压力测量

第三章压力测量液柱式压力测量弹性式压力测量电气式压力测量压力测量仪表的使用概述压力测量的意义：压力是工业生产过程中的重要参数，譬如：热力发电厂中需要测量压力和差压的地方很多，待测压力范围很宽，约从103Pa到24MPa。压差测量还广泛应用在液位和流量测量中。例如给水压力、汽包压力、主蒸汽压力、凝蒸汽压力、各处油压和烟风道压力等。概述1、压力——单位面积上垂直作用的力。2、压力单位——帕斯卡1Pa＝1N/m2(牛/米2)PaKgf/m2baratmmmH2OmmHgPSiPa10.10197210-50.986923×10-50.1019727.50062×10-3145.038×10-6Kgf/m29.8066519.80665×10-59.67841×10-51×10-80.07355590.00142233bar10510197.210.98692310.197×103750.06114.5038atm1.013×10510332.31.01325110.332×10376014.6959mmH2O0.1019721×10-89.80665×10-59.67841×10-5173.5559×10-31.42233×10-3mmHg133.32213.59510.00133320.0013157913.595110.0193368PSi6.895×103703.0720.06894760.0680462703.07251.71511概述3、压力的表示方法绝对压力（Pabs）大气压力（Patm）表压（Pmtr＝Pabs－Patm）真空（负压）（Pvcm＝Patm－Pabs）差压（△P=P1-P2）概述4、压力测量的主要方法和分类1）液柱式Px→液柱高度差2）弹性式Px→弹性元件的位移或力3）电气式Px→各种电量4）活塞式Px→活塞上所加平衡砝码的重力压力测量元件分类：1）压力计：用于测量气体或液体压力的仪表。2）压力表：用弹性压力元件制成的、指示大于周围大气压力(环境压力)的流体压力值的仪表。3）真空表：用弹性压力检出元件制成的、指示小于周围大气压力（环境压力）的流体压力值的仪表。4）压力真空表：用弹性压力检出元件制成的、指示小于或大于周围大气压力（环境压力）的流体压力值的仪表。§3-1液柱式压力测量U形管压力计单管式压力计斜管式微压计依靠液柱压头与被测差压(压力)相平衡来工作的测量范围不大，主要用于正、负微压的测量，如炉膛烟压，风道风压及测速装置的差压等等。U形管压力计ghhghp)(21U形管压力计使用注意事项：保持U形管垂直；读数时眼睛应与封液弯月面顶部切线平齐。单管式压力计1－宽容器2－带标尺的肘管3－连通管4－水准泡单管式压力计原理图：h1h200P1P2gFFhP)1(122单管式压力计多管式压力计：将数根肘管连至同一个大截面容器。电厂用它来测量炉膛、烟道各处的负压和凝汽器的真空等。斜管式微压计原理图：lKgDdlp)(sin22斜管式微压计使用方法：测正压：被测压力通入大容器；测负压：被测压力通入肘管；测差压：将较高的压力通入大容器而将较低的压力通入肘管。斜管式微压计实例图：1－大容器；2－斜管；3－底座；4－调斜管倾角支架；5－水平仪。1）环境温度变化引起封液密度和标尺长度变化；2）重力加速度的变化引起的误差；3）毛细现象，使封液表面形成弯月面，导致读数误差。液柱式压力计的测量误差§3-2弹性式压力测量一、弹性元件的测量原理二、弹性元件的特性三、弹性式压力表一、弹性元件测量原理弹性元件在负荷（压力、力或力矩）作用下，产生相应的变形（位移或转角），此变形与负荷之间的有一定的函数关系。它适用的范围广（0～103Mpa）。xpKAKFx二、弹性元件1、弹性膜片：是一种沿外缘固定的片状形测压元件，厚度0.05～0.3mm；分为平薄膜和波纹膜；它的特性用中心的位移和被测压力的关系来表征；测量的灵敏度、精确度低。