压力检测仪表及变送器

第一节压力检测仪表及变送器一、概述在化工、炼油等生产过程中，经常需要对压力和真空度进行检测和控制。根据生产过程的不同要求有的需要检测比大气压力高很多的高压，例如高压聚乙烯要在150Mpa的压力下进行反应。而有的生产过程却需要检测比大气压力低的真空度，例如炼油厂的减压蒸馏则需要在一定的负压下才能进行正常操作。此外，通过检测压力还可以间接测量液位的高低、流量的大小等，也可以判断设备的工作善。因此，为了保证产品质量、提高生产效率、确保生产安全顺利地进行，必须对压力进行检测或按一定的要求对压力进行控制。所谓压力p是指垂直而均匀地作用于单位面积上的力。其数学表达式为p＝（3－15）式中p为压力，F为垂直作用力，S为受力面积。在国际单位制（代号SI）和我国法定计量单位中规定，压力的单位是帕斯卡，简称帕，符号Pa，它表示每平方米的表面上垂直作用1牛顿的力，即1Pa＝1N/m2。由于帕的单位太小，因此，工程上还常用千帕（kPa）和兆帕（MPa）压力单位，它们之间的关系为：1Mpa＝1×103kPa＝1×106Pa工程上习惯用的压力单位还有工程大气压（kgf/cm2）、标准大气压（atm）、毫米水柱（mmH2O）、毫米汞柱（mmHg）等，按照有关规定，这些单位已不再使用，但为了解这些单位与国际单位制中压力单位的关系，列出表3－5供参考。表3－5各种压力单位换算表单位名称帕（斯卡）PPa千克力每平方厘米（工程大气压）kgf/cm2毫米汞柱mmHg毫米水柱mmH2O标准大气压atm巴bar1Pa（帕）10.0197×10-50.75×10-21.0197×10-10.987×10-51×10－51kgf/cm2(1千克力每平方厘米)0.9807×10610.73556×1031040.96780.98071mmHg（1毫米汞柱）1.332×1021.3595×10-311.3595×101.316×10-31.332×10－31mmH2O（1毫米水柱）0.9807×1010-40.731556×10-110.9678×10-40.9807×10－41atm（1标准大气压）1.01325×1051.03327601.0332×10411.013251bar（1巴）1×1051.01970.75×1031.0197×1040.98691压力检测中，常用绝对压力、大气压力、表压（力）、负压（力）或真空度等概念，它们各自的意义及相互之间的关系为绝对压力p绝：是指物体上所受的实际压力（包含大气压力）。大气压力p大：是空气柱形成的压力。表压p表：是指高于大气压力的绝对压力与大气压力之差，即p表＝p绝－p大负压p负：是指大气压力与低于大气压力的绝对压力之差，即p负＝p大－p绝绝对压力、表压、负压和大气压力的关系如图3－21所示。检测绝对压力的仪表称为绝对压力表，检测表压的仪表称为压力表。真空空用低于大气压力的数值表示，绝对压力为零的表示为绝对真空。检测负压的仪表称为真空表，既能检测表压又能检测负压的仪表称为压力真空表。由于各种工艺设备本身就处于大气之中，因此工程上多采用压力表或真空表测量各种设备的压力，只要无特殊要求，一般采用表压加大气压力的方法来求得被测压力的绝对压力值。检测压力的仪表类型很多，如果按其转换原理的不同，大致可分为以下四类：（一）液柱式压力计它是根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度来进行测量。利用这一原理检测压力的仪表有U型管压力计、单管压力计及斜管微压计等。（二）弹性式压力表及压力变送器它是基于弹性元件受压后产生的弹性变形位移与被测压力间呈一定关系的原理制成的。例如，单圈（或多圈）弹簧管压力表、膜片（或膜盒）压力表及波纹管压力表等。如果通过波纹管（测低压）或单圈弹簧管（测中、高压）把所测压力转换为20～100kPa统一标准的气压信号或0～10mA的直流电流信号输出则为气动或电动压力变送器。压力变送器输出的标准信号可以送往显示仪表进行压力显示；也可以送往调节器，作为自动控制的依据。有关十四行诗为送器的工作原理，将在差压变送器一节予以介绍。（三）电气式压力计它是通过机械和电气元件把被测压力转换成电量来进行测量的仪表，例如应变片式、霍尔片式、电容式、电阻式等电气式压力计。（四）活塞式压力计它是根据水压机流体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加砝码的质量来进行测量的。这是一处标准仪器，通常用来对弹簧管压力表进行校验或刻度。