第三章第二节压力检测及仪表

第二节压力检测及仪表FpS一、压力单位及测压仪表1.压力:指均匀垂直地作用在单位面积上的力。2.几种压力表示法在压力测量中,常有表压.绝对压力.负压或真空度。绝对零压线绝对压力P绝大气压P0表压P表真空度P真绝对压力P绝单位(SI):帕斯卡,简称帕(Pa)。1Pa=1N/m21MPa=1X106Pa真空度(负压):当被测压力低于大气压力时,大气压力和绝对压力之差,即P真空度=P大气压力-P绝对压力表压:是绝对压力和大气压力之差,即P表压=P绝对压力-P大气压力液柱式压力计: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。结构简单,使用方便,但精度低,测量范围窄。弹性式压力计:将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。弹簧管压力计。电气式压力计:通过机械和电气元件将被测压力转换成电量来测量的仪表。压力变送器。活塞式压力计:根据水压机液体传送压力原理,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。3.压力计的分类（按信号转换原理不同）1.定义:在被测压力的作用下,利用各种形式的弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。2.特点: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、有足够的精度、应用广泛。3.测量范围:几百帕到数千兆帕。二、弹性式压力计是截面呈椭圆形或扁圆形的中空金属管,当通入压力p后,它的自由端就会产生位移。4.弹性元件（根据测压范围的不同）(1).弹簧管式弹性元件(单圈和多圈的)适合测高、中、低压。(2).薄膜式弹性元件4.弹性元件（根据测压范围的不同）适合测中、低压。由具有弹性的金属或非金属片构成,在压力作用下能产生变形。膜片膜盒硅油(3).波纹管式弹性元件:外部存在波纹的弹性金属片构成金属筒体。易于变形,且位移很大。4.弹性元件（根据测压范围的不同）适合测微压和低压(不超过1MPa)。5.弹簧管压力表(1).结构1—弹簧管;2—拉杆;3—扇形齿轮;5--指针;4—中心齿轮;6—面板;7—游丝;8—调节螺钉;9—接头。应用广范,品种繁多。可分单圈和多圈;按用途分普通压力表、耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表。它们外形和结构相同,只是所用材料不同。5.弹簧管压力表(2).工作原理(单圈弹簧管)弹簧管1是测量元件,是一根弯成270°的椭圆截面的空心金属管。管子的自由端B封闭,另一端固定在接头9上。工作原理:当通入压力p后,椭圆形截面在p作用下将趋于圆形,使自由端B产生位移,且与p的大小成正比(具有线性刻度)。所以只要测得B点的位移量,就能反映压力p的大小。p5.弹簧管压力表(2).工作原理放大过程:自由端B的位移通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转,指针5通过同轴的中心齿轮4的带动作顺时针偏转,在面板6的刻度标尺上显示出被测压力p的数值。由于B的位移与p的大小成正比,则刻度标尺是线性的。p游丝7用来克服因扇形齿轮与中心齿轮间的传动间隙而产生的仪表变差。改变调节螺钉8的位置,可调整仪表的量程。(3).弹簧管材料的选择当P≥19.6MPa时,选用合金钢或不锈钢的材料。当P19.6MPa时,选用磷青铜或黄铜的材料。所测流体种类不同,所用弹簧管材料不同。5.弹簧管压力表弹簧管压力表的型号命名：普通弹簧管压力表上带有报警或控制触点的压力表。当压力偏离给定范围时,及时发出信号,提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力控制。5.弹簧管压力表(4).电接点信号压力表(1).定义:把压力转换为电信号进行传输及显示的仪表。(2).组成:压力传感器、测量电路和信号处理装置。(3).