH = 0 P=hg 0 I 4mA；H = Hmax Pmax=Hmaxg + hg I 20mA正迁移正迁移(图图3-14)ghgHp102p返回返回设设: 变送器量程变送器量程Pmax = 5000Pa hg = 2000Pa调整压差为大于零的附加静压，称正迁移。H = 0 P = 2000Pa 调零点迁移使调零点迁移使 I= 4mA；H = Hmax Pmax= 5000+2000=7000Pa I= 20mA。2. 负迁移负迁移 负压侧

29、与取压点之间安装隔离罐或冷凝罐。负压侧与取压点之间安装隔离罐或冷凝罐。H = 0 P= -hg0 I 4mAH = Hmax Pmax=Hmaxghg I 4mA 气气pgHp 1气气pghp 2返回返回设设: 变送器的量程变送器的量程Pmax = 5000Pa, hg =5000Pa。 H = 0 P = - 5000Pa，调整零点迁移使，调整零点迁移使 I = 4mA； H = Hmax=h Pmax= 5000-5000 = 0 I = 20mA。调整压差为小于零的附加静压，称负迁移。如何判断正负迁移、计算迁移量、迁移后的测量范围如何判断正负迁移、计算迁移量、迁移后的测量范围？(1) 分

30、别计算正负压室两侧静压分别计算正负压室两侧静压P1、P2 , 求求P =P1 -P2 (2) 令被测液位令被测液位H =Hmin时时: 即即: Pmin = 迁移量迁移量D ， 其代数和为正则其代数和为正则正迁移正迁移； 为零则为零则无迁移无迁移； 为负则为负则负迁移负迁移。(3) 差压变送器量程差压变送器量程: L = Hmaxg(4) 迁移后的测量范围：迁移后的测量范围：DL+D 返回返回用于腐蚀性或含悬浮颗粒、粘度大、易凝等介质测量。用于腐蚀性或含悬浮颗粒、粘度大、易凝等介质测量。 采用法兰式差压变送器，采用法兰式差压变送器，原理及方法与差压变送器相同。原理及方法与差压变送器相同。3h三

31、、法兰式差压式液位计三、法兰式差压式液位计 差压式液位计差压式液位计 有单法兰、双法兰、插入式、平法兰等结构形式。返回返回单法兰式压力变送器单法兰式压力变送器返回返回返回返回双法兰式差压变送器双法兰式差压变送器2. 测量非导电介质测量非导电介质H=0： rRlnL2C00rRHLrRHCxxln)(2ln20 H=H：0 气相介质介电常数。气相介质介电常数。x 被测液体介电常数。被测液体介电常数。返回返回1. 工作原理工作原理返回返回超声波液位计超声波液位计 所谓超声波一般是指频率高于可听频率极限(20kHz以上频段)的弹性振动，这种振动以波动的形式在介质中的传播过程就形成超声波。超声波在穿过不同介质的分界面时会产生反射，根据超声波从发射至接收到反射回波的时间间隔与物位高度之间的关系，就可以进行物位的测量。1. 工作原理工作原理返回返回超声波液位计超声波液位计 (1)声波阻断型。当液体或固体物料在储罐、料仓中积存高度达到预定高度位置时，超声波即被阻断，即可发出报警信号或进行限位控制。 (2)声波反射型。它是利用超声波回波测距的原理，可以对液位进行连续测量。根据传声介质的不同，有气介式、液介式和固介式。2. 测量方法测量方