化工仪表基础--第二章 压力检测

第二章压力检测内容提要压力单位及测压仪表弹性式压力计弹性元件弹簧管压力表电气式压力计应变片式压力传感器压阻式压力传感器电容式压力传感器内容提要智能式变送器智能变送器的特点智能变送器的结构原理压力计的选用及安装压力计的选用压力计的安装概述在化工生产中,压力是指由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。在工业生产过程中,压力往往是重要的操作参数之一。压力的检测与控制,对保证生产过程正常进行,达到高产、优质、低消耗和安全是十分重要的。第一节压力单位及测压仪表表示受力面积。表示垂直作用力；表示压力；式中，SFpSFp压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）211mNPaPaMPa61011第一节压力单位及测压仪表为了使大家了解国际单位制中的压力单位（Pa或MPa）与过去的单位之间的关系，下面给出几种单位之间的换算关系表。6压力单位帕/Pa兆帕/MPa工程大气压/(kgf/cm2)物理大气压/atm汞柱/mmHg水柱/mH2O（磅/英寸2）/（1b/in2）巴/bar帕11×1061.0197×10-59.869×10-67.501×10-31.0197×10-41.450×10-41×10-5兆帕1×106110.1979.8697.501×1031.0197×1021.450×10210工程大气压9.807×1049.807×10-210.9678735.610.0014.220.9807物理大气压1.0133×1050.101331.0332176010.3314.701.0133汞柱1.3332×1021.3332×10-41.3595×10-31.3158×10-310.01361.934×10-21.3332×10-3水柱9.806×1039.806×10-30.10000.0967873.5511.4220.09806（磅/英寸2）6.895×1036.895×10-30.070310.0680551.710.703110.06895巴1×1050.11.01970.9869750.110.19714.501表3-1各种压力单位换算表第一节压力单位及测压仪表大气压力绝对压力表压ppp在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。绝对压力大气压力真空度ppp当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。p表P真P绝P绝大气压力线零线图2-1绝对压力、表压、负压（真空度）的关系第一节压力单位及测压仪表测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。1.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有U形管压力计、单管压力计等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。第一节压力单位及测压仪表2.弹性式压力计它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。3.电气式压力计它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表。第一节压力单位及测压仪表4.活塞式压力计它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。优点缺点测量精度很高，允许误差可小到0.05%～0.02%。结构较复杂，价格较贵。第二节弹性式压力计定义弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。优点具有结构简单、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。第二节弹性式压力计一、弹性元件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。图2-2弹性元件示意图弹簧管式弹性元件如图(a)和(b)所示，波纹管式弹性元件如图(e)所示，薄膜式弹性元件如图(c)和(d)所示。第二节弹性式压力计二、弹簧管压力表分类使用的测压元件单圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表。用途普通弹簧管压力表，耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。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—调整螺丝；9—接头弹簧压力表第二节弹性式压力计基本测量原理单圈弹簧管是一根弯成270°圆弧的椭圆截面的空心金属管子。管子的自由端B封闭，另一端固定在接头９上。当通入被测的压力p后，由于椭圆形截面在压力p的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生扩张变形。同时，使弹簧管的自由端B产生位移。输入压力p越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端B的位移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反映压力p的大小。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。第二节弹性式压力计在化工生产过程中，常需要把压力控制在某一范围内，即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。将普通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。警惕！第二节弹性式压力计图2-4电接点信号压力表1，4—静触点；2—动触点；3—绿灯；5—红灯压力表指针上有动触点2，表盘上另有两根可调节指针，上面分别有静触点1和4。当压力超过上限给定数值时，2和4接触，红色信号灯5的电路被接通，红灯发亮。若压力低到下限给定数值时，2与1接触，接通了绿色信号灯3的电路。