压力检测与变送

压力检测与变送张国鹏2014/8/28目录一、概述二、压力表的分类三、压力仪表的选用与安装四、工业压力表的校验一、概述•压力是生产过程中的重要参数，压力的检测与控制是保证工艺要求，设备经济运行和人身安全的必要条件。•定义：垂直均匀地作用于单位面积上的力,国际单位为帕斯卡Pa。•绝对压力绝对真空下的压力称为绝对零压；以绝对零压为基准的压力为绝对压力。•表压以大气压力为基准的压力。P表=P绝−P大P大=101.325KPa•当绝对压力值小于大气压力值时，表压力为负值（即负压力），此负压力值得绝对值，称为真空度。1kgf/cm2=0.9807×105Pa1mmH2O=0.9807×10Pa1mmHg=1.332×102Pa1bar=105Pa1PSI=6.89×103Pa•压力检测方法1.平衡法：通过仪表使液柱高度的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理测量压力2.弹性法：利用各种形式的弹性元件，在被测介质的表压力或负压力作用下产生的弹性变形来反映被测压力的大小3.电气式：用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化二、压力表的分类按压力检测原理分液柱式弹性式电气式1、液柱式压力计•液柱式压力表大多是一根直的或弯成U形的玻璃管，其中充以工作液体，常用的工作液体为蒸馏水、水银和酒精。•工作原理液柱式压力表利用流体静力学原理，将被测压力转化成液柱的高度来进行压力测量。•特点液柱式压力计结构简单，使用方便灵敏度和精确度都高，常用于校正其他类型压力计。但其体积大、反应慢、量程受液柱高度的限制，只用于测量微小的压力、真空度或者差压，容易损坏，读数不方便，难于自动测量。注意事项•为减小毛细现象，U型管的内径一般为5-20mm,，内径最好不小于10mm•使用时保持垂直•减小二次读数误差，读数时眼睛与液面平齐，以封液弯月面顶部切线为准读取液面高度。•应选择密度小的封液，以增大左右管液体的高度差，减小读数误差。（水，汞，四氯化碳）。•当测量较大的压力时，可采用密度较大的封液；当测量较小的压力时，可采用密度较小的封液；液体压力计的测量误差分析及其修正1、毛细现象。由于毛细现象，管内的液柱可产生附加升高或降低，其大小与封液的性质和管内径等因素有关。修正方法：以U形管为例：当封液是水，修正值-30/d（mm）;当封液是水银，修正值+14/d（mm）2、温度•指由于液体压力计所处环境温度的变化引起的测量误差。–一是标尺长度随温度的变化，一般要求标尺所用的材料的温度系数极小；–二是工作液密度随温度的变化。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％。3、重力加速度误差当对压力检测精度要求比较高时，需要准确测出当地的重力加速度。4、安装误差当U形管安装不垂直时将会产生安装误差。例如U形管倾斜5°时，液面高度差h的读数相对于实际值要偏大约0.38％。2、弹性式压力计•工作原理弹性压力表是利用各种不同形状弹性感压元件在被测压力的作用下，产生弹性变形制成的测压仪表。•特点具有结构简单、结实耐用、测量范围宽等特点，是压力测量仪表中应用最多的一种。但其精度较低，不能自动测量。•弹性元件弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形大小与被测压力成正比关系。常用的弹性元件有弹簧管、膜片、膜盒和波纹管。弹簧管式波纹管式弹性膜式单圈弹簧管多圈弹簧管波纹管平薄膜波纹膜挠性膜0～106kPa0～105kPa0～103kPa0～105kPa0～103kPa0～102kPa弹性元件的结构和压力测量范围•膜片膜片是用金属或者非金属制成的圆形薄片；按工作面形状分为：平膜片和波纹膜片。常用的材料：锡锌青铜、磷青铜、铍青铜、高弹性合金、恒弹性合金、碳素铜、不锈钢等。膜片的厚度一般在0.05～0.3mm。膜片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示，由于膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度也不高，一般为2.5级。