热工测量仪表第5章压力仪表

第五章压力检测及仪表压力是工质热力状态的主要参数之一。火电厂中为设备的安全经济运行，需测量压力。在火力发电厂中，待测压力的范围比较宽，约从103Pa到24MPa，且压差测量也广泛应用在液位和流量测量中作为中间变换电厂中使用的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。第五章压力检测及仪表压力定义为“物体单位面积上作用的法向力的大小”，物理学中也称之为“压强”．在国际单位制中，压力的单位是“帕斯卡(Pasc91)，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）表压力：绝对压力＝表压力＋大气压力表压力＝绝对压力－大气压力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第五章压力检测及仪表绝对压力PJ大气压力PD表压力PBPB=PJ－PD真空度PZ（负压）PZ＝PD－PJ第五章压力检测及仪表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。1kgf/cm2=0.9807×105Pa1mmH2O=0.9807×10Pa1mmHg=1.332×102Pa1atm=1.01325×105Pa1bar=105Pa1PSI=6.89×103Pa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压力测量仪表的分类压力测量仪表的分类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第五章压力检测及仪表第一节液柱式压力计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，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一、U型管压力计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(ρ1-ρ2)g=(h1+h2)(ρ1-ρ2)g式中ρ1ρ2——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。一、U型管压力计△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。一、U型管压力计注意事项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）二、单管式压力计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积构成单管式压力计。原理：大容器中封液的减少等于管中封液的增加h2f=h1A（f,A,分别为管子截面积和大容器的截面积)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。三、斜管式微压计2111B1222APg(hh)g(shlsiin)lAhlAnA三、斜管式微压计则Δp=p1-p2=(h1+h2)(ρ1-ρ2)g且h2=Lsinα;h1=Lf/F=L(d2/D2)由于被测介质通常为液体，所以ρ2可忽略，整理得Δp＝L(sinα+d2/D2)ρ1g=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150三、斜管式微压计斜管式微压计应用范围：一般100~2500pa三、斜管式微压计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。三、斜管式微压计第二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。第二节弹性式压力计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、弹簧管第二节弹性式压力计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。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二、膜盒压力表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，膜盒风压表1一膜盒；2一刻度盘；3一零位调整；4一弧形架；5一指针；6一弹簧片；7一曲柄；8一调整螺丝；9一拉杆；10一拐臂；11一固定指针套；12一固定铀；13一形丝；14一引压管接头五、弹簧管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盘旋多圈螺旋形五、弹簧管3.弹簧管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）2222201RaP(1)Ebhbk三、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，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。四、双波纹管差压计双波纹管差压计在火力发电厂中主要用于流量和水位测量指示记录的二次仪表。如果用于流量测量，差压计往往还带有积算装置。测量的差压值上限可达0.4MPa，耐工作压力上限可达40MPa，精确度可达1.0～1.5级。第四节压力变送器压力传感器：能够感受压力（压差）并能按一定规律将压力（压差）转换成同种或别种性质输出量的仪表。输出电量的压力传感器是讨论的内容。弹性元件检测压力的输出只是机械位移信号，该信号可以就地显示，也可以变换为电信号以供远传。这种变换一般称为电变送。其方法很多，如电阻式、电感式、电容式、应变式、力平衡式、霍尔式、振弦式、光纤式等。目前工业生产使用的电变送后的压力信号都是标准化的电流或电压信号，其变送器都是定型的产品。第四节压力变送器电容式压力传感工作原理：以已弹性元件膜片为电容器的可动极板，它与固定极板之间形成一可变电容。随被测压力的变化，膜片产生位移，使电容器的可动极板与固定极板之间的距离改变，从而改变了电容器的电容量，完成压力信号与电容量之间的变化。电容器的电容量由它的两个极板的大小、形状、相对位置和电介质的介电常数决定．组成：变送器由两部分组成：差动式压力(差压)—电容转换和测量电路。差动式压力(差压)—电容转换是将被测压力(差压)转换成差动变化的电容CL、CH，其结构如图所示。感压元件是膜片，两电容的固定极板为球面形结构。测量膜片位于两固定极板的中央，它与固定极板构成两个小室，两室结构对称。固定极板是将玻璃绝缘体磨成球形凹面，并在该表面镀上一层金属薄膜而成。金属薄膜和弹性膜片都接有输出引线。测量膜片与固定极板形成的电容在30～150pf范围内。室通孔与自己一侧隔离膜片腔室连通，室和隔离腔室内充有硅油。被测压力作用于隔离膜片，通过硅油使测量膜片产生与压力成正比的位移，从而改变了可动极板与固定极板间的距离，引起电容的变化，此电容变化通过引线传给测量显示电路。工作原理差压位移电容电流放大输出传感部分显示电路部分（1）差压－位移转换Δd0=K1’p(2)位移－电容转换00dAKC)dd(ddCC0000013差压转换成电容组成部分相关知识4）几个需注意的问题①为什么采用差动平板电容？为提高灵敏度和改善非线性，采用差动形式（3）当采用差动时，CL增加,CH减少，电容总变化量为：])dd([ddCC20000012pKKdKddCCCCHLHL2102004）几个需注意的问题①为什么采用差动平板电容？与非差动相比，灵敏性有所提高和非线性程度减小，但非线性仍不满足高精度要求②实际中，为什么采用电容之差与电容之和的比值：好处1比值CL-CH/CL+CH与压力成正比。2比值CL-CH/CL+CH介电常数ε无关，如与ε有关就会产生很大误差,如ε是温度的函数。3如果差动电容的结构完全对称，则可得到良好的稳定性。4）几个需注意的问题②实际中，为什么采用电容之差与电容之和的比值：1151系列电容式压力(差压)变送器1151系列电容式压力(压差)变送器是我国引进美国罗斯蒙特公司技术并自己开发生产的一类新型压力(差压)变送器。特点：它具有精确度高，性能稳定，单向过载保护性能好，调整方便，体积小，重量轻等一系列优点。应用：使用在电力、石油、化工等各领域的生产过程中。在火力发电厂使用1151电容式压力(差压)变送器几乎有一种替代其他种类压力(差压)变送器的趋势。组成：变送器由两部分组成：差动式压力(差压)—电容转换和测量电路。差动式压力(差压)—电容转换是将被测压力(差压)转换成差动变化的电容CL、CH，其结构如图所示。应变式压力变送器应变式压力传感器利用金属应变片或半导体应变片将测压弹性元件的应变转换成电阻变化。1金属丝的应变效应和半导体的压阻效应弹性元件的应变转换成电阻值的大小是由金属或半导体材料制成的电阻体（即应变片）完成。常用的金属应变片：金属丝式、箔式、薄膜式，基于金属丝的应变效应工作，半导体应变片：体式、薄膜式、扩散式，基于半导体压阻效应工作应变式压力变送器1原理：利用金属应变片或半导体应变片将测压弹性元件的应变转换成电阻变化。2应变式压力变送器的型式1）组成：两部分，感压弹性元件，应变片。也可将二者结合成一体。2）测量电路的工作：将应变片电阻的变化转换成电流或电压输