《压力检测仪表》PPT课件.ppt

1、3.3 压力检测仪表,黄平捷 2010年12月1日,自动化专业课程过程检测系统,浙江大学控制科学与工程学系,2010年12月1日,2,主要内容,3.3.1 概述 压力表示方法 压力检测方法及仪表的分类 3.3.2 液体压力计 3.3.3 弹性压力检测仪表 3.3.4 电远传式压力检测仪表 3.3.5 物性型压力传感器 3.3.6 压力检测仪表的使用 问题与思考,要点 各种压力检测仪表的特点 选用和使用时需注意的事项 准确度等级 量程迁移,2010年12月1日,3,3.3.1 概述,（1）压力的定义 （2）压力的表示方法 （3）压力检测的主要方法及压力检测仪表的分类,2010年12月1日,4,压

2、力检测与控制的重要性,保证化学反应过程的正常进行 压力影响物料平衡 压力影响化学反应速度 保证安全生产 防止生产设备因过压而引起破坏或爆炸,化学反应,安全生产,2010年12月1日,5,2010年12月1日,6,一些工程问题,压力单位 帕斯卡- 1N/m3 巴 1*105 Pa 1kgf/cm2 公斤压力- 1kgf/cm2 0.1MPa=100kPa 标准大气压-1.01325105 Pa 工程大气压0.98105Pa 1kgf/cm2 压力检测仪表选用？ 类型？量程、准确度等级？ 压力检测系统？注意事项？ 量程迁移？,1公斤压力大约是多少？,如何测量压力？,2010年12月1日,7,（1）

3、压力的定义,压力的定义（物理学中的压强） p 压力单位 帕斯卡（Pa）-1Pa=1N/m3（法定） 工程大气压1工程大气压=1kgf/cm2=“1公斤压力”0.1MPa=100kPa 物理大气压1atm=1.01325105Pa=1.033104mmH2O 巴1bar=105Pa= 1kgf/cm2 毫米汞柱 毫米水柱,atmosphere,压力单位换算表详见课本P466 附录4,2010年12月1日,8,2010年12月1日,9,1巴（bar）=1标准大气压（atm）=1公斤/平方厘米 =100千帕（kPa)=0.1兆帕（MPa）,压力单位近似换算公式,国家统一规定的仪表准确度等级：，0.0

4、5，0.1，0.25，0.35，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，（P11）,仪表的最大允许误差 =（ （测量范围的上限值-下限值） 准确度等级 100 ）,目前我国出厂的压力（包括差压）检测仪表的统一量程系列（P178) 1kPa、1.6kPa、2.5kPa、4.0kPa、6.0kPa以及它们的10n,倍数（n为整数）。,2010年12月1日,10,压力表示方法 绝对压力pa 表压力p=pa-p0 真空度或负压ph=p0-pa 差压p=p2-p1 大气压p0,工程上，一般用表压和真空度来表示压力,（2）压力的表示方法,ph,2010年12月1日,11,（3）压力检测方法及仪表的分类,根

5、据敏感元件和转换原理的不同，一般分为四类： (1)液柱式 充水或水银等的玻璃U形管或单管 (2)弹性式 根据弹性元件受力变形的原理，将压力转换成位移 如：弹簧管、膜片和波纹管等 (3)电远传式 将与被测压力成正比的敏感元件（弹性元件）的位移转换为电信号输出，实现信号的远距离传输。如力平衡式、电容式、霍尔式。 (4)物性型 在压力的作用下，敏感元件的某些物理特性发生变化。应变式、压阻式、压电式等。均有电远传功能。 还有：活塞式 根据液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来进行测量。（测量精度较高，0.050.02，一般用作标准表）,2010年12月1日,12,绝压

6、表、真空表、气压表、差压计统一称为：压力表等术语,2010年12月1日,13,3.3.2 液体压力计,（1）工作原理 （2）误差分析 温度：标尺长度、工作液密度 安装：安装不垂直 重力加速度 传压介质：密度（引压管高度差、温度、溶解和化学反应） 读数：毛细现象 （3）使用注意事项 重力加速度 垂直安装：否则修正 工作液选择：相溶或发生化学反应；P密度大的 瞬时工作压力不可超过量程,2010年12月1日,14,特点：直观、可靠、准确度较高等，只能测量较低的压力或差压，易破损，只能进行现场指示。,误差来源主要有： 温度误差由环境温度的变化引起工作液密度变化。 如水温度 10 20，密度从999.8

