第三章 压力测量(新)

第三章压力及差压测量第一节压力测量的基本知识在生产过程中，压力是工质状态的一个参数。在火电厂中，压力是热力过程的重要参数。如要使锅炉、汽轮机以及辅机设备等安全、经济地运行，就必须对生产过程中的水、汽、油、空气等工质的压力进行检测，以便于对火电生产过程的监视和控制。一、压力的概念与表示方法1.压力的概念工程技术中的压力是物理学中的压强，即垂直作用在物体单位面积上的力的大小。2.压力的表示方法压力的表示方法以其参考零点压力的不同而不同，可以分为绝对压力和表压力。(1)绝对压力以参考零点０所表示的压力称为绝对压力。(2)表压力以大气压力为参考零点所表示压力称为表压力。由管道或容器中直接取出的两个绝对压力值的差值，通常称为差压。大气压力线绝对压力零线pa1p1p2pa2pb二、压力的单位压力的单位是一个导出单位。由压力的定义可知压力的单位会有多种。1.Pa:1Pa=1N/m2,常用KPa,MPa.2.工程大气压:1工程大气压=1千克力/厘米21kgf/cm2=9.80665×104Pa3.mmH2O1mmH2O=9.80665Pa4.mmHg1mmHg=1.333224×102Pa5.bar1毫巴=100Pa6.磅力/英寸2(1bf/in2)1bf/in2=0.68949×104Pa压力单位换算关系三、压力测量仪表的分类在生产过程中和实验室里使用的压力仪表种类很多。对压力仪表可以从不同的角度进行分类。●按被测压力可分为：压力表、真空表、绝对压力表、真空压力表等。●按压力表使用的条件可分为：普通型、耐震型、耐热型、耐酸型、禁油型、防爆型等压力表。●按压力表的功能可分为；指示式压力表、压力变送器。●按压力表的工作原理可分为：液柱式压力计、弹性式压力计、物性式压力计、活塞式压力计等。四、压力标准与量值传递压力标准分为：基准、一等标准、二等标准、三等标准。能够实现基准和各级标准的仪器是基准器和标准器。基准器是国家最高的压力标准器，它又可以分为基准器和工作基准器。基准器用于进行国际比对，还将压力基准传递给工作基准器。工作基准器可复制多套保存在全国各地的主要部门，由它将压力工作基准传递到一等标准器，再由一等标准器传递到二等标准器，然后由二等标准器传递到三等标准器，最后由三等标准器传递到工作压力仪表。基准器、工作基准器及各级标准器目前多采用活塞式压力计和液柱式压力计。第二节液柱式压力计工作原理：液柱式压力计是利用一定高度的液柱所产生的压力平衡被测压力，而用相应的液柱高度去显示被测压力的。特点：这类压力计结构简单，显示直观，使用方便，精确度较高，价格便宜，由于结构和显示上的原因，液柱式压力计的测压上限不高，一般显示的液往高度上限为1～2m。液柱是水银时，其测压上限可达到2000mmHg。液柱式压力计适用于小压力、真空及差压的测量。种类：有U形管压力计、单管压力计、多管压力计、斜管微压计、补偿式微压计、差动式微压计、钟罩式压力计、水银气压计等。一、U形管压力计1.结构与工作原理它的结构组成有三部分：U形的玻璃管、标尺及管内的工作液体(称为封液)。U形管的两个平行的直管又称为肘管。精密的U形管压力计尚有游标对线装置、水准器、铅锤等。根据流体静力学原理，当管内的工作液柱产生的压力与被测压力平衡时，则有实际测量中，如果封液上面的介质是气体，则可忽略封液上面的介质的影响，则有如果被测量的是差压，则有)()(21121hhgpp)(2121hhgpp)(2121hhgppp2.使用与测量误差U形管压力计的型号为YYU，测压范围可达0～266kPa，其允许误差可达2～0.2％。测量时要进行两次读数，读数时要注意液体表面的弯月面情况，要求读到弯月面顶部位置处。使用计算式计算被测压力或差压值时，要注意封液的密度是测量状态下的密度，重力加速度是当地重力加速度。