第2章 压力测量.ppt

1、第2章 压力测量,压力：化工生产中，由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。 化工生产中，通常遇到压力和真空度的测量。若压力不符合要求，不仅会影响生产效率，降低产品质量，还会造成严重生产事故。化学反应中，压力既影响物料平衡关系，也影响化学反应速度。所以，压力的测量与控制，对保证生产过程正常进行，达到高产、优质、低消耗和安全是十分重要的,三种压力表示方法,绝对压力 pa 表压力 p 负压或真空度 ph,第一节 压力单位及测压仪表,绝对压力是指物体所受的实际压力。,表压是指一般压力表所测得的压力，它是高于大气压力的绝对压力与大气压力之差，即,真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差，有时也称

2、为负压，即,由于各种工艺设备和检测仪表通常是处于大气之中，本身就承受着大气压力，因此工程上通常采用表压或者真空度来表示压力的大小，一般的压力检测仪表所指示的压力也是表压或者真空度。 除特殊说明之外，以后所提及的压力均指表压。,压力检测仪表的分类,目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多，根据敏感元件和转换原理 的不同，一般分为四类： (1)液柱式压力检测 一般采用充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管进行测量。 (2)弹性式压力检测 它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移进行测量的。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。 (3)电气式压力检测 它是利用敏感元件将被测压力直接

3、转换成各种电量进行测量的仪表，如电阻、电荷量等。 (4)活塞式压力检测 它是根据液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来进行测量。 活塞式压力计的测量精度较高，允许误差可以小到0.050.02，它普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行检定。,液柱式压力检测,液柱式压力检测是以液体静力学原理为基础的，它们一般采用水银或水为工作液，用U型管进行测量，常用于较低压力、负压或压力差的检测。,特点：直观、可靠、准确度较高等，但U形管只能测量较低的压力或差压，为了便于读数，U形管一般是用玻璃做成，易破损，另外它只能进行现场指示。,用U形管进行压力检测，其误差来源主要有： 温度

4、误差由使用环境温度的变化引起的测量误差。 它主要包括两个方面：一是标尺长度随温度的变化（要求U形管材料的温度系数极小）；二是工作液密度随温度的变化。例如水，当温度从10变到20时，其密度从999.8kg/m3减小到998.3kg/m3，相对变化量为0.15。 安装误差当U形管安装不垂直时将会产生安装误差。例如 若倾斜5，读数误差约0.38。,第二节 弹性式压力计,弹性式压力检测是用弹性元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。,膜 片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度不高，一般为2.5级。膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件

5、把压力转换成电信号； 波纹管的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（1.0106Pa），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级； 弹簧管结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达0.15级。,弹簧管和弹簧管压力表,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。,被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个

6、内腔，由于弹簧管的非圆横截面，使它有变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生位移，同时改变其中心角。位移量（中心角改变量）和所加压力有如下的函数关系：,式中0为弹簧管中心角的初始角；为受压后中心角的改变量；R为弹簧管弯曲圆弧的外半径；h为管壁厚度；a、b为弹簧管椭圆形截面的长、短半轴。,1弹簧管 2拉杆 3扇形齿轮 4中心齿轮 5指针 6面板 7游丝 8调节螺钉 9接头 图3-18 弹簧管压力表,弹簧管自由端B的位移量一般很小，需要通过放大机构才能指示出来,为了加大弹簧管自由端的位移量，也可采用多圈弹簧管，其原理与单圈弹簧管相似。,单圈弹簧管压力表是工业现场使用最普遍的就

7、地指示式压力检测仪表（也有电接点输出的弹簧管压力表）,弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉、测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压,一般的工业用弹簧管压力表的精度等级为1.5级或2.5级，但根据制造的要求，其精度等级最高可达0.15级。,在化工生产过程中，常需要把压力控制在某一范围内，即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。将普通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。,警惕！,15,压力表指针上有动触点2，表

8、盘上另有两根可调节指针，上面分别有静触点1和4。当压力超过上限给定数值时，2和4接触，红色信号灯5的电路被接通，红灯发亮。若压力低到下限给定数值时，2与1接触，接通了绿色信号灯3的电路。1、4的位置可根据需要灵活调节。,16,膜盒式差压变送器,工作原理：力矩平衡,检测元件膜盒或膜片,杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构,膜盒式差压变送器构成,P,测量部分,Fi,杠杆系统,M,放大器,反馈部分,Ff,Io,定义,电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。,17,第三节 电气式压力计,组成,一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。常用的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制