1、4的位置可根据需要灵活调节。第三节电气式压力计定义电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。优点1.该仪表的测量范围较广，分别可测7×10-5Pa至5×102MPa的压力，允许误差可至0.2％；2.由于可以远距离传送信号，所以在工业生产过程中可以实现压力自动控制和报警，并可与工业控制机联用。第三节电气式压力计组成一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。常用的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。图2-5电气式压力计组成方框图第三节电气式压力计一、应变片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。图2-6应变片压力传感器示意图1—应变筒；2—外壳；3—密封膜片第三节电气式压力计二、压阻式压力传感器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。工作原理第三节电气式压力计特点精度高、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。图3-12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—等效电阻第三节电气式压力计三、电容式压力变送器工作原理先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。图2-8电容式测量膜盒1—中心感应膜片(可动电极)；2—固定电极；3—测量侧；4—隔离膜片第四节智能式变送器智能型压力或差压变送器是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。一、智能变送器的特点①性能稳定,可靠性好,测量精度高,基本误差仅为±0.1%。②量程范围可达100∶1,时间常数可在0～36s内调整,有较宽的零点迁移范围。第四节智能式变送器③具有温度、静压的自动补偿功能,在检测温度时,可对非线性进行自动校正。④具有数字、模拟两种输出方式,能够实现双向数据通讯,可以与现场总线网络和上位计算机相连。⑤可以进行远程通讯,通过现场通讯器,使变送器具有自修正、自补偿、自诊断及错误方式告警等多种功能,简化了调整、校准与维护过程,使维护和使用都十分方便。第四节智能式变送器二、智能变送器的结构原理从整体上来看,由硬件和软件两大部分组成。从电路结构上来看,包括传感器部件和电子部件两部分。第四节智能式变送器举例以美国费希尔-罗斯蒙特公司的3051C型智能差压变送器为例介绍其工作原理。图2-93051C型智能差压变送器（4～20mA）方框图第四节智能式变送器3051C型智能差压变送器所用的手持通信器为275型，带有键盘及液晶显示器。可以接在现场变送器的信号端子上，就地设定或检测，也可以在远离现场的控制室中，接在某个变送器的信号线上进行远程设定及检测。实现的功能图2-10手持通信器的连接示意图（1）组态（2）测量范围的变更（3）变送器的校准（4）自诊断第四节智能式变送器要对智能型差压变送器每五年校验一次，智能型差压变送器与手持通信器结合使用，可远离生产现场，尤其是危险或不易到达的地方，给变送器的运行和维护带来了极大的方便。注意第五节压力计的选用及安装一、压力计的选用压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的分析，一般考虑以下几个问题。仪表类型的选用仪表精度级的选取仪表测量范围的确定第五节压力计的选用及安装1.测压点的选择应能反映被测压力的真实大小。①要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。②测量流动介质的压力时，应使取压点与流动方向垂直，取压管内端面与生产设备连接处的内壁应保持平齐，不应有凸出物或毛刺。③测量液（气）体压力时，取压点应在管道下（上）部，使导压管内不积存气（液）体。二、压力计的安装第五节压力计的选用及安装2.导压管铺设①导压管粗细要合适，一般内径为6～10mm，长度应尽可能短，最长不得超过50m，以减少压力指示的迟缓。如超过50m，应选用能远距离传送的压力计。②导压管水平安装时应保证有1:10～1:20的倾斜度，以利于积存于其中之液体（或气体）的排出。③当被测介质易冷凝或冻结时，必须加设保温伴热管线。④取压口到压力计之间应装有切断阀，以备检修压力计时使用。切断阀应装设在靠近取压口的地方。第五节压力计的选用及安装3.压力计的安装①压力计应安装在易观察和检修的地方。②安装地点应力求避免振动和高温影响。第五节压力计的选用及安装③测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接与测压元件接触[图3-17（a）］；对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐，右图（b）表示了被测介质密度ρ2大于和小于隔离液密度ρ1的两种情况。图2-11压力计安装示意图１—压力计；２—切断阀门；３—凝液管；４—取压容器第五节压力计的选用及安装④压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封垫片，以防泄漏。⑤当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按Δp＝±Hρg进行修正。式中H为高度差，ρ为导压管中介质的密度，g为重力加速度。⑥为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外。例题分析举例1.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，指出型号、精度与测量范围。MPapp562282max1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根据就地观察及能进行高低限报警的要求，由本章附录，可查得选用YX-150型电接点压力表，测量范围为0～60MPa。例题分析316025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