中国石油大学化工检测仪表第三章 压力测量

第三章压力测量基本概念弹性式压力计（就地指示）压力、差压变送器（远传）压力仪表的选用与校验小结第一节概述从这一章开始介绍石油、化工生产过程常用的四大参数：压力、物位、流量、温度的测量仪表在石油、化工、炼油、储运过程中，经常会遇到压力的测量与控制，其中包括比大气压高很多的高压测量和比大气压低很多的真空度测量。例如：（1）油田开采晚期的注水工艺的压力为十几个MPa；（2）钻井的泥泵出口的压力在25MPa左右；（3）高压聚乙烯工艺压力高达280MPa；（4）而减压塔要低于大气压几百个mmHg（典型值为真空度93.1Kpa）。一、压力的定义AFP国际单位:PaKPaMPa，其它单位在工程上仍有许多应用：巴、毫米水拄、毫米汞拄、标准大气压、工程大气压等。KPaPaPSIinbfMPaPacmkgf8949.69.6894)(/11.05.98066/122垂直而均匀地作用在单位面积上的力10.1barMPa二、压力的几种表示方式大气压:大气自重产生的压力地球上面的空气层密度不是相等的，靠近地表层的空气密度较大，高层的空气稀薄，密度较小。海拔越高，大气压强越小．在海拔3000m之内，每上升1m大气压强约减小10Pa。标准大气压强:1.01325×10^5Pa=101.325KPa，1个大气压图2-1不同压力表示方法的关系按压力的基准不同，压力的几种表示方式可分为：绝压、表压、真空度（负压）。大气压:大气自重产生的压力绝压:以绝对真空作为它的基准真空度:低于大气压的压力大气绝表ppp（２－２）绝大气真ppp（２－３）当绝对压力大于大气压时，一般用表压表示；绝对压力小于大气压时，一般用真空度表示。表压:以大气压作为它的基准，工程上最常用。基本概念三、压力仪表分类：根据信号传输方式1.就地指示式：液柱式、弹管压力表2.远传信号式：电阻式、电容式、霍尔式、电感式等第二节就地指示压力测量仪表3.2.1液柱式压力计3.2.2弹性式压力计一、U型管压力计g—重力加速度；PA—相对较低的压力或大气压；P—相对较高的压力。12()=()()APPPghghh若PA为大气压，被测介质为气体，ρ´ρ，可忽略不计。则上式可表示为：APghghP3.2.1液柱式压力计被测介质工作液ρρ´根据静力平衡原理可知，在U形管2-2截面上左右压力平衡12()APPPghghhΔP为表压、绝压、真空度?表压水或水银等液体12PPhh读:h、h12hP两边读h、h数，不便APAghAghAPA教材力是平衡：有问题2222121hDdhAAh二、单管压力计h1—大容器中工作液下降的高度；h2—玻璃管中工作液上升的高度。h1A1=h2A2A1—大容器截面；d—玻璃管直径；A2—玻璃管截面；D—大容器直径。若D＞＞d在压力P作用下，大容器内工作液下降体积等于玻璃管内工作液上升体积，即：12()APPPhhg2221dPhgD2Phg2hP两边读数单边h读数，灵敏度、读数误差被测介质：气体221122()(sin)(sin)APhhgLLgAdLgKLD三、斜管压力计因D＞＞d，则h1+h2≈h2=LsinL—斜管内液柱的长度；α—斜管倾斜角。精确测量时，应考虑下降高度h1因L＞h2，灵敏度高于单管。sinPLg常用于微小压力测量,测量范围一般为0～2000Pa。12()APPPhhg3.2.1液柱式压力计四、液柱式压力计特点（1）就地指示，简单直观（2）测量低压（差压）（3）常用于实验室，因不能耐高温、易碎，现场很少用（4）因工作液不同，液柱表面会出现弯月现象，正确的读数方法：浸润性工作液:读取凹月面的最低点；非浸润性工作液:读取凸月面的最高点。3.3.2弹性式压力计工作原理：利用各种弹性元件受压后产生弹性变形(位移)测量压力。