注：平膜片测量压力时位移很小，常用来测量高压。波纹膜片常用来测量低压。•膜盒膜盒分为开口膜盒、闭口膜盒。开口膜盒用于表压测量。闭口膜盒用于绝对压力测量。膜盒膜片•弹簧管(波登管)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。弹簧管的各种横截面图扁圆形椭圆形半圆形双圆形8字形厚壁扁圆形•波纹管由于波纹管的位移相对较大，故一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。一般压缩使用。线性好特点：灵敏度高(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•膜盒压力表膜盒压力表是用于生产过程的工业仪表，它适用于测量微小压力和真空。测量范围一般在一2000～4000Pa，精确度等级一般为2.5级。膜盒压力表的结构主要由膜盒、传动机构、调整机构、游丝指针、表盘等构成。膜式压力计有膜片压力计和膜盒压力计两种。前者主要用于测量腐蚀性介质或非凝固、非结晶的粘性介质的压力，后者常用于测量气体微压和负压。原理：膜片四周固定，当通入压力后，两侧面存在压差时，膜片将向压力低的一侧弯曲，膜片中心产生一定的位移，通过传动机构带动指针转动，指示出被测压力。•弹簧管压力表弹簧管压力表是生产过程中和实验室应用非常普遍的测压仪表。它可以测量压力，也可以测量真空。按照使用的弹簧管的种类可分为单圈和多圈弹簧管压力表•单圈弹分管压力表的结构及工作原理结构组成如图所示，主要由1弹簧管、齿轮传动系统（包括2拉杆、3扇形齿轮、4中心齿轮等）、5指针、6刻度盘、7游丝、8调整螺钉等。注意：弹簧管自由端的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机构才能指示出来。用途：弹簧管压力表是生产过程中和实验室应用非常普遍的测压仪表。它可以测量压力，也可以测量真空。种类：按照使用的弹簧管的种类可分为单圈和多圈弹簧管压力表。型号：按照适用的条件可分为耐振型、耐热型、耐腐蚀型、抗冲击防爆型以及专用压力表等。它们的工作原理是相同的。•波纹管差压计双波纹管差压计在火力发电厂中主要用于流量和水位测量指示记录的二次仪表。如果用于流量测量，差压计往往还带有积算装置。测量的差压值上限可达0.4MPa，耐工作压力上限可达40MPa，精确度可达1.0～1.5级。1-连接轴；2-保护阀；3-阻尼环；4-推板；5-扭力管；6-心轴；7-量程弹簧；8-平衡阀；9-低压波纹管；10-摆杆；11-阻尼阀；12-中心基座；13-高压波纹管；14-填充液注：主要用于微压、低压的测量•压力变送器压力传感器：能够感受压力（压差）并能按一定规律将压力（压差）转换成同种或别种性质输出量的仪表。弹性元件检测压力的输出只是机械位移信号，该信号可以就地显示，也可以变换为电信号以供远传。这种变换一般称为电变送。其方法很多，如电阻式、电感式、电容式、应变式、力平衡式、光纤式等。目前工业生产使用的电变送后的压力信号都是标准化的电流或电压信号，其变送器都是定型的产品。一、电容式压力变送器1、工作原理：以弹性元件膜片为电容器的可动极板，它与固定极板之间形成一可变电容。随被测压力的变化，膜片产生位移，使电容器的可动极板与固定极板之间的距离改变，从而改变了电容器的电容量，完成压力信号与电容量之间的变化。将激励电压加于电容器，产生交变电流，经整流、控制、放大，输出4~20mA标准信号。电容器的电容量由它的两个极板的大小、形状、相对位置和电介质的介电常数决定•电容式压力变送器检测环节。•感压元件是膜片，两电容的固定极板为球面形结构。测量膜片位于两固定极板的中央，它与固定极板构成两个小室，两室结构对称。固定极板是将玻璃绝缘体磨成球形凹面，并在该表面镀上一层金属薄膜而成。金属薄膜和弹性膜片都接有输出引线。测量膜片与固定极板形成电容，室和隔离腔室内充有硅油。差压位移电容放大输出电流•三阀组1、打开正压阀a2、关闭平衡阀b3、打开负压阀cabc二、应变式压力变送器应变式压力传感器利用金属应变片或半导体应变片将测压弹性元件的应变转换成电阻变化。