如果测量要求较高，则要考虑封液的密度、毛细现象、重力加速度、U形管不竖直状态等对测量的影响。二、单管压力计单管压力计是U形管压力计的变形仪表，又称杯形压力计，可测量小压力、真空及差压等。1.结构与工作原理单管压力计是由一个宽容器(杯形容器)、一支肘管、标尺、封液等构成的。其工作原理与U形管压力计是相同的。根据流体静力学：读数是在肘管上读数，宽容器上不能读数，由于所以可得到：))((21121hhgpp2222121hDdhAAhgDdhppp))(1(122221由于肘管内径远小于宽容器的内径，所以《1。在测量要求不高时，可忽略项而直接读出h1即可。2．使用单管压力计在测量正压力时，宽容器接被测压力，肘管通大气。测量负压力时，肘管接被测负压，宽容器通大气。测量差压时，宽容器接压力高一侧的压力，肘管接压力低一侧的压力。单管压力计的型号为TG，其精确度等级可达0.02～1级。当进行精密测量或用作标准仪表时，则要进行密度和重力加速度的修正。22Dd22Ddghppp)(1221在火力发电厂测量风压或烟道负压时，常使用单管压力计的变形仪表——多管压力计多管压力计可以同时接入多个被测量的正压或多个被测量的负压，它的宽容器的内径比肘管的内径要大许多。可以忽略对肘管上被测压力示值的影响。封液多是带颜色的水。多管压力计的型号有：测量正压的YY型，测量负压的ZY型，测量正压和负压的YZY型。测压范围一般可达到2500Pa，4000Pa，6300Pa。三、斜管微压计斜管微压计是一种测量微小压力的测量仪表。1.结构与工作原理其工作原理与U形管压力计相同。当被测压力与封液液柱产生的压力平衡时，有式中由于得到：lDdgpp)sin(2221sin2lh22121DdlAAlh肘管的倾斜角是可调节的，弧形支架板上设计了一些固定肘管的孔。在每个孔处刻有一数字，使用时读出液柱长度(mm)，则斜管微压计的分度条件是：标准重力加速度和20℃时确定密度(808.38kg／m3)的酒精溶液。lApi)sin(22DdgAi2.示值修正实际的测量经常是偏离仪表分度条件，而经常发生的是测量时温度不是20℃，而是其他某个温度，在测量要求高的时候，则要对温度时的示值进行修正。示值修正系数四、液体压力计的测量误差分析及其修正1.毛细现象2．温度变化对测量结果的影响与修正3．重力加速度对测量结果的影响与修正4．读数误差第三节弹性式压力计弹性式压力计是生产过程中使用最为广泛的一类压力计。特点：它的结构简单，使用操作方便，性能可靠，价格便宜，可以直接测量气体、油、水、蒸汽等介质的压力。其测量范围很宽，可以从几十帕到数吉帕。它可以测量正压、负压和差压。分类：可分为机械弹性式压力计和弹性式压力变送器两类。不论哪一类压力计在结构上都有一弹性元件。弹性元件是压力计的核心器件，它把被测量的压力转换成弹性元件的弹性位移输出。当结构、材料一定时，在弹性限度内弹性元件发生弹性形变而产生的弹性位移与被测量的压力值有确定的对应关系。弹性式压力计的原理框图准确度：目前金属弹性式压力计的精确度可达到0.16级、0.25级、0.4级。工业生产过程中使用的弹性压力计，其精确度大都是1.5级、2.0级、2.5级。测量条件：弹性式压力表适用的也测量条件较广泛，有抗振型、抗冲击型、防水型、防爆型、防腐型等。一、弹性元件1.弹性元件的结构形式弹性式压力计中的弹性元件主要有膜片、膜盒、弹簧管、波纹管等。每种弹性元件在结构上又有不同的形式，如膜片分为平面膜片、波纹膜片和挠性膜片等，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2.弹性元件的特性(1)蠕变和疲劳形变弹性元件经过长时间的负荷作用，当负荷取消后，不能恢复原来的形态，这种特性称为弹性元件的蠕变。