化工测量仪表课件(压力)

第一篇压力测量概述第一章非远传式压力测量仪表其次章远传式压力测量仪表第三章压力测量仪表的选择、校验和安装小结返回11/28/20231概述压力:

返回下一页压力单位换算关系，参见表1-1-1其它原工程常用单位：工程大气压〔kgf/cm2〕、标准大气压〔atm〕：毫米水柱〔mmH2O〕、毫米汞柱〔mmHg〕垂直均匀地作用在单位面积上的力，即压强。P＝F／A

F——垂直作用力；A——受力面积。法定计量单位：N/m2帕斯卡，以Pa表示。

11/28/20232在压力测量中，有大气压力、确定压力、表压和真空度之分。各种压力关系：返回上一页P表=P绝-P大气P真=P大气-P绝假设无特殊说明，仪表显示的测量结果均为表压或真空度。绝压>大气压，称表压或正压；绝压<大气压，称真空度或负压11/28/20233第一章非远传式压力测量仪表返回第一节液柱式压力计其次节应用弹性变形测量压力11/28/20234第一节液柱式压力计U形管压力计单管压力计斜管压力计返回11/28/20235一、U型管压力计

A—U形管内孔截面积；

ρ—工作液的密度；ρ΄—

被测介质的密度；

g—重力加速度；

h—左右两边液柱差，h=h1+h2;

PA—

相对较低的压力或大气压；

P—

相对较高的压力。可得返回下一页(1-2-2)11/28/20236假设PA为大气压，被测介质为气体，ρ΄<<ρ，ρ可无视不计。则上式可表示为：上一页

浸润性工作液读取凹月面的最低点；非浸润性工作液读取凸月面的最高点。(1-2-3)U型管压力计其次页返回因工作液不同，液柱外表会消失弯月现象。11/28/20237二、单管压力计

h1

—大容器中工作液下降的高度；

h2

—玻璃管中工作液上升的高度。

h1A1=h2A2

返回

A1

—大容器截面；

d—玻璃管直径；

A2

—玻璃管截面；D—大容器直径。(1-2-4)假设D＞＞d压力P作用下，大容器内工作液下降的体积等于玻璃管内工作液上升的体积，即11/28/20238三、斜管压力计

因D＞＞d，则h1+h2≈h2=Lsin

L—斜管内液柱的长度；

—

斜管倾斜角。准确测量时，应考虑下降高度h1返回因L＞h2

，则灵敏度高于单管。常用于微小压力测量,测量范围一般为0～2023Pa。11/28/20239其次节应用弹性变形

测量压力原理弹性元件弹簧管压力表争论返回11/28/202310一、原理

基于弹性元件的弹性特性。当弹性元件在其轴向受到外力作用时，会产生拉伸或压缩位移，即

F

——轴向外力;

X——弹性元件的变形位移;

C——弹性元件的刚度系数。

由于

Ae

——弹性元件的有效面积;

P——被测压力。返回则(1-2-9)(1-2-10)(1-2-11)假设Ae/C为常数，则X与P为线性关系。11/28/202311二、弹性元件返回弹性后效与弹性滞后现象下一页弹簧管膜片膜盒波浪管11/28/202312返回上一页11/28/202313

μ、E—弹簧管材料的泊松系数和弹性模量；

h—弹簧管壁厚；

κ—弹簧管几何参数，

α、β—与a/b比值有关的参数。返回1、测压原理下一页三、弹簧管压力表利用椭圆或扁圆特殊截面，受压后长轴变短、短轴变长，从而引起自由端位移。11/28/2023142、弹簧管压力表构造〔1〕弹簧管扁平、中空，横截面为椭圆，一端固定，另一端为自由端，弧度270°。返回上一页原理图〔2〕齿轮、杠杆传动机构〔3〕游丝：抑制齿轮间的间隙,削减变差。〔4〕指针、表盘显示11/28/202315争论1.弹簧管压力表的量程与哪些因素有关？2.当弹簧管刚度、几何外形确定，量程应如何调整？弹簧管初始几何外形〔角度、截面〕、刚度〔材料、壁厚〕转变放大机构的放大倍数。调整拉杆与扇形齿轮连接点〔调整螺钉〕3.具有均匀壁厚的圆形弹簧管能否作为测压元件？不能。上一页返回11/28/202316其次章远传式压力测量仪表返回概述第一节力平衡式压力变送器其次节电阻式压力传感器第三节电容式压力传感器第四节电感式压力传感器第五节其它压力传感器11/28/202317概述0.14MPa压缩空气220V〔沟通〕24V〔直流〕返回标准信号：气动20~100kPa

