压力测试

压力测试引言压力是工业生产中的重要参数，在生产过程中，对液体、蒸气和气体压力的检测室保证工艺要求、设备和人身安全并使设备经济运行的必要条件。例如氢气和氮气合成氨气的压力为32MPa；精馏过程中精馏塔内的压力必须稳定，才能保证精馏效果；而石油加工中的减压蒸馏，则要在比大气压力低约93kPa的真空度下进行。如果压力不符合要求，不仅会影响生产效率、降低产品质量，有时还会造成严重的生产事故。所谓压力，就是指均匀而垂直地作用于单位面积上的力。其数学表达式为：(1)式中P——压力；F——均匀垂直作用力；A——受力面积。弹性式压力计弹性式压力计是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，通过测量该变形即可测得压力的大小。这种仪表结构简单，牢固可靠，价格低廉，测量范围宽(10-2~103MPa)，精度可达0.1级，若与适当的传感元件相配合，可将弹性变形所引起的位移量转换成电信号，便可实现压力的远传、记录、控制、报警等功能。因此在工业上是应用最为广泛的一种测压仪表。弹性元件弹性元件不仅是弹性式压力计感测元件，也经常用来作为气动仪表的基本组成元件，应用较广。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不同，常用的几种弹性元件的结构如图3所示。图3弹性元件示意图弹性元件大多采用铍青铜、磷青铜、不锈钢等材料制成，也有采用非金属材料(如橡胶模片)制作。弹簧管式弹性元件单圈弹簧管式弯成圆弧形的金属管，它的截面积做成扁圆形或椭圆形，如图3(a)所示，当通入压力后，它的自由端会产生位移。这种单圈弹簧管自由端位移量较小，测量压力较高，可测量高达1000MPa的压力。为了增加自由端的位移，可以制成多圈弹簧管，如图3(b)所示。薄膜式弹性元件薄膜式弹性元件根据其结构不同还可以分为膜片与膜盒等。它的测压范围较弹簧管式的要低。如图3(c)所示为膜片式弹性元件，它是由金属或非金属材料做成的具有弹性的一张膜片(平膜片或波纹膜片)，在压力作用向下能产生变形。有时也可以由两张金属膜片沿周口对焊起来，成一薄壁盒，内充液体(例如硅油)，称为膜盒，如图3(d)所示。波纹管式弹性元件波纹管式弹性元件是一个周围为波纹状的薄壁金属筒体，如图3(e)所示。这种弹性元件易于变形，而且位移很大，常用于微压与低压的测量或气动仪表的基本元件。弹簧管的测压原理弹簧管式压力表示工业生产上应用广泛的一种测压仪表，并以单圈弹簧管的应用为最多。单圈弹簧管是弯成圆弧形的空心管，如图4所示。它的截面积成扁圆或椭圆形，椭圆形的长轴a与图面垂直、与弹簧管中心轴O平行。A为弹簧管的固定端，即被测压力的输入端；B为弹簧管的自由端，即位移输出端；y为弹簧管中心角初始角；△y为中心角的变化量；R和r分别为弹簧管弯曲圆弧的外半径和内半径；a和b为弹簧管椭圆截面的长半轴和短半轴。图4弹簧管的测压原理作为压力-位移转换元件的弹簧管，当它的固定端通入被测压力后，由于椭圆形截面在压力p的作用下将趋向圆形，弯成圆弧形的弹簧管随之向外挺直扩张变形，由于变形其弹簧管的自由端由B移到B’，如图4虚线所示，输入压力p越大产生的变形也越大，由于输入压力与弹簧管自由端的位移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反映压力p的大小，这就是弹簧管压力表的基本测量原理。弹簧管压力表的结构图5弹簧管压力表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—调整螺钉；9—接头弹簧管压力表的结构原理如图5所示。被测压力由接头9通入后，弹簧管由椭圆形截面胀大趋于圆形，由于变形，使弹簧管的自由端B产生位移，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。