压力检测及仪表课件

第２章压力检测及仪表２．１概述２．２液柱式压力计２．３弹性式压力计２．４电测式压力仪２．５压力表的选择与安装２.１概述在化工生产过程中，经常会遇到比大气压高几百倍、甚至上千倍或比大气压低很多的工艺条件。例如，氨的合成须在３２ＭＰａ的高压下进行；在某些精馏或蒸发过程中却需要很高的负压（也叫真空度）。因为压力可以改变化学平衡，影响反应速度，也可以改变物质性质，提高过程质量等。所以，为了保证生产始终处于高产、优质、安全、低消耗，以获得最好的技术经济指标，对压力进行测量和控制是十分重要的。下一页返回下一页下一页返回下一页下一页返回下一页２.１概述２.１.１压力的基本概念１．定义压力就是一物体施加于另一物体单位面积上均匀、垂直的作用力（在物理学中称为压强）。它由受力的面积和垂直作用力的大小决定，方向则指向受压物体，可表示为：式中F———垂直作用力，Ｎ；S———受力面积，ｍ２；p——压力，Ｐａ。返回上一页下一页２.１概述压力，也可以用相当的液柱高度来表示，如图２．１所示，即：式中h———液柱的高度，ｃｍ；ρ———液体的密度，ｇ／ｃｍ３；g———重力加速度，ｃｍ／ｓ２。显然，压力等于液柱高度、液体的密度和重力加速度的乘积。返回上一页下一页２.１概述２．压力测量单位（１）帕斯卡帕斯卡为法定压力计量单位（简称“帕”），用Ｐａ表示。１帕斯卡等于１牛顿每平方米，单位符号Ｎ／ｍ２。因帕斯卡单位太小，工程上常用ｋＰａ（１０３Ｐａ）和ＭＰａ（１０６Ｐａ）。（２）物理大气压（又称标准大气压）国际上规定，在纬度为４５°的海平面上及温度为０℃，截面为１ｃｍ２时的大气柱的重力压为一个物理大气压，又叫一个“标准大气压”。它等于水银密度为１３．５９５１ｇ／ｃｍ３和重力加速度为９８０．６６５ｃｍ／ｓ２时，高度为７６０ｍｍ水银柱垂直作用在底面积上的重力压力。（３）工程大气压一个工程大气压，就是在１ｃｍ２的面积上有１ｋｇ均匀、垂直的力。（４）毫米水银柱和毫米水柱这两种压力单位常用来表示低压。它们相当于重力加度为９８０．６６５ｃｍ／ｓ２，温度为０℃（水银）或４℃（水）时，液柱高度为１ｍｍ的各液体作用在底面积上的重力压力。主要压力单位换算表如表２．１所示。返回上一页下一页２.１概述３．压力的表示方式（１）大气压力就是由于空气柱的重力作用在底面积上所产生的压力。我们所处的环境中，到处都有大气压力的作用。（２）绝对压力液体、气体或蒸汽所处空间的全部压力。工程上所用的压力指示值，大多为表压力。它是绝对压力和大气压力之差，即：当被测压力低于大气压力时，则称为负压力（或真空度）。它是大气压力与绝对压力之差，即：返回上一页下一页２.１概述此时，常用ｍｍＨ２Ｏ或ｍｍＨｇ表示。它们之间的关系如图２．２所示。２.１.２压力仪表的分类压力测量仪表的品种、规格甚多，分类方法也不少，常用而又比较合理的分类方法是按仪表的工作原理把压力测量仪表分为三类，如表２．２所示。返回上一页２.２液柱式压力计液柱式压力计是以液体静力学原理为基础的。常见的有Ｕ形管压力计、单管压力计等。它们一般采用水银或水为工作液，常用于测量低压、负压或压力差。也可作为校验其他仪表（如差压计）的标准表。其主要特点是结构简单，价格便宜，使用方便，精度也高；但易碎，不耐压，读数不便，体积较大，难以实现自动记录和远距传示。２.２.１U形液柱压力计Ｕ形液柱压力计，是由一“Ｕ”字形的玻璃管构成的，如图２．３（ａ）所示。它的一端接触被测压力，而另一端则与大气相通，这样便可由左右两边管内液面高度差h测知被测压力p（表压）的数值。返回下一页２.２液柱式压力计根据静力平衡原理，由图２．