电动0~10mA4~20mA变送器：将各种非电量的工艺参数〔压力、流量、物位、温度等〕转换成统一标准信号，传送到有关仪表进展显示或掌握。传感器：将各种非电量的工艺参数〔压力、流量、物位、温度等〕转换成为各种便于远传的电量信号。11/28/202318第一节力平衡式压力变送器测量局部〔输入转换局部〕转换局部工作原理返回11/28/202319返回一、测量局部〔输入转换局部〕将被测压力通过弹性元件转换为作用在主杠杆上的力Fi，经主杠杆传递到转换局部。下一页高压－弹簧管；中压－波浪管；低压－膜片。1.压力变送器11/28/202320膜盒：基座、硬芯、膜片、硅油、密封圈。具有单向过载爱护作用。高、中、低差压变送器承受膜盒，微差压变送器承受金属或橡胶膜片。2.差压变送器硅油：温度系数小，凝固点低(-40℃)。作为力的传递媒质，并使膜片的运动受到阻尼作用。返回上一页11/28/202321二、转换局部1.低频位移检测放大器

由低频位移检测放大器和电磁反响机构组成。下一页返回组成：差动变压器，低频振荡器，整流滤波，功率放大器。作用：将衔铁的微小位移S转换成直流输出电流I0，即位移－电流转换器。11/28/202322〔1〕差动变压器S→UCD衔铁〔检测片〕上罐形磁芯：磁芯的中心柱截面积等于其外环截面积下罐形磁芯：与上罐形磁芯构造一样，中心柱人为地磨去一固定气隙δ=0.76mm四组线圈：AB原边，同相连接；CD副边，反相连接。VCD相位取决于检测片位移是大于还是小于δ/2。VAB肯定，VCD=e2’－e2’’上一页下一页返回S=δ/2时，e2’＝e2’’，VCD=0S<δ/2时，e2’>e2’’，VCD>0，VCD与VAB同相；S>δ/2时，e2’<e2’’，VCD<0，VCD与VAB反相。11/28/202323(2)低频振荡器

LAB和C4构成的并联谐振回路，振荡条件：S↓，VCD↑，VAB=KVCD↑〔3〕整流滤波〔4〕功率放大器将振荡器的输出进展整流放大，变为直流标准信号输出。下一页上一页返回振幅：KF≥1，F振荡器反响系数，K放大器电压放大倍数。相位：要求VCD与VAB同相，即S<δ/2，正反响，VC↑→VB↓→VAB↑↑___________↓11/28/2023242．电磁反响机构作用：将电流I0转换为反响力Ff。组成：反响动圈、导磁体、永久磁钢。

Ff＝B

I0＝πBDWI0＝KfI0

Ff的方向由左手定则判定。上一页返回－主导线长度，＝πDWW－反响动圈匝数；D－动圈平均直径；B－磁场强度。11/28/202325力矩平衡〔力平衡〕变送器输入与输出为线性关系转变W或矢量角可转变量程；转变F0可调整零点或进展零点迁移。三、工作原理返回11/28/202326其次节电阻式压力传感器工作原理应变片压力传感器返回11/28/202327一、工作原理

ρ——电阻率；

L——电阻的长度；

A——

电阻的截面。返回下一页电阻受到拉力作用，电阻变化率为对圆截面电阻A=πD2/4，则：ε—轴向应变，ε=dL/L据材料力学：

dD/D——金属电阻丝的径向应变；dL/L——金属电阻丝的轴向应变；

μ——材料的泊松系数。

电阻应变灵敏系数。11/28/202328π——半导体材料的压阻系数σ——纵向应力,E——半导体材料的弹性模量；ε——纵向应变。1.金属导体返回上一页(1-2-16)(1-2-17)Ｋ=

E，半导体灵敏系数。2.半导体〔1-3-7〕Ｋ=1+2μ

，导体应变灵敏系数。11/28/202329二、应变片应变片返回11/28/202330三、压力传感器

返回下一页由图可得

〔1-3-8〕应变筒1.应变式压力传感器11/28/202331桥路处于平衡时，应使Usc=0，即应满足假设四个桥臂电阻均为应变片，有压力作用时，设每个桥臂电阻变化△Ri,并且△Ri<<Ri，在桥路平衡的条件下，可得〔1-3-9〕〔1-3-10〕返回下一页上一页假设R1、R2为应变片，R3、R4为固定周密电阻〔ΔR3=ΔR4=0〕，且R1=R2，但ΔR1≠ΔR2，据应变原理ΔR1/R1——应变筒的轴向应变；