放大过程为：自由端B的弹性变形位移通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针转动，于是指针通过同轴的中心齿轮4带动而顺时针偏转，从而在面板的刻度标尺上显示出被测压力p的数值。由于自由端的位移与被测压力间有正比关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是线性的。游丝7用来克服因扇形齿轮和中心齿轮的间隙所产生的仪表变差。改变调整螺钉8的位置(即改变机械转动的放大系数)，可以实现压力表一定范围量程的调整。弹簧管的材料，一般在p＜20MPa时采用磷铜，p＞20MPa时则采用不锈钢或合金钢。但是使用压力表时，必须注意被测介质的化学性质。例如：测量氧气时，应严禁沾有油脂或有机物，以确保安全。电接点压力表在工业生产过程中，常常需要把压力控制在一定范围内，即当压力超出规定范围时，会破坏正常工艺操作条件，甚至造成严重生产事故，因此希望在压力超限时，能及时采取一定措施。图6电接点压力表1、4—静触点；2—动触点；3—绿灯；5—红灯电接点压力表的结构如图6所示。它是在普通弹簧管压力表的基础上附加了两个静触点1和4，静触点的位置可根据要求的压力上、下限数值来设定。压力表指针2为一动触点，在动触点与静触点之间接入电源(220V交流或24V直流)。正常测量时，工作原理与弹簧管压力表相同，动、静触点并不闭合，不形成报警回路，无报警信号产生。当压力超过上限值时，动触点2与静触点4闭合，上限报警回路接通，红色信号灯亮(或蜂鸣器响)发出报警信号；当压力过低则触点2与触点1闭合，下限报警回路接通，绿色信号灯亮(或蜂鸣器响)。电接点压力表能简便地实现在压力超出给定范围时，及时发出报警信号，提醒操作人员注意，以便采取相应措施。另外还可通过中间继电器实现某种连锁控制，以防止严重事故发生。变送器的任务变送器的任务是把各种非电量的工艺参数(如压力、流量、温度、液位等)，变换成统一标准信号，然后根据系统的需要，传送到有关仪表进行控制、显示或记录。根据被测变量的不同，可分为压力变送器和差压变送器。变送器的输入输出关系图7变送器X—Y关系曲线如图7变送器X—Y关系曲线所示，我们可知：输入：Xmin~Xmax为变送器测量范围L=Xmax－Xmin为变送器的量程输出：Ymin~Ymax为输出信号范围输出信号为标准信号，不同类型的变送器输出范围不同。输入X和输出Y一般为线性关系。图8为几种变送器的输出信号范围。表8变送器的输出信号范围变送器输出与测量值的换算关系：/                  (4)div测量值与变送器输出的换算：/                  (5)div各种输出与被测参数满足线性关系的变送器均可适用。变送器的连线方式1.四线制四根导线与变送器相连，其中两根为电源线，两根为信号线。图9四线制变送器DDZ—ⅡDDZ—Ⅲ电源：220VAC24VDC信号：0~10mA4~20mA2.二线制两根导线与现场变送器相连，既是电源线又是信号线。电源与负载串联接入变送器。图10二线制变送器电源：24VDC信号：4~20mA变送器的任务力平衡式压力变送器压力变送器的作用是连续测量生产过程中各种液体、蒸汽和气体压力，并把这一压力成比例地转换成统一的标准信号，以实现压力的显示和控制。力平衡式压力变送器可分为测量表压的压力变送器和测量绝对压力的绝对压力变送器。测量部分力平衡式压力变送器测量部分的测压敏感元件根据所产生测量力的范围而定。常用的有下列几种：1.波纹管式波纹管是用来测量低压力(0~2.5MPa)的敏感元件，一般采用黄铜或不锈钢制成的波纹管，其结构原理如图11所示。当被测压力通入测量室时，波纹管产生一轴向推力，经测量波纹管转换成测量力，通过推杆作用在主杠杆上，传递到转换部分。图11波纹管式1—测量波纹管；2—测量室；3—推杆；4—螺帽；5—主杠杆；6—出轴膜片2.弹簧管式测量中、高压(2.5~10MPa、10~60MPa)的敏感元件一般采用铬钒钢制成的弹簧管，其测量部分的结构原理如图12所示。