３（ａ）可知，Ｕ形管两边管内液柱差h与被测压力和的关系为：即可见Ｕ形管内的液柱差h与被测差压或压力成正比。被测压力的表压值可用已知工作液高度h的毫米数来表示，如ｍｍＨｇ或ｍｍＨ２Ｏ。Ｕ形液柱压力计的测量准确度受读数精度和工作液体毛细作用的影响，绝对误差可达１ｍｍ。返回上一页下一页２.２液柱式压力计２.２.２单管液柱压力计如果把Ｕ形管的一个管改换成大直径的杯，即成为单管液柱压力计，如图２．３（ｂ）所示。由于大杯直径远大于单管直径，所以单管液柱压力计比Ｕ形管液柱压力计的灵敏度高；由于单管液柱压力计使用时只需进行一次读数，所以读数的绝对误差可比Ｕ形液柱压力计减少一半，即不大于０．５ｍｍ。２.２.３斜管液柱压力计如果将单管液柱压力计的单管倾斜放置，便可成为斜管液柱压力计，如图２．３（ｃ）所示。由于Ｌ的读数标尺连同单管一起被倾斜放置，可以使刻度标尺的分度间距放大，它可以测量到１／１０毫米水柱的微压。返回上一页２.３弹性式压力计２.３.１弹性元件弹性式压力计是以弹性元件受压后所产生的弹性变形为测量基础的。根据测压范围的不同，常用的有膜片（分平膜片与波纹膜片）、膜盒（分单膜盒与双膜盒）、波纹管（分单波纹管与双波纹管）、弹簧管（分单圈弹簧管与多圈弹簧管），其外观如图２．４所示。膜片、膜盒与波纹管等元件多用于微压和低压的测量；单圈弹簧管（亦称波登管）和多圈弹簧管，可用于高（多圈弹簧管压力计最高测量范围为１６ＭＰａ）、中、低压直到真空度的测量。返回下一页２.３弹性式压力计２.３.２弹簧管压力表单圈弹簧管压力表（简称弹簧管压力表）的测量范围极广，品种规格繁多，除普通弹簧管压力表外，还有耐腐蚀的氨用压力表和禁油的氧用压力表。它们的外形和结构都很相似。弹簧管压力表的结构如图２．５所示。弹簧管压力表主要是由一端面封闭（称自由端）并弯成圆弧形的扁圆（或椭圆）空心管子和一组传动放大机构（简称机芯，它包括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮）及指示机构（包括指针、面板上的分度标尺）所组成。返回上一页下一页２.３弹性式压力计被测压力由接头９通入，迫使弹簧管１的自由端Ｂ向右上方扩张。自由端Ｂ的弹性变形位移通过拉杆２使扇形齿轮３作逆时针偏转，进而带动中心齿轮４作顺时针偏转，使与中心齿轮同轴的指针５也作顺时针偏转，从而在面板６的刻度标尺上显示出被测压力犘的数值。由于自由端的位移与被测压力之间具有比例关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是线性的。由于弹簧管受压后，自由端的位移量很小，因此，必须用一传动放大机构（机芯）将自由端的位移放大，以提高仪表的灵敏度。由图２．５可知，指针５的位移是经两次放大而实现的。第一次放大利用扇形齿轮３因拉杆１的拉动而绕支点旋转时，它的两个端点（２与３上的质点）移动了不同的弧长而实现的；第二次放大则是中心齿轮４的节圆直径远小于扇形齿轮３的节圆直径之故。返回上一页下一页２.３弹性式压力计游丝７用来克服因扇形齿轮３和中心齿轮４间的间隙而产生的仪表变差。改变调整螺钉８的位置（即改变机械传动的放大系数），可以实现压力表量程的调整。弹簧管的材料，随被测介质的性质和被测压力的高低而不同，一般是当p＜２２ＭＰａ时，采用磷青铜；当p＜２０ＭＰａ时，采用不锈钢或合金钢。但是，选用压力表时，还必须注意被测介质的化学性质，例如测量氨气压力时，必须采用不锈钢弹簧管，测量氧气压力时，则严禁沾有油脂，否则将有爆炸危险。