ΔR2/R2——应变筒的径向应变。

11/28/202332则桥路输出电压Usc与应变

成正比，而与应变筒的轴向应变成正比。〔1-3-11〕返回上一页Usc与被测压力P成正比，测得Usc可知P。11/28/2023332.压阻式压力传感器返回特点：

易于微小型化：灵敏系数高：测量范围宽：精度高、工作牢靠。11/28/202334返回第三节电容式压力传感器工作原理压力〔差压〕变送器压力传感器变送器输出与被测参数的换算关系11/28/202335平行板电容器ε—极板间介质的介电常数；A—两平行板掩盖面积；d—两平行板之间距离。转变d能够获得较高灵敏度，可测量微米数量级的位移；转变介电常数ε常用于物位测量。转变A只适用于测量厘米数量级的位移；一、工作原理返回下一页11/28/202336无压力时，初始电容为动极板平行位移Δx

时线性，增加b或减小d，可提高灵敏度。转变a会如何呢？有压力时，θ≠0

返回下一页上一页初始电容为1．变面积式11/28/202337电容量C与极板间距d为非线性，

P=0时，动极板位移x=0，两极板间距为d，电容量为P>0时，动极板位移，间距减小x

当x<<d时，可近似为

返回上一页2．变间隙式〔转变d〕11/28/202338变面积式压力传感器返回11/28/202339依据变送器的测量范围、工作能源、输出信号范围可由下式求得I0—变送器的输出信号值；x—被测参数的测量值〔单位量纲应与变送器量程全都〕；I上、I下—变送器输出的上限值、下限值;lmin—变送器测量范围的下限值。各种输出与被测参数满足线性关系的变送器均可适用。返回四、变送器输出与被测参数的换算关系11/28/202340第四节电感式压力传感器自感式传感器互感式传感器返回11/28/202341一、自感式传感器

N—线圈匝数；

RM

—磁路总磁阻。

当空气隙δ较小时，总磁阻为

μ—导磁体导磁率；μ0—空气导磁率；

l—导磁体长度；δ—气隙长度；A1—导磁体截面积；A—气隙截面积。返回一般:导磁体磁阻<<空气隙磁阻则前项可略，线圈电感可为：下一页1.工作原理11/28/202342衔铁上移Δδ

：δ=δ0-Δδ,对应电感为衔铁下移Δδ

：δ=δ0+Δδ,对应电感为同理：当Δδ/δ0<<1时，上式可开放成级数形式无视二次项以上的高次项，则有下一页返回上一页11/28/2023432.差动式自感传感器返回下一页对高Q值差动式传感器〔Q=ωL0/R0〕上一页11/28/202344差动式自感压力传感器返回上一页11/28/202345返回二、互感式传感器次级绕组通过互感系数的变化得到不同的输出电压。多承受差动形式，又称差动变压器。LP、RP—初级线圈电感及损耗电阻；M1、M2—互感系数；UP—鼓励电压；ω—鼓励电压角频率。输出由互感M1和M2大小所打算。相位反映铁芯移动方向；幅值反映铁芯移动距离。1.工作原理下一页11/28/2023462.压力传感器传感器的工作原理，如何实现压力测量？将铁心与可产生位移〔变形〕的弹性元件连接。返回上一页P→弹性元件→铁芯位移→M变化→U0变化11/28/202347第五节其它压力传感器压电式压力传感器霍尔式压力传感器谐振式压力传感器返回11/28/202348一、压电式压力传感器1.压电效应返回下一页压电效应某些物质沿肯定方向施加外力〔受压或受拉〕发生气械变形时，它的两个外表上会产生异性电荷。当外力去掉后，会重新回到不带电的状态，此现象称“压电效应”。11/28/202349Ax

确定，测出qx即可得压力P。

上一页返回纵向压电效应:在x轴方向施加作用力Fx

,则x方向产生的电荷为横向压电效应:在y轴方向施加作用力Fy

,则x方向产生的电荷为a

—压电厚度;b—y

方向长度.因轴的对称性，则压电系数k1=-k2=k

下一页可视为一个电荷发生器,假设在两受力面上加上电极,又可视为平行板电容ε

—压电材料的介电常数;A

—

极板面积;d

—压电元件厚度.(1-2-12)11/28/202350为提高测量灵敏度,可承受串并联组合方式(类似电容串并联)。串联:

