压力、压差测量仪表

第三章压力、压差测量仪表东北大学信息学院张华2008-11-223压力、压差测量仪表本章主要内容3.1概述了解压力检测的基本概念、主要方法和分类3.2液柱式压力计了解各种液柱式压力计的工作原理3.3弹性式压力计了解弹性元件的原理和结构掌握单圈弹簧管压力计的原理、结构和因素分析3.4负荷式压力计掌握活塞式压力计的原理、结构、误差分析和使用注意事项了解浮球式压力计3.5电气式压力计掌握压电式压力计和电阻式压力计的原理、结构和特点3.6其它压力检测方法了解弹性振动式压力计和真空度的测量原理3.7压力变送器掌握电容式压力变送器的原理、结构和特点了解电感式和霍尔式压力变送器3.8压力表的选择与安装了解压力表选择与安装的有关规定2008-11-233压力、压差测量仪表3.1概述FpA=压力单位帕/Pa工程大气压/(kgf/cm2)毫米水柱/mmH2O毫米汞柱/mmHg毫巴/mbar标准大气压/atm磅力／英寸2/(lbf/in2)帕/Pa11.019716×10-51.019716×10-17.5006×10-310-29.869236×10-61.450442×10-4工程大气压/(kgf/cm2)9.80665×10411×1047.3557×1029.80665×1029.678×10-11.4224×10毫米水柱/mmH2O9.8066510-417.3557×10-29.80665×10-29.678×10-51.4224×10-3毫米汞柱/mmHg1.333224×1021.35951×10-31.35951×1011.3331.316×10-31.934×10-2毫巴/mbar1×1021.019716×10-31.019716×107.5006×10-119.869236×10-41.450442×10-2标准大气压/atm1.01325×1051.03321.033227×1047.6×1021.01325×10311.4696×10磅力/英寸2/(lbf/in2)6.8949×1037.0307×10-27.0307×1025.1715×106.8949×106.800462×10-21压力、压差测量的意义工艺要求安全生产所需间接测量其它物理量基本概念定义：物理学上的压强单位2008-11-243压力、压差测量仪表压力的表示方式绝对压力Pa表压Papappvp0ap=0p0appp=−0vappp=−真空度或负压PV注意：以后所提压力，若无特殊说明，均指表压力2008-11-253压力、压差测量仪表二、压力检测的主要方法和分类1.液柱式压力检测仪表原理流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度来实现测量的分类U型管压力计单管压力计斜管微压计补偿微压计自动液柱式压力计等2008-11-263压力、压差测量仪表2.弹性式压力检测仪表原理根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移来实现测量的常用的弹性元件有弹簧管膜片波纹管2008-11-273压力、压差测量仪表3.负荷式压力检测仪表原理基于静力平衡原理进行压力测量分类活塞式浮球式钟罩式特点普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行标定2008-11-283压力、压差测量仪表4.电气式压力检测仪表原理利用敏感元件将被测压力转换成各种电量，如电阻、电感、电容、电位差等优点具有较好的动态响应量程范围大线性好便于进行压力的自动控制2008-11-293压力、压差测量仪表压力测量仪表的分类类别压力表型式测压范围/kPa准确度等级输出信号性能特点U形管-10~100.2，0.5液柱高度实验室低、微压、负压测量补偿式-2.5~2.50.02，0.1旋转刻度用作微压基准仪器自动液柱式-102~1020.005~0.01自动计数用光、电信号自动跟踪液面，用作压力基准仪器弹簧管-102~1060.1~4.0直接安装，就地