弹性元件的应变转换成电阻值的大小是由金属或半导体材料制成的电阻体（即应变片）完成。常用的金属应变片：金属丝式、箔式、薄膜式，基于金属丝的应变效应工作，半导体应变片：体式、薄膜式、扩散式，基于半导体压阻效应工作。1．金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式。(1)金属丝式应变片将金属电阻丝（一般是合金，电阻率较高，电阻约为120Ω，直径约0.025mm）粘贴在绝缘基片上，上面覆盖一层薄膜，使它们变成一个整体。（2）金属箔式应变片利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003~0.010mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。其优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种需要的形状，便于批量生产。（3）金属薄膜应变片金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。厚度在0.1mm以下。将产生应变的金属或合金直接沉淀在弹性元件上而不用粘合剂，应变片的滞后和蠕变都很小，灵敏度高。(4)半导体应变片半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化。半导体应变片比金属应变片灵敏度大50～100倍，但电阻温度系数大，非线性也大。1、原理：利用金属应变片或半导体应变片将测压弹性元件的应变转换成电阻变化。2、应变式压力变送器（1）组成：两部分，感压弹性元件，应变片。也可将二者结合成一体。（2）测量电路的工作：将应变片电阻的变化转换成电流或电压输出是由测量电路完成的。一、压力表的选择1、类别选择：压力仪表包括普通压力表、氧压表、乙炔表、真空表、压力真空表、防震压力表、耐腐蚀压力表、电接点压力表或带有指示、记录、调节、报警、远传等特殊功能的压力表。1）、一般根据被测介质的性质，比如状态(气体、液体)、温度、粘度、腐蚀性、玷污程度、易燃和易爆程度等来选择压力仪表的类别。比如用来测量液体介质的压力时，压力变化缓慢的多选用普通压力表，压力波动较大的多选用防震压力表；压力仪表的选用与安装测量易燃易爆气体介质的压力时，多选用带有“禁油”标志的氧压表、乙炔表；测量气体负压时多选用真空表或压力真空表。当测量粘稠或酸碱等特殊介质的压力时，应选用不锈钢弹簧管、不锈钢机芯的压力表。当有定点报警要求时可选用电接点压力表。当有其它特殊要求时可选用远传压力表、压力圆图记录仪或其它仪表。2）对仪表输出信号的要求对于只需要观察压力变化的情况，应选用如弹簧管压力表那样的直接指示型的仪表；如需将压力信号远传到控制室或其他电动仪表，则可选用电气式压力检测仪表或其他具有电信号输出的仪表；如果要检测快速变化的压力信号，则可选用电气式压力检测仪表，较常用的是压阻式压力传感器。3）使用的环境对爆炸性较强的环境，在使用电气压力仪表时，应选择防爆型压力仪表；对于温度特别高或特别低的环境，应选择温度系数小的敏感元件以及相应的变换元件。2、测量量程的选择压力仪表的上限选择的合适与否，不仅关系到测量的准确度，同时也关系到压力仪表的使用寿命，所以在选择压力仪表的测量上限时，一般应留有一定的余地。按照《中华人民共和国国家计量检定规程》JJG52—99中规定，压力仪表的测量上限有以下系列：l×l0n、1．6×l0n、2．5×l0n、4×l0n、6×10nn是正整数、负整数或零。一般应根据生产过程中需测量压力值的高低来选择压力仪表的测量上限。•一般在被测压力较稳定的情况下，最大工作压力不应超过仪表满量程的2／3；•在被测压力波动较大或测脉动压力时，最大工作压力不应超过仪表满量程的1／2。•为了保证测量准确度．最小工作压力不应低于满量程的1／3。•当被测压力变化范围大，最大和最小工作压力可能不能同时满足上述要求时，选择仪表量程应首先要满足最大工作压力条件。3、准确度的选择：压力仪表准确度的选择是讲究科学性、合理性的，许多人