热工仪表与测量2- 压力测量

第三章压力测量下节课讨论内容A9热线风速仪在化工流体输送过程中的应用B9锅炉烟气中硫化物和氮氧化物在线监测系统（原理和主要设备）第一节压力的概念及压力测量仪表的分类一、压力测量的意义安全性经济性

第一节压力的概念及压力测量仪表的分类

二、压力的概念及单位

垂直作用在单位面积上的力称压力。在国际单位制（SI）和我国法定计量单位中，压力的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为“Pa”。即1N的力垂直均匀作用在1m2的面积上所形成的压力值为1Pa。

过去采用的压力单位“工程大气压力”（kgf/cm2）、“毫米汞柱”（mmHg）、“毫米水柱”（mmH2O）、“标准大气压”（atm）、“巴”（bar）、“PSI”等均应改成法定计量单位帕。1kgf/cm2=0.9807×105Pa1mmH2O=0.9807×10Pa1mmHg=1.332×102Pa1atm=1.01325×105Pa1bar=105Pa

1PSI=6.89×103Pa压力表示方式绝对压力P1大气压力Pamb表压力Pe

Pe=P1－Pamb真空度PZ（负压）

PZ＝

Pamb－P1三、常用压力测量仪表的分类

压力检测方法1.平衡法：通过仪表使液柱高度的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理测量压力2.弹性法：利用各种形式的弹性元件，在被测介质的表压力或负压力作用下产生的弹性变形来反映被测压力的大小3.电气式：用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化压力测量仪表的分类压力传感器从其原理及结构来看可分为：液柱式、机械式及电气式测量压力的仪表，按信号原理不同，大致可分为四类：液柱式：根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度活塞式：根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量机械式：根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移电气式：将被测压力转换成各种电量，如电感、电容、电阻、电位差等，依据电量的大小实现压力的间接测量压力分类静定压变动压脉动压水锤又称水击。水(或其他液体)输送过程中，由于阀门突然开启或关闭、水泵突然停车等原因，使流速发生突然变化，同时压强产生大幅度波动的现象。因开泵、停泵、开关阀门过于快速,使水的速度发生急剧变化,特别是突然停泵引起的水锤,可以破坏管道、水泵、阀门,并引起水泵反转,管网压力降低等。压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管道一样，故称为水锤效应。第二节液柱式压力计

利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的原理，通过液柱高度来反映被测压力的大小优点：结构简单，使用方便，有相当高的准确度缺点：量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管容易损坏及读数不方便；测量范围不大采用水银或水为工作液，用U形管或单管进行测量，常用于低压、负压或压力差的检测被广泛用于实验室压力测量或现场锅炉烟、风道各段压力、通风空调系统各段压力的测量一、U形管压力计测气体△P=P1－P2=ρg(h1+h2)提高工作液密度将增加压力的测量范围，但灵敏度要降低。3-2式3-11适用于平衡液体上传压介质是气体。若不是气体而是另外一种液体，其密度ρ0，则公式中ρ用ρ-ρ0代替。必须分别读出h1和h2，再相加得出液面高度差。故读数误差大。单管压力计

由于U形管压力计需两次读取液面高度，为使用方便，设计出一次读取液面高度的单管压力计。3-3

因

故由于D>>d，所以P=ρgh1

问：U形管压力计两肘管的内径分别为d1=6mm，d2=6.5mm，管内封液为水，被测压力作用于较细肘管，使水柱从零位下降195mm。如果以该值的2倍作为被测压力值，试确定由于没有读取较粗肘管的水柱从零位的升高值而造成的测量误差。解：

斜管微压计

主要用于测量微小压力、负压和压差，它将单管液柱压力计的测量管倾斜放置，这样可以提高灵敏度，减少读数相对误差。12倾斜角度越小，l越长，测量灵敏度就越高；但不可太小，否则液柱易冲散，读数较困难，误差增大。这种倾斜管液柱式压力计可以测量到0.98Pa的微压。为了进一步提高微压计的精确度，应选用密度小的酒精作为工作液体。

倾斜式微压计

液柱式压力计的测量误差及其修正1.环境温度变化2.重力加速度变化3.毛细管现象第三节弹性式压力计

用弹性传感器（又称弹性元件）组成的压力测量仪表称为弹性式压力计。弹性元件受压后产生的形变输出（力或位移），可以通过传动机构直接带动指针指示压力（或压差），也可以通过某种电气元件组成变送器，实现压力（或压差）信号的远传。

优点：量程范围广（4mmH2O~1500MPa）结构简单，结实耐用，价格低国产压力表型号头字母用Y

弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形大小与被测压力有关。一、弹簧管压力计1．弹簧管测压原理截面为非圆形（椭圆形或扁圆形），并弯成圆弧状的空心管子一端为封闭（自由端），一端为开口（固定端）经验公式在一定的压力下位移取决于弹簧管材料（弹性模量E和泊松系数u）壁厚h圈径R截面半径ab恒弹合金γγba2．弹簧管压力计的结构

