热工测量及仪表(压力)

1、1,热工测量及仪表 第8章 压力及压差测量,任课教师： 曹 勇 电 话2,一、基本概念及意义,压力 垂直作用于物体表面上的力。 压强 垂直作用于单位面积物体表面上的力。 “通常所说的压力实际上是指压强。” 压差 测量两个压力之差称压差。 表压力压力仪表指示的压力值。 缺省情况下，所说的压力值即指表压力， 表压力可正可负，为负时其绝对值称为真空度。 意义：供水、供气、液压、轧制力、挤压力等,3,帕(Pa) N/m2，国际单位 兆帕(MPa) 106Pa 工程大气压， kgf/cm2 ，98070 Pa，约等于一个大气压（1.013105 Pa) 1mmH2O= 9.81

2、 Pa 1mmHg =133 Pa,二、压力单位,4,三压力测量仪表的分类,1液柱式压力计 2弹性式压力计 3负荷式压力计 4电气式压力计,应变式压力传感器,5,3.1 液柱式压力计,分类 U型管压力计 单管压力计 斜管式微压计 特点：结构简单，使用方便，准确度比较高，常用于测量低压、负压、差压。 缺点：体积大，读数不方便，玻璃管易损坏。,6,液柱式压力计,7,3.1.1 U型管压力计,根据流体静力学原理可得：,选用小的1 可提高压力计灵敏度。 选用大的1 可提高压力计的测试范围。,被测介质为气体时，2远小于1，则,8,U型管压力计,9,3.1.2 单管式压力计,A1、A2为常数，这样可通过一

3、次读数进行压差测量。当A2/A1很小时，h1可忽略，公式简化为：,Pd,Px,直管,h1,h2,10,11,3.1.3斜管式压力计,P1,主要用于测量微小的压力、负压和压差。为了减少读数的相对误差，拉长液柱，将测量管倾斜放置。,12,3.1.3斜管式压力计,实际应用时可以改变，越小，灵敏度越高，拉长液柱，会影响读数的准确性，一般15o 。,13,3.1.3 斜管式压力计,P1,14,15,3.1.4液柱式压力计的误差,1环境条件的影响 对于一般的工业测量，主要考虑温度使液体密度变化对压力测量的影响。修正公式为：,重力加速度使液体密度变化的影响,标准重力加速度下的工作液柱高度,使用地点的工作液柱

4、高度,16,3.1.4液柱式压力计的误差,2安装的影响 U形管采用自由悬挂、微压计要安装水平仪，管路不得泄露和堵塞。,3. 毛细管现象的影响 为了减少该误差，通常要求测量管的内径一般 不小于10mm。,17,3.1.4液柱式压力计的误差,4. 读数方面的影响 从凸面或凹面的顶点算起,18,3.2 弹性式压力计,原理：利用各种不同形状弹性感压元件在被测压力的作用下，产生弹性变形制成的测压仪表。 F=CX， F=AP， X=P*A/C C:弹性元件的刚性系数 特点：结构简单、牢固可靠、测压范围广、使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远传。 常用弹性压力表： 膜片式 波纹管式 弹簧管式,19,20,

5、21,膜片,使用时周边夹紧，测低压、微压。将两块膜片沿周边对焊起来，形成一膜盒，膜盒式微压计通常用于测量炉膛和烟道尾部负压。精度等级为2.5，最高可达1.5级。(p147),22,开口端固定，封闭端的位移作为输出，由于波纹管的位移相对较大，大多直接指示，灵敏度高，常用于测量较低的压力（1.0-106Pa）精度等级1.5级。(149) 迟滞性较大。,2波纹管,23,单圈弹簧管 多圈弹簧管(p153),3弹簧管,24,若被测压力大于外界大气压力，产生短轴变长，长轴变短的弹性形变，使管子在弯曲方向上的刚度增大，自由端向管子伸直的方向运动。对应的几何分析如下：,3.2.1弹簧管式压力计,两式相减 :,