9、器、微处理机等。,图2-5 电气式压力计组成方框图,18,第三节 电气式压力计,工作原理,22,先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。,一、电容式差压变送器,第三节 电气式压力计,一、电容式差压变送器,电容式差压变送器采用差动电容作为检测元件 主要包括测量部件和转换放大电路两部分：,差压电容膜盒,电容-电流转换电路,调零、零 迁电路,电流放大器,反馈电路,p,C,Ii,If,Iz,Io,测量部分,转换放大部分,第三节 电气式压力计,P=0 Ci1=Ci2=15pF,P0 Ci1的电容量减小 Ci2的电容量增大,差动电容测量原理,电容式差压变送器测量原理,电容式压力变送器，目前在工业生

10、产中应用非常广泛，其输出信号也是标准4 20mADC电流信号。 电容式压力变送器是先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量的。,电容式差压变送器的原理图可见传感器有左右固定极板，在两个固定极板之间是弹性材料制成的测量膜片，作为电容的中央动极板，在测量膜片两侧的空腔中充满硅油。 电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达0.2级。,19,应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属和半导体应变片两类

11、，被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩（拉伸）应变时，其阻值减小（增加），再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。,二、 应变片压力/差压变送器,二、 应变片压力/差压变送器,利用金属或半导体材料制成的电阻体的阻值可表示为：,当电阻体受外力作用时，电阻体的长度、截面积或电阻率会发生变化，即其阻值也会发生变化。这种因尺寸变化引起阻值变化称为应变效应。 应变片多以金属材料为主，一般和弹性元件一起使用。,应变筒的上端与外壳固定在一起，下端与不锈钢密封膜片3紧密接触，应变片r1和r2用胶合剂贴紧在应变筒的外壁，与筒体之间不发生相对滑

12、动。 r1沿应变筒轴向贴放，作为测量片；r2沿径向贴放，作为温度补偿片。 图中应变片r1、r2的静态性能完全相同。当膜片受到外力作用时，弹性筒轴向受压，使应变片r1产生轴向应变，阻值变小；而应变片r2受到轴向压缩，引起径向拉伸，阻值变大。实际上，r2的变化量比r1的变化量要小，r2的主要作用是温度补偿。,是应变片阻值变化量的测量电桥，图中R3和R4是两个阻值相等的精密固定电阻。,不受压时 r1= r2=r0 R3=R4=r,若应变片受压，则：r1= r0+r1；r2= r0+r2 (r1r2),由此可见，由压力作用时，r1和r2一减一增，使电桥由较大的输出；当环境温度发生变化时，r1、r2同时

13、增减，不影响电桥的平衡。如果仪表能把电桥输出电压Ui进一步转换为标准信号输出，则该仪表即可称为应变式压力变送器。,结论：应变片式压检测仪表具有较大的测量范围，被测压力可达几百MPa，并具有良好的动态性能，适用于快速变化的压力测量。但是，尽管测量电桥具有一定的温度补偿的作用，应变片式压力检测仪表仍有比较明显的温漂和时漂，因此，这种压力检测仪表较多地用于一般要求的动态压力检测，测量精度一般在0.51.0左右。,三、压阻式（扩散硅）压力/差压变送器,因电阻率变化引起阻值变化称为压阻效应。半导体材料的压阻效应比较明显。 用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于单晶硅材料纯、功耗小、滞后和蠕变极

14、小、机械稳定性好，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的使用。,三、压阻式（扩散硅）压力/差压变送器,压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。 采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。 当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。,工作原理,三、压阻式（扩散硅）压力/差压变送器,特点,精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单；

15、,便于实现显示数字化；,可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。,构成框图：,扩散硅压阻传感器,前置 放大器,调零电路,VI转换,P,US,U01,UZ,IO,检测部分,电磁放大部分,测量部分扩散硅压阻传感器,把被测差压P成比例地转换为不平衡电压US,1.负压室 2.正压室 3.硅杯 4.引线 5.硅片,测量部分惠斯顿电桥,不受压时：Ri1Ri2Ri3Ri4R,测量部分电压转换,受压时：Ri1Ri4r1 Ri2Ri3r2,受压时，流经2桥臂的电流始终相等,结论： 压阻式压力传感器的主要优点是体积小，结构简单， 其核心部分就是一个既是弹性元件又是压敏元件的单晶硅膜片。

16、扩散电阻的灵敏系数是金属应变片的几十倍，能直接测量出微小的压力变化。 此外，压阻式压力传感器还具有良好的动态响应，迟滞小，可用来测量几千赫兹乃至更高的脉动压力。 因此，这是一种发展比较迅速，应用十分广泛的一类压力传感器。 这种传感器的缺点则是扩散电阻存在温度效应，容易受环境温度的影响，有些厂家在传感器组件中提供了若干校正用的温度补偿电路，甚至把放大转换等电路集成在同一块单晶硅膜片上，从而可以大大提高传感器的基本性能。,四、霍尔片式压力传感器,霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。,图3-9 霍尔效应,霍尔电势可用