7、 - 998.3kg/m3(0.15) 安装误差当U形管安装不垂直时将会产生安装误差。 传压介质误差（对工作液产生压力；温度）读数误差（毛细现象）,液体压力计,p2=p1+gh,2010年12月1日,15,U形管,2010年12月1日,16,注意事项： g h垂直 被测介质不反应，高压，低压 被测瞬时压力值不可超过测量范围,2010年12月1日,17,3.3.3 弹性式压力检测仪表,（1）弹簧管压力表 （2）波纹管差压计 （3）其它弹性式压力表 膜片式 膜盒式,原理动画,用弹性元件作为压力敏感元件把压力转换成弹性元件的位移，并经适当的机械传动和放大机构，通过指针指示被测压力大小的一种压力表，统

8、称弹性式压力表。,2010年12月1日,18,弹簧管压力表,螺旋弹簧管、盘簧管,波纹管,双波纹管压力表,膜片式,膜盒式,金属膜片,2010年12月1日,19,弹性式压力检测,弹簧管简单、方便、便宜，测量范围宽，可以测量负/微/低/中/高压，应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达0.15级。 膜 片可直接带指示机构，更多是和其他转换元件结合把压力转换成电信号。 波纹管位移相对较大，特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（1.0106Pa），迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级。,膜 片,波纹管,弹簧管,2010年12月1日,20,2010年12月1日,21,弹簧管和弹簧管

9、压力表,横截面呈非圆形（椭圆形或扁圆形） 圆弧状(中心角常为270) 空心管子,一端封闭(自由端)，一端开口(固定端),介质从开口端进入弹簧管内腔 非圆截面使它变圆并伴伸直的趋势 自由端产生位移. 中心角改变量和压力有关：,式中0为弹簧管中心初始角；为受压后中心角改变量；R为弹簧管弯曲圆弧的外半径；h为管壁厚度；a、b为弹簧管椭圆形截面的长、短半轴。,2010年12月1日,22,1弹簧管 2拉杆 3扇形齿轮 4中心齿轮 5指针 6面板 7游丝 8调节螺钉 9接头,单圈弹簧管自由端位移量一般很小，需要放大机构，也可采用多圈弹簧管（原理与单圈管相似）,单圈弹簧管压力表是最普遍的就地指示式压力检测仪

10、表（也有电接点输出）,简单、方便、便宜、测量范围宽,一般工业用弹簧管压力表的精度多为 1.5 或 2.5 级，最高可达0.15级,2010年12月1日,23,高压,低压,补偿,2010年12月1日,24,3.3.4 电远传式压力检测仪表,一般弹性式压力仪表的不足 现场安装 就地指示 电远传式压力检测仪表 将弹性元件的位移转换为电信号输出，实现信号的远传 压力传感器 压力变送器,2010年12月1日,25,力平衡式压力变送器,工作原理：力矩平衡,检测元件膜盒(膜片),杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构,构成框图,气动140kPa气源，20100kPa空气压力信号 电动DDZ-II(I:220V

11、AC O:010mA) DDZ-III(I:24VDC O:420mA),2010年12月1日,26,DDZ-III型差压变送器,检测部分: P 输入力Fi,杠杆系统: 力的传递和力矩比较，生成位移信号,位移检测放大器: 位移 输出Io,电磁反馈装置: 输出反馈力Ff,2010年12月1日,27,(1) 测量部分,差压P 输入力Fi,(A1= A2= Ad ),= Ad(P1 -P2) = AdP,Fi= A1P1 -A2P2,2010年12月1日,28,(2) 杠杆系统,进行力的传递和力矩比较, 主杠杆,将Fi转换为F1, 矢量机构,将F1转换为F2, 副杠杆,将F2产生的力矩与Ff 产生的

12、力矩进行比较， 生成位移变化,z,z,2010年12月1日,29, 主杠杆,将Fi转换为F1 F1作用于矢量机构上,2010年12月1日,30, 矢量机构,将输入力F1转换为作用于副杠杆上的力F2,2010年12月1日,31, 副杠杆,进行力矩的比较,F2产生的力矩,Ff产生的力矩,合力矩,调零力Fz产生的力矩,最终的合力矩,z,z,2010年12月1日,32,(3) 电磁反馈装置,作用：把变送器的输出电流I0转换成作用于副杠杆的电磁反馈力Ff,Ff = Kf I0,Kf 可实现3：1的量程调整,2010年12月1日,33,(4) 整机特性,回放,2010年12月1日,34,2010年12月1

