第三章第二节压力检测及仪表

第二节压力检测及仪表

一、压力单位及测压仪表1.压力:由气体或液体均匀垂直地作用在单位面积上的力。公式为p—为压力,F—为垂直作用力S—为受力面积单位:帕斯卡,简称帕(Pa),1帕为1牛顿每平方米(国际单位制SI)。

1Pa=1N/m21MPa=1X106Pa1物理大气压(1atm)=1.0133X105Pa=760mmHg1工程大气压(1kgf/cm2)=9.807X104Pa=104mmH2O2.几种压力表示法（按取压的标准不同）在压力测量中,常有表压、绝对压力、负压或真空度。其关系见下图。表压:是绝对压力和大气压力之差,P表压=P绝对压力-P大气压力

负压或真空度:是当被测压力低于大气压力时,大气压力和绝对压力之差,P真空度=P大气压力-P绝对压力绝对零压线绝对压力P绝大气压P0表压P表真空度P真绝对压力P绝3.压力计的分类（按信号转换原理不同）液柱式压力计: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。结构简单,使用方便,但精度低,测量范围窄。弹性式压力计:将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。弹簧管压力计。电气式压力计:通过机械和电气元件将被测压力转换成电量来测量的仪表。压力变送器。活塞式压力计:根据水压机传送压力原理,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。二、弹性式压力计1.定义: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。2.特点: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、有足够的精度、应用广泛。3.测量范围:几百帕到数千兆帕。4.弹性元件（根据测压范围的不同）(1).弹簧管式弹性元件(单圈和多圈的)是截面呈椭圆或扁圆型的中空金属管,当通入压力p后,它的自由端就会产生位移。适合测高、中、低压。(2).薄膜式弹性元件：(膜片a或膜盒b)由具有弹性的金属或非金属片构成,在压力作用下能产生变形。膜盒中内充硅油。适合测中、低压。(3).波纹管式弹性元件:有一端封闭,外部存在波纹的弹性金属片构成金属筒体,是气动单元组合仪表中不可缺少的部分。弹性元件易于变形,且位移很大。适合测微压和低压,在气动压力变送器上应用较多。5.弹簧管压力表应用广范,品种繁多。可分单圈和多圈;按用途分普通压力表、耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表。它们外形和结构相同,只是所用材料不同。(1).结构1—弹簧管;2—拉杆;3—扇形齿轮;5--指针;4—中心齿轮;6—面板;7—游丝;8—调节螺钉;9—接头。(2).工作原理工作原理:弹簧管1是压力表的测量元件。图为单圈弹簧管,它是一根弯成270°圆弧的椭圆截面的空心金属管。管子的自由端B封闭,管子的另一端固定在接头9上。当通入压力P后,由于椭圆形截面在压力的P作用下将趋于圆形,使弹簧管的自由端B产生位移,且与输入压力的大小成正比(具有线性刻度)。所以只要测得B点的位移量,就能反映压力P的大小。放大过程:自由端B的位移通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转,指针5通过同轴的中心齿轮4的带动作顺时针偏转,在面板6的刻度标尺上显示出被测压力p的数值。由于自由端的位移与被测压力的大小成正比,则刻度标尺是线性的。游丝7用来克服因扇形齿轮与中心齿轮间的传动间隙而产生的仪表变差。改变调节螺钉8的位置,可调整仪表的量程。(3).弹簧管材料的选择当P≥19.6MPa时,选用合金钢或不锈钢的材料。当P<19.6MPa时,选用磷青铜或黄铜的材料,所测流体种类不同,所用弹簧管材料不同。(4).电接点信号压力表是在普通弹簧管压力表上带有报警或控制触点的压力表。当压力偏离给定范围时,及时发出信号,提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力控制。三、电气式压力计弹簧管压力计的不足在于不能测量脉动、真空和超高压力,而电气压力计可克服上述不足。1.定义:把压力转换为电信号进行传输及显示的仪表。2.组成:压力传感器、测量电路和信号处理装置。3.测量范围:7×10-5Pa---5×102MPa,测量范围广。4.压力传感器作用:把压力信号检测出来,并转换成电信号进行输出。当输出的电信号转换成标准信号时,压力传感器称为压力变送器。标准信号:是指物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。如直流电流4-20mA(0-10mA),空气压力0.02-0.1MPa都为标准信号。5.压力传感器分类:霍尔片式、应变片式、压阻式压力传感器和力平衡式、电容式压力变送器。(1).霍尔片式压力传感器依据: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,实现压力的测量。霍尔效应:霍尔片由半导体材料制成的薄片,如图在Z轴方向上加恒定磁场B,在Y轴方向上加外电场(直流稳压电源),电子在霍尔片中运动(逆Y轴方向运动)时,由于受电磁力的作用,使电子运动轨道发生偏移,则一个端面有电子,另一个端面上正电荷过剩,在X轴方向上出现电位差,称为霍尔电势。这物理现象称为霍尔效应。Y(1).霍尔片式压力传感器霍尔电势:UH=RHBIRH--霍尔常数,与霍尔片材料、几何形状有关。导体也有霍尔效应,但霍尔电势比半导体的霍尔电势小得多。霍尔电势与位移关系:根据UH=RHBI,若I为定值,在非均匀磁场中,霍尔元件所处位置不同,所受到的磁感应强度就不同,可得到与位移成正比例的霍尔电势,实现位移－电势的线性转换。霍尔片式压力传感器结构:霍尔元件与弹簧管配合,组成霍尔片式压力传感器。Y(1).霍尔片式压力传感器工作原理：在被测压力作用下,弹簧管自由端产生位移,则改变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。即:压力→弹性位移→霍尔片移动→霍尔电势。应用:用于所测压力不高、压力波动小、信号需要远传的场合。(2).应变片式压力传感器工作原理:利用电阻应变原理构成。有压力作用时,应变片产生应变,表现为应变片的电阻发生变化,通过桥式电路转换为毫伏级电势输出,从所测电压的大小读出所测的压力。结构:1.应变筒;2.外壳;3.密封膜片;4.输出信号;5.恒压直流;6.电源。康铜丝应变片r1沿应变筒轴向贴放,为测量片;r2沿径向贴放,为温度补偿片。特点:速度快.动态性能好.非线性误差小.滞后小.适合测高(25MPa)且脉动较大的压力。变小变大546(3).压阻式压力传感器结构：