6、因为：,可得:,R1,R2,25,弹簧管在量程范围内自由端的位移一般为7-8o，位移量很小。弹簧管作成多圈时，自由端的位移可达45o。弹簧管的自由端的位移可通过杠杆机构带动指针转动，这种机构的指针最大转角为180o，通常作成90度的回转角。最常用的传动机构为杠杆扇形齿轮机构，可使指针转动270o。,26,27,精密压力表,一般压力表,28,3.2.2 电接点压力表,其测量工作原理和一般弹簧管压力计完全相同。 它有一套发讯机构，在指针的下部有两个指针，一个为高压给定指针，另一个为低压给定指针，利用专用钥匙在表盘的中间旋动给定指针的销子，将给定指针拨到所要控制的压力上、下限值上。,电接点压力表（径

7、向）,29,电接点压力表的用途： a、可作为高、低压报警； b、可以接其它继电器等自动设备，起联锁和自 动操作作用； C、但不能远传压力指示。 触点的供电电压：交流电不得超过380V，直流220V以下； 触点的最大容量10VA，电流1A。,30,不锈钢耐震电接点压力表,在热力生产过程中，不仅需要进行压力的显 示，而且还需要将压力控制在某一范围内。例如：锅炉汽包压力，过热蒸汽压力等,31,3.2.3 薄膜式压力计,原理： 压力信号从引压口、导压管引入膜盒，使膜盒产生变形。通过传动机构带动指针转动进行压力值指示。 用途： 常用于火力发电厂锅炉风烟系统的风、烟压力测 量及锅炉炉膛负压测量。 结构图：

8、 测量范围为1504000Pa，准确度等级一般为2.5级。,32,膜合压力表,33,YEJ1、YEJ1F矩形膜合压力表用于测量不起腐蚀作用的空气或其他气体介质的微压或负压，一般用在空气管道、燃烧装置以及其他类似的设备上(p147) 。,矩形膜合压力表,34,3.3 负荷式压力计,特点：应用范围广、结构简单、稳定可靠、准确度高、重复性好。 是检验、标定压力表的标准仪器之一。 常用有活塞式压力计 、浮球式压力计,35,3.3.1 活塞式压力计 原理： 是根据流体静力平衡原理工作的，利用压力作用在活塞上的力与砝码的重力相平衡的原理设计而成的。如图所示。主要由压力发生部分和测量部分组成。,36,压力发

9、生部分,测量部分,37,常用校验压力表的标准仪器 活塞式压力计,38,超高压活塞压力计,39,3.3.2使用注意事项,(1)使用前应检查油路是否畅通，密封处是否紧固，不得存在有堵塞或泄漏的现象。 (2）活塞进入活塞筒中的部分等于活塞全长的2/33/4。 (3)活塞压力计的编号应与专用砝码编号一致。 (4)活塞与活塞筒之间配合间隙非常小，测量时应轻轻地转动活塞。,40,(5)活塞应处于沿直位置，可应用活塞压力计底盘上的水泡来调节。 (6)当用作检定压力仪表的标准仪器时，其压力计的综合误差应不大于被检仪表基本误差的绝对误差的1/3,41,3.3.3 浮球式压力计 组成：由浮球、喷嘴、砝码支架、专业

10、砝码、流量调节器、气体过滤器、底座组成。 浮球压力计主要用于计量室、实验室以及生产或科学实验环节作为压力基准器使用。,42,浮球式压力计是以压缩空气或氮气作为压力源，以精密浮球处于工作状态时的球体下部的压力作用面积为浮球有效面积的一种气动负荷式压力计 。如右图所示。,（右图） 浮球式压力计原理图,43,工作原理 从汽源来的压缩空气经气体过滤器减压，再经流量调节器调节,达到所需流量(由流量计读出)后，进入内腔为锥形喷嘴，并喷向浮球，气体向上的压力使浮球在喷嘴内漂浮起来，浮球上挂有砝码，和砝码架，当浮球所受的向下的重力和向上的浮力相平衡时，就输出一个稳定而准确的压力。,44,浮球式压力计具有下列特