一、弹性元件常用弹性元件:弹簧管、膜片、膜盒、波纹管。材料:铍青铜、磷青铜、不锈钢、橡胶膜片等。弹簧管膜片多圈弹簧管膜盒波纹管弹性元件在其轴向受外力作用时，会产生拉伸或压缩位移。F——轴向外力；X——弹性元件的变形位移；C——弹性元件的刚度系数。因为FAPeAe——弹性元件的有效面积；P——被测压力。则pCAXe若Ae/C为常数，则X与P为线性关系。仪表由测量系统、指示部分和表壳部分等组成。二、弹簧管压力计表壳部分——表盖、玻璃和罩壳等组成。测量系统——接头、弹簧管和齿轮传动机构等组成。指示部分——分度盘、指针组成。原理示意（1）测量元件（弹簧管）结构：扁平、中空，截面为扁圆或椭圆形。一端固定(测量端)一端封闭(自由端),弧度270º。材料：一般为铜或铜合金。测量氨介质须用氨用压力表；测氧气时，不得沾有油脂或有机物。作用：感受压力信号，并转换为位移信号。测量端自由端PERbhba1122222()μ、E—弹簧管材料的泊松系数和弹性模量；h—弹簧管壁厚；κ—弹簧管几何参数，α、β—与a/b比值有关的参数。Rha2（2）测压原理利用弹簧管的椭圆或扁圆特殊截面，受压后长轴变短、短轴变长，趋向于圆形，从而引起自由端B位移。自由端的x与所测压力P成正比。Px截面椭圆趋于圆自由端1xRkP结论：K1由若弹簧管横截面几何形状、刚度决定，则可据位移x变化测量压力P。弹簧管将被测压力换成自由端位移x（太小），但灵敏度低，需要对其进行放大。P↑→x↑刚度↑→k1↓→量程↑Pkx1弹簧管长度↑→k1↑→量程↓用于小量程（多圈弹簧管）k1↑→量程↓（3）传动放大机构第一次放大(杠杆)第二次放大(中心齿轮)自由端第三次放大（指针）①第一次放大(杠杆)转过的角度相等：xOBOALOBxOALθOAOBLx②第二次放大(中心齿轮)两齿轮啮合，走过弧长相等：θrOAθθrθOAL''实现转角的放大(弧长不变)。θθ'OAr实现弧长的放大。自由端③第三次放大（指针）转过的角度相等：LrRyrLRyθ'实现弧长的放大（转角不变）。rRLy结论：显示二次放大一次放大自由端位移指针中心齿轮扇形齿轮弹簧管yLxPKPPkkxkOBxOArROArRLrRy122指针位移（弧长）与压力成正比。讨论：(１)零点调整改变指针初始位置或表盘位置（标准表可调整表盘位置）。(２)量程调整当材料、结构固定后，可通过调整OB，改变B点位置实现。量程由k1、R、r、OA、OB决定，其中k1、R、r、OA由厂家定，用户可通过OB调整，改变B点调整螺钉的位置。KPPkkxkOBxOArROArRLrRy122OB（4）游丝克服因扇形齿轮和中心齿轮的间隙所产生的仪表变差。在普通弹簧管压力表的基础上附加两个静触点1和2，触点位置可根据要求的压力上、下限数值设定。指针3为测量值，是动触点，在动、静触点之间接入电源。压力超限时，动、静触点闭合，报警回路接通，信号灯亮（蜂鸣器响）发出报警信号。还可经中间继电器实现某种信号联锁控制或位式控制。三、电接点压力表（四）常用压力表型号YX-电接点压力表YB-标准表YO-氧用压力表YY-乙炔压力表YA-氨用压力表YN-耐振压力表优点：简单可靠；价格低廉；精度高，测量范围宽（-0.1～103MPa）；缺点：只能就地显示或报警。但很多情况需要将压力信号传送到控制室，作为记录、显示、控制、报警等用。需要远传时，要采用电气式压力计，下一节，主要介绍用于远传的电容式压力变送器。第三节远传式压力测量仪表3.3.1概述3.3.2电阻式压力计3.3.3电容式压力计3.3.4电感式压力计3.3.5其它压力计将各种非电量的工艺变量转换成为各种电量信号。将各种非电量的工艺变量转换成便于远传的统一标准信号。