13、日,35,1. I0和P间呈线性关系,2.调整调零弹簧 Fz 可以使I0在P0时为 4mA,3.改变tg或Kf可以调整变送器的量程,4.零点和量程要反复调整,2010年12月1日,36,电容式差压变送器,电容式差压变送器采用差动电容作为检测元件 主要包括测量部件和转换放大电路两部分：,差压电容膜盒,电容-电流转换电路,调零、零 迁电路,电流放大器,反馈电路,p,C,Ii,If,Iz,Io,测量部分,转换放大部分,2010年12月1日,37,P=0 Ci1=Ci2=15pF,P0 Ci1的电容量减小 Ci2的电容量增大,差动电容测量原理,2010年12月1日,38,P=0,S1=S2=S0,P0

14、,S1=S0 S2=S0,P+,P,2010年12月1日,39,2010年12月1日,40,供参考,2010年12月1日,41,框图,供参考,2010年12月1日,42,电容式压力（差压）变送器在工业现场应用非常广泛，其输出信号也是标准4 20mADC电流信号。,传感器有左右固定极板，在两个固定极板之间是由弹性材料制成的测量膜片，作为电容的中央动极板，在空腔中充满硅油。 电容式差压变送器没有机械结构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达0.2级。,2010年12月1日,43,2010年12月1日,44,3.3.5 物性型压力传感器,测量原理 基于物质定律基础上，敏感元件感受被

15、测压力，并将压力的大小转换成敏感元件的某个物理量输出 分类 应变式 压阻式 压电式,2010年12月1日,45,物性型压力检测应变片压力(差压)变送器,利用金属或半导体材料制成的电阻体的阻值可表示为：,当电阻体受外力作用时，电阻体的长度l、截面积S或电阻率会发生变化，即其阻值也会发生变化。 这种因尺寸变化（ l、S ）引起阻值变化称为应变效应。 此时的电阻体称为应变片 应变片多以金属材料为主，一般和弹性元件一起使用。 因电阻率变化（ ）引起阻值变化称为压阻效应。,2010年12月1日,46,物性型压力检测应变片压力/差压变送器, 应变片r1和r2用贴在应变筒的外壁 r1沿应变筒轴向贴放，作为测

16、量片 r2沿径向贴放，作为温度补偿片。 r1、r2的静态性能完全相同。 当膜片受压时， r1产生轴向应变，阻值变小 r2受到轴向压缩，引起径向拉伸，阻值变大 （r2的变化量比r1的变化量要小，r2的主要作用是温度补偿）,2010年12月1日,47,R3和R4是两个阻值相等的精密固定电阻。,不受压时 r1= r2=r0 R3=R4=r,若应变片受压，则： r1= r0+r1； r2= r0+r2 (r1r2),2010年12月1日,48, 受压时，r1 和 r2 一减一增，使电桥有较大的输出 环境温度变化时，r1、r2同时增减，不影响电桥平衡 如果仪表能把Ui进一步转换为标准输出，则该仪表即可称

17、为应变式压力变送器,应变片式压检测仪表（多属于中低档产品） 具有较大的测量范围，被测压力可达几百MPa 具有良好的动态性能，适用于快速变化的压力测量 虽有温度补偿，仍有比较明显的温漂和时漂， 测量精度一般在0.51.0左右。,2010年12月1日,49,压阻式（扩散硅）压力/差压变送器,因电阻率变化引起阻值变化称为压阻效应 半导体材料的压阻效应比较明显 传感器基片材料主要为 硅片 和 锗片 扩散硅压力检测仪表应用广泛,2010年12月1日,50,构成框图：,扩散硅压阻传感器,前置 放大器,调零电路,VI转换,P,US,U01,UZ,IO,检测部分,电磁放大部分,2010年12月1日,51,整机

18、电路图, +,RETURN,供参考,2010年12月1日,52,测量部分扩散硅压阻传感器,把被测差压P成比例地转换为不平衡电压US,1.负压室 2.正压室 3.硅杯 4.引线 5.硅片,2010年12月1日,53,测量部分惠斯顿电桥,不受压时：Ri1Ri2Ri3Ri4R,2010年12月1日,54,测量部分电压转换,受压时：Ri1Ri4r1 Ri2Ri3r2,受压时，流经2桥臂的电流始终相等,2010年12月1日,55,结论： 体积小，结构简单，精度一般比应变片式仪表高 灵敏系数是金属应变片的几十倍，能直接测量出微小的压力变化。 良好的动态响应，迟滞小，可用来测量几千赫兹乃至更高的脉动压力。