11、点：（与活塞式压力计相比）,1、浮球式压力计内置自动流量调节器，增、减砝码后无须再作任何操作，即可得到精确的输出压力； 2、工作时 浮球不下降，可连续稳定地输出精确的压力信号； 3、浮球式压力计具有流量自行调节功能，其精确度与操作者的技术水平无关；,45,4、仪器工作时气流使浮球悬浮于喷嘴内，球体与喷嘴之间处于非接触状态。其摩擦小、重复性好、分辨能力高，且免除了旋转砝码的必要。这是浮球式压力计所独具的特性；,46,5、工作进程中，气流能不断地对浮球体进行自清洗，确保仪器的高可靠性。浮球式压力计的底盘安装在一个箱式底座上（右图所示），底盘即为压力计的工作台面。其上设有水平仪和操控阀，其下侧设有气

12、源接口，用于压力计与压力源的连接。,47,3.4 电气式压力表,电气式压力表是利用压力敏感元件，将被测压力转换成各种电量，如电阻、频率、电荷量等来实现测量的。 能实现压力电量转换的压敏元件主要有压电材料、应变片和压阻元件。 适合于压力变化快和高真空、超高压的测量。主要有压电式压力计、压阻式压力计等。,48,3.4.1 压电式压力计 主要用于测量内燃机汽缸、进排气管压力 。 压电效应：压电材料受压时发生机械变形，在其两个相对表面上产生电荷分离，使其中一个表面带正电荷，另一个带负电荷，其电荷量与所受的压力成正比。 压电元件：具有压电效应的材料。 压电材料：单晶体、多晶体。 特点：结构简单、紧凑，小

13、巧轻便，工作可靠，线性度好，频率响应高，量程范围广。,49,工作过程： 压电元件被夹在两块性能相同的弹性元件（膜片）之间，膜片的作用是把压力收集转换成集中力，再传递给压电元件。,50,电气式压力计开机显示图,电气式压力计使用接管图,51,3.4.2 压阻式压力计 压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件，它指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。 扩散电阻正常工作需依附弹性元件，常用的是单晶硅膜片。,52,53,优点：体积小，结构简单，能直接反映微小的压力变化，动态响应好 缺点：敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数的大小,54

14、,四、压力传感器和变送器,为适应集中检测、热工保护、自动调节等热工测量和自动化的需要，通常测压弹性元件输出的位移或力变换成统一 的电信号，为此产生了压力变送器。常用传感器有电位式、电感式、霍尔式、平衡式、电容式、应变式、振弦式和智能型等八种。（p156）,55,4.1 电容式变送器 电容式变送器主要用于连续测量流体介质的压力、差压、流量、液位等热工参数，将它们转换成直流电流。类型有差动电容式和单端电容式。 1、1151系列差动式变送器 电容式变送器结构上由测量和转换两部分构成。,56,1151电容式压力变送器的总体结构,被测差压p作用在金属膜片上，使膜片产生微小位移d，引起差动电容量发生变化，

15、再由测量电路和放大输出电路将电容量的变化转换成标准电流信号。 它采用24V（DV）集中供电， 42OmA的二线制电流信号。,57,测量部分工作原理 电容式变送器有一个可变电容的传感器组件，称为元件，被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在元件的两侧隔离膜片上，过程压力通过隔膜片和元件内的填充液传到中心的测量膜片两侧，当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容就不等。膜片和两侧固定电容极板之间的电容差由电子电路检测、放大转换成4-2OmA的标准直流电流信号输出。(p146),58,1151系列差动式变送器,59,1151功能参数,1、使用对象：液体、气体和蒸