变送器：传感器：根据工艺变量不同压力变送器、传感器差压变送器、传感器液位变送器、传感器流量变送器、传感器温度变送器、传感器成分变送器、传感器………一、变送器与传感器的区别（R、C、L、I、V等）3.3.1概述二、变送器的作用将被测参数（P、L、T、F···）转换成标准统一信号（4～20mA、20～100kPa、0～10mA等）远传，供显示、记录、控制、运算、报警等。差压温度液位流量电流含水率…….压力工艺参数变送器显示记录控制现场控制室转换成标准统一信号远传到控制室3.3.1概述三、变送器的输入输出关系输入：Xmin～Xmax变送器测量范围L=Xmax―Xmin变送器量程输出：Ymin～Ymax输出信号范围不同类型的变送器，其能源及输出的标准信号范围不同。输出信号能源气动变送器：20～100kPa140kPa70年代-80年代中电动变送器:电Ⅱ型0～10mA；220VAC80年代中-90年代初电Ⅲ型4～20mA24VDC90年代初---变送器的输入X和输出Y为线性关系。3.3.1概述例2-1：一电Ⅲ型压力变送器，测量范围2～10MPa，在控制室测得信号为12mA时，所测压力是多少MPa?当所测压力为7.6MPa时，输出为多少mA?)MPa()(X622104204127.62(204)415.2()102ImA变送器输出与测量值的换算：minoomaxminminmaxmin()()XXYIPYYYXX或测量值与变送器输出的换算：minminmaxminmaxminX)XX(YYYYX各种输出与被测参数满足线性关系的变送器均可适用。只要知道测量范围，就可对输入、输出进行换算。3.3.1概述（1）四线制现场控制室四线制变送器四根导线与变送器相连。两根为电源线，两根为信号线。电动Ⅱ电动Ⅲ电源：220VAC24VDC信号：0～10mA4～20mA缺点：电缆成本高、故障率高。3.3.1概述四、变送器的连线方式现场控制室四线制变送器（2）二线制现场控制室二线制变送器两根导线与现场变送器相连。既是电源线又是信号线，电源与负载串联接入变送器。电源：24VDC信号：4～20mA3.3.1概述（3）三线制三线制变送器现在有一部分仪表，由于传感器需要的供电电流较大，采用二线制的电流不够，所以采用三线制---将四线制的电源地与信号地共用一根线。3.3.1概述四、变送器的零点、量程调整1202YKKXXKXminXmaxXminXmax零点调整示意图1零点调整(ZERO）作用：使变送器输出的下限值与测量信号输入的下限值相对应。当X=Xmin时，使Y=4mA（0mA/20KPa）的调整，称作零点调整。通常可通过在变送器外部的标有“Z”调整螺钉调整零点。例2-2：对于测量范围为200-600KPa的差压变送器，当输入差压为X=200KPa时，输出信号Y应为4.3mA，输出信号不是4mA，就需要对其进行零点调整，使输出信号Y=4mA。零点调整，改变X0，不改变量程，改变测量范围。3.3.1概述五、变送器的零点、量程调整XminXmaxXminXmax零点调整与零点迁移示意图（1）量程调整(SPAN）作用：使变送器输出的上限值与测量信号输入的上限值相对应。当X0=Xmax时，使Y=20mA（10mA/100KPa）的调整，称作量程调整。可通过在变送器外部的标有“S”调整螺钉调整量程。例2-3：对于测量范围为200-600KPa的差压变送器，实际要求测量范围是300-700KPa，或300-800KPa如何调整？1202YKKXXK量程调整，有的改变K1，改变量程和测量范围，不改变零点。量程调整，有的改变K2，改变量程和测量范围，也改变零点。工作原理应变片（检测元件）电阻式压力传感器测量桥路常见完整测量电路常见应变压力计构成特点3.3.2电阻式压力计3.3.2电阻式压力计一、工作原理RLAρ—电阻率；L—电阻的长度；A