1.基座2.单晶硅片

3.导环

4.螺母5.密封垫圈

6.等效电阻(3).压阻式压力传感器工作原理:利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件,在单晶硅弹性膜片上用集成电路工艺,在单晶硅的特定方向上扩散一组等值电阻,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。仪表特点: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。适于在恶劣环境下使用,便于实现显示数字化。稍作改变后可以用来测差压、速度、高度、加速度等参数。(5).电容式压力变送器结构:1.隔离膜片;2,7固定电极;3.硅油;4.测量膜片5.玻璃层;6.底座;8.引线。工作原理:先将压力变化转换为电容量的变化,然后进行测量的。压力作用在两侧的隔离膜片上,通过硅油将差压传递到测量膜片上,使其向压力小的一侧弯曲变形,使两电极的电容变化,电容的变化量通过引线传至测量电路,P1P2仪表特点:

结构简单.过载能力强.精度高可达0.2级.工作可靠.体积小.重量轻.使用方便;可以用来测差压和液位等参量。通过测量电路的检测和放大,转换成4~20mA的直流标准电信号进行输出。四.智能型的压力变送器结构:普通的压力或差压传感器上增加微处理器电路即形成智能检测仪表。特点:可进行远程通信。利用手持通信器,可对1500m内现场变送器进行各种运行参数的选择和标定;精度高,使用和维护方便。通过编制各种程序可实现自修正、自补偿、自诊断及错误方式报警功能,便于实现人机对话。五、压力计的选用及安装1.压力表的选用:根据工艺生产过程的要求,结合各方面的情况,加以全面考虑和具体的分析。(1).仪表类型的选用:必须满足工艺生产的要求。考虑被测介质、现场条件和工艺要求。(2).确定仪表测量范围及量程：测稳定压力时,Pmax≤2/3

