第三章压力检测罗

化工仪表及自动化第二章压力检测

压力单位及测压仪表弹性式压力计弹性元件弹簧管压力表电气式压力计应变片式压力传感器压阻式压力传感器电容式压力传感器1目录：智能式变送器智能变送器的特点智能变送器的结构原理压力计的选用及安装压力计的选用压力计的安装第三章压力检测合成氨的反应中:保证反应的进行必须对压力进行控制3常用压力表电接点压力表

HAKK-EKA110A差压变送器

45液柱式压力计概述6

在化工生产中,压力是指由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。在工业生产过程中,压力往往是重要的操作参数之一。

压力的检测与控制,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。第一节压力单位及测压仪表压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）79压力单位帕/Pa兆帕/MPa工程大气压/(kgf/cm2)物理大气压/atm汞柱/mmHg水柱/mH2O（磅/英寸2）/（1b/in2）巴/bar帕11×1061.0197×10-59.869×10-67.501×10-31.0197×10-41.450×10-41×10-5兆帕1×106110.1979.8697.501×1031.0197×1021.450×10210工程大气压9.807×1049.807×10-210.9678735.610.0014.220.9807物理大气压1.0133×1050.101331.0332176010.3314.701.0133汞柱1.3332×1021.3332×10-41.3595×10-31.3158×10-310.01361.934×10-21.3332×10-3水柱9.806×1039.806×10-30.10000.0967873.5511.4220.09806（磅/英寸2）6.895×1036.895×10-30.070310.0680551.710.703110.06895巴1×1050.11.01970.9869750.110.19714.501表3-1各种压力单位换算表第一节压力单位及测压仪表10在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。

当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。p表P真P绝P绝大气压力线零线图2-1绝对压力、表压、负压（真空度）的关系第一节压力单位及测压仪表11测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。1.液柱式压力计

它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。

按其结构形式的不同

有U形管压力计、单管压力计等

优点这类压力计结构简单、使用方便

缺点

其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。

13第一节压力单位及测压仪表2.弹性式压力计

它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。

3.电气式压力计

它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表。14种类弹簧管压力计、波纹管压力计及膜式压力计等。15种类电容式、电阻式、电感式、应变片式和霍尔片式等压力计。16第一节压力单位及测压仪表4.活塞式压力计

它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。17活塞式压力计测量原理：P=G/S

所以G=P•S第一节压力单位及测压仪表优点缺点测量精度很高，允许误差可小到0.05%～0.02%。结构较复杂，价格较贵。

17第二节弹性式压力计18定义

弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。优点

具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。

第二节弹性式压力计19一、弹性元件

弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。图2-2弹性元件示意图弹簧管式弹性元件如图(a)和(b)所示，波纹管式弹性元件如图(e)所示，薄膜式弹性元件如图(c)和(d)所示。弹簧管单圈弹簧管是弯成270度圆弧的空心金属管，其截面为扁圆形或椭圆形等。20扁圆形椭圆形半圆形双圆形8字形厚壁扁圆形

弹簧管的各种横截面图21弹性式压力计(2)薄膜式弹性元件：薄膜式弹性元件根据其结构不同还可以分为膜片与膜盒等。膜片：单膜片测压元件主要用于低压的测量，一般使用金属膜片，也有橡胶膜片。膜片式压力计的优点是：可测微压和粘滞性介质压力。膜片膜盒

膜片、膜盒22弹性式压力计（续）膜盒：广泛应用于测量差压。硬芯：用于实现输出机械位移或力硅油：用于传递压力和对膜片起过载保护作用弹性式压力计(3)波纹管式弹性元件在波纹管中引入压力时，其自由端产生伸缩变形，可以得到较大的线位移，但压力—位移特性的线性不如弹簧管。一个周围为波纹状的薄壁金属筒体

波纹管231—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—调整螺丝；9—接头弹簧压力表第二节弹性式压力计24二、弹簧管压力表

分类使用的测压元件单圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表。

用途普通弹簧管压力表，耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。

第二节弹性式压力计25第二节弹性式压力计基本测量原理

单圈弹簧管是一根弯成270°圆弧的椭圆截面的空心金属管子。管子的自由端B封闭，另一端固定在接头９上。当通入被测的压力p后，由于椭圆形截面在压力p的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生扩张变形。同时，使弹簧管的自由端B产生位移。输入压力p越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端B的位移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反映压力p的大小。注意：弹簧管自由端B的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机构才能指示出来。26第二节弹性式压力计

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！27第二节弹性式压力计

图2-4

电接点信号压力表1，4

—静触点；2

—动触点；3

—绿灯；5

—红灯

压力表指针上有动触点2，表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。

29弹簧管压力表

28电接点压力表

30第三节电气式压力计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。31优点1.该仪表的测量范围较广，分别可测7×10-5Pa至5×102MPa的压力，允许误差可至0.2％；