二、弹性式压力表（一）弹性元件弹性元件是弹性式压力表的感压元件，它在受到压力作用时产生相应的弹性变形（位移），根据弹性元件机械位移的程度来度量压力的大小。对于不同的测压范围，所用的弹性元件也各不相同，常用的弹性元件有如图3－22所示的几种根据被测压力的状态和数值计算出仪表的上、下限值后，还不能以此数值直接作为仪表的测量范围，因为仪表标尺的上限值不是任意值，它是由国家主管部门用规程或标准作了规定的。因此在选用时，只能选用与计算值相近的标准值作为仪表标尺的上限值。压力表标尺刻度上限值的标准值为：（1、1.6、2.5、4、6）×10nMPa（kPa），n为正、负整数或零，压力表的下限值为零。3、仪表精确度等级的选择在确定仪表测量范围后，应根据工艺生产对压力测量所能允许的最大绝对误差来计算仪表的相对百分误差的最大值，以此为依据确定仪表的允许误差及精确度等级。（二）压力表的安装1、取压点的位置必须具有代表性，取压点应选在能正确而及时地反映被测压力实际数值的部位。例如选在被测介质流动平稳的部位，而不应太靠近有局部阻力或其它受干扰的地方，即不要选在管道拐弯、分叉、死角或其它易形成漩涡的地方。取压管内端面与设备连接处的内壁保持平齐，不应有凸出物和毛刺，以免影响流体的平稳流动。测量液体压力时，取压点应在管道的下半部，使导压管内不积存气体；测量气体压力时，取压点应在管道上半部，使导压管内不积存液体。2、导压管应按最短距离敷设，水平安装时应保证有一定的倾斜度；当被测介质容易冷凝或冻结时，必须加设保温伴热管；取压口到压力表之间应装切断阀，以备检修压力表时使用。3、应安装在易于观察和检修的地方，安装地点应力求避免振动和高温影响。测量高温介质压力时，应加装冷凝管，以免高温介质与检测元件接触，如图3－28（a）所示。对于腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐。如图3－25（b）所示。总之，应根据不同情况（如高温、低温、腐蚀、结晶、沉淀、粘稠等）采取相应的防护措施。此外，压力表与导压管的连接处应加装适当的密封垫片，以防泄漏。在压力测量中，通常有绝对压力，表压力、负压、或真空度等名词。绝对压力是指介质所受的实际压力。表压是指高于大气压的绝对压力与大气压之差，即：P表=P绝-P大负压与真空度是指大气压力与低于大气压力的绝对压力之差，即：P真=P大-P绝绝对压力、表压力、大气压力、负压力（真空度）之间的关系如下图所示。因为各种工艺设备和测量仪表都处于大气中，所以工程上都用表压力或真空度来表示压力的大小。我们用压力表来测量压力的数值，实际上也都是表压或真空度（绝对压力表的指示值除外）。因此，在工程上无特别说明时，所提的压力均指表压力或真空度。压力测量仪表的品种，规格甚多。常用的压力测量方法和仪表有：通过液体产生或传递压力来平衡被测压力的平衡法。属于应于这类方法的仪表有液柱式压力计和活塞式压力计；将被测压力通过一些隔离元件（如弹性元件）转换成一个集中力，并在测量过程中用一个外界力（如电磁力或气动力）来平衡这个未知的集中力，然后通过对外界力的测量而得知被测压力的机械力平衡法。力平衡式压力变送器就是属于应用此法的例子；根据弹性元件受压后产生弹性变型的大小来测量弹性力平衡法。属于这类应用方法的仪表很多，若根据所用弹性元件来分，可分为薄膜式，波纹管式，弹簧管式压力表；能过机械和电子元件将被测压力转换在成各种电量（如电压、电流、频率等）来测量的电测法。例如电容式、电阻式、电感式、应变片式和霍尔片式等变送器应于此法的压力测量仪表。目前，石油化工生产中应用中广泛的一种压力测量仪表是弹性元件。根据测压范围不同，常用的测压元件有单圈弹簧管、多圈弹簧管、膜片、膜盒、波纹管等。在被测介质压力的作用下，弹性元件发生弹性变型，而产生相应的位移，能过转换位置，可将位移转换成相应的电信号或气信号，以远传显示，报警或调节用。主要压力检测仪表：（1）弹簧管压力表弹簧管压力表是压力仪表的主要组成部份之一，它有着极为广泛的应用价值，它具有结构简单，品种规格齐全、测量范围广、便于制造和维修和价格低廉等特点。弹簧管压力表是单圈弹簧压力表的简称。它主要由弹簧管、齿轮传动机构（包括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮）、示数装置（指针和分度盘）以及外壳等几部份组成，如下图所示。弹簧管是一端封闭并弯成270度圆孤形的空心管子。它的截面呈扁圆形或椭圆形，椭圆的长轴2a与图面垂直的弹簧管的中心轴O相平行。