第5章-压力仪表

第5章压力检测及仪表压力是工业生产中常见的过程主要参数之一，它直接影响产品的质量，又是生产过程中的一个重要的安全指标。火电厂中为设备的安全经济运行，需测量压力。另外，一些不易直接测量的参数，例如，流量、液位等，往往通过压力或压差间接获得。所以，压力测量在自动化中具有特殊地位。压力计和差压计主要是弹性的，低压和试验时用液柱式；另外压力和差压的测量受管路限制，一般用压力或差压变送器将信号转换成电信号进行远传。一、基本概念1、定义：压力是指均匀而垂直作用于单位面积上的，物理学中也称之为“压强”。在国际单位制中，压力的单位为帕斯卡(Pa)，简称“帕(Pa)’。过去采用毫米汞柱，毫米水柱，工程大气压（公斤力/厘米2）。压力用P表示：即P=F/A式中P—压力，Pa；F---垂直作用力，N；A---受力面积，m21Pa=1N/m2;1kPa=103Pa;1MPa=106Pa5.1压力测量的基本知识二、压力的表示方法1、大气压力：指地球表面的空气因自重所产生的压力。大气压力用Pb表示。2、绝对压力：以绝对真空为参考零点的压力。绝对压力是指物体所受的实际压力。绝对压力用pa表示。3：表压力：表压力是指用一般压力检测仪表所测得的压力，以大气压力为参考零点的压力，用p表示。三者之间的关系：见教材p95绝对压力＝表压力＋大气压力表压力＝绝对压力－大气压力P=Pa-Pb高于大气压的表压力叫正压，反之叫负压，负压的绝对值也称真空。一般的压力检测仪表所指示的压力是表压或真空度。因此，以后所提压力，均指表压力。4、压差：21ppp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）、“物理大气压”（atm）、“巴”（bar）、“PSI”等均应改成法定计量单位帕。见教材p96表5-11kgf/cm2=0.9807×105Pa1mmH2O=0.9807×10Pa1mmHg=1.332×102Pa1atm=1.01325×105Pa1bar=105Pa1PSI=6.89×103Pa三、压力单位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四、压力检测方法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。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。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。五、压力测量仪表的分类5.2液体压力计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，在本专业中应用很广泛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液体压力计种类：U型管压力计、杯型压力计、斜管式微压计等。一、U型管压力计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肘管、封液U型管压力计两端差压与液柱高度h间有如下关系:Δp=p1-p2=h(ρ-ρ1)g=(h1+h2)(ρ-ρ1)g式中ρρ1——封液密度和封液上面的介质密度h——两侧封液的高度差h=(h1+h2)g——重力加进度。△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。当ρρ1注意事项为减小毛细现象，U型管的内径一般为5-20mm,，内径最好不小于10mm使用时保持垂直减小两次读数误差，读数时眼睛与液面平齐，以封液弯月面顶部切线为准读取液面高度。应选择密度小的封液，以增大左右管液体的高度差，减小读数误差。（水，汞，四氯化碳）。当测量较大的压力时，可采用密度较大的封液；当测量较小的压力时，可采用密度较小的封液；二、单管式压力计（杯型压力计）U形管压力计要读两次数增大了读数误差，也不方便。将一边的肘管换成大截面容器构成单管式压力计。原理：大容器中封液的减少等于管中封液的增加h2A2=h1A1（A1，A2,分别为管子截面积和大容器的截面积)若肘管内径远小于杯容器内径，则：△P=P1－P2=g(ρ-ρ1)h2单管压力计的应用：将数根肘管连至同一个大截面容器，则成为多管压力计，电厂用它测炉膛和烟道各处的负压。大容器内通大气，各肘管连至烟道各测点，此时各肘管中的液体高度即代表各处负压。三、斜管式微压计热力实验中用斜管式微压计测微小压力、负压、差压。测正压，被测压力送入大容器测负压，被测压力送入肘管测差压，将较高压力送入大容器，较低压力送入肘管。221221sinAdhllhlAD2A1A则Δp=p1-p2=(h1+h2)(ρ-ρ1)g且h2=Lsinα;h1=LA2/A1=L(d2/D2)由于被测介质通常为气体，所以ρ1可忽略，整理得Δp＝L(sinα+d2/D2)ρg=kL其中k为系数，若α一定，则为k常数，则读取L数值表示被测差压Δp。优点：因为L比h2放大了1/sinα倍，所以读数得相对误差小改变α可改变k值，但不得小于150α微压计测量范围，灵敏度。？斜管式微压计应用范围：一般100~2500pa斜管式微压计应用范围：一般100~2500pa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。四、液体压力计的测量误差分析及其修正1、毛细现象。由于毛细现象，管内的液柱可产生附加升高或降低，其大小与封液的性质和管内径等因素有关。修正方法：以U形管为例：当封液是水，修正值-30/d（mm）;当封液是水银，修正值+14/d（mm）2、温度指由于液体压力计所处环境温度的变化引起的测量误差。一是标尺长度随温度的变化，一般要求标尺所用的材料的温度系数极小；二是工作液密度随温度的变化。