2.由于可以远距离传送信号，所以在工业生产过程中可以实现压力自动控制和报警，并可与工业控制机联用。

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、记录仪以及控制器、微处理机等。图2-5电气式压力计组成方框图32压力传感器的作用是把压力信号检测出来，并转换成电信号进行输出，当输出的电信号能够被进一步变换为标准信号时，压力传感器又称为压力变送器。常用电参数有：电阻、电感、电容、电压等。常见压力变换器（压力探头）有：应变式压力变换器；压电电阻式压力变换器；电感式压力变换器；电容式压力变换器；霍尔片式压力变换器。电气式压力计（续）1．应变片式压力传感器应变片式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。电阻应变片有金属应变片(金属丝或金属箔)和半导体应变片两类。被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩应变时，其阻值减小；当应变片产生拉伸应变时，其阻值增加。应变片阻值的变化，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。电气式压力计（续）箔式应变片的外形电气式压力计（续）半导体应变片外形金属丝式应变片的内部结构电气式压力计（续）

应变片在悬臂梁上的粘贴及变形电气式压力计（续）荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。

荷重传感器原理演示电气式压力计（续）应变片r1和r2与两个固定电阻r3和r4组成桥式电路，如图3—11(b)所示。由于r1和r2的阻值变化而使桥路失去平衡，从而获得不平衡电压ΔU作为传感器的输出信号，在桥路供给直流稳压电源最大为10V时，可得最大ΔU为5mV的输出。电气式压力计（续）测量转换电路电桥平衡的条件：电桥电阻都发生改变后：电气式压力计（续）全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。单臂电桥电气式压力计（续）

R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。应变片R1、R2感受到的应变1~2以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压Uo成倍地增大。双臂电桥电气式压力计（续）

全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1~

R4产生的电阻增量（或感受到的应变1~4）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。四臂全桥电气式压力计（续）

当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。全桥的温度补偿原理电气式压力计（续）应变式压力传感器的被测压力可达25Mpa。由于传感器的固有频率在25000Hz以上，故有较好的动态性能．适用于快速变化的压力测量。传感器的非线性及滞后误差小于额定压力的1％。第三节电气式压力计二、压阻式压力传感器

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34根据单晶硅的压阻效应工作，在很薄的单晶硅上利用集成电路工艺扩散出4个小片等值电阻，构成惠斯登测量桥路。USR1R2R3R4IS不受压时：Ri1＝Ri2＝Ri3＝Ri4＝Rr0.635rR1R1、R4变小R2R3R4R2、R3变大35第三节电气式压力计特点

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；

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。图3-12压阻式压力传感器1—基座；2—单晶硅片；3—导环；4—螺母；5—密封垫圈；6—等效电阻36第三节电气式压力计三、电容式压力变送器

工作原理37先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。

P1转换放大单元P2电容式压力传感器固定电极可动电极隔离膜片填充液（硅油）P2P1输出信号0~20mA定电极C1C2解调器功放器反馈、保护电源、振荡硅油动电极

结构框图三、电容式压力变送器

39电容式压力变送器，目前在工业生产中应用非常广泛，其输出信号也是标准4～20mA电流信号。38电气式压力计（续）1．霍尔片式压力传感器测压原理：利用霍尔片式传感器（根据半导体材料的霍尔效应的原理）实现压力-位移-霍尔电势的转换。半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。电气式压力计（续）磁感应强度B为零时的情况电气式压力计（续）作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：

EH=KHIB磁感应强度B较大时的情况电气式压力计（续）当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。cdab电气式压力计（续）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EH。但两者都有一定限度，一般I为3—20mA，B约为几千高斯，所得的霍尔电势EH约为几十毫伏数量级。如果选定了霍尔元件，并使电流保持恒定，则在非均匀磁场中，霍尔元件所处的位置不同，所受到的磁感应强度也将不同，这样就可得到与位移成比例的霍尔电势，实现位移—电势的线性转换。

弹簧管霍尔片K——霍尔式压力传感器输出系数χ——自由端霍尔元件的位移量磁钢电气式压力计（续）霍尔片式压力传感器第二节压力检测及仪表5.力矩平衡式压力变送器

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。举例以DDZ-Ⅲ型电动力矩平衡压力变送器为例

图3-13DDZ-Ⅲ型电动力矩平衡压力变送器示意图1—测量膜片；2—轴封膜片；3—主杠杆；4—矢量机构5—量程调整螺钉；6—连杆；7—副杠杆；8—检测片（衔铁）；9—差动变压器；10—反馈动圈；11—放大器；12—调零弹簧；13—永久磁钢DDZ-Ⅲ型系列为直流24V供电，输出4～20mA（DC）,两线制，安全防爆。

被测压力p作用在测量膜片1上，通过膜片的有效面积转变成集中力Fi，即f为膜片的有效面积。

（3-13）第二节压力检测及仪表第二节压力检测及仪表

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），有式中,为一比例系数。第二节压力检测及仪表而式中，、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。第五节压力计的选用及安装一、压力计的选用

压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的分析，一般考虑以下几个问题。仪表类型的选用

仪表精度级的选取

仪表测量范围的确定

47例题分析举例1.某台往复式压缩机的出口压力范围为25～28MPa，测量误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。

解由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选择仪表的上限值为P1=Pmax×2=28×2=56(MPa)根据就地观察及