U串=2Uq串=qC串=C/2输出电压大,电容小,适宜以电压作输出信号.且要求测量电路输入阻抗要高。并联:

U并=Uq并=2qC并=2C输出电荷大,电容大,适宜以电荷作输出信号。上一页返回因产生电荷只有在无泄漏状况才可保存,需测量回路输入阻抗无穷大。不适宜静态及缓变参数的测量。2.常用构造形式11/28/202351三、谐振式压力传感器1.根本原理

任意机械振动系统中振子的谐振频率可按下式计算：

f0——谐振元件的固有频率；

C——谐振元件材料的刚度；

ｍ——谐振元件的质量；

Ｋ——与量纲有关的常数。返回下一页可承受间歇激振或连续激振方式使谐振元件产生振动。常用谐振元件：振弦、振膜、振筒、振梁等。11/28/2023522.压力传感器返回下一页上一页〔1〕振弦式压力传感器11/28/202353〔2〕振膜式压力传感器返回上一页11/28/202354第三章压力测量仪表的选择、

校验和安装返回第一节压力仪表的选择其次节压力仪表的校验第三节压力表的安装11/28/202355第一节压力仪表的选择测量范围选择准确度等级选择仪表类型选择返回11/28/202356一、测量范围的选择稳定压力：K=3/2脉动压力：K=2高压：K=5/3返回依据被测压力的最大值和最小值计算求出仪表的上、下限。P=KP测P测—被测压力值国家规定的压力仪表测量范围：-0.1～0；-0.1～0.06、0.15MPa;0～1、1.6、2.5、4、6、10×10nkPa〔n为正、负自然整数〕

即Pmax≥P，且P测min≥1/3〔Pmin～Pmax〕依据计算值，在国家规定的测量范围中选择大于或等于P值，且应满足被测压力最小值不应低于仪表测量范围的1/3。11/28/202357二、准确度等级的选择国家规定的准确度等级：0.01、0.02、0.05、0.1、0.16、0.2、0.25、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5等。依据工艺允许的最大确定误差和选定的仪表量程，计算仪表的最大引用误差qmax，在国家规定的准确度等级中确定准确度。三、仪表类型的选择所选准确度等级加上“％”、“±”后应小于或至少等于工艺允许的仪表最大引用误差qmax。

q允≤qmax依据被测介质的性质、是否提出特殊要求、是否需信号远传以及现场环境条件等对仪表类型进展选择。返回下一页11/28/202358某测温仪表的测量范围为0～1000℃,据工艺要求,温度测量误差不允许超过±7℃,应如何选择仪表准确度才能满足要求?返回上一页结论:

q允≤qmaxq允≥qmax且

q允≥hmax依据工艺要求选择仪表准确度等级:将仪表的允许误差去掉“±”号与“％”号，此值介于0.5级和1.0级之间假设选择等级为1.0级的仪表，其允许误差为±1.0％，超过了工艺要求的允许误差，故应选择0.5级的准确度才能满足要求。仪表允许的最大引用误差应为:例2依据仪表校验数据确定准确度等级:11/28/202359其次节压力仪表的校验校验方法活塞式压力计校验留意的问题返回11/28/202360一、校验方法〔1〕标准表允许确定误差应小于或等于被校表允许确定误差的1/3。1、将被校表的示值与标准压力比较。标准仪表的选择原则：返回〔2〕要求标准表的测量上限应比被校表大一档。△Y标允≤〔1/3〕△Y被允2、将被校表的示值与标准表的示值在一样条件下进展比较。11/28/202361二、活塞式压力计力平衡关系为A—测量活塞1的截面积；W、W0—砝码和测量活塞〔包括托盘〕的重量；P—被测压力。返回活塞式压力计11/28/202362三、校验留意的问题1.在被校仪表的测量范围内均匀选择5点以上;2.确保得到正、反行程误差;3.为减小读数误差,误差值应在标准表上读取;4.依据校验数据处理,最终按准确度等级要求得出结论。返回11/28/202363第三节压力仪表的安装取压位置的选择导压管的安装压力仪表的安装返回11/28/202364一、取压位置的选择1.对管路压力的测量，应避开死角、拐角及旋涡区。返回气体取于管道截面上半局部，液体取于管道截面下半局部。3.对水平管路取压点位置：2.管路中不应有突出物，假设存在时，取压点应在其之前。11/28/202365二、导压管的安装返回1.导压管不要超过50m，一般内径为6~10mm。2.

水平敷