测量或校验膜片-102~1031.5，2.5用于腐蚀性、高粘度介质测量膜盒-102~1021.0~2.5用于微压的测量与控制波纹管0~1021.5，2.5用于生产过程低压的测控活塞式0~1060.01~0.1浮球式0~1040.02，0.05电阻式-102~1041.0，1.5电压、电流结构简单，灵敏度高，测量范围广，频率响应快，但受环境温度影响大电感式0~1050.2~1.5毫伏、毫安环境要求低，信号处理灵活电容式0~1040.05~0.5伏、毫安动态响应快，灵敏度高，易受干扰压电式0~1040.1~1.0伏响应速度快，多用于测量脉动压力振频式0~1040.05~0.5频率性能稳定，准确度高霍尔式0~1040.5~1.5毫伏灵敏度高，易受外界干扰电气式压力计（压力传感器）砝码负荷结构简单、坚实，准确度极高。广泛用作压力基准器负荷式压力计位移、转角或力弹性式压力计液柱式压力计2008-11-2103压力、压差测量仪表3.2液柱式压力计原理液体静力学原理工作液一般采用水银或水应用常用于实验室或科学研究的低压、负压或压力差的测量优点结构简单、使用方便、准确度较高缺点量程受液柱高低的限制玻璃管易损坏只能就地指示，不能远传2008-11-2113压力、压差测量仪表一、U型管压力计12PPPghρ=−=（1）可测差压或表压（2）若提高U型管工作液的密度，则可扩大仪表量程，但灵敏度降低，即在相同压力的作用下，h值下降2.误差分析（1）温度误差¾刻度标尺长度变化，一般可忽略¾工作液密度的变化，应进行适当修正¾例如，当水从10℃变化到20℃时，其密度从999.8kg/m2减小到998.3kg/m2，相对变化量为0.15％1.原理2008-11-2123压力、压差测量仪表2.误差分析（续）（2）安装误差应处于严格的铅垂位置例如U型管倾斜5º时，安装误差约为0.38％（3）重力加速度误差当对压力测量要求较高时，应准确测出当地的重力加速度使用地点改变时，也应及时进行修正（4）传压介质误差（5）读数误差工作液的毛细作用而引起的其大小与工作液的种类、工作液的温度和U型管内径等因素有关。当管内径大于等于10mm时，U型管的单管读数的最大绝对误差一般为1mm是可以修正的系统误差2008-11-2133压力、压差测量仪表二、单管压力计实质：仍是U型管压力计优点：可减小读数误差AhhA=00ghPPρ+=0)(00hhgPP++=ρ原理和结构hhh0h0p0p2008-11-2143压力、压差测量仪表三、斜管压力计¾实质是一种变形单管压力计¾优点可拉长液柱，减小相对的读数误差¾用途测量微小压力、负压和压力差¾分析¾角度越小，灵敏度越高¾不能太小，否则读数困难，反而增加读数误差¾实验室一般要求：D15≥α)1(sin00AAglPP++=αρ¾原理和结构p0p0pp2008-11-2153压力、压差测量仪表3.3弹性式压力检测仪表原理基于各种形式的弹性元件，在被测介质的表压力或真空度作用下产生的弹性变形与被测压力呈一定函数关系的原理制成的优点结构简单、坚实牢固、价格低廉准确度高、测量范围广便于携带和安装使用可以配合各种变换元件作成各种压力计可以安装在各种设备上或用于露天作业场合可在各种恶劣的环境（如高温、低温、振动、冲击、腐蚀、粘稠、易堵和易爆）条件下工作是工业生产和实验室中应用最广的一种压力计缺点由于其频率响应低，不宜用于测量动态压力2008-11-2163压力、压差测量仪表一、工作原理PCAx=¾弹性元件的有效面积A和刚度系数C与弹性元件的性能、加工过程和热处理等有较大关系¾当位移量较小时，它们可视为常数，压力与位移成线性关系；否则，不为常数，应分段线性化或进行修正；使用时还应注意温度对其的影响¾比值的大小决定了弹性元件的压力测量范围，比值越大，可测压力越大2008-11-2173压力、压差测量仪表二、弹性元件xpxpxpxpxpxp单圈弹簧管；多圈弹簧管；平面膜；波纹膜；挠性膜；波纹管2008-11-2183压力、压差测量仪表1.