19、也存在温度效应，容易受环境温度的影响，但比应变片式仪表好,2010年12月1日,56,物性型压力传感器小结,2010年12月1日,57,3.3.6 压力检测仪表的使用,两个注意事项 压力仪表的选用 取压点及引压管路的设计 取压口 引压管路 常用附件 特殊介质的取压方式,量程 准确度等级 类型,生产工艺对压力检测的要求 被测介质的特性 现场使用环境,2010年12月1日,58,压力仪表的选用,仪表量程的选择 被测压力较稳定：P工作maxP量程max 3/4 被测压力波动大：P工作maxP量程max 2/3 P工作min P量程max 1/3 若P工作max和P工作min难同时满足，先P工作max

20、条件 仪表准确度等级的选择 仪表的基本误差实际被测压力允许的最大绝对误差MAX 节约原则，满足要求即可 所选仪表的相对百分误差：MAX MAX /1100% 仪表类型的选择,量程系列(p178)：1kPa，1.6kPa，2.5kPa，4.0kPa，6.0kPa，以及它们10n倍数 准确度等级(p11)：,0.05,0.1,0.25,0.35,0.5,1.0,1.5,2010年12月1日,59,仪表类型的选择 被测介质的性质 对仪表输出信号的要求 使用的环境 静压大小,腐蚀性较强的介质,不锈钢之类的弹性元件或敏感元件,氧气、乙炔,专用压力仪表,氨,不能用铜质仪表,观察压力变化直接指示型,远传到控

21、制室或其他电动仪表 电远传或具有电信号输出型,快速变化的压力 电气式，如压阻式,爆炸性强,防爆型,T特高或低,温度系数小的,差压,高、低压侧实际工作压力（静压）,压力仪表额定静压=（1.52.0）P实际静,2010年12月1日,60,仪表精度,只要能满足生产要求，不必追求过高的精度,例：有一压力容器在正常工作时压力范围为0.40.6MPa，要求使用弹簧管压力表进行检测，并使测量误差不大于被测压力的4，试确定该表的量程和精度等级。,解：,被测压力比较稳定，设仪表量程为 0A MPa，则,根据仪表的量程系列，可选01.0MPa的弹簧管压力表。,由题意，被测压力的允许最大绝对误差为： max=0.4

22、*4%=0.016 MPa 0.016/（1-0）*100%=1.6% 按照仪表的精度等级，可选择15级的压力表。,设满量程=A Pmin1/3*A Pmax3/4*A Pmin*4% 求出满刻度相对误差 再选精度等级,2010年12月1日,61,取压点及引压管路的设计,压力检测系统 取压口 代表性 方便安装与维护 原则 被测介质直线流动处，避开阻力件和死角 垂直、与内壁平齐，保证测取的是流体的静压信号 水平管道和水平安装的设备： 液体中下；气体上部,2010年12月1日,62,取压点及引压管路的设计,引压管路 应保证压力传递的实时、可靠和准确 引压管路敷设原则 内径一般为610mm，长度不得

23、超过50m。粘度、长度，内径 若水平敷设1：101：20的倾斜度 。液：下倾斜；气：上倾斜。 当被测介质为易冷凝易结晶易凝固流体时，引压管路需有保温伴热措施。,压力传递速度,防杂质防堵塞,介质特性稳定,2010年12月1日,63,引压管路中常用的一些附件 截止阀：工作和检修 隔离罐：被测介质腐蚀性较强 集气器：被测介质为液体 集液器：被测介质为湿气体 冷凝器：被测介质为蒸汽,腐蚀性介质,1压力表 2切断阀 3隔离罐 4生产设备,2010年12月1日,64,一些特殊介质的取压方式 气固两相流介质：过滤网和反吹 气液两相流介质：在引压管路中需增加分离罐 高粘度、易结晶介质： 隔离罐 采用夹套方式用

24、蒸汽加热或保温 法兰式压力(差压)变送器 反吹热液,123 针阀 4堵头5限流孔板,1被测管路2分离罐3连接管4压力表5排气阀,2010年12月1日,65,双法兰压力变送器：由差压变送器和远传式压力隔离膜盒组成。可应用于腐蚀性、高粘度、易结晶等介质的压力检测。,2010年12月1日,66,仪表类型,正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的前提。主要应考虑以下几个方面:,仪表的材料,压力检测(检测仪表)的特点是压力敏感元件往往要与被测介质直接接触，因此在选择仪表材料的时候要综合考虑仪表的工作条件。,输出信号类型,只需观察压力变化的，可选如弹簧管压力表、液柱式压力计那样的直接指示型的仪表；