在化工生产过程中，常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，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。返回上一页下一页２.３弹性式压力计图２．６是电接点信号压力表的结构和工作原理示意图。压力表指针上有动触点２，表盘上另有两个可调节的指针，上面分别有静触点１和４。当压力超过上限给定数值（此数值由静触点４的指针位置确定）时，动触点２和静触点４接触，红色信号灯５的电路被接通，使红灯发亮，若压力低到下限给定数值时，动触点２与静触点１接触，接通了绿色信号灯３的电路。静触点１，４的位置可根据需要灵活调节。返回上一页下一页２.３弹性式压力计２.３.３膜式压力表膜片和膜盒也常常被用作压力测量的弹性元件，从而构成膜片压力表和膜盒压力表，其外形如图２．７所示。膜盒压力表主要用于测量较低压力或负压的气体压力，压力测量范围为－２０～４０ｋＰａ，仪表的精度等级一般为１．５～２．５级。膜片压力表的工作原理与膜盒压力表相近，测量精度也差不多，但膜片压力表的可测压力范围较宽，最高可达２．５ＭＰａ。另外，作为弹性元件的膜片常常和其他转换元件一起使用构成电远传式压力仪表。返回上一页２.４电测式压力仪为适应生产过程中压力信号远距离传送和显示的需要，常在弹簧管压力表中附加一些变换装置，把弹簧管自由端的机械位移转换为某些电量的变化，从而构成各种类型压力表，如电阻式、电感式、霍尔片式等。但是，这类压力表都是先经弹簧管把压力变换成位移后再转换为电量而进行测量的。所以，它们不能适应快速变化的脉动压力和高真空、超高压等场合下进行测量的需要，因而出现了另一类电气式压力仪表，如电容式、扩散硅式差压变送器等。现就上述两种类型各举一例加以介绍。返回下一页２.４电测式压力仪２.４.１电容式差压变送器电容式差压变送器由电容式测量膜盒和转换电路组成。电容式测量膜盒是将差压的变化转换为电容量的变化。图２．８所示是电容式差压变送器。测量膜盒内充以填充液（硅油），中心感应膜片１１（可动电极）和其两边弧形固定电极分别形成电容C1和C2。当被测压力加在测量膜片上后，通过腔内填充液的液压传递，将被测压力差引入到中心感应膜片，使中心感应膜片产生位移，因而使中心感应膜片与两边弧形固定电极的间距不再相等，从而使犆１和犆２的电容量不再相等，通过转换部分的检测和放大，将电容的变化量转换为直流电流信号输出。电容式差压变送器的作用就是将不同范围的差压转换为标准的４～２０ｍＡ的直流电信号输出。不同的测压范围可通过差压变送器的调零和调量程的方法实现，当压力变化较大时，需换不同测压范围的变送器。返回上一页下一页２.４电测式压力仪电容式差压变送器的精度较高，由于它的结构能经受振动和冲击作用，其可靠性、稳定性高。当测量膜盒的两侧通以不同压力时，便可以用来测量差压、液位等参数。２.４.２扩散硅压阻式压力传感器压阻式传感器是利用半导体材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。它具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范围宽、易于小型化、能够进行批量生产、使用方便等一系列特点。压阻式传感器现已生产出多种压力传感器、加速度传感器，并广泛应用于石油、化工、矿山冶金、航空航天、机械制造、水文地质、船舶、医疗等科研及工程领域。返回上一页下一页２.４电测式压力仪１．压阻效应单晶硅材料在受到力的作用后，其电阻率将随作用力而变化，这种物理现象称压阻效应。