第三章-压力检测及仪表

第三章压力检测及仪表2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意22¾在生产过程中，对各种炉和窑的炉膛或烟道的压力控制，以获得良好的热工效果。¾许多冶金物理化学反应，要求有一定的压力，压力既影响物料平衡，也影响反应速度；常压下不能发生的反应，在高压或一定的真空度下则可顺利进行。某些金属材料采用可控气氛或真空热处理，可有效地改善材料的性能。¾有些过程的压力检测（例如煤气管道的压力测量）乃是生产安全所必须的。¾生产过程的一些其他参数（如流量、液位等）的检测，有时也转换为压力或差压的测量。¾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、低耗和安全是十分重要的。（高炉煤气压力、热风压力及流量、氧枪内的氧压等）压力、差压仪表工业应用：压力、差压仪表工业应用：压力、荷重、液位、流量压力、荷重、液位、流量3.1概述2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意33一、压力单位¾压力:由气体或液体均匀垂直地作用在单位面积上的力。公式为：¾¾F—为垂直作用力；S—为受力面积¾P—为压力，单位：帕斯卡，简称帕(Pa)，1帕为1牛顿每平方米(国际单位制SI)。¾1Pa=1N/m2¾1MPa=1X106Pa¾1物理大气压(1atm)=1.0133X105Pa=760mmHg柱¾1工程大气压(1kgf/cm2)=9.807X104Pa=104mmH2O柱FPS=2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意44单位PaatmmmHgmmH2Okgf/cm2(at)barPsi帕斯卡（Pa）19.869×10-67.5×10-30.1021.02×10-510-51.45×10-4标准大气压（atm）1.01325×10517601.033×1041.0331.03314.706毫米汞柱（mmHg）1.33322×1021.316×10-3113.601.36×10-31.333×10-31.933×10-2毫米水柱（mmH2O）9.8963750.968×10-47.36×10-210.9997×10-49.80×10-51.422×10-3千克力/厘米2（工程大气压）（kgf/cm2）9.80665×1040.96873610410.98066514.217巴（bar）1050.986657501.02×1041.02114.5磅/寸2（Psi）6.895×1026.8×10-251.7157.04×1027.03×10-26.895×10-21表表33--11常用压力换算表常用压力换算表注意：表中除单位注意：表中除单位PaPa和和barbar之外均为非许用单位，只在旧仪器及某些国家尚沿用之外均为非许用单位，只在旧仪器及某些国家尚沿用2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意55二、几种压力表示法（按取压的标准不同）¾绝对压力¾大气压力¾表压力¾正压力¾负压力（真空）¾差压绝对压力：以绝对真空作为零点压力标准的压力.表压力：以大气压作为零点压力标准的压力称为表压力.绝对压力=表压力+大气压力差压力：以大气压以外的任意压力为零点压力标准的压力称为差压力。真空：指压强低于一个标准大气压的稀薄气体状态。真空度=大气压力-绝对压力工程上经常采用表压和真空度来表示压力的大小。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2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意66三、压力检测的基本方法利用弹性元件受压力作用发生弹性形变而产生的利用弹性元件受压力作用发生弹性形变而产生的弹性力与被测弹性力与被测压力相平衡的原理。将压力转换成位移，测出弹性元件变形的压力相平衡的原理。将压力转换成位移，测出弹性元件变形的位移大小就可以测出被测压力。例如弹簧管压力计、波纹管压位移大小就可以测出被测压力。例如弹簧管压力计、波纹管压力计及膜式压力计等，应用最为广泛。力计及膜式压力计等，应用最为广泛。1)1)弹性力平衡法弹性力平衡法主要有液柱式和活塞式。利用一定高度的工作液体产生的主要有液柱式和活塞式。利用一定高度的工作液体产生的重重力或砝码的重量与被测压力相平衡力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理。例如的原理。例如UU型管压力型管压力计、单管压力计，结构简单读数直观，活塞式压力计是一种计、单管压力计，结构简单读数直观，活塞式压力计是一种标准型压力测量仪器。标准型压力测量仪器。2)2)重力平衡方法重力平衡方法2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意77其原理是将被测压力经变换元件转移成一个集中力，用其原理是将被测压力经变换元件转移成一个集中力，用外力外力与之平衡与之平衡，通过测得平衡时的外力来得到被测压力。主要用，通过测得平衡时的外力来得到被测压力。主要用在压力或差压变送器中，精度较高，但结构复杂。在压力或差压变送器中，精度较高，但结构复杂。3)3)机械力平衡方法机械力平衡方法基于敏感元件在压力的作用下某些基于敏感元件在压力的作用下某些物理特性发生与压力成确物理特性发生与压力成确定关系定关系变化的原理，将被侧压力直接转换成电量进行测量。变化的原理，将被侧压力直接转换成电量进行测量。如压电式、振弦式和应变片式、电容式、光纤式和电离式真如压电式、振弦式和应变片式、电容式、光纤式和电离式真空计等。空计等。4)4)物性测量方法物性测量方法三、压力检测的基本方法2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意88四、压力计的分类（按信号转换原理不同）¾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。¾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。¾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。如压力变送器。¾活塞式压力计：根据水压机传送压力原理，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。12210hpophpopPoLα(a)U形管压力计（b）单管压力计（c）倾斜式压力计图3-3液柱式压力计ph2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意993.2弹性式压力计¾定义¾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。¾特点¾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。