结构简单，使用方便，价格低廉，使用范围广，测量范围宽可测负压、微压、低压、中压和高压精度有0.5、1.0、1.5、2.5等电远传式弹簧压力仪表

霍尔压力传感器电感式压力传感器二.膜片

按剖面形状分为平膜片和波纹膜片可与其他转换元件合用电容式压力传感器光纤式压力传感器力矩平衡式压力变送器例膜片反射式光纤压力传感器光源接收Y形光纤束壳体P弹性膜片Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。三、膜盒式微压计膜片和膜盒图片膜盒式微压计常用于火电厂锅炉风烟系统的风、烟压力测量及锅炉炉膛负压测量。

当几个膜盒敏感元件叠放在一起后量测极微小的压力（毫巴级）三.波纹管

优点：灵敏高，可测较低压力缺点：迟滞误差较大，精度一般只有1.5级三、电接点压力计电接点压力计可用作电气发讯设备联锁装置和自动操纵装置

高低压给定指针指示指针电接点四、压力表的安装与使用（一）压力表的选择1．种类与结构形式从被测介质压力大小来考虑被测介质的性质对仪表输出信号的要求使用的环境被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过仪表满量程的1/2为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的1/3优先满足最大工作压力条件2．测压仪表的标尺上限3.仪表的准确度等级

压力检测仪表的精度主要根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。（二）压力表的安装取压口的选择在管道或烟道上取压测量流动介质的压力测量气体，管道上部蒸汽，管道两侧液体，管道下部(三)压力表的校验比较法是将被校压力计（被校表）与标准压力计（标准表）在压力表校验台上产生的某一定值的压力或某一负压下进行比较重量法是被校表与活塞压力计上的标准砝码在活塞缸内的压力下进行比较。前者用来校验精度在1级以下的各种工业用仪表，而后者用于校验精度在0.5级以上的各种标准表。压力仪表的校验校验就是将被校验压力表和标准压力表通以相同压力，比较它们的指示数值，如果被校表对于标准表的读数误差，不大于被校表规定的最大准许绝对误差时，则认为被校表合格。常用的校验仪器是活塞式压力计，它由压力发生部分和测量部分组成，它的精度等级有0.02、0.05和0.2级，可用来校准0.25级精密压力表，也可校准各种工业用压力表，被校压力的最高值为60MPa。压力发生部分测量部分1．活塞式压力计pA=G式中A——活塞8底面的有效面积；

G——活塞、托盘及砝码总重力。

p=G/A

2．校验步骤准备工作选取标准表时标准表的测量上限一般应不低于被校表测量上限，标准表的允许误差应不大于被校表允许误差的1/3，或者标准压力表比被校压力表高两个精确度等级。确定校验点对于1.0，1.5，2.0，2.5精确度等级的压力表，可在5个刻度点上进行校验对于0.5级和更高精确度等级的压力表，应取全刻度标尺上均匀分布的10个刻度点进行校验。校验步骤（1）检查压力表校验器连接接头垫片的良好情况，安装好并用扳手拧紧标准表和被校表。（2）调节地脚螺钉，使水准泡位于正中。（3）开启油杯上的针形阀，注入变压器油。逆时针旋转手轮，将油吸入手摇泵内。顺时针旋转手轮，将油压入油杯，观察是否有小气泡从油杯中升起，若有，逆时针旋转手轮，再顺时针旋转手轮，反复操作，直到不出现气泡。（4）关紧油杯上的针型阀，打开两表下的针形阀，顺时针旋转手轮，平稳地升压，直到被校压力表指示第一个压力校验点，读标准压力表指示值。如果使用砝码，加上相应压力的砝码，顺时针旋转手轮，使油压力上升直到砝码盘逐渐抬起，到规定高度时停止加压，轻轻转动砝码盘，读被校压力表指示值。（5）均匀增压至刻度上限，保持上限压力3min。（6）逆时针旋转手轮，均匀降至零压，平稳地降压进行下行程校验。（7）实验中观察指示有无跳动、停止、卡塞现象。求出被校压力表的基本误差、变差、轻敲位移。（8）零位调整方法：用取针器取出被校压力表指针，再按照零刻度位置轻轻压下指针。（9）量程调整方法：用螺丝刀松开扇形齿轮上的量程调节螺钉，改变螺钉在滑槽中的位置，调好后固紧螺钉，重复上述校验。调量程时零位会变化，因此一般量程、零位需反复进行调整。（10）待校验合格后，放掉检验器的压力，拆下被校表，揩掉油污并装上盖子，打好铅封，填写校验记录单。第四节压力(差压)变送器

