第二章 压力及变送

1、 第二章 压力测量及变送 本章重点：压力的单位、表示方法，弹簧管压力表的结构及原理、选用、安装和校验，电容式差压变送器的简单原理，变送器作用、变送器的输入输出关系以及变送器的正确使用。 从这一章开始介绍化工生产过程四大参数：压力、物位、流量、温度压力、物位、流量、温度的测量仪表第一节第一节 概述概述 在石油、化工、炼油、储运过程中，经常会遇到压力的测量与控制，其中包括比大气压高很多的高压测量和比大气压低很多的真空度测量。例如，油田开采晚期的注水工艺的压力为十几个MPa，钻井的泥泵出口的压力在25MPa左右,高压聚乙烯工艺压力高达280MPa；而减压塔要低于大气压几百个mmHg（典型值为真空度9

2、3.1Kpa）。在我们储运的输油管线上、加热炉旁、输油泵进出口经常可看到测压用的压力表。为了保证生产正常运行，很多场合还需要对压力进行控制。 一一 压力的定义压力的定义AFP （2-1）国际单位: Pa KPa MPa ，其它单位在工程上仍有许多应用：巴、毫米水拄、毫米汞拄、标准大气压、工程大气压等。KPaPaPSIinbfMPaPacmkgf8949. 69 .6894)(/11 . 05 .98066/122 第一节 概述 二二 压力的表示方法压力的表示方法在实际压力测量时，常有绝压、表压、真空度（负压）之分，其关系如图2-1所示。 图2-1 不同压力表示方法的关系大气压大气压: 大气自重

3、产生的压力 绝压绝压: 以绝对真空作为它的基准 表压表压: 以大气压作为它的基准，工程上最常用。 真空度真空度: 低于大气压的压力 它们之间的关系: 大气绝表ppp（）绝大气真ppp（）当绝对压力大于大气压时，一般用表压表示；绝对压力小于大气压时，一般用真空度表示。 第一节 概述 三三 压力检测方法压力检测方法 （一）根据转换原理不同，大致可以分为四大类： 1 液柱式压力计 根据流体静力学原理，如U型管压力计、单管压力计、斜管压力计等。优点：准确度高，结构简单，使用方便。缺点：测量低压，就地显示。主要应用：低压的精密测试和量值传递。多用于实验室。 2 2 弹性式压力计弹性式压力计 被测压力作用

4、于弹性元件使之发生弹性变形，根据变形的大小，便可测得被测压力的数值。应用范围很广。常见的弹性式压力计元件有：弹簧管压力计、波纹管压力计、薄膜式压力计等。根据帕斯卡定律和流体静力学力平衡原理，由专用砝码的重力作用在活塞有效面积上产生的压力与被测压力相平衡来测量压力的仪表。优点：测量范围宽（0.1-2500MPa）；确度高（0.002%-0.2%)。缺点：工作液体容易发生泄漏；压力不能连续测量。主要应用：作为标准表用于检定压力仪表，作为压力量值传递用。 第一节 概述 3 3 电气式压力计电气式压力计 将被测压力通过机械和电气元件转换成电量来进行压力测量的，如应变式、霍尔式、电容式、电感式、等。压力

5、电量(R.V.I.L)应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的，应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随压力所产生的应变而变化。 压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，目前广泛使用的压电材料有石英和钛酸钡等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这种现象称为“压电效应”。 活塞式压力计活塞式压力计 第一节 概述 （二）根据信号传输方式1. 就地指示式就地指示式：弹管压力表 2. 2. 远传信号式远传信号式：压力传感器式、压力变送器 第二节 弹性式压力计 弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件在受压后所产生的弹性变形(即位移)来

6、测量压力的。 一 弹性元件 常用的弹性元件有:膜片 膜盒 波纹管 弹簧管 材料:铍青铜、磷青铜、不锈钢、橡胶膜片等 第二节 弹性式压力计 （一）结构及工作原理仪表由测量系统、指示部分和表壳部分等组成。测量系统由接头，弹簧管和齿轮传动机构等组成。由被测介质的压力作用，使弹簧管的 末 端 （ 自 由 端 ） 相 应 地 产 生 位 移 ， 借 助 连 杆 带 动 机 构 中 的 扇 形 齿 轮 产 生 一角位移，而使齿轮轴得以偏转传给指示部分。指示部分由分度盘、镜面。由指针将齿轮轴的偏转值相应地在分度盘上指示出被测介质的压力值。表壳部分由表盖、表玻璃和罩壳等组成。表盖的下端设有供调整零位用调零装置