16、汽 ； 2、测量范围：00.1KPa至040MPa ； 3、输出信号：420mADC（特殊可为四线制 220VAC供电，010mADC输出）； 4、供电电源：1245VDC，一般为24VDC； 5、负载特性：与供电电源有关，在某一电源电压是带负载能力，负载阻抗RL与电源电压Vs关系式：R150（Vs-12） 6、指示表：指针式线性指示0100%刻度或LCD液晶式显示。 7、防暴：a.隔爆型：dIIBT4 b.本质安全型：iaIICT6 ； 8、量程和零点：外部连续可调 ；,60,9、正负迁移：零点经过正迁移和负迁移后，量程、测量范围的上限值和下限值的绝对值，均不能超过测量范围上限的100%。（

17、智能型：量程比15：1）最大正迁移量为最小调校量程的500%；最大负迁移量为最小调校量程的600% ； 10、温度范围：放大器工作温度范围:-29+93。灌冲硅油的测量元件：-40+104，法兰式变送器灌充高温硅油时:-20+315,普通硅油:-40+149 ； 11、静压：4、10、25、32MPa ；,61,1151系列差压变送器调校与使用,(1) 量程调整范围，任何一台差压变送器，都有一个从最小量程到最大量程的量程范围。 (2)零点调整范围 1151系列差压变送器的正迁移量为其最小量程的500，负迁移量为其最小迁移量的600。必须注意：无论任何情况，进行零点迁移之后，测量膜片所承受的差压

18、值都不能超过变送器的最大量程值，否则将使膜片处于差压和位移关系的非线性区域，而给测量差压带来很大误差，甚至无法工作。,62,无迁移，负迁移，正迁移,63,(3) 零点和量程的调整 调整零点和进行零点迁移对量程没有影响，但调整量程则会影响零点，无零点迁移时影响较小。 a、在变送器输入差压为零时，调零点调整电位 器R35，使输出电流为4mA。 给变送器加满量程的差压信号，调整量程调整电位器R32，使输出电流为20mA。 反复进行零点和满量程的调整直至满足准确度要求为止。,64,b、将被测差压范围分为四等份，按0、25、50、75、100，测出输出电流分别为4、8、12、16、20mA，其误差应小于

19、基本允许误差。 c、在调好变送器准确度之后，进行零点迁移。 根据正或负迁移，将插接件SW1插在相应的位 置上。然后给变送器加零点迁移信号，调整 零点调整电位器R35,使变送器输出电流为4mA。,65,4.2 智能压力变送器,是一种应用集成技术、微机控制及数据通讯的新型仪表。利用现场通讯器，在集中控制室可以对150m以内的各个智能型压力变送器进行各种参数的选择和标定。 罗斯蒙特、EJA系列,66,3051压力变送器,一、工作原理 工作时，高、低压侧的隔离膜片和灌充液将过程压力传递给灌充液，接着灌充液将压力传递到传感器中心的传感膜片上。传感膜片是一个张紧的弹性元件，其位移随所受压而变化（对于GP表

20、压变送器，大气压如同施加在传感膜片的低压侧一样）。AP绝压变送器，低压侧始终保持一个参考压力。传感膜片的最大位移量为0.004英寸（0.1毫米），且位移量与压力成正比。两侧的电容极板检测传感膜片的位置。传感膜片和电容极板之间电容的差值被转换为相应的电流，电压（高速可寻址远程发送器数据公路）输出信号。,67,HQ-3051压力/差压/绝压变送器用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，然后将其转变成420mADC信号输出。HQll5l智能型可与HART手操器相互通讯，通过它进行设定，监控或与上位机组成现场监控系统。HQ-3051现场可调式智能差压变送器，可脱离手操器，通过按键方式实现现场调零、