25、如需将压力信号远传到控制室或其他电动仪表，则可选用电气式压力检测仪表或其他具有电信号输出的仪表； 如果要检测快速变化的压力信号，则可选用电气式压力检测仪表，如压阻式压力传感器； 如果控制系统要求能进行数字量通信，则可选用智能式压力检测仪表。,例如：对腐蚀性较强的介质应使用像不锈钢之类的弹性元件或敏感元件； 氨用压力表则要求仪表的材料不允许采用铜或铜合金，因为氨气对铜的腐蚀性极强； 又如氧用压力表在结构和材质上可以与普通压力表完全相同，但要禁油，因为油进入氧气系统极易引起爆炸。,使用环境,对爆炸性较强的环境，在使用电气压力仪表时，应选择防爆型压力仪表；对于温度特别高或特别低、环境温度变化大的场合

26、，应选择使用温度适当、温度系数小小的敏感元件以及其他变换元件。,上述选型原则也适用于差压、流量、液位等其它检测仪表的选型,2010年12月1日,67,压力检测仪表的安装,分三种情况介绍：,一般压力检测仪表的安装 特殊压力检测仪表的安装（高温、高压、腐蚀等） 压力变送器的安装,2010年12月1日,68,一般压力测量仪表的安装,无论选用何种压力仪表和采用何种安装方式，在安装过程中都应注意以下几点： 压力仪表必须经检验合格后才能安装 压力仪表的连接处，选择适当的材料作为密封垫圈，以防泄漏 尽可能安装在室温，相对湿度小于80，振动小，灰尘少，无腐蚀性、尽可能避免受到电磁干扰 压力仪表应垂直安装，安装

27、高度应与人的视线齐平；对于高压测量，其安装高度应高于一般人的头部 测量液体或蒸汽介质压力时，应避免液柱产生的误差，压力仪表应安装在与取压口同一水平的位置上，否则必须对压力仪表的示值进行修正 导压管管径一般为610mm，长度尽可能短，否则会引起测量迟缓 压力仪表与取压口之间应安装切断阀，以便维修,2010年12月1日,69,测量特殊介质时的压力测量仪表安装,测量高温（60以上）流体介质的压力时，压力仪表之前应加装U形管或盘旋管等形式的冷凝器，如图(a)、(b),测量高压时，仪表表壳应朝向墙壁或无人通过之处，以防发生以外 测量腐蚀性介质的压力时，除选择具有防腐能力的压力仪表之外，还应加装隔离装置，

28、如图(c)、(d),2010年12月1日,70,测量特殊介质时的压力测量仪表安装,测量波动剧烈（如泵出口压力）的压力时，应在压力仪表之前加装针形阀和缓冲器，必要时还应加装阻尼器，如图(e),测量高粘或易结晶介质压力时，应安装隔离罐，必要时可采取保温措施，如图(f),测量含尘介质压力时，最好安装除尘器，如图(g)。,一句话，要采取相应的放热、防腐、防冻、防堵和防尘等措施,2010年12月1日,71,差压变送器的安装,三个方面的内容： 取压口的选择 引压管的安装 变送器本身的安装,2010年12月1日,72,差压变送器取压口的选择,液体、气体、蒸汽？,被测介质为液体时，取压口应位于管道下半部与管道

29、水平线成045角内，目的是保证引压管内没有气泡，两根引压管内液柱产生的附加压力可以相互抵消； 问：能否从底部引出？为什么？,被测介质为气体时，取压口应位于管道上半部与管道垂直中心线成045角内，其目的时为了保证引压管中不积聚和滞留液体。,被测介质为蒸汽时，取压口应位于管道上半部与管道水平线成045角内。最常见的接法是从管道水平位置接出，并分别安装凝液罐，这样两根引压管内部都充满冷凝液，而且液位高度相同。,2010年12月1日,73,差压变送器引压管的安装,引压管应按最短距离敷设，引压管的弯曲处应该是均匀的圆角，曲率半径一般不小于引压管外径的10倍。引压管的管路应保持垂直，或者与水平线之间不小于

30、1:10的倾斜度，必要时要加装气体、凝液、微粒收集器等设备，并定期排除收集物。,引压管内径与引压管长度,2010年12月1日,74,在测量液体介质时，变送器只能安装在取样口之上时，在引压管的管路中应有排气装置，如图(a)所示，这样，即使有少量气泡，也不会对测量精度造成影响。 在测量气体介质时，如果差压变送器只能安装在取样口之下时，必须加装如图(b)所致的贮液罐和排放阀，克服因滞留液对测量精度产生影响。 测量蒸汽时的引压管管路则如图(c)所示。,2010年12月1日,75,差压变送器本身的安装,差压变送器通常必须安装切断阀1、2和平衡阀3，构成三阀组,差压变送器是用来测量差压的，但如果正、负引压管上的两个切断阀不能同时打开或者关闭时，就会造成差压变送器单向受很