7、，以保持零值和读数的准确性。 二 弹簧管压力计 第二节 弹性式压力计 1 测量元件（弹簧管） 下面以单圈弹簧管为例介绍。结构：扁平、中空，横截面为扁圆或椭圆形，一端固定（测量端） ，另一端封闭（自由端）, 弧度为度。 材料：一般为铜或合金铜,但测量氨介质时必须用专门的氨用压力表,而测氧气时,不得沾有油脂。 作用：感受压力信号，并转换为位移信号(较小)。 作用原理： xP自由端椭圆形趋于圆形Pkx1（）k1与弹簧管横截面几何形状(椭圆度、角度)、刚度有关。 第二节 弹性式压力计 结论： (1) 若弹簧管横截面几何形状一定、刚度一定，则 xp可以根据自由端的位移变化来测量压力 (2) 若弹簧管横截

8、面几何形状一定、P一定，则 x刚度量程刚度可以通过改变弹簧管刚度来改变压力表量程 (3) 若弹簧管刚度一定、P一定，则 横截面几何形状改变 x变化,量程改变 多圈弹簧管 x变化大 ,多圈弹簧管用于小量程 横截面更扁 x变化大 ，量程小通过弹簧管将被测压力转换成自由端的位移 x ，但是很小，灵敏度低，需要对其进行放大才能指示出来。 第二节 弹性式压力计 2 齿轮传动放大机构 (1) 第一次放大（杠杆） 转过的角度相等： xOBOALOBxOAL(2-5) OA OB L x 实现弧长的放大（角度不变） 放大不够，需进一步放大。 第二节 弹性式压力计 () 第二次放大（中心齿轮）中心齿轮扇形齿轮走

9、过的弧长相等： rOArOAL (2-6)实现角度的放大（弧长不变）OAr 指针实现第三次放大和指示的作用转过的角度相等： LrRyrLRy (2-) 实现弧长的放大（角度不变） rR Ly 第二节 弹性式压力计 结论： 显示二级放大一次放大自由端微小位移压力指针中心齿轮扇形齿轮弹簧管 xPKPPkkxkOBxOArROArRLrRy122 (2-)yP指针位移压力 讨论： （） 零点调整 改变指针初始位置或表盘位置（一般只有标准表可以调整表盘位置）() 量程调整 量程由k1、R、r、OA、OB决定，其中k1、R、r、OA由厂家定，用户可通过OB调整，改变B点调整螺钉的位置。 第二节 弹性式压

10、力计 游丝 克服因扇形齿轮和中心齿轮的间隙所产生的仪表变差。 第二节 弹性式压力计 （二）电接点压力表 电接点压力表经与相应的电气器件（如继电器及接触器等）配套使用，即可对被测（控）压力系统实现自动控制和发信（报警）的目的。工作原理工作原理：当指示指针上的动触头与设定指针上的静触头（上限或下限）相接触的瞬时，控制系统的电路得以断开或接通，以达到自动控制和发信的目的。 第二节 弹性式压力计 （三）压力表型号YX-一般电接点压力表 YN-耐振压力表YB标准表YO-测氧压力表 YH-测氢压力表YY-测乙炔压力表YA-测氨压力表 第二节 弹性式压力计 （四）压力表特点优点优点：简单可靠；价格低廉；精度

11、高 测量范围宽 （ MPa）；321010缺点缺点：只能就地显示。但很多情况需要将压力信号传送到控制室，作为记录、显示、控制、报警等用。需要远传时，要采用电气式压力计，下一节，主要介绍电容式压力变送器。 第三节 变送器 一 变送器的作用 可将工艺参数X（P、 L 、T、F ）转换成标准统一信号Y（420mA、20100KPa、010mA等），并传送到控制室供显示、记录、调节、运算、报警等用途。变即转换、送即远距离传送、器即仪器装置之意，所以变送器是完成工艺参数转换、传送的过程控制仪表。差压温度液位流量电流含水率.压力 工艺参数变送器显示纪录调节现场控制室 第三节 变送器 一 变送器的输入输出关