测量范围:7×10-5Pa---5×102MPa,测量范围广。(4).压力传感器作用:检测压力信号,并转换成电信号输出。输出信号为标准信号时,为压力变送器。标准信号:是指物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。如4-20mADC(0-10mA),0.02-0.1MPa。(5).压力传感器分类:霍尔片式、应变片式、压阻式压力传感器和电容式压力变送器。三、电气式压力计Y1.霍尔片式压力传感器依据:根据霍尔效应,即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势,从而实现压力的测量。霍尔电势:UH=RHBIRH--霍尔常数,与霍尔片材料、几何形状有关。霍尔片由半导体材料制成的薄片。恒定磁场B外电场(直流稳压电源)霍尔效应:电子逆Y轴运动时,由于受电磁力的作用,使电子运动发生偏移,则一个端面有电子,另一个端面上正电荷过剩,在X轴上出现电位差,称为霍尔电势。这物理现象称为霍尔效应。应用:所测压力不高、压力波动小、信号需要远传的场合。霍尔电势与位移关系:UH=RHBII为定值,B为非均匀霍尔片位置不同,B就不同位移与霍尔电势成正比例。实现位移－电势的线性转换。结构:霍尔元件.磁钢与弹簧管。工作原理:压力→弹性位移→霍尔片移动→霍尔电势。引入压力产生位移1.霍尔片式压力传感器材料的电阻变化取决于“应变效应”和“压阻效应”。应变片是基于应变效应工作的一种压力敏感元件。金属导体或半导体的电阻值为：lRA12dldAddRdRlAμ为应变材料的泊松比;ε=dl/l为应变。2--llRRRdRddldAddldAAAlAA--drdlrl-,dRdldAdRlA22()2,dAdrdrArr(1).理论基础2.应变片式压力传感器—由几何尺寸变化引起的。电阻丝在外力作用时发生机械变形,其电阻随之发生变化的现象,叫应变效应。12d—由电阻率变化引起的。受压力后,其晶格间距发生变化,电阻率随压力变化的现象,叫压阻效应。12dRdldAddRlA(1)理论基础导体阻值的变化只取决于电阻率和材料几何尺寸的变化。金属材料,以应变效应为主,称为金属电阻应变片,制成应变式压力传感器。半导体材料,以压阻效应为主,称为半导体应变片,制成压阻式压力传感器。2.应变片式压力传感器电阻率的变化与电阻丝体积的变化成正比,即：dddd()(12)VAlmmmVAldd121212RmKRK为电阻应变灵敏系数。(1)理论基础2.应变片式压力传感器压力p→应变片产生应变→电阻发生变化→毫伏电势(2).应变片式压力传感器工作原理:利用电阻应变原理构成。变小变大546p测量片r1沿应变筒轴向贴放;温度补偿片r2沿径向贴放。特点:速度快.动态性能好.非线性误差小.滞后小.适合测高(25MPa)且脉动较大的压力。应变电阻片将一根电阻丝弯曲且并行地排列成栅形,贴附在基板上成为电阻栅;金属丝两端有引出线;线栅上盖绝缘的保护片。电阻丝一般为高阻金属细丝如康铜丝。直径Ф=0.02~0.04mm,长L=25~150mm,宽D=3~30mm,电阻值R0为60Ω,120Ω,200Ω,300Ω,500Ω,1000Ω。(a)丝式应变片(b)箔式应变片图6—2应变电阻片的结构应变计金属应变片应变片测量电路VER1R2R3R424131423-()()RRRRVERRRR1234,RRRRRRdR4EdRVRdRKR金属应变片：V与应变成线形关系,可以用电桥测量电压测量应变。4EVK案例：桥梁固有频率测量结构:1.基座;2.单晶硅片;3.导环;4.螺母;5.密封垫圈;6.等效电阻。2为弹性元件,用集成电路工艺,在单晶硅的特定方向上扩散一组等值电阻,并接成桥路。3.压阻式压力传感器特点: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。适于恶劣环境下使用,便于实现显示数字化。可测差压.速度.高度.加速度等参数。当p变化时,单晶硅产生应变,使应变电阻产生与被测压力成比例的变化,由桥路获得相应的电压输出信号。工作原理:利用单晶硅的压阻效应而构成。结构:1.隔离膜片;2,7固定电极;3.