21、状态等操作。,HQ-3051压力/差压/绝压变送器,68,3051变送器及其分类,3051C型、表压与绝压变送器 性能优异：精度0.075%量程比100:1 表压：校验量程从2.5inH2O至2000psi 绝对压力：校验量程从0.167psia至4000psia 过程隔离膜片：不锈钢，哈氏合金CR， 设计小巧、坚固而质轻，易于安装 3051T型表压与绝对变送器 性能优异：精度0.075% 绝对压力：校验量程从0.3至10000psi 表压：校验量程从0.3至10000psi 单隔离膜片设计 灌充液：硅油与惰性油 可选DIN与Autoclave相配的过程连接,69,罗斯蒙特3051远传,EJA

22、差压变送器,70,五、检测仪表的选择与校验,5.1 压力表的选择 （1）根据被测压力的种类、被测压力的介质、化学性质和用途及生产过程的技术要求（仪表输出信号的要求，使用的环境） （2）压力表的种类与结构形式 可选弹性式压力表或非弹性式压力表； 就地、集中控制盘。,71,从被测介质压力大小考虑,72,从被测介质的性质考虑 从仪表输出信号的要求考虑,73,（3）仪表量程的选择 被测压力较稳定时：最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3； 被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过仪表满量程的1/2； 测量高压时：不应超过量程的3/5。 为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的1/3。

23、设仪表满量程为Pm，则被测压力为P应满足以下关系： 测量平稳压力： 1/3 Pm P 3/4 Pm 测量波动压力： 1/3 Pm P 2/3 Pm 优先满足最大工作压力条件原则。,74,我国目前的测压仪表是按统一系列量程生产，其上限刻度值有1kPa、1.6kPa、2.5kPa、4.0kPa、6.0kPa及它们的10n倍数。 我国规定的测压仪表准确度等级： 标准仪表：0.05、0.1、0.16、0.2、0.25、0.35； 工业仪表：0.5、1.0、1.5、2.5、4.0。 （4）仪表准确度等级的选择 压力检测仪表的准确度主要根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小

24、于仪表的基本误差。,75,有一压力容器，压力范围0.4-0.6MPa，压力变化速度较缓，不要求远传。试选择压力仪表（给出量程和精度等级）测量该压力，测量误差不大于被测压力的4%.,例题：,76,解：,最大工作压力0.6MPa,最小工作压力0.4MPa,被测压力的最大示值绝对误差,所选仪表的基本误差,所以可选择量程范围为01.0MPa弹簧管压力表,可选择1.5级的压力表,77,5.2 压力仪表的校验,就是将被校验压力表和标准压力表通以相同压力，比较它们的指示数值，如果被校表对于标准表的读数误差，不大于被校表规定的最大准许绝对误差时，则认为被校表合格。,78,5.2.1 常用的校验仪器 校验的标准

25、仪器为活塞式压力计，它由压力发生部分和测量部分组成，它的精度等级有0.02、0.05和0.2级，可用来校准0.25级精密压力表，也可校准各种工业用压力表，被校压力的最高值为60MPa。,79,压力发生部分,测量部分,80,5.2.2 校验方法： (1)校验点应在测量范围内均匀选取4个点， (2)均匀增压至刻度上限,保持上限压力3min,然后,均匀降至0,主要观察指示有无跳动/停止或卡塞现象; (3)单方向增压至校验点后读数,轻敲表壳再读数.然后再单方向缓慢降压至每一校验点进行校验,并计算出被校表的基本误差,变差/零位和轻敲位移。,81,六、 压力表的安装,6.1 取压口的选择 A 取压口位置 (1) 取压点应选在被测介质流动的直管道上，避免处于管路弯曲、分叉及流束形成涡流的区域。 (2) 取压口开口位置的选择应使压力信号走向合理,避免水塞、气塞或流入污物。 (3) 取压口应无机械振动或振动不至于引起测量系统的损坏。,82,(4) 测量差压时，两个取压口应在同一水平面上。 (5) 导压管最好不要伸入被测对象内部。 (6) 取压口与仪表(测压口)应在同一水平面上,否则应进 行校正。 (7)当管路中有突出物体（如测温元件）时，取压口应取 在其前面 。 (8)当必须在调节阀门附近取压时，