12、系 输入：XminXmax 被测变量测量范围 L =XmaxXmin 量程 输出： YminYmax 标准信号 变送器的输出是标准信号，不同类型变送器的输出范围是不同的。 输出信号 能源气动差压变送器： 20100KPa 140KPa 70年代-80年代中电动差压变送器: 电型 010mA； 220VAC 80年代中-90年代初 电型 420mA 24VDC 90年代初-变送器的输入X和输出Y的关系一般为理想的线性关系。 变送器输出值的计算：minminmaxminmaxmin)()(YYYXXXXPIYOO或 测量值（变送器输入）的计算 minminmaxminmaxmin)(XXXYYYY

13、X (2-9) (2-10) 第三节 变送器 一 变送器的输入输出关系 例例2-12-1:一台电差压变送器，测量范围210MPa, 从控制室测得信号为12mA时，所测差压是多少?当所测差压为7.6MPa时，从控制室测得信号为多少mA?解： )( 62)210(420412)(minminmaxminmaxminMPaXXXYYYYX)( 2 .154) 420(21026 . 7)(minminmaxminmaxminmAYYYXXXXYIo 第三节 变送器 二二 变送器的连线方式变送器的连线方式 1 四线制现场控制室四线制变送器 从控制室伸出四根导线与现场变送器相连，其中两根为电源线，两根为

14、信号线。变送器工作时要求其供电电源从控制室来，输出信号传送到控制室。 DDZ- DDZ-电源： 220VAC 24VDC信号： 010mA 420mA现场控制室目前四线制变送器已经很少，绝大多数是两线制变送器。 2 二线制二线制变送器 从控制室伸出两根导线与现场变送器相连，这两根导线既为电源线又为信号线。电源与负载串联后接到变送器上。 电源：24VDC 信号： 420mA四线制与二线制比较四线制与二线制比较：一般现场离控制室较远，前者电缆成本高、故障率高。3 三线制现在有一部分仪表采用三线制，将四线制的电源地与信号地共用一根线。 第三节 变送器 三 变送器的零点、量程调整 FFKXKDXY01

15、 量程调整 (SPAN） 作用：使变送器输出的上限值与测量信号输入的上限值相对应。当X0 =Xmax时，使Y = 20mA/10mA/100KPa的调整，称作量程调整。量程调整可通过在变送器外部的标有“S”调整螺钉。例2-2：对于测量范围为0-600 KPa 的差压变送器，实际要求测量范围是0-200KPa，问能否用？如何用？解：能用! 但要进行量程的调整。YminYmaxXminXmax1Xmax2量程调整示意图 第三节 变送器 三 变送器的零点、量程调整 FFKXKDXY02 零点调整和零点迁移(ZERO） 作用：使变送器输出的下限值与测量信号输入的下限值相对应。当X0=0时，使Y = 4

16、mA/0mA/20KPa的调整，称作零点调整零点调整。零点调整可通过在变送器外部的标有“Z”调整螺钉。当X0=XMIN0时，使Y =4mA/0mA/20KPa的调整，称作零点迁移零点迁移。Xmin XmaxXminXmax零点调整与零点迁移示意图例2-3：对于测量范围为0-600 KPa 的差压变送器，当输入差压为X=0时，输出信号Y应为4mA，如果输出信号不是4mA，就需要对其进行零点调整，使输出信号Y = 4mA。由于测量信号的下限值不一定为零，而输出的下限值一定，所以通过调整X0的大小来实现零点调整与零点迁移的功能。二者的区别是测量信号的下限值是否为零，零点迁移时，如果Xmin0时，称之

17、为正迁移，如果Xmin10MPa）： 3553maxmax测量程量程测PPPP（活塞泵） 第五节 压力仪表的选用、安装与校验压力仪表的选用、安装与校验 2 测量范围的选择测量值下限下限大于1/3的量程，否则测量误差太大。 根据被测参数的最大值和最小值计算出仪表的上下限后，不能以次直接作为仪表的测量范围（量程），应在国家规定的标准系列中选取。量程靠级: -0.10.06, -0.1 1.5；01， 0 1.6， 0 2.5， 0 4， 0 6, 0 10*10n MPa系列。n从而保证仪表的测量准确度和灵敏度。 3 精度选择 根据测压范围，根据工艺上允许的最大绝对误差，先选出量程，再根据工艺上允

