检测技术及仪表--3--压力和压差检测

第三章压力及压差测量压力：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。差压：不同压力点之间的压力绝对值差。典型范例：中央空调空气过滤器板框前后压差。3.1.1三种压力表示方法绝对压力pa表压力p负压或真空度ph3.1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。单位：Pa、KPa、MPa3.1.2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。（实验室应用）(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。（就地指示）(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。（电远传）(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。（计量检定）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。3.1.3实验室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％。3.2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。3.2.1结构形式3.2.2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。3.3.1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3.3电气式压力计（变送器）ΔP=0Ci1=Ci2=50pFΔP＞0Ci1的电容量减小Ci2的电容量增大追求：ΔP=K*ΔC——差动电容测量原理(1)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级以上。(2)电容式传感器测量原理（二极管双T形电路）电路原理如图(a)。供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空比为50％的方波。若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图(b)。其中二极管VD1导通、VD2截止，电容C1被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑，电容C1的电压初始值为UE。根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容C2的电流iC2如下：C2UE(b)ＵｏRRRLC2C1VD1VD2iC1iC2++－＋±UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR++++iC1iC2i’C1i’C2同理，负半周时电容C1的平均电流:在［R＋（RRL）/（R＋RL）］C2T/2时,电流iC2的平均值IC2可以写成下式：22expCRRRRRtRRRRRURRRUiLLLLELLEC20220222111CURRRRTdtiTdtiTIELLcTcC1121CURRRRTIELLC故在负载RL上产生的电压为212210)(2CCTURRRRRRIIRRRRUELLLCCLL电路特点：①线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；③输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；④适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。3.3.2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。（1）应变片工作原理应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器,是常用的传感器之一。电阻应变片的工作原理是基于应变效应,即在导体或者半导体产生机械变形时,它的电阻值相应发生变化。导体主要是形变因素；半导体主要是电阻率因素。应变量：因为绝对值比较小，常用10-6单位。电阻应变计,也称应变计或应变片,是一种能将机械构件上的应变的变化转换为电阻变化的传感元件。LL4312al上图为其构造简图。排列成网状的高阻金属丝、栅状金属箔或半导体片构成的敏感栅1,用粘合剂贴在绝缘的基片2上。敏感栅上贴有盖片（即保护片）3。电阻丝较细,一般在0.015~0.06mm,其两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝（0.1~0.2mm）4作为引线,以便与测量电路连接。图2.1中,l称为应变计的标距,也称（基）栅长,a称为（基）栅宽,l×a称为应变计的使用面积。推导出灵敏度系数：式中，d：应变丝直径；l：长度；ρ：电阻率。灵敏度系数受两个因素影响:一个是受力后材料几何尺寸的变化,即（1+2μ）;另一个是受力后材料的电阻率发生的变化,即（Δρ/ρ）/ε。对金属材料电阻丝来说,灵敏度系数表达式中（1+2μ）的值要比（（Δρ/ρ）/ε）大得多,而半导体材料的（（Δρ/ρ）/ε）项的值比（1+2μ）大得多。大量实验证明,在电阻丝拉伸极限内,电阻的相对变化与应变成正比,即K为常数。半导体的灵敏度系数要不金属大50~80倍。但半导体温度系数大，非线性也大，应用收限制。21K//ddll实际应用应变片灵敏系数――应变片电阻相对变化与粘贴处试件表面应变之比试件材料用泊松系数μ=0.285的钢。用精密电阻电桥或其他仪器测出应变计相对电阻变化,再用其他测应变的仪器测定试件的应变,得出电阻应变计的电阻—应变特性。实验证明,电阻应变计的电阻相对变化ΔR/R与应变之间在很大范围内是线性的,即：式中,k为电阻应变计的灵敏度系数。因一般应变计粘贴到试件上后不能取下再用,只能在每批产品中提取一定百分比（如5%）的产品进行测定,取其平均值作为这一批产品的灵敏度系数。这就是产品包装盒上注明的灵敏度系数,或称“标称灵敏度系数”。KRRRRK/LL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。此桥也称为半桥，也经常使用4只应变片构成全桥。UiE－＋＋－r1r2R3R4AB半桥测量电桥不受压时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