半导体材料电阻的变化率ΔR／R主要由Δρ／ρ引起，所以可以用下式表示：返回上一页下一页２.４电测式压力仪式中πＬ———压阻系数；σ———应力；ρ———半导体材料的电阻率。在弹性变形限度内，硅的压阻效应是可逆的，即在应力作用下硅的电阻发生变化，而当应力除去时，硅的电阻又恢复到原来的数值。２．扩散硅压阻式压力传感器利用集成电路工艺直接将硅平膜片制作在一个基片上，硅平膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路，相对的桥臂电阻是对称布置。压阻式压力传感器的外形及结构示意图２．９所示。返回上一页下一页２.４电测式压力仪图２．９中，硅膜片两边有两个压力腔。一个是和被侧压力相连接的高压腔，另一个是低压腔，通常和大气相通。当膜片两边存在压力差时，阻值发生变化，电桥失去平衡，其输出的电压与膜片两边压力成正比。扩散硅式压力传感器的电路原理图如图２．１０所示。图中是不平衡电桥供电恒流源，时，I1,I2分为两个桥壁电流，I1=I2=0.5mA时，RA、RB、RC、RD为应变电阻。返回上一页２.５压力表的选择与安装为使化工生产中的压力测量和控制安全、经济、合理，正确地选用、安装压力测量仪表是十分重要的环节。２.５.１压力表的选用压力表的选用应根据使用要求，针对具体情况做具体分析。在满足工艺技术要求的前提下，做到合理地选择种类、型号、量程和精度等级。有时还需考虑是否带有报警、远传变送等附加装置。选用依据主要有：①工艺生产过程对压力测量的要求。例如，压力测量精度、被测压力的高低、以及对附加装置的要求等。②被测介质的性质。例如，被测介质的温度高低、黏度大小、是否易燃易爆等。③现场环境条件。例如，高温、腐蚀、潮湿、振动等。返回下一页２.５压力表的选择与安装除此以外，对弹性式压力表，为了保证弹性元件能在弹性变形的安全范围内可靠地工作，在选择压力表量程时，必须根据被测压力的性质（压力变化的快慢）留有足够的余地。一般在被测压力较稳定的情况下，最大压力值应不超过满量程的３／４，在被测压力波动较大情况下，最大压力值应不超过满量程的２／３。在测量高压时，最大压力值应不超过满量程的１／２。为保证测量精度，被测压力的最小值应不低于满量程的１／３。２.５.２压力表的安装压力表的安装一般应考虑以下几个问题：１．测压点的选择原则①测压点要选在被测介质作直线流动的直管段上，不可选在管路拐弯、分岔、死角或能形成旋涡旋地方。返回上一页下一页２.５压力表的选择与安装②测量流动介质时，导压管应与介质流动方向垂直，管口与器壁应平齐，并且不能有毛刺。③测量液体时，取压点应在管道下部，测量气体时，取压点应在管道上部。２．引压管的敷设①引压管应粗细合适，一般内径为６～１０ｍｍ，长度应尽可能短，最长不得超过５０ｍ。②引压管水平安装时应保证有１∶１０～１∶２０的倾斜度，以利于积存于其中的液体或气体排出。③如果被测介质易冷凝或冻结，则必须加装伴热管，并进行保温。④当测量液体压力时，在引压系统最高处应装设集气器，当测量气体压力时，在引压系统最低处应装设水分离器；当被测介质有可能产生沉淀物析出时，在仪表前应加装沉降器。返回上一页下一页２.５压力表的选择与安装３．压力表的安装①压力表应安装在能满足规定的使用环境条件和易于观察检修的地方。②应尽量避免温度变化对仪表的影响，当测高温气体或蒸汽压力时，应加装转冷凝器，如图２．１１所示。③测量有腐蚀性或黏度较大、有结晶、沉淀等介质压力时，应优选带隔离膜的压力表或远传膜片密封变送器，如图２．１２所示。④在有振动的情况下使用仪表，则应加装减振器。⑤当被测压力（如泵、压缩机的出口压力）波动剧烈和频繁时，应装缓冲器或阻尼器。