¾测量范围¾几百帕到数千兆帕。2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意1010¾弹簧管（单圈和多圈的）是截面呈椭圆或扁圆型的中空金属管，当通入压力p后,它的自由端就会产生位移。适合测高、中、低压。一、弹性元件（根据测压范围的不同）2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意1111一、弹性元件（根据测压范围的不同）¾弹性膜片或膜盒：(膜片a或膜盒b)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。膜盒中内充硅油。适合测中、低压。2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意1212¾波纹管：有一端封闭,外部存在波纹的弹性金属片构成金属筒体,是气动单元组合仪表中不可缺少的部分。弹性元件易于变形,且位移很大。适合测微压和低压,在气动压力变送器上应用较多。一、弹性元件（根据测压范围的不同）2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意1313二、弹簧管压力表¾应用广范，品种繁多。¾可分单圈和多圈；¾按用途分9普通压力表9耐腐蚀的氨用压力表9禁油的氧气压力表。¾它们外形和结构相同，只是所用材料不同。2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意1414¾1—弹簧管;¾2—拉杆;¾3—扇形齿轮;¾4—中心齿轮;¾5—指针;¾6—面板;¾7—游丝;¾8—调节螺钉;¾9—接头（1）结构2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意1515(2)工作原理¾工作原理¾弹簧管1是压力表的测量元件。图为单圈弹簧管,它是一根弯成270°圆弧的椭圆截面的空心金属管。管子的自由端B封闭,管子的另一端固定在接头9上。¾当通入压力P后,由于椭圆形截面在压力的P作用下将趋于圆形,使弹簧管的自由端B产生位移,且与输入压力的大小成正比(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。2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意1616(2)工作原理¾放大过程:¾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。¾由于自由端的位移与被测压力的大小成正比，则刻度标尺是线性的。¾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。¾改变调节螺钉8的位置,可调整仪表的量程。2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意1717¾弹簧管材料的选择¾当P≥19.62MPa时，选用合金钢或不锈钢的材料¾当P19.62MPa时，选用磷青铜或黄铜的材料¾所测流体种类不同，所用弹簧管材料不同2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意1818(4).电接点信号压力表¾是在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。2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意19193.3电气式压力计¾弹簧管压力计的不足在于不能测量脉动、真空和超高压力，而电气压力传感器可克服上述不足。¾定义¾把压力转换为电信号进行传输及显示的仪表。¾组成¾压力传感器、测量电路和信号处理装置。¾测量范围¾7×10-5Pa---5×102MPa，测量范围广。2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意20203.3电气式压力计压力传感器作用¾把压力信号检测出来，并转换成电信号进行输出。当输出的电信号转换成标准信号时，压力传感器称为压力变送器。标准信号¾是指物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。如直流电流4-20mA(0-10mA)，空气压力0.02-0.1MPa都为标准信号。压力传感器分类¾霍尔片式、应变片式、压阻式压力传感器和力平衡式、电容式压力变送器。2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意2121一、霍尔片式压力传感器¾依据：霍尔压力传感器属于位移式压力（差压）传感器。它是利用霍尔效应，把压力作用下所产生的弹性元件的变形(位移信号)转变成霍尔电势，通过测量电势进而确定压力。1、霍尔效应：¾霍尔片由半导体材料制成的薄片，如图在Z轴方向上加恒定磁场B，在Y轴方向上加外电场(直流稳压电源)，电子在霍尔片中运动(逆Y轴方向运动)时，由于受电磁力的作用，使电子运动轨道发生偏移,则一个端面有电子，另一个端面上正电荷过剩，在X轴方向上出现电位差，称为霍尔电势。这物理现象称为霍尔效应。Y霍尔元件：是一块半导体薄片（如硅、锗、碲、锑化铟等）。2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意22222009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意23232、霍尔电势¾UH=RHBI¾RH--霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状有关。导体也有霍尔效应，但霍尔电势比半导体的霍尔电势小得多。¾霍尔电势与位移关系:¾根据UH=RHBI，若I为定值，在非均匀磁场中，霍尔元件所处位置不同，所受到的磁感应强度就不同，可得到与位移成正比例的霍尔电势，实现位移－电势的线性转换。¾霍尔片式压力传感器结构:霍尔元件与弹簧管配合,组成霍尔片式压力传感器。Y2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意2424¾将通以直流电、处在恒定磁场霍尔片与弹簧管的自由端连接起来。在被测压力作用下，弹簧管自由端产生位移，则改变霍尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。即：压力→弹性位移→霍尔片移动→霍尔电势。¾应用：用于所测压力不高、压力波动小、信号需要远传的场合。3、霍尔片式压力传感器的工作原理2009-9-30热工仪表及自动化讲义-朱诚意2525¾工作原理¾应变片式压力传感器是利用电阻应变原理构成。有金属应变片和半导体应变片。当有压力作用时，应变片产生应变，表现为应变片的电阻发生变化，经过一定的转化变成电压进行输出，从所测电压的大小读出所测的压力1、应变效应