2、波纹管：是一种具有等间距同轴环状波纹，能沿轴向伸缩的元件；测量的灵敏度较弹性膜片高，但存在迟滞误差，精确度一般为1.5级。3、弹簧管（波登管）：是一根横截面呈椭圆形或扁圆形的管子弯成圆弧形状而制成的，其中心角为270o三、弹性元件的特性弹性元件在负荷（压力、力或力矩）的作用下，产生相应的变形（位移或转角），此变形和负荷之间的关系称为弹性元件的弹性特性，它可用下式表示：s=f(p)或s=f(F)或￠=f(M)三、弹性元件的特性1、输出特性（弹性特性）2、刚度和灵敏度3、弹性迟滞4、弹性后效三、弹性元件的特性1、输出特性：F=f(px)或x=f(px)三、弹性元件的特性2、刚度和灵敏度：刚度(K)：使弹性元件产生单位变形所需要的负荷。（分辨率）灵敏度(S)：在单位负荷作用下产生的变形。K=1/SK大S小→大量程压力；K小S大→微小波动压力三、弹性元件的特性3、弹性迟滞——弹性元件在其弹性变形范围内，加负荷与减负荷时表现的输出特性不相重合的现象。滞后误差（Δ）三、弹性元件的特性4、弹性后效——弹性元件加负荷或减负荷到某一数值时，弹性变形不能同时达到相应值，而是要经过一段时间后才能达到应有的应变量。四、弹性式压力表金属膜片式压力表波纹管式压力表弹簧管式压力表金属膜片式压力表膜片平薄膜波纹膜1、工作原理：膜片压力表的弹性元件是一膜片，被测介质通过接头或法兰进入膜片室，由于压力作用，膜片产生位移，此位移再通过传动部件，使指针指示被测压力值。2、结构：膜片是将两种压力不等的流体隔开而具有绕性的圆形薄板或薄膜。它的周边与壳体或基座相固接。金属膜片式压力表金属膜片式压力表实物图：3、型号：YP型普通膜片表和YPF型耐腐蚀膜片压力表等，前者适用于测量对铜合金不起腐蚀作用的黏性介质压力；后者适用于测量腐蚀性较强、黏度较大的介质压力。金属膜片式压力表测量范围：膜片压力表0～0.1，0～0.16，0～0.25，0～0.4，0～0.6，0～1.0，0～2.5Mpa等测量范围的压力表和－0.1～0Mpa测量范围的真空表。膜盒式压力表适用于测量空气或其它无腐蚀性气体的微压或负压。精度等级—般为2.5级，高的可达1.5级。锅炉上常用于测量送风系统、制粉系统、炉膛负压和尾部烟道的压力测量。测量范围为150～4000Pa。波纹管式压力表波纹管——具有等间距同轴环状波纹，能沿轴向伸缩无缝波纹管有缝波纹管波纹管式压力表双波纹管差压表在电厂中主要作为水位的显示仪表或变送器使用，有时也作为流量显示仪表；通入仪表的正、负压室的静压一般很高，但测的静差压不大。弹簧管式压力表弹簧管测量范围：真空到103MPa；不能测差压。实物图：弹性式压力表的特点结构简单，使用方便和价格低廉应用范围广、测量范围宽只能测表压和负压就地显示使用弹性式压力计时的注意事项：1、合理选择压力表量程:为了保证足够的测量精度，在测量稳定压力时，最大工作压力不超过测量上限的2/3；测量脉动压力时，最大工作压力不超过测量上限的1/2；测量高压时，最大工作压力不超过测量上限的3/5。一般被测压力的最小值不低于仪表测量上限的1/3。2、使用时环境温度不得超过35度，如超过应给予温度修正。3、测量压力时，压力表指针不应有跳动和停滞现象。4、对压力表应定期进行校验。解：1、选取仪表的上限是P＝28×2＝56Mpa；2、选用测量范围为0～60Mpa的压力表；3、由于25/60大于1/3，故被测压力的最小值不低于满量程的1/3是允许的；4、允许的误差为±1/60×100%=±1.67%；5、结论：所选仪表为：量程0～60Mpa，精度为1.5级。某台往复式压缩机出口压力范围为25～28Mpa，测量误差不得大于±1Mpa。工艺上要求就地显示，并且能够进行高低限报警，请准确选用一台压力表，指出精度与测量范围。§3-3压力传感器及变送器压力传感器（PressureSenser）能够感受压力（差压）并能按一定规律将其转换成相同或不同性质的输出变量的仪表。