第2章-压力测量

第2章压力测量压力：化工生产中，由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。化工生产中，通常遇到压力和真空度的测量。若压力不符合要求，不仅会影响生产效率，降低产品质量，还会造成严重生产事故。化学反应中，压力既影响物料平衡关系，也影响化学反应速度。所以，压力的测量与控制，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三种压力表示方法绝对压力pa表压力p负压或真空度ph第一节压力单位及测压仪表pa绝对压力零线pphpa大气压p01.01325×105Pa绝对压力是指物体所受的实际压力。表压是指一般压力表所测得的压力，它是高于大气压力的绝对压力与大气压力之差，即0appp真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差，有时也称为负压，即0happp由于各种工艺设备和检测仪表通常是处于大气之中，本身就承受着大气压力，因此工程上通常采用表压或者真空度来表示压力的大小，一般的压力检测仪表所指示的压力也是表压或者真空度。除特殊说明之外，以后所提及的压力均指表压。压力检测仪表的分类目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多，根据敏感元件和转换原理的不同，一般分为四类：(1)液柱式压力检测一般采用充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管进行测量。(2)弹性式压力检测它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移进行测量的。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。(3)电气式压力检测它是利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电量进行测量的仪表，如电阻、电荷量等。(4)活塞式压力检测它是根据液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来进行测量。活塞式压力计的测量精度较高，允许误差可以小到0.05％～0.02％，它普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行检定。液柱式压力检测液柱式压力检测是以液体静力学原理为基础的，它们一般采用水银或水为工作液，用U型管进行测量，常用于较低压力、负压或压力差的检测。p1p2p1p2h(a)(b)21pppgh特点：直观、可靠、准确度较高等，但U形管只能测量较低的压力或差压，为了便于读数，U形管一般是用玻璃做成，易破损，另外它只能进行现场指示。用U形管进行压力检测，其误差来源主要有：①温度误差——由使用环境温度的变化引起的测量误差。它主要包括两个方面：一是标尺长度随温度的变化（要求U形管材料的温度系数极小）；二是工作液密度随温度的变化。例如水，当温度从10℃变到20℃时，其密度从999.8kg/m3减小到998.3kg/m3，相对变化量为0.15％。②安装误差——当U形管安装不垂直时将会产生安装误差。例如若倾斜5°，读数误差约0.38％。第二节弹性式压力计弹性式压力检测是用弹性元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。xpxpxpxpxpxxxxx平薄膜波纹膜波纹管单圈弹簧管多圈弹簧管膜片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度不高，一般为2.5级。膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号；波纹管的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（1.0～106Pa），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级；弹簧管结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达0.15级。——弹簧管和弹簧管压力表弹簧管是横截面呈非圆形（椭圆形或扁圆形），弯成圆弧状（中心角常为270°）的空心管子。管子的一端为封闭，另一端为开口。闭口端作为自由端，开口端作为固定端。被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔，由于弹簧管的非圆横截面，使它有变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生位移，同时改变其中心角。位移量（中心角改变量）和所加压力有如下的函数关系：222220)1(1abbhREP式中θ0为弹簧管中心角的初始角；Δθ为受压后中心角的改变量；R为弹簧管弯曲圆弧的外半径；h为管壁厚度；a、b为弹簧管椭圆形截面的长、短半轴。0P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－调节螺钉9－接头图3-18弹簧管压力表弹簧管自由端B的位移量一般很小，需要通过放大机构才能指示出来,为了加大弹簧管自由端的位移量，也可采用多圈弹簧管，其原理与单圈弹簧管相似。单圈弹簧管压力表是工业现场使用最普遍的就地指示式压力检测仪表（也有电接点输出的弹簧管压力表）弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉、测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压一般的工业用弹簧管压力表的精度等级为1.5级或2.5级，但根据制造的要求，其精度等级最高可达0.15级。