18、许的最大绝对误差计算出仪表允许的最大引用误差，q允去掉号和，其数值就是精度，若没有这个等级，靠精度等级(往高精度靠)。 第五节 压力仪表的选用、安装与校验压力仪表的选用、安装与校验 n例2-5：就地测量某储罐中的压力，被测介质的工作压力为6.0MPa,要求最大测量误差不能超过被测压力的2%，如何选表？ 解： 选择类型：作为就地指示表，没有其它特殊要求。 选择：单圈普通弹簧管压力表。 测量范围选择：因为测量的储罐压力变力变化应比较平稳，所以被测压力不应超过仪表 测量上限的。 MPaP92363/26量程 在国家规定的标准系列中没有09MPa的测量范围，应选最接近而稍大的测量范围，因此选择010M

19、Pa的测量范围。 精度选择：根据题意，工艺所允许的最大绝对误差为 MPaa12. 06%2max所选压力表的最大引用误差为： %2 . 1%1001012. 0%100maxmaxLaq仪表允许的最大引用误差为： %2 . 1max qq允q允去掉号和，其数值为1.2，由于国家规定的精度等级中没有1.2级仪表，应选最接近而往高精度靠，取1.0级。 选择结果：单圈普通弹簧管压力表，测量范围010MPa, 精度1.0级。 那么选择0.5级、0.2级或更高等级的表行不行？当然可以，只是精度每增加一个等级，价格要至少翻一番，因此，从经济的角度考虑，只要满足工艺要求，尽量选择最便宜的表。 第五节 压力仪

20、表的选用、安装与校验压力仪表的选用、安装与校验 n二二 安装安装 压力测量系统有取压口，压力信号导管，压力表及一些附件组成。安装正确与否，直接影响测量结果的准确性和仪表的使用寿命。1 取压口的选择取压点要有代表性，总的原则是尽量反应压力的真实情况。（1）为保证测量的是静压，取压点与容器壁要垂直，对管路压力的测量，应避开死角、拐角及旋涡区。（2）管路中不应有突出物，若存在时，取压点应在其之前。（3）对水平管路取压点位置：气体取于上半部分，使导压管内不积存液体；液体取于管道截面下半部分，使导压管内不积存气体。 第五节 压力仪表的选用、安装与校验压力仪表的选用、安装与校验 n二二 安装安装 2 2

21、导压管的安装导压管的安装（1）导压管粗细要合适，一般内径为610mm，长度尽量短，不要超过50m，以防压力指示迟缓。（2）水平敷段的导压管应保证有（1：10）（1：20）的倾斜度。液体引压管下倾，气体引压管上倾。测液体在引压管最高点装排气阀，测气体在引压管最低点装排液阀。以利于积存于此的液体或气体排出。（3）易冻易凝介质安加保温伴热。（4）在靠近取压点的引压管上装切断阀，便于维修。 第五节 压力仪表的选用、安装与校验压力仪表的选用、安装与校验 n二二 安装安装 3 压力表的安装（1） 压力表应装于易观察和检修的地方。（2） 尽可能避免振动、高温。（3）测量蒸汽压力时加装凝液管，防止高温蒸汽直接

22、和测压元件接触，测腐蚀介质时加隔离罐。见课本P29图2-22所示。（4） 若压力表与取压位置不在同一高度时，应按 考虑修正。 （5）压力表的连接处加装封垫片，材料由耐压、耐温情况而定，注意介质特性要求。乙炔气、氨气不能用铜垫，氧 不能沾油。（6） 为安全，测量高压的压力表的表壳应向墙壁或无人通过的地方。gHP 第五节 压力仪表的选用、安装与校验压力仪表的选用、安装与校验 n二二 校验校验 为保证仪表正常测量，须定期校验。新仪表在安装使用前也应校验。 校验是被校仪表与标准仪表在相同条件下的比较过程。标准表选取原则： 校验时的标准表应根据被校表进行选择，要求标准表的允许绝对误差不得超过1/3的被校表允许绝对误差，标准表的量程应比被校表量程大一档（或同档）。2 校验仪器：活塞式压力计 1 校验原理 根据帕斯卡定律和流体静力学力平衡原理，由专用砝码的重力作用在活塞有效面积上产生的压力与被测压力相平衡来测量压力的仪表。优点：测量范围宽；精度高缺点：工作液体容易发生泄漏；压力不能连续测量。主要应用：作为标准表用于检定压力仪表，作为压力量值传递用。