变送器（Transducer）输出为标准信号（电信号）的传感器。电位器式压力传感器电感式压力（差压）传感器霍尔压力传感器电容式压力（差压）变送器振弦式压力变送器应变式压力变送器力平衡式压力变送器电位器式压力传感器原理：把测压弹性元件的输出位移转化成微型电位器滑动触点的位移，从而把被测压力的变化变换成电阻值的变化，然后用动圈式仪表或电子自动平衡电桥来测量电阻值的变化。px→弹性元件s1→电位器滑动触点s2→Rx→U实例：电位器式压力变送器与XCZ-104组合使用使用注意事项：存在滑动摩擦阻力，电位器易磨损、受污染。不宜在有振动和有腐蚀性气氛的环境中使用。电感式压力传感器原理：px→弹性元件s→线圈的电感L→UU在该传感器中，弹性元件受压后产生位移，位移可改变磁路中空气隙大小，或改变铁形芯与线圈之间的相对位置，从而使线圈的电感量发生改变，最终压力变化的信号转换成线圈电感量变化的信号。电感式压力传感器差动变压器式1：铁芯；2：初级线圈；3：次级线圈；4：骨架初级线圈：头尾串联次级线圈：头尾对接起始状态：铁芯处于中间e1=e2u=e1-e2=0分析：1、把线圈的骨架分成长度相等的两段，初级线圈均匀密绕在两段骨架，将两次级线圈对接；2、导磁材料制成的铁芯由弹性元件带动可以在线圈中移动，故可以改变初级线圈与上下两段次级线圈的耦合情况。3、定性分析，在初始状态下，铁芯处于线圈中间位置，因为初级线圈与上下两段次级线圈的耦合情况相同，则两段次级线圈中的感应电势e1和e2大小相等。又由于次级线圈是反相串联的，故e1和e2相位相反，因此这时总的输出电势为零。4、工作状态下，当铁芯偏离中间位置时，外接电路会输出交流电势u，该电势的大小取决于铁芯位置偏离中间位置的距离，电势的相位取决于铁芯在中间位置以上还是以下，从而就决定了与初级线圈输入的电势是同相还是反相。5、结论：铁芯在一定距离内的位移与输出电势大小的关系基本上是线性的。输出电势的大小与差动线圈的匝数等结构参数有关，并随通过初级线圈的电流和供电频率的增加而增加。但是，供电电流将受线圈发热所限制，特别是在低频率恒压供电情况下，初级线圈发热所引起的电阻值变化会造成流过初级线圈的电流变化，使输出漂移。注意事项：电源i、f变大则灵敏度变大；但i过大线圈发热，f过高则铁芯涡流损失变大。由于两次级线圈不完全对称，S=0时有残存电势。霍尔压力传感器霍尔效应：应半导体单晶薄片置于磁场(B)中，纵向通控制电流I，则横向产生电势EH。EH=KHIB霍尔压力传感器：利用霍尔效应把压力作用下所产生的弹性元件位移转换成电势输出的传感器。工作原理：px→s→B→EH初始状态：霍尔片处于中间，EH=0均匀梯度磁场注意事项：对霍尔元件进行恒温或采用其它温度补偿措施；应减少不等位电势，例如注意霍尔元件各处的电阻率、厚度、材料性质等不均匀性以及不对称焊接等。可用它来测量磁场的磁感应强度、以及把其它和位移、转速等有关的物理量转换位电量。电容式压力（差压）变送器特点：具有最少的可动部分，结构简单。测量范围宽，精确度高(达0.2级)，灵敏度高，体积小，且能输出(4—20)mA的直流标准信号。工作原理：电容器的可动极板是测压弹性膜片。px→弹性膜片s→极板间距d→电容c→I电容式压力变送器工作原理：在电容式压力变送器中，电容器的可动极板是测压弹性膜片，它和固定极板之间形成一个可变电容。当被测压力发生变化时，弹性膜片便会产生位移，使电容器的固定极板和可动极板之间的距离发生变化，也就改变了电容器的电容量，从而会使压力信号转换成电信号输出。再将电容器加以电压，最后经过相应的电路，最终输出4～20mA的直流标准电信号。工作过程：转换电路图：现场接线:振弦式压力变送器工作原理：px→弹性膜片s→振弦张力F→固有频率fxpklFlf2121利用被测压力改变振弦的谐振频率来进行测量。820系列振弦式压力变送器工作原理：特点：输出为频率信号，因此具有较强的抗干扰能力，而且零飘小，温