当被测压力p将进入弹簧管内时，弹簧管末端便产生一径向力，这个力经过推杆传递到转换部分的主杠杆上。图12弹簧管式1—弹簧管；2—推杆；3—主杠杆；4—出轴膜片；5—支架；6—螺帽；7—壳体3.双波纹管真空补偿式双波纹管真空补偿式，用来测量绝对压力，测量部分结构原理如图13所示。图13双波纹管式1—测量波纹管；2—补偿波纹管；3—推杆；4—主杠杆它是由安装在同一轴线上有效面积相同的两个不锈钢波纹管组成，波纹管1为测量波纹管，波纹管2为补偿波纹管，预先抽成真空，然后密封。其工作原理如下。两个波纹管的有效面积相同，即A1=A2，当被测的绝对压力p1进入测量波纹管时，在被测压力p1与大气压力p2的差压作用下，测量波纹管底部产生一个推力F1，其值为：(6)由于补偿波纹管内部已抽成真空，所以它仅仅受到周围大气压力p2的作用，在它的底部产生轴向压缩力F2=p2A2。因A1=A2，则作用在主杠杆4上的合理(即测量力)为：(7)从式(7)可以看出，测量力F与被测绝对压力p1成正比，而与大气压力无关，故测得的压力为绝对压力。不论大气压怎样变化，大气压力对两波纹管的作用，总是互相抵消的，这样补偿了由于大气压力变化而引起的测量误差。从以上原理可以看出，测量部分不论采用哪种敏感元件，都是将被测压力转换成相应的测量力F，其值与被测压力成正比，即(8)式中K是与敏感元件特性有关的一个系数。式(8)中的压力p，如果是某两个压力之差时，同样道理我们可以将差压转换成相应的测量力F，便可进行差压的测量。无论是对压力p或差压的测量，都应转换为测量力F的测量。工程上是用膜片互殴膜盒等作为敏感元件，利用膜片或膜盒等弹性元件把被测的压力或差压转换成立，根据力平衡原理进行测量力F的测量。转换部分无论是气动还是电动的力平衡式压力变送器，其转换部分结构原理均与差压变送器相同。对于电动压力变送器的转换原理请参见下面“力平衡式电动差压变送器”的内容。力平衡式电动差压变送器图14是力平衡电动差压变送器的结构原理图，采用了4~20mADC的信号制，可使电源及信号传递共用二根线，构成二线制变送器，同时24V直流电源供电提高了安全性。变送器量程调整方便，采用更换动圈抽头和改变矢量角的办法进行。由于采用了较先进的固定指点的矢量机构，提高了仪表的可靠性和稳定性。图14差压变送器结构示意图1—负压室；2—正压室；3—测量元件(膜盒、膜片)；4—轴封膜片；5—主杠杆；6—矢量机构；7—量程调整螺钉；8—检测片；9—差动变压器；10—副杠杆；11—放大器；12—反馈动圈；13—永久磁铁；14—电源；15—负载；16—调零弹簧图15DDZ—Ⅱ型差压变送器图16DDZ—Ⅲ型差压变送器工作原理差压变送器由两部分组成，下半部分为测量部分，上半部分为转换部分。前者包括测量室、测量元件(膜盒)、主杠杆，后者包括主杠杆、矢量机构、副杠杆、反馈机构、差动变压器、调零装置及放大器。差压变送器是根据力平衡原理工作的，这种结构式一个具有深度负反馈的有差系统。根据上述工作原理画出的变送器方框图如图17所示。下面分别介绍各组成部分的作用。图17变送器方框图弹性元件力矩平衡式变送器中的弹性元件是用来将被测压力或差压信号转换为集中力。根据被测压力或差压的不同范围可采用弹簧管、波纹管和金属膜盒等。当弹性元件的位移很小时，弹性元件的有效面积可以认为是常数。这时弹性元件对主杠杆下端的作用力F为：(9)式中K1—与弹性元件有关的系数杠杆系统和矢量机构杠杆系统用于力的传递和比较，其上作用力之间的关系根据力平衡原理可为：式中K2—系数，决定于F和F1到支点H的距离之比。矢量机构上的各个力之间的关系为：式中θ—矢量板上的矢量角；K3—系数，它决定于副杠杆上的作用力F2和F4到支点M的距离之比。电磁反馈机构电磁反馈机构由反馈动圈(固定在副杠杆上见图13)、永久磁钢组成，输出电流通过反馈动圈与磁钢发生作用，产生反馈力Ff。在磁场中动圈受力为：(10