辽宁石油化工大学化工自动化及仪表第6章-压力检测及仪表

第6章压力检测及仪表6.1压力及压力检测方法6.2常用压力检测仪表6.3压力检测仪表的选择及校验6.4压力检测系统6.1压力及压力检测方法（一）压力的定义及单位1.压力的定义压力是指垂直、均匀地作用于单位面积上的力。表示受力面积。表示垂直作用力；表示压力；式中，SFpSFp2.压力的单位◆工程大气压1千克力垂直均匀地作用在1平方厘米面积上所产生的压力,以千克力/厘米2表示,记作kgf/cm2。◆毫米汞柱（mmHg），毫米水柱（mmH2O）1平方厘米的面积上分别由1毫米汞柱或1毫米水柱的重量是所产生的压力。◆标准大气压国际规定水银密度为13.5951g/cm3、重力加速度为980.665cm/s2时，高度为760mm的汞柱，作用在1cm2的面积上所产生的压力。◆国际单位（SI）制压力单位帕（Pa）1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面积上所形成的压力为1“帕斯卡”，简称“帕”，符号为Pa。加上词头又有千帕（KPa）、兆帕（MPa）等。211mNPaPaMPa61011（二）压力的表示方法(1)绝对压力被测介质作用在容器表面积上的全部压力称为绝对压力，用符号P绝表示。（2）大气压力由地球表面空气柱重量形成的压力，称为大气压力。其值用气压计测定，用符号P大气压表示。（3）表压力通常压力测量仪器是处于大气之中，则其测量的压力值等于绝对压力和大气压力之差，称为表压力，用符号P表表示。P表=P绝－P大气压（6-1）常用压力测量仪表测得的压力值均是表压力。(4)真空度当绝对压力小于大气压力时，表压力为负值（负压力）其绝对值称为真空度，用符号表示。(6-2)用来测量真空度的仪器称为真空表。（5）差压设备中两处的压力之差称为差压。生产过程中有时直接以差压作为工艺参数。差压的测量还可作为流量和物位测量的间接手段。绝大气压真ppp真p大气压力线绝对压力的零线绝对压力（高于大气压）绝对压力（低于大气压）绝p真p绝p表p图6-1各种压力表示法之间的关系这几种表示方法的关系如图6-1所示（三）压力检测的主要方法及分类◆重力平衡方法◆弹性力平衡方法◆机械力平衡方法◆物性测量方法P表=P绝－P大气压6.2常用压力检测仪表（一）液柱式压力计它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。按其结构形式的不同U型管压力计、单管压力计、斜管压力计优点这类压力计结构简单、使用方便缺点其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。如图6-2是用U形玻璃管检测的原理图。它的两个管口分别接压力P1和P2。当P1=P2时，左右两管的液体的高度相等，如图6-2(a)所示。当P2P1时，U形管的两管内的液面便会产生高度差，如图6-2(b)所示。根据液体静力学原理，有hgpp12(6-3))pp(gh121(6-4)（a）(b)图6-2U型管压力计示意图这说明U形管内两边液面的高度差h与两管口的被测压力之差成正比。如果将P1管通大气，即P1=P大气压，则gph(6-5)式中p=p2-p大气压，P为P2的表压。由此可见，用U形管可以检测两被测压力之间的差值（称差压），或检测某个表压。(二）活塞式压力计活塞式压力计是一种精度很高的标准器，常用于校验标准压力表及普通压力表。其结构如图6-3所示，它由压力发生部分和压力测量部分组成。1.压力发生部分螺旋压力发生器4，通过手轮7旋转丝杠8，推动工作活塞9挤压工作液，经工作液传压给测量活塞1。工作液一般采用洁净的变压器油或蓖麻油等。图6-3活塞式压力计示意图a,b,c,d-切断阀；1-测量活塞；2-砝码；3-活塞柱；4-螺旋压力发生器；5-工作液；6-压力表；7-手轮；8-丝杠；9-工作活塞；10-油杯；11-进油阀2.压力测量部分测量活塞1上端的托盘上放有砝码2,活塞1插入在活塞柱3内，下端承受螺旋压力发生器4向左挤压工作液5所产生的压力P的作用。当活塞1下端面因压力P作用所产生向上顶的力与活塞1本身和托盘以及砝码2图6-3活塞式压力计示意图a,b,c,d-切断阀；1-测量活塞；2-砝码；3-活塞柱；4-螺旋压力发生器；5-工作液；6-压力表；7-手轮；8-丝杠；9-工作活塞；10-油杯；11-进油阀的重量相等时，活塞1将被顶起而稳定在活塞柱3内的任一平衡位置上，这时的力平衡关系为：0WWpA(6-6))WW(Ap01(6-7)(三）弹性式压力计弹性式压力检测是用弹性元件作为压力敏感元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。1．测压弹性元件弹性元件在弹性限度内受压后会产生形变，变形的大小与被测压力成正比关系。定义优点如图6-4所示，目前工业上常用的测压用弹性元件主要是弹性膜片、波纹管和弹簧管等。平薄膜波纹膜波纹管单圈弹簧管多圈弹簧管图6-4弹性元件示意图弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。2．弹簧管压力表弹簧管压力可以通过传动机构直接指示被测压力，也可以用适当的转换元件把弹簧管自由端的位移变换成电信号输出。图6-6弹簧管压力表示意图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-接头弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉、测量范围宽，因此应用十分广泛，一般的工业用弹簧管压力表的精度等级为1.5级或2.5级。3．波纹管差压计图6-7双波纹管差压计结构示意图1-高压波纹管；2-补偿波纹管；3-连杆；4-挡板；5-摆杆；6-扭力管；7-芯轴；8-保护阀；9-填充液；10-低压波纹管；11-量程弹簧；12-阻尼阀；13-阻尼环；14-轴承采用膜片、膜盒、波纹管等弹性元件可以制成差压计。图6-7给出双波纹管差压计结构示意图，双波纹管差压计是一种应用较多的直读式仪表，其测量机构包括波纹管、量程弹簧组和扭力管组件等。仪表两侧的高压波纹管和低压波纹管为测量主体，感受引入的差压信号，两个波纹管由连杆连接，内部填充液体用以传递压力。