返回上一页下一页２.５压力表的选择与安装⑥压力表的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封垫片，以防泄漏。一般低于８０℃及２ＭＰａ时，用牛皮或橡皮垫片；３５０℃～４５０℃及５ＭＰａ以下时，用石棉或铝垫片，温度及压力更高（５ＭＰａ以上）用退火紫铜或垫片。测量氧气压力时，不能使用浸油垫片、有机化合物垫片；测量乙炔压力时，不得使用铜垫片。因为它们均有发生爆炸的危险。⑦取压口到压力表之间应装有切断阀，以备检修压力表时使用。切断阀应装设在靠近取压口的地方，如图２．１１所示。需要进行现场校验和经常冲洗引压导管的地方，切断阀可改用三通开关。⑧当被测压力较小，而压力表与取压口又不在同一高度时，对由此高度差而引起的测量误差应按△P=±Hρg进行修正。式中h为高度差，ρ为导压管中介质的密度，g为重力加速度。返回上一页下一页２.５压力表的选择与安装⑨仪表必须垂直安装。如果装在室外时，还应加保护罩。⑩为安全起见，测量高压的仪表除选用外壳有通气孔外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外。【例题２-１】某反应器压力控制指标为１５ＭＰａ，要求指示误差不超过±０．５ＭＰａ，现在用一只刻度范围为０～２５ＭＰａ，精度为２．５级的压力表，问它可否满足要求？为什么？应选用什么级别的表？解：（１）２．５级精度刻度范围为０～２５ＭＰａ的压力表允许的最大绝对误差ΔＭ＝最大引用误差×（标尺上限值－标尺下限值）＝２．５％×（２５－０）＝０．６２５（ＭＰａ）＞０．５（ＭＰａ）不能满足工艺要求。返回上一页下一页２.５压力表的选择与安装（２）以工艺要求的±０．５ＭＰａ为压力表允许的最大绝对误差ΔＭ＝０．５ＭＰａ故应选一只０～２５ＭＰａ，精度为１．５级的压力表。返回上一页技能训练１弹簧管压力表的认识与校验训练目标（１）熟悉弹簧管压力表的结构和工作原理；（２）掌握校验弹簧管压力表的方法；（３）掌握仪表的定级。训练装置（准备）（１）压力表校验器或活塞式压力计一台；（２）标准弹簧管压力表（０．４级）一只；（３）普通弹簧管压力表一只；（４）３００ｍｍ扳手和２００ｍｍ扳手各一把；（５）螺丝刀一把；（６）起针器一个；（７）钢丝钳一把。弹簧管压力表校验连接如图２．１３所示。返回下一页训练内容选择一只精度为１．５级（或２．５级）的普通弹簧管压力表作被校表，用“标准表比较法”鉴定它的基本误差、变差和零位偏差，对指针偏转的平稳性（要求指针在偏转过程中不得有停滞或跳动）及轻敲表壳位移量（不得超过允许绝对误差的一半）也应进行检查。在全标尺范围内，总的校验点一般不得少于五点。训练步骤（要领）（１）把压力表校验器平放在便于操作的工作台上。（２）注入工作液。技能训练１弹簧管压力表的认识与校验返回上一页下一页技能训练１弹簧管压力表的认识与校验工作液一般应根据被校表的测量范围和种类而定。被校表的测量上限在５．９ＭＰａ以上者，用蓖麻油；反之，可用无酸变压器油；当被校表为氧表时，则应用甘油与酒精混合液。为使工作液顺利注入压力表校验器，须先开针阀４、手轮７，把手摇泵活塞推到底部，旋开油杯阀，揭开油杯盖，将工作液注满油杯２。关闭针阀４，反方向转动手轮７，将工作液吸入手摇泵内（此时油杯内仍应有适量工作液）盖上油杯盖，装上油杯阀。４．排除传压系统内的空气关闭油杯阀，打开针阀４，适当摇动手轮７，直至看刻两压力表接头处有工作液即将溢出时，关闭针阀４，打开油杯阀，反向旋转手轮７，给手摇泵补足工作液，再关闭油杯阀。