作用：弹性元件输出的位移或力变换成统一的电信号，送到远方。直接传送压力信号到较远地方的缺点：信号管道长，传递迟延大，消耗能量大，一旦管道泄漏，便很不安全。管道需防热、防冻。一、1151电容式压力(差压)变送器(一)概述1151系列电容差压/压力变送器具有悠久的历史，并依其设计新颖、品种规格齐全、安装使用简便、坚固耐振、长期稳定性好、单向过载保护能力强而著称。(二)测量部分的结构原理1．测量部分的结构被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在敏感元件的两侧隔离膜片上，通过填充液传到预张紧的测量膜片两侧。测量膜片与两侧绝缘体上的电极各组成一个电容器，当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容就不等，通过检测，放大转换成4~20mA的二线制电流信号，2．差压-位移转换设测量膜片位移为△d，被测压差为△p，则有△d=K1△p(3—9)其中K1是与膜片结构尺寸和材料性质有关的比例系数。3．位移-电容转换球面容器的特性近似于平行板电容器的特征

(1)比值与被测差压△p成正比；

(2)比值与介电常数ε无关，

采用差动电容的设计是为了提高灵敏度和改善非线性；采用“相对差动电容”则又可忽略极板面积A和介电常数对测量的影响。(三)转换部分的工作原理测量电路:振荡器、解调器和振荡控制放大器，任务是将电容比转换成电流信号放大输出电路:电流控制放大器、电流转换器、调零电路、调量程电路、电流限制器和电压调整器，其作用是将电流转换成直流4~20mA的统一信号。(四)1151系列电容差压变送器的调校与使用1．量程调整范围K4是放大输出电路的闭环放大倍数。调整电位器R32可以改变K4的大小，从而调整差压变送器的量程。2．零点调整范围

3．零点和量程的调整4．改变量程时的调校方法例：量程为0—100kPa的表。正迁移百分之五十后，就变为50—150kPA,这时50kPA对应4mA,150kPA对应20mA。缩小量程复验零位,当输入为“0”压力时,输出应为4mA,若有偏差,可微调调零电位器。仍然输入为”0”压力,按顺时针方程调节量程电位器,使其在”0”压力输入时,输出为4mA*(原来量程/所需量程)。重调零位电位器,使其在“0”压力输入时,输出为4mA。校对测量上限的输出,如有必要则再细调量程和零位,使其满足新的使用规格。扩大量程复验零位,当输入为”0”压力时,输出应为4mA,若有偏差,可微调调零电位器。输入原来量程的满量程压力,按逆时针方向调节量程电位器,使其在原来量程的满量程压力输入时,输出为:20mA*(原来量程/所需量程)。重调零位电位器,使其在”0”压力输入时,输出为4mA。校对测量上限的输出,如有必要则再细调量程和零位,使其满足新的使用规格。二、智能型压力变送器微处理器:实现远程设定和数据传输，具有多种运算功能和自诊断功能通讯器:在中央控制室就可以对1500m以内的各个智能型压力变送器进行各种运行参数的选择和标定。(1)敏感部件。其作用是将压力以及温度转换成电信号送入CPU。包括电容传感器、振荡器、温度传感器和存储器EEPROM。(2)主电路。主电路板上有中央处理单元CPU、现场调整部分、调制解调器、D/A转换器以及电源电路等。(3)显示控制器。包括一个显示控制电路和一个微功耗的液晶显示器。第五节压力取样及管路敷设导压管的铺设导压管是传递压力、压差信号的。对水平敷设的引压导管应有3％～5％的坡度引压导管的长度一般不超过50~60m，一般内径为6~10mm当被测介质容易冷凝或冻结时，引压管路需有保温伴热措施测量液体和蒸汽介质压力时，应考虑由于液柱所产生的压力误差。测量气体介质压力时，因气体的密度很小，产生的误差可忽略不计。例：测量某管道内蒸汽压力，压力计位于取样点下方6m处，压力管道内凝结水的密度为992kg/m3，当地大气压为0.10MPa，当压力表的示值为1.20MPa时，蒸汽管道内的实际表压力为多少？实际绝对压力又为多少？

补充：电气式压力检测方法电气式压力检测方法一般是用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。能实现压力－电量转换的压敏元件主要有压电材料、应变片和压阻元件。压电式压力传感器压电效应原理：压电材料受压时会在其表面产生电荷，其电荷量与所受的压力成正比。压电材料：压电晶体、压电陶瓷、压电半导体特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，线性度好，频率响应高，量程范围广PierreCurie膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成（见图）。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。P引线端子应变式压力传感器应变片是基于应变效应工作的一种压力敏感元件，当应变片受外力作用产生形变时，应变片的电阻值也将发生相应变化。应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及相应的桥路组成的。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。通常是将应变片通过特殊的粘合剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生