如：水当温度从10℃变到20℃时，其密度从999．8kg／m3减小到998．3kg／m3，相对变化量为0.15％。修正方法：)hh(hh'2'20t2113、重力加速度误差当对压力检测精度要求比较高时，需要准确测出当地的重力加速度修正方法：)hh(gghh'2'n211读数值修正后测量值标准重力加速度4、安装误差当U形管安装不垂直时将会产生安装误差。例如U形管倾斜5°时，液面高度差h的读数相对于实际值要偏大约0.38％。5.3弹性式压力计根据弹性元件受压后产生变形和压力大小有确定关系的原理制成。适用范围（0-103Mpa),结构简单，广泛应用。包括：金属膜片式（包括膜片式）、波纹管式和弹簧管式。一、弹性元件的特性三、膜片和膜盒四、波纹管五、弹簧管一、弹性元件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成正比关系。常用的弹性元件有弹簧管、膜片、膜盒和波纹管。弹簧管式波纹管式弹性膜式单圈弹簧管多圈弹簧管波纹管平薄膜波纹膜挠性膜0～106kPa0～105kPa0～103kPa0～105kPa0～103kPa0～102kPa弹性元件的结构和压力测量范围弹簧管结构示意图波纹管(筒)结构示意图(a)单圈弹簧管；(b)盘旋形弹簧(a)波纹筒结构示意；(c)螺旋形弹簧管；(d)组合弹簧管(b)与弹簧组合使用的波纹筒膜片结构示意（a）平面膜片；（b）波纹膜片；（c）挠性膜片膜盒结构示意图1、弹性元件基本特性1）弹性特性变形与所加载荷的关系2）刚度产生单位位移所需载荷量和灵敏度单位载荷产生的位移量3）蠕变持续承受载荷，作用消失后不能恢复原来尺寸和疲劳形变频繁交变载荷作用下，载荷消失后不能恢复原来形态。4）弹性迟滞正反行程载荷作用下，形变不重合和弹性后效载荷停止变化或消失时，形变不是立即完成，而需经过一段时间。安全系数：k=p比/pmax1.5~2.55）温度特性温度变化量弹性模量的温度系数温度变化引起的误差ttEE1、膜片和膜盒1）膜片膜片是用金属或者非金属制成的圆形薄片；按工作面形状分为：平膜片和波纹膜片。常用的材料：锡锌青铜、磷青铜、铍青铜、高弹性合金、恒弹性合金、碳素铜、不锈钢等。膜片的厚度一般在0.05～0.3mm。膜片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示，由于膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度也不高，一般为2.5级。注：平膜片测量压力时位移很小，常用来测量高压。波纹膜片常用来测量低压。见教材p104表5-2膜片膜盒2）膜盒膜盒分为开口膜盒、闭口膜盒。开口膜盒用于表压测量。闭口膜盒用于绝对压力测量。膜盒组2、弹簧管(波登管)弹簧管是横截面呈非圆形(椭圆形或扁圆形)，弯成圆弧状(中心角常为270°)的空心管子。管子的一端为封闭，另一端为开口。闭口端作为自由端，开口端作为固定端。单圈弹簧管是弯成270度圆弧的空心金属管，其截面为扁圆形或椭圆形等。弹簧管的各种横截面图扁圆形椭圆形扁圆形半圆形双圆形八字形厚壁扁圆形弹簧管是弹簧管压力计的主要元件．各种形式的弹簧管如图所示．工作原理：弯曲的弹簧管是一根空心的管子，其自由端是封闭的，固定端焊在仪表的外壳上，弹簧管及其横截面扁圆椭圆单圈平面螺旋型空间螺旋形2222221RbRP(1);x=aEbax位移量(中心角改变量)和所加压力有如下的函数关系：自由端位移量△L不能太大，2~5mmCPRl58.03、波纹管由于波纹管的位移相对较大，故一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。一般压缩使用。线性好特点：灵敏度高(特别是在低压区)，常用于检测较低的压力(1.0～106Pa)，但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级一个周围为波纹状的薄壁金属筒体二、弹性压力表1、膜片压力表见教材p109图5-19膜片压力表准确度低，测量范围：0~6Mpa膜盒压力表是用于生产过程的工业仪表，它适用于测量微小压力和真空。测量范围一般在一2000～4000Pa，精确度等级一般为2.5级。膜盒压力表的结构主要由膜盒、传动机构、调整机构、游丝指针、表盘等构成，2、膜盒压力表膜式压力计有膜片压力计和膜盒压力计两种。前者主要用于测量腐蚀性介质或非凝固、非结晶的粘性介质的压力，后者常用于测量气体微压和负压。原理：膜片四周固定，当通入压力后，两侧面存在压差时，膜片将向压力低的一侧弯曲，膜片中心产生一定的位移，通过传动机构带动指针转动，指示出被测压力。膜盒式压力计3、弹簧管压力表弹簧管压力表是生产过程中和实验室应用非常普遍的测压仪表。它可以测量压力，也可以测量真空。按照使用的弹簧管的种类可分为单圈和多圈弹簧管压力表1）.单圈弹分管压力表的结构及工作原理结构组成如图所示，主要由弹簧管、齿轮传动系统（包括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮等）、指针、刻度盘和外壳等。弹簧管压力表弹簧管拉杆指针中心齿轮扇形齿轮接头游丝刻度盘调整螺钉（量程调节）注意：弹簧管自由端B的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机构才能指示出来。用途：弹簧管压力表是生产过程中和实验室应用非常普遍的测压仪表。它可以测量压力，也可以测量真空。种类：按照使用的弹簧管的种类可分为单圈和多圈弹簧管压力表。型号：按照适用的条件可分为耐振型、耐热型、耐腐蚀型、抗冲击防爆型以及专用压力表等。它们的工作原理是相同的。3）多圈弹簧管压力表4）电接点压力表加装上下限触点机构，压力偏离给定范围时发出报警信号。4、波纹管差压计双波纹管差压计在火力发电厂中主要用于