(2)弹性迟滞弹性元件在弹性范围内加负荷与减负荷时其弹性形变输出特性曲线不重合，这种特性称为弹性迟滞。(3)弹性后效当加在弹性元件上的负荷停止变化或被取消时，弹性元件的形变并不是立即就完成，而是要经过一定的时间才完成相应的形变，这种特性称为弹性后效。（a）弹性迟滞；（b）弹性后效；（c）弹性滞环(4)输出-输入特性目前只是通过实验和理论相结合的方法，得出弹性元件的输出—输入关系。对于膜片和膜盒，其输出-输入关系一般是非线性的。实用的平面膜片位移不超过0.1mm时，可以使输出-输入的关系达到较好的线性程度，即对于波纹膜片，其弹性位移与被测压力关系为])([224lblaREpkpl对于弹簧管，经过精心设计制造加工后，在一定压力范围内，其输出-输出关系一般为线性。对于截面是扁圆结构的弹簧管，其自由端弹性位移与被测压力的关系为(5)温度的影响由于温度的变化，弹性元件材料的弹性模量相应变化，所以弹性元件的刚度发生变化，这将影响弹性元件的输出特性。温度升高，刚度减小，灵敏度增大，压力表示值将会偏离。由于温度对弹性元件输出特性的影响，所以弹性压力表的使用要注意它的适用温度范围。5.022])cos1()sin[(RlpCxabbREp122222)1(1二、膜盒压力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。主要由膜盒、传动机构、调整机构、游丝指针、表盘等构成，膜片压力表膜盒风压表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；14一引压管接头三、弹簧管压力表可以测量压力，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。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。1.单圈弹分管压力表的结构及工作原理由弹簧管、传动机构、游丝、指针、表盘等组成。由于弹簧管变形后长度不变，则有如下关系上两式相减得弹簧管内充压后，短轴增大，即b΄b。由式（5-20）可知，γ΄＜γ，此时自由端向外移动。该位移量相应于某一压力值。同样，当弹簧管内通入的压力低于管外压力时，自由端会向内移动。2211RRRR)()(2121RRRRbb22设可得可以看出，弹簧管原来弯曲的角度越大，管截面短轴越短，则角度变化越大，也就是自由端位移越大。为了得到较高的灵敏度，可以采用螺旋形多圈弹簧管。弹簧管自由端位移与管内通入压力的关系，目前只能用半理论公式表示，然后用实验方法给出。对于薄壁扁圆形截面的弹簧管，弹簧管中心角角度的变化与压力的关系为：弹簧管经过精心设计制造加工后，在一定压力范围内，其输入-输出关系一般为线性。bbbbbb22222)1(1xabbREp2.多圈(螺旋形)弹簧管压力表单圈弹簧管的自由端位移一般不大，多适用于指示型压力表。如要实现记录指示，则需要有较大的弹性位移和较大的转动力矩，这就要使用多圈弹簧管。在一定的压力范围内，多圈弹簧管自由端输出的角位移与被测压力是线性关系。在测量状态下记录纸是随时间匀速运动的，记录笔下的曲线代表压力随时间的变化。电接点压力表l、4一静触点；2一动触点；3一绿灯；5—红灯四、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。双波纹管差压计主要由测量机构、传动机构、记录机构以及机械积算装置等部分组成。波纹管的特性曲线如图所示，在A、B点范围内，波纹管的刚度为一常数。波纹管伸长到达B点时，由于位移太大使刚度急剧增加，波纹管的输出—输入将偏离线性关系。波纹管压缩到达A点时，由于波纹紧靠，也