管子封闭的一端B为自由端，即位移输出端；而另一端A则是固定的，作为被测压力的输入端。当由它的固定端A通入被测压力P后，由于呈椭圆形截面的管子在压力P的作用下，将趋于圆形，弯成圆弧形的弹簧管随之产生向外挺直的扩张变形，使自由端B发生位移。此时弹簧管的中心角γ要随即减小Δγ，也就是自由端将由B移到B，处，如图2-3(b)上虚线所示。此位移量就相应于某一压力值。自由端B的弹性变形位移通过拉杆使扇形齿轮作逆时针偏转，使固定在中心齿轮轴上的指针也作顺时针偏转，从而在面板的刻度标尺上显示出被测压力的数值。由于弹簧管自由端位移而引起弹簧管中心角相对变化值Δγ/γ与被测压力P之间具有比例关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是均匀的。由上述可如，弹簧管自由端将随压力的增大而向外伸张。反之若管内压力小于管外压力，则自由端将随负压的增大而向内弯曲。所以，利用弹簧管不仅可以制成压力表，而且还可制成真空表或压力真空表。弹簧管压力表除普通型外，还有一些是具有特殊用途的，例如耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧用压力表等。为了能表明具体适用何种特殊介质的压力测量，常在其表壳、衬圈或表盘上涂以规定的色标，并注有特殊介质的名称，使用时应予以注意。2）应变式压力变送器应变式变送器以是以电为能源，它利用应变片作为转换元件，将被测压力转换成应变片电阻值的变化，然后经过桥式电路得到毫伏级的电量输出，供显示仪表显示被测压力或经放大电路转换成统一标准信号后，再传送到记录仪和调节器等仪表。应变片有金属电阻丝应变片(金属丝粘贴在衬底上组成的元件)和半导体应变片两类。根据电阻应变原理，应变片在压力作用下产生弹性变形dL/L(即应变e)，其电阻值随之发生变化。如果已如应变片的电阻变化与其变形(即应变)的关系，那么，通过对应变片电阻变化的测量就可测知被测压力。单晶硅谐振式传感器谐振式传感器是采用超精细加工工艺在单晶硅材料上制成两个完全一致的H型谐振梁，并以一定的频率产生振动。其谐振频率取决于梁的长度及张力，而张力随压力的变化而变化，实现了压力变化转换成频率信号的变化，并采用了频率差分技术，将两个频率信号直接输出到脉冲计数器。从而使传感器具有误差小，重复性好、分解能力和反应灵敏度高、直接输出数字信号等特点。由于传感器良好的特性，可使变送器几乎不受静压和温度的影响，而且具有优良的过压性能和范围较宽的量程。压力表的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，被测介质的性质，现场环境条件等来考虑仪表的类型、量程和精度等级。并确定是否需要带有远传、报警等附加装置。这样才能达到经济、合理和有效的目的。1．类型的选用仪表类型的选用必须满足工兰生产的要求。例如是否需要远传变送、自动记录或报警；被测介质的物理化学性质(如腐蚀性、温度高低、粘度大小、脏污程度、易燃易爆等)是否对仪表提出特殊要求；现场环境条件(如高温、电磁场、振动等)对仪表有否特殊要求等。普通压力表的弹簧管材料多采用铜合金，高压的也有采用碳钢，而氨用压力表的弹簧管材料都采用碳钢，不允许采用铜合金。因为氨气对铜的腐蚀极强，所以普通压力表用于氨气压力测量很快就要损坏。氧气压力表与普通压力表在结构和材质上完全相同，只是氧用压力表禁油。因为油进入氧气系统会引起爆炸。如果必须采用现有的带油污的压力表测量氧气压力时，使用前必须用四氯化碳反复清洗，认真检查直到无油污为止。测量范围的确定仪表的测量范围是根据被测压力的大小来确定的。对于弹性式压力表，为保证弹性元件能在弹性变形的完全范围内可靠地工作，量程的上限值应高于工艺生产中可能的最大压力值。根据"化工自控设计技术规定"，在测量稳定压力时，最大工作压力不应超过量程的2/3；测量脉动压力时，最大工作压力不超过量程的1/2；测量高压压力时，最大工作压力不应超过量程的3/5。为了保证测量的准确度，所测的压力值不能太接近于仪表的下限值，亦即仪表的量程不能选得太大，一般被测压力的最小值应不低于量程的1/3。按上述要求算出后，实取稍大的相邻系列值，一般可在相应的产品目录申查到。3．精度级的选取仪表的精度主妥是根据生产上允许的最大测量误差来确定的。此外，在满足工艺要求的前提下，还要考虑经济性，即尽可能选用精度较低、价廉耐用的仪表。在化工生产过程中，为了有效地进行生产操作和控制，经常需要测量生产过程中各种介质(如液体、气体和蒸汽等)的流量，以便为生产操作和控制提供依据。同时，为了进行经济核算，也需要