返回上一页下一页技能训练１弹簧管压力表的认识与校验５．校验将标准压力表和被校压力表分别装在压力表校验器左右两个接头螺母３上，打开针阀４，用手摇泵１加压即可进行压力表的校验。校验时，先检查零位偏差，如合格，则可在被校表测量范围的３５％、５０％、７５％三处做线性刻度校验，如合格，即可校验各校验点，并在刻度上限做耐压检定３分钟（精密压力表为５分钟，弹性元件重新焊接后为１０分钟）。每个校验点应分别在轻敲表壳前后进行两次读数，然后记录各校验点处被校表的指示值（以轻敲表壳后的示值为准）和标准表的示值及轻敲位移量。接着以同样方式做反行程校验和记录。返回上一页下一页技能训练１弹簧管压力表的认识与校验６．零点、量程调整（１）零点的调整当弹簧管压力表未输入被测压力时，其指针应对准表盘零位刻度线，否则，可用特制的取针器将指针取下对准零位刻度线，重新固定。对有零位限制钉的表，一般要在第一个有数字的刻度线处取、装指针，以进行零位调整。（２）量程的调整如果压力表的零点已调准，当测量上限时其示值超差，则应进行量程调整。其做法是调整扇形齿轮与拉杆的连接位置，以改变图２．１４中OB的长短，即可调量程。要结合零位调整反复数次才能奏效。返回上一页下一页上一页下一页返回上一页下一页技能训练１弹簧管压力表的认识与校验数据处理１．原始数据填入表２．３２．误差运算计算被校表的引用误差、变差，画出压力表的校正曲线，判断被校表是否合格（定级）。思考与分析（１）为什么要排除压力表校验器内的空气？（２）为什么要求轻敲表壳时，仪表示值变动不应超过允许绝对误差的一半？返回上一页下一页技能训练１弹簧管压力表的认识与校验拓展型训练（线性的调整）在校验压力表的过程中，发现在量程前半部分示值误差为正（或负），后半部分示值误差为负（或正），且超差。这表明线性关系不好。对此，应进行线性调整。办法是松开固定机芯的螺丝，适当转动机芯，以改变扇形齿轮与拉杆的夹角，顺时针转机芯，夹角变小，将产生前快后慢；逆时针转机芯则相反。一般示值为测量范围的一半，扇形齿轮与拉杆夹角为９０°时，线性最好。返回上一页技能训练２压力变送器的认识与校验

训练目标（１）认识各种压力变送器的外形、结构和信号输入、输出的位置；（２）掌握压力变送器校验的方法。训练装置（准备）（１）压力发生装置一套；（２）直流稳压电源一台（０～３０ＶＤＣ）；（３）智能型压力变送器一台（若有其他压力、差压变送器也可展示）；（４）数字电压表一台；（５）标准电阻箱一台；（６）导线若干，钳子、螺丝刀各一把。返回下一页技能训练２压力变送器的认识与校验

训练内容（１）认识压力变送器结构，熟悉各调节螺钉的位置和用途；（２）调整仪表的零点和量程；（３）仪表的精度校验；（４）进行零点迁移；（５）量程调整。返回上一页下一页技能训练２压力变送器的认识与校验

训练步骤（要领）１．认识压力（差压）变送器仔细观察各种压力变送器的外表、铭牌，学会从外部辨认仪表的类型。查找各变送器输入、输出信号的位置。打开仪表外壳，大体认识内部结构，找到调零点、调量程的挡位和调整螺钉。２．调校接线电容式差压变送器校验接线如图２．１５所示。３．调校接线后，通电，打开气源，进行零点和量程的调整。返回上一页下一页技能训练２压力变送器的认识与校验

（１）关阀６，打开阀７和阀８，使正负压室都通大气，差压信号为零时，调整零点螺钉，使电压表读数为１．０００±０．００４ＶＤＣ。（２）关阀７，打开阀６，用定值器加压至仪表测量上限，调整量程螺钉，使电压表读数为５．０００±０．００４ＶＤＣ。注意：在差压不变时，零点和量程螺钉都是顺时针输出增加，逆时针输出减小。反复调整零点