P上限,即P上限≥3/2

Pmax;

测脉动压力时,Pmax≤P上限/2

,即P上限≥2Pmax;

测高压时,Pmax≤3/5

P上限,

P上限≥5/3

Pmax;

最小值,Pmin≥N/3,N≤3Pmin

。(3).选取仪表的精度根据生产上允许的最大测量误差来确定仪表的精度等级,在满足工业要求的情况下尽可能选用精度较低、价廉耐用的压力表。K%<|δ现允|例: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:由于是往复式压缩机,则仪表的上限值为：Pmax≤P上限/2,P上限≥2Pmax＝2×28＝56MPa,根据就地观察及高低报警,查表选电接点压力表,测量范围0～60MPa。下限值为:因Pmin≥N/3=60/3=20,则Pmin=25﹥20MPa,满足要求。精度等级:因K%<|δ现允|,选1.5级。可知:选1.5级,0～60MPa,YX-150A型电接点压力表。2.压力计的安装压力计的安装正确与否,直接影响到测量的准确性和压力计的使用寿命,应注意测压点的选择、导压管的铺设及压力表的安装。(1).测压点的选择：能反映被测压力的真实大小。(a).要选在被测介质直线流动的管道部分,不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。(b).测量流动介质的压力时,应使取压点与流动方向垂直,取压管内端面与生产设备连接处的内壁应保持齐平,不应有凸出物或毛刺。(c).测量液体压力时,取压点应在管道下部、使导压管内不积存气体;测量气体压力时,取压点应在管道上方,使管道内不积存液体。

(2).导压管的铺设(a).导压管的粗细要合适,一般内径为6~10mm,长度尽可能短,一般为3~50m,超过50m选用电远传压力表。(b).导压管水平安装时,应保证有倾斜度(1:10~1:20),以利于积存于其中的液体或气体排出。(c).当被测介质易冷凝或冻结时,必须加保温装置。(d).取压口到压力表之间应有切断阀,以备检修压力计。切断阀应装设在靠近取压口的地方。(3).压力表的安装(a).安装在易观察和检修的地方。(b).避免振动和高温。(c).当被测压力较小,而压力计与取压口又不在同一高度时,对由此高度引起的测量误差应按△p=±Hρg进行修正。H为高度差,ρ为介质密度,g为重力加速度。(3).压力表的安装(d).压力表的连接处,应选适当的材料,作为密封垫片,以防泄漏。(e).为了安全,测高压的压力表的外壳应有通气孔,安装时外壳应向墙壁或无人处。(f).针对被测介质的不同性质,要采取相应的防热、防腐、防冻、防堵等措施。如测蒸汽压力时,应加装凝液管,以防止高温蒸汽直接与测压元件接触。如测有腐蚀性介质压力时,应加装有中性介质的隔离罐,其中ρ2为被测介质的密度,ρ1为隔离液的密度。压力计安装的特殊问题(4).力矩平衡式压力变送器工作原理:是一种典型的自平衡检测仪表,利用力矩平衡和负反馈的工作原理。结构:测量部分、杠杆系统、位移检测放大器、波纹管反馈机构(气动压力变送器)或电磁反馈机构(电动压力变送器)。特点:测量精度高、工作稳定可靠、线性好、不灵敏区小等。DDZ-Ⅲ型电动力矩平衡压力变送器直流电源24V,输出4-20mA(DC),两线制,安全防暴。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;9.差动变压器;10.反馈线圈11.放大器;12.调零弹簧;13.永久磁钢;被测压力p作用在测量膜片1上,则Fi=fp式中f为膜片的有效面积当主杠杆3平衡时,则Fil1=F1l2F1=Fi×l1/l2式中l1.l2