压力测量及变送

第二章压力测量及变送基本概念弹性式压力计（就地指示）压力、差压变送器（远传）压力仪表的选用与校验小结基本概念返回从这一章开始介绍化工生产过程四大参数：压力、物位、流量、温度的测量仪表在石油、化工、炼油、储运过程中，经常会遇到压力的测量与控制，其中包括比大气压高很多的高压测量和比大气压低很多的真空度测量。例如，油田开采晚期的注水工艺的压力为十几个MPa，钻井的泥泵出口的压力在25MPa左右,高压聚乙烯工艺压力高达280MPa；而减压塔要低于大气压几百个mmHg（典型值为真空度93.1Kpa）。为了保证生产正常运行，很多场合还需要对压力进行控制。基本概念返回一、压力的定义AFP（2-1）国际单位:PaKPaMPa，其它单位在工程上仍有许多应用：巴、毫米水拄、毫米汞拄、标准大气压、工程大气压等。KPaPaPSIinbfMPaPacmkgf8949.69.6894)(/11.05.98066/122垂直而均匀地作用在单位面积上的力基本概念返回二、压力的几种表示方式图2-1不同压力表示方法的关系在实际压力测量时，常有绝压、表压、真空度（负压）之分。大气压:大气自重产生的压力绝压:以绝对真空作为它的基准真空度:低于大气压的压力大气绝表ppp（２－２）绝大气真ppp（２－３）当绝对压力大于大气压时，一般用表压表示；绝对压力小于大气压时，一般用真空度表示。基本概念返回三、压力的检测方法（一）根据转换原理不同，大致可以分为四大类：1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hh12211p1p2h2P0h1h211p200常用的压力表有U形管压力表、单管压力表、斜管压力表等。基本概念返回2弹性式压力计将被测压力转换成弹性元件变形的位移。常见的弹性式压力计元件有：弹簧管压力计、波纹管压力计、薄膜式压力计等。P弹簧管式弹性元件P膜片式弹性元件基本概念返回3电气式压力计将被测压力通过机械和电气元件转换成电量来进行压力测量的，如应变式、霍尔式、电容式、电感式、等。压力→电量(R.V.I.L)（1）弹性元件附加一些变换装置，使弹性元件自由端的位移量转换成相应的电信号，如电阻式、电感式、电容式、霍尔片式、应变式、振弦式等；（2）非弹性元件组成的快速测压元件，主要利用某些物体的某一物理性质与压力有关，如压电式、压阻式、压磁式等。基本概念返回4活塞式压力计根据帕斯卡定律和流体静力学力平衡原理，由专用砝码的重力作用在活塞有效面积上产生的压力与被测压力相平衡来测量压力的仪表。优点：测量范围宽（－0.1-2500MPa）；确度高（0.002%-0.2%)。缺点：工作液体容易发生泄漏；压力不能连续测量。主要应用：作为标准表用于检定压力仪表。基本概念返回（二）根据信号传输方式1.就地指示式：弹管压力表2.远传信号式：压力传感器、压力变送器第一节弹性式压力计工作原理：利用各种弹性元件受压后产生弹性变形(位移)测量压力。一、弹性元件常用弹性元件:弹簧管、膜片、膜盒、波纹管。材料:铍青铜、磷青铜、不锈钢、橡胶膜片等。返回第一节弹性式压力计仪表由测量系统、指示部分和表壳部分等组成。二、弹簧管压力计表壳部分——表盖、玻璃和罩壳等组成。测量系统——接头、弹簧管和齿轮传动机构等组成。指示部分——分度盘、指针组成。返回第一节弹性式压力计1.测量元件（弹簧管）结构：扁平、中空，截面为扁圆或椭圆形。一端固定(测量端)一端封闭(自由端),弧度270º。材料：一般为铜或铜合金。测量氨介质须用氨用压力表；测氧气时，不得沾有油脂或有机物。作用：感受压力信号，并转换为位移信号。