硅油;4.测量膜片5.玻璃层;6.底座;8.引线。P1P24.电容式压力变送器工作原理:将压力变化转换为电容量的变化,进行测量的。ΔP由硅油→测量膜片→弯曲变形→电容变化→测量电路检测和放大,转换成4~20mA的直流标准电信号进行输出。仪表特点:结构简单.过载能力强.精度高可达0.2级。ΔP=P1-P2四、智能型的压力变送器结构:普通的压力或差压传感器上增加微处理器电路。特点:具有远程通讯的功能依靠手操通信器,可在现场或控制室设定各种参数使用维护方便,精度高实现自修正.自补偿.自诊断及错误方式报警功能便于实现人机对话。长期稳定工作,每5年才需校检一次。以3051C为例,组成:传感膜头:被测压力---A/D转换---数字信号电子线路板:对信号进行修正,线性化处理---D/A转换--4～20mA信号3051C型智能差压变送器原理图A/D转换器温度传感器电容传感器传感膜头内存修正系数膜头信号微处理器传感器线性化重设量程诊断工程单位通信电子板内存量程值变送器组态信息D/A转换数字通信本机量程和零点调整手操器传感膜头电子线路板4～20mA压力压力手持通信器功能:组态,设定工作参数和输入信息性数据；测量范围变更；变送器的校准；自诊断。1.压力表的选用:根据工艺生产过程的要求,结合各方面的情况,加以全面考虑和具体的分析。(1).仪表类型的选用:必须满足工艺生产。考虑被测介质、现场条件和工艺要求。(2).确定仪表测量范围及量程：测稳定压力时,Pmax≤P上限2/3;测脉动压力时,Pmax≤P上限/2;测高压时,Pmax≤P上限3/5;最小值,Pmin≥N/3。(3).选取仪表的精度在满足生产要求的情况下尽可能选用精度较低、价廉耐用的压力表。K%|δ允现|五、压力计的选用及安装解：由于是往复式压缩机,则仪表的上限值为：Pmax≤P上限/2,P上限≥2Pmax＝2×28＝56MPa,根据就地观察及能高低报警,查表选电接点压力表,测量范围为0～60MPa。max1100%100%1.67%600N允例: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,并能高低报警,试正确选用一台压力表,指出型号、精度与测量范围。下限值:因Pmin≥N/3=60/3=20,则Pmin=25﹥20MPa,满足要求。精度等级:选1.5级,0～60MPa,YX-150A型电接点压力表。压力计的安装正确与否,直接影响到测量的准确性和压力计的使用寿命,应注意测压点的选择、导压管的铺设及压力表的安装。(1).测压点的选择：能反映被测压力的真实大小。(a).要选在被测介质直线流动的管道部分,不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。(b).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齐平.不应有凸出物或毛刺。(c).测量液体压力时,取压点应在管道下部、使导压管内不积存气体;测量气体压力时,取压点应在管道上方,使管道内不积存液体。2.压力计的安装(2).导压管的铺设(a).导压管的粗细要合适,一般内径为6~10mm,长度尽可能短,一般为3~50m,超过50m选用电远传压力表。(b).导压管水平安装时,应保证有倾斜度(1:10~1:20),以利于积存于其中的液体或气体排出。(c).当被测介质易冷凝或冻结时,必须加保温装置。(d).取压口到压力表之间应有切断阀,以备检修压力计。应装设在靠近取压口的地方。(3).压力表的安装(a).安装在易观察和检修的地方。(b).避免振动和高温。(c).被测压力较小,而压力计与取压口又不在同一高度时,对由高度引起的测量误差应按△p=±Hρg进行修正。2.压力计的安装(d).压力表的连接处,应选适当的材料,作为密封垫片,以防泄漏。(e).为了安全,测高压的压力表的外壳应有通气孔,安装时外壳应向墙壁或无人处。(f).针对被测介质的不同性质,要采取相应的防热、防腐、防冻、防堵等措施。如测蒸汽压力时,应加装凝液管,以防止高温蒸汽直接与测压元件接触。如测有腐蚀性介质压力时,应加装有中性介质的隔离罐,