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！15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。16——膜盒式差压变送器工作原理：力矩平衡检测元件——膜盒或膜片杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构膜盒式差压变送器构成△P测量部分Fi杠杆系统△M放大器反馈部分FfIo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。17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18第三节电气式压力计工作原理22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—隔离膜片一、电容式差压变送器第三节电气式压力计一、电容式差压变送器电容式差压变送器采用差动电容作为检测元件主要包括测量部件和转换放大电路两部分：差压电容膜盒电容-电流转换电路调零、零迁电路电流放大器反馈电路ΔpΔCIiIf＋＋Iz－Io测量部分转换放大部分第三节电气式压力计ΔP=0Ci1=Ci2=15pFΔP＞0Ci1的电容量减小Ci2的电容量增大——差动电容测量原理电容式差压变送器测量原理电容式压力变送器，目前在工业生产中应用非常广泛，其输出信号也是标准4～20mADC电流信号。电容式压力变送器是先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量的。电容式差压变送器的原理图可见传感器有左右固定极板，在两个固定极板之间是弹性材料制成的测量膜片，作为电容的中央动极板，在测量膜片两侧的空腔中充满硅油。电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达0.2级。19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—密封膜片二、应变片压力/差压变送器二、应变片压力/差压变送器利用金属或半导体材料制成的电阻体的阻值可表示为：SlR当电阻体受外力作用时，电阻体的长度、截面积或电阻率会发生变化，即其阻值也会发生变化。这种因尺寸变化引起阻值变化称为应变效应。应变片多以金属材料为主，一般和弹性元件一起使用。r1r2123P(a)传感器1－外壳2－弹性筒3－膜片应变筒的上端与外壳固定在一起，下端与不锈钢密封膜片3紧密接触，应变片r1和r2用胶合剂贴紧在应变筒的外壁，与筒体之间不发生相对滑动。r1沿应变筒轴向贴放，作为测量片；r2沿径向贴放，作为温度补偿片。图中应变片r1、r2的静态性能完全相同。当膜片受到外力作用时，弹性筒轴向受压，使应变片r1产生轴向应变，阻值变小；而应变片r2受到轴向压缩，引起径向拉伸，阻值变大。实际上，r2的变化量比r1的变化量要小，r2的主要作用是温度补偿。是应变片阻值变化量的测量电桥，图中R3和R4是两个阻值相等的精密固定电阻。UiE－＋＋－r1r2R3R4AB(b)测量电桥不受压时r1=r2=r0R3=R4=r313412()U0RrUERRrr，不受压时若应变片受压，则：r1=r0+Δr1；r2=r0+Δr2(Δr1≠Δr2)0122011212010201201()24224rrrrrrrrrUEEEPrrrrrrrr由此可见，由压力作用时，r1和r2一减一增，使电桥由较大的输出；当环境温度发生变化时，r1、r2同时增减，不影响电桥的平衡。如果仪表能把电桥输出电压Ui进一步转换为标准信号输出，则该仪表即可称为应变式压力变送器。结论：应变片式压检测仪表具有较大的测量范围，被测压力可达几百MPa，并具有良好的动态性能，适用于快速变化的压力测量。但是，尽管测量电桥具有一定的温度补偿的作用，应变片式压力检测仪表仍有比较明显的温漂和时漂，因此，这种压力检测仪表较多地用于一般要求的动态压力检测，测量精度一般在0.5～1.0％左右。三、压阻式（扩散硅）压力/差压变送器因电阻率变化引起阻值变化称为压阻效应。半导体材料的压阻效应比较明显。用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于单晶硅材料纯、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的使用。p2p1硅杯图3-30压阻式传感器示意图正压侧隔离膜片引出线负压侧隔离膜片硅油三、压阻式（扩散硅）压力/差压变送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。工作原理三、压阻式（扩散硅）压力/差压变送器特点精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单；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—等效电阻构成框图：扩散硅压阻传感器前置放大器调零电路V－I转换△PUSU01UZIO检测部分电磁放大部分测量部分——扩散硅压阻传感器——把被测差压ΔP成比例地转换为不平衡电压US1.负压室2.正压室3.硅杯4.引线5.硅片Ri1Ri2Ri3Ri4测量部分——惠斯顿电桥Ri1Ri2Ri3Ri4USRi1Ri2Ri3Ri4IS不受压时：Ri1＝Ri2＝Ri3＝Ri4＝R测量部分——电压转换＋US－Ri1Ri2Ri3Ri4IS受压时：△Ri1＝△Ri4＝r1△Ri2＝△Ri3＝r224()2iiSSRRIU21()2SrrI受压时，流经2