17、下式表示,式中，UH为霍尔电势；RH为霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状有关；B为磁感应强度；I为控制电流的大小。,四、霍尔片式压力传感器,注意,霍尔电势与磁感应强度和电流成正比。提高B和I值可增大霍尔电势UH，但两者都有一定限度，一般I为320mA，B约为几千高斯，所得的霍尔电势UH约为几十毫伏数量级。,导体也有霍尔效应，不过它们的霍尔电势远比半导体的霍尔电势小得多。,四、霍尔片式压力传感器,将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器，如图3-10所示。,图3-10 霍尔片式压力传感器,1弹簧管；2 磁钢；3 霍尔片,当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管自由端产生位移，因而

18、改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。,利用这一电势即可实现远距离显示和自动控制。,五、力矩平衡式压力传感器,力矩平衡式压力变送器是一种典型的自平衡检测仪表，它利用负反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量精度（一般为0.5级）、工作稳定可靠、线性好、不灵敏区小等一系列优点。,五、力矩平衡式压力传感器,该变送器是按力矩平衡原理工作的。根据主、副杠杆的平衡条件可以推导出被测压力p与输出信号I0的关系。,当主杠杆平衡时，应有,（3-14）,式中， 、 分别为Fi、F1离支点O1的距离。,（3-15）,将式（3-13）代入式（3-14

19、），有,式中, 为一比例系数。,五、力矩平衡式压力传感器,而,式中， 、 分别为F2及电磁反馈力 离支点O2的距离。,将式（3-18）代入式（3-17），得,（3-18）,（3-17）,（3-19）,（3-16）,联立式（3-16）与（3-19），得,（3-20）,式中， 为转换比例系数。,第四节 智能式变送器,智能型压力或差压变送器是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。,一、智能变送器的特点,性能稳定,可靠性好,测量精度高,基本误差仅为0.1%。 量程范围可达1001 ,时间常数可在036s内调整,有较宽的零点迁移范围。,具有温度、静压的自动补偿功能,在检测温

20、度时,可对非线性进行自动校正。 具有数字、模拟两种输出方式,能够实现双向数据通讯,可以与现场总线网络和上位计算机相连。 可以进行远程通讯,通过现场通讯器,使变送器具有自修正、自补偿、自诊断及错误方式告警等多种功能,简化了调整、校准与维护过程,使维护和使用都十分方便。,第四节 智能式变送器,二、智能变送器的结构原理,从整体上来看,由硬件和软件两大部分组成。,从电路结构上来看,包括传感器部件和电子部件两部分。,图2-9 3051C型智能差压变送器（420mA）方框图,第四节 智能式变送器,3051C型智能差压变送器所用的手持通信器为275型，带有键盘及液晶显示器。可以接在现场变送器的信号端子上，就

21、地设定或检测，也可以在远离现场的控制室中，接在某个变送器的信号线上进行远程设定及检测。,第四节 智能式变送器,第五节 压力计的选用和安装,选用安装,其它仪表也基本适应,一、压力计的选用,三个方面选用时应根据生产工艺对压力检测的要求、被测介质的特性、现场使用的环境等条件本着节约的原则合理地考虑仪表的量程、精度、类型（材质）等。,量程,仪表的量程是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围 关键：根据操作中需要测量的参数的大小来确定。同时必须考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地。 测量稳定压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的3/4 测量脉动压力

22、：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的2/3 测量高压压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的3/5 最小工作压力Pimin不低于上限值Pmax的1/3 仪表的量程等级：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它们10n倍。 在选用仪表量程时，应采用相应规程或者标准中的数值。,这只是一个一般经验要求，不是绝对的！,仪表精度,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于仪表的基本误差。 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。,例：有一压力容器在正常工作时压力范围为0.40.6MPa，要求使用弹簧管压力

23、表进行检测，并使测量误差不大于被测压力的4，试确定该表的量程和精度等级。,解：,由题意可知，被测对象的压力比较稳定，设仪表量程为 0AMPa ，则,根据工作压力的要求：,根据仪表的量程系列，可选用量程范围为01.0MPa的弹簧管压力表。,由题意，被测压力的允许最大绝对误差为：max=0.4*4%=0.016 MPa 这就要求所选仪表的相对百分误差为： 0.016/（1-0）*100%=1.6% 按照仪表的精度等级，可选择15级的压力表。,仪表类型,正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的前提。主要应考虑以下几个方面:,仪表的材料,压力检测(检测仪表)的特点是压力敏感元件往往要与被测介质直