差压信号引入后，低压波纹管自由端带动连杆位移，连杆上的挡板推动摆杆使扭力管机构偏转，扭力管芯轴的扭转角度变化，扭转角变化传送给仪表的显示机构，可以给出相对应的被测差压值。差压计使用时要注意的问题是，仪表所引入的差压信号中包含有测点处的工作压力，又称背景压力。所以尽管需要测量的差压值并不很高，但是差压计要经受高的工作压力，因此在差压计使用中要避免单侧压力过载。一般差压计要装配平衡附件。例如图6-7中所示的三个阀门的组合，在两个截止阀间安装一个平衡阀，平衡阀只在差压计测量时关闭，不工作期间则打开，用以平衡正负压侧的压力，避免单向过载。新型差压计的结构均已考虑到单向过载保护功能。4．弹性测压计信号的远传方式图6-8电位器式电远传压力计结构原理图弹性测压计可以在现场指示，但是更多情况下要求将信号远传至控制室。一般在已有的弹性测压计结构上增加转换部件，就可以实现信号的远距离传送。弹性测压计信号多采用电远传方式，即把弹性元件的变形或位移转换为电信号输出。常见的转换方式有电位器式、霍尔元件式、电感式、差动变压器式等。图6-8为电位器式电远传弹性压力计结构原理。在弹性元件的自由端处安装滑线电位器，滑线电位器的滑动触点与自由端连接并随之移动，自由端的位移就转换为电位器的电信号输出。(四）压力传感器能够检测压力值并提供远传信号的装置统称为压力传感器。1．应变式压力传感器应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属和半导体应变片两类，被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩（拉伸）应变时，其阻值减小（增加），再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。1—应变筒；2—外壳；3—密封膜片图6-9应变片压力传感器示意图2．压阻式压力传感器工作原理压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。压阻式压力传感器1—基座；2—单晶硅片；3—导环；4—螺母；5—密封垫圈；6—等效电阻特点精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单；便于实现显示数字化；可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。3．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，图6-10电容式差压变送器测量部件原理图图6-10是电容式差压变送器测量部件的原理，它主要是利用通过中心感压膜片（可动电极）和左右两个弧形电容极板（固定电极）把差压信号转换为差动电容信号，中心感压膜片分别与左右两个弧形电容极板形成电容Ci1和Ci2。当正、负压力（差压）由正、负压室导压口到加到膜盒两边的隔离膜片上时，通过腔内硅油液压传递到中心感压膜片，中心感压膜片产生位移，使可动电极和左右两个固定电极之间的间距不再相等，形成差动电容。差动电容的相对变化值与差压Δp呈线性对应关系，并与腔内硅油的介电常数无关，从原理上消除了介电常数的变化给测量带来的误差。4．振频式压力传感器振频式压力传感器利用感压元件本身的谐振频率与压力的关系，通过测量频率信号的变化来检测压力。5．压电式压力传感器压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换成电信号的。它是动态压力检测中常用的传感器，不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。6.3压力检测仪表的选择及校验(一）压力检测仪表的选择1.仪表量程的选择（1）测稳定压力时，最大工作压力不超过仪表上限值的2/3；（2）测脉动压力（或压力波动较大）时，最大工作压力不超过仪表上限值的1/2；（3）测高压压力时，最大工作压力不超过仪表上限值的3/5；最小工作压力不应低于仪表上限值的1/3。当被测压力变化范围大，最大和最小工作压力可能不能同时满足上述要求时，选择仪表量程应首先满足最大工作压力条件。根据被测压力计算得到仪表上、下限后，还不能以此直接作为仪表的量程，目前我国出厂的压力（包括差压）检测仪表有统一的量程系列，它们是1kPa、1.6kPa、2.5kPa、4.0kPa、6.0kPa以及它们的倍数（n为整数）。因此，在选用仪表量程时，应采用相应规程或者标准中的数值。举例某台往复式压缩机的出口压力范围为25～28MPa，测量误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出精度与测量范围。解由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选择仪表的上限值为可选用测量范围为0～60MPa的压力表。MPapp562282max1由于，故被测压力的最小值不低于满量程的1/3，这是允许的。另外，根据测量误差的要求，可算得允许误差为所以，精度等级为1.5级的仪表完全可以满足误差要求。316025%67.1%1006012.仪表精度的选择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。另外，精度的选择要以经济、实用为原则，只要测量精度能满足生产的要求，就不必追求用过高精度的仪表。压力表的精度等级略有不同，主要有：0.1，0.16，0.25，0.4；0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。一般工业用1.5、2.5级已足够，在科研、精密测量和校验压力表时，则需用0.25级以上的精密压力表、标准压力表或标准活塞式压力计。3.仪表类型的选择◆仪表的材料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仪表要求仪表的材料不允许采用铜或铜合金。氧用压力表要禁油。◆仪表的输出信号◆仪表的使用环境对爆炸性较强的环境，应选择防爆型压力，仪表。对温度特别高或特别低的环境应选择温度系数小的敏感元件。（二）压力检测仪表