弹簧管由法国人波登发明，又称为波登管结构是一根弯成270º圆弧的、具有椭圆形（或扁圆形）截面的空心金属管子工作原理当被测介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔时，椭圆截面在被测压力p的作用下将趋向圆形由于弹簧管长度一定，使弹簧管随之产生向外挺直的扩张变形，结果改变弹簧管的中心角，使其自由端产生位移特点结构简单，测量范围最高可达109Pa既可以直接带动传动机构就地显示，又可以接转换元件将信号远传弹簧管有单圈和多圈之分，多圈弹簧灵敏度高2008-11-2193压力、压差测量仪表2.膜片结构：膜片是一种沿外缘固定的片状测压弹性元件原理：用中心的位移和被测压力的关系来表征种类平面膜片”可以承受较大被测压力”变形量较小，灵敏度不高”一般在测量较大的压力而且要求变形不很大时使用波纹膜片”是一种压有环状同心波纹的圆形薄膜”其波纹的数目、形状、尺寸和分布均与压力测量范围有关”其测压灵敏度较高，常用在小量程的压力测量中挠性膜片”一般不单独作为弹性元件使用，而是与线性较好的弹簧相连，起压力隔离作用”主要是在较低压力测量时使用膜盒把两块金属膜片沿周边对焊起来，成一薄膜盒子提高灵敏度，得到较大位移量膜片可直接带动传动机构就地显示，但是由于膜片的位移较小，灵敏度低，更多的是与压力变送器配合使用2008-11-2203压力、压差测量仪表3.波纹管22220012001/BnxFEhAAABhRμαα−=−++结构是一种具有等间距同轴环状波纹，能沿轴向伸缩的测压弹性元件种类单波纹管双波纹管原理波纹管在受到外力作用时，其膜面产生的机械位移量主要不是靠模面的弯曲形变，而是靠波纹柱面的舒展或压屈来带动膜面中心作用点的移动。其位移x与作用力F的关系为优点灵敏度高（特别是在低压区）可直接带动传动机构，就地显示缺点迟滞误差较大准确度最高仅为1.5级2008-11-2213压力、压差测量仪表弹性元件的结构和性能指标动态性质类别名称测量范围/MPa时间常数/s自振频率/Hz单圈弹簧管0~0.981102~103多圈弹簧管0~98.110~102平面膜0~98.110-5~10-210~104波纹膜0~0.98110-2~10-110~102挠性膜0~0.098110-2~11~102波纹管波纹管0~0.98110-2~10-110~102膜片弹簧管2008-11-2223压力、压差测量仪表三、单圈弹簧管压力计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－接头特点结构简单，使用方便，价格低廉测压范围宽，为-105~109Pa准确度最高可达0.1级结构2008-11-2233压力、压差测量仪表工作原理将压力转换为位移弹簧管椭圆截面受压时有变圆的趋势弹簧管挺直，自由端移动变形后中心角减小中心角相对变化量与被测压力的关系222221(1)RbpEbhaθμαθβκΔ−=−+对于单圈弹簧管，中心角变化量一般较小要提高灵敏度，可采用多圈弹簧管，圈数一般为2.5~9弹簧管位移量与中心角初始值和改变量的关系22(sin)(1cos)xRθθθθθΔ=−+−2008-11-2243压力、压差测量仪表因素分析θθ′′=RRθθ′′=rrθθ′′=bb几何尺寸θθ•Δ+Δ=Δbbb增大弹簧管的中心角或减小弹簧管的短半轴均提高弹簧管压力计的灵敏度刚度刚度大，可用于测量较高的压力管壁厚度管壁厚，变形小；管壁薄，变形大结论：工业生产中不同量程压力计的弹簧管就是选用不同刚度的材料和不同几何形状与厚薄而作成的2008-11-2253压力、压差测量仪表3.4负荷式压力计优点应用范围广结构简单稳定可靠准确度高重复性好可测正、负及绝对压力在压力基准的传递系统中占有重要地位是检验、标定压力表和压力传感器的标准仪器是一种标准压力发生器2008-11-2263压力、压差测量仪表一、活塞式压力计结构压力发生部分测量部分工作原理根据静力学平衡原理和帕斯卡定律设计而成1—砝码；2—砝码托盘；3—测量活塞；4—活塞筒；5,7,12—切断阀；6—标准压力表；8—进油阀手轮；9—油杯；10—进油阀；11—被校压力表；