24、接接触，因此在选择仪表材料的时候要综合考虑仪表的工作条件。,输出信号类型,只需观察压力变化的，可选如弹簧管压力表、液柱式压力计那样的直接指示型的仪表； 如需将压力信号远传到控制室或其他电动仪表，则可选用电气式压力检测仪表或其他具有电信号输出的仪表； 如果要检测快速变化的压力信号，则可选用电气式压力检测仪表，如压阻式压力传感器； 如果控制系统要求能进行数字量通信，则可选用智能式压力检测仪表。,例如：对腐蚀性较强的介质应使用像不锈钢之类的弹性元件或敏感元件； 氨用压力表则要求仪表的材料不允许采用铜或铜合金，因为氨气对铜的腐蚀性极强； 又如氧用压力表在结构和材质上可以与普通压力表完全相同，但要禁油，

25、因为油进入氧气系统极易引起爆炸。,使用环境,对爆炸性较强的环境，在使用电气压力仪表时，应选择防爆型压力仪表；对于温度特别高或特别低的环境，应选择温度系数小的敏感元件以及其他变换元件。,上述选型原则也适用于差压、流量、液位等其它检测仪表的选型,二、压力计的安装,分三种情况介绍：,一般压力检测仪表的安装 特殊压力检测仪表的安装（高温、高压、腐蚀等） 压力变送器的安装,一般压力测量仪表的安装,无论选用何种压力仪表和采用何种安装方式，在安装过程中都应注意以下几点： 压力仪表必须经检验合格后才能安装 压力仪表的连接处，应根据被测压力的高低和被测介质性质，选择适当的材料作为密封垫圈，以防泄漏 压力仪表尽可

26、能安装在室温，相对湿度小于80，振动小，灰尘少，没有腐蚀性物质的地方，对于电气式压力仪表应尽可能避免受到电磁干扰 压力仪表应垂直安装。一般情况下，安装高度应与人的视线齐平，对于高压压力仪表，其安装高度应高于一般人的头部 测量液体或蒸汽介质压力时，应避免液柱产生的误差，压力仪表应安装在与取压口同一水平的位置上，否则必须对压力仪表的示值进行修正 导压管的粗细合适，一般为610mm，长度尽可能短，否则会引起测量迟缓 压力仪表与取压口之间应安装切断阀，以便维修,测量特殊介质时的压力测量仪表安装,测量高温（60以上）流体介质的压力时，为防止热介质与弹性元件直接接触，压力仪表之前应加装U形管或盘旋管等形式

27、的冷凝器，避免因温度变化对测量精度和弹性元件产生的影响。如图(a)、(b),测量高压流体介质的压力时，安装时压力仪表表壳应朝向墙壁或者无人通过之处，以防发生以外。 测量腐蚀性介质的压力时，除选择具有防腐能力的压力仪表之外，还应加装隔离装置，利用隔离罐中的隔离液将被测介质和弹性元件隔离开来，如图(c)、(d),测量波动剧烈（如泵、压缩机的出口压力）的压力时，应在压力仪表之前加装针形阀和缓冲器，必要时还应加装阻尼器，如图(e),测量粘性大或易结晶的介质压力时，应在取压装置上安装隔离罐，使罐内和导压管内充满隔离液，必要时可采取保温措施，如图(f),测量含尘介质压力时，最好在取压装置后安装一个除尘器，

28、如图(g)。,总之，针对被测介质的不同性质，要采取相应的防热、防腐、防冻、防堵和防尘等措施,差压变送器的安装,三个方面的内容： 取压口的选择 引压管的安装 变送器本身的安装,差压变送器取压口的选择,液体、气体、蒸汽？,被测介质为液体时，取压口应位于管道下半部与管道水平线成045角内，目的是保证引压管内没有气泡，两根引压管内液柱产生的附加压力可以相互抵消； 问：能否从底部引出？为什么？,被测介质为气体时，取压口应位于管道上半部与管道垂直中心线成045角内，其目的时为了保证引压管中不积聚和滞留液体。,被测介质为蒸汽时，取压口应位于管道上半部与管道水平线成045角内。最常见的接法是从管道水平位置接出，并分别安装凝液罐，这样两根引压管内部都充满冷凝液，而且液位高度相同。,差压变送器引压管的安装,引压管应按最短距离敷设，引压管的弯曲处应该是均匀的圆角，曲率半径一般不小于引压管外径的10倍。引压管的管路应保持垂直，或者与水平线之间不小于1:10的倾斜度，必要时要加装气体、凝液、微粒收集器等设备，并定期排除收集物。,引压管内径与引压管长度,在测量液体介质时，变送器只能安装在取