原理：xP自由端截面椭圆趋于圆Pkx1k1—与弹簧管横截面几何形状(椭圆度、角度)、刚度等有关。返回第一节弹性式压力计结论：(1)若弹簧管横截面几何形状一定、刚度一定，则可据位移x变化测量压力P。(2)若弹簧管横截面几何形状一定、P一定，则(3)若弹簧管刚度一定、P一定，则弹簧管长度↑-→x↑，用于小量程（多圈弹簧管）弹簧管将被测压力转换成自由端位移x，但灵敏度低，需要对其进行放大。返回P↑→x↑刚度↑→x↓→量程↑截面几何形状改变-→x、量程改变第一节弹性式压力计2.齿轮传动放大机构(1)第一次放大(杠杆)转过的角度相等：xOBOALOBxOALθOAOBLx(2)第二次放大(中心齿轮)两齿轮啮合，走过弧长相等：θrOAθθrθOAL''实现转角的放大(弧长不变)。θθ'OAr实现弧长的放大。返回第一节弹性式压力计(3)第三次放大（指针）转过的角度相等：LrRyrLRyθ'实现弧长的放大（转角不变）。rRLy结论：显示二次放大一次放大自由端位移指针中心齿轮扇形齿轮弹簧管yLxPKPPkkxkOBxOArROArRLrRy122弹簧管返回指针位移与压力成正比。第一节弹性式压力计讨论：(１)零点调整改变指针初始位置或表盘位置（标准表可调整表盘位置）。(２)量程调整可通过调整OB，改变B点位置实现。返回第一节弹性式压力计3.游丝克服因扇形齿轮和中心齿轮的间隙所产生的仪表变差。返回第一节弹性式压力计三、电接点压力表与相应的电气器件配用，可对被测压力系统实现自动控制和发信（报警）。工作原理：当指针上的动触点与设定指针的静触点接触时，控制系统的电路断开或接通，达到自动控制和发信的目的。返回第一节弹性式压力计四、常用压力表型号YX-电接点压力表YB-标准表YO-氧用压力表YY-乙炔压力表YA-氨用压力表返回第一节弹性式压力计优点：简单可靠；价格低廉；精度高，测量范围宽（-0.1～103MPa）；缺点：只能就地显示或报警。-0.1～0；-0.1～0.06、0.15MPa;0～1、1.6、2.5、4、6、10×10nkPa(n为正、负自然整数)国家规定的压力仪表测量范围：国家规定的精度等级：0.01、0.02、0.05、0.1、0.16、0.2、0.25、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5等。返回第二节压力、差压变送器一、变送器的作用将被测参数（P、L、T、F···）转换成标准统一信号（4～20mA、20～100kPa、0～10mA等）远传，供显示、记录、控制、运算、报警等。差压温度液位流量电流含水率…….压力工艺参数变送器显示记录控制现场控制室返回第二节压力、差压变送器二、变送器的输入输出关系输入：Xmin～Xmax变送器测量范围L=Xmax―Xmin变送器量程输出：Ymin～Ymax输出信号范围不同类型的变送器，其能源及输出的标准信号范围不同。输出信号能源气动变送器：20～100kPa140kPa70年代-80年代中电动变送器:电Ⅱ型0～10mA；220VAC80年代中-90年代初电Ⅲ型4～20mA24VDC90年代初---其他类型变送器的输入X和输出Y一般为线性关系。返回第二节压力、差压变送器例1：一电Ⅲ型压力变送器，测量范围2～10MPa，测得信号为12mA时，所测压力是多少MPa?当所测压力为7.6MPa时，输出为多少mA?)MPa()(X62210420412)mA(.)(.Io2154420210267变送器输出与测量值的换算：minminmaxminmaxminOOY)YY(XXXX)PI(Y或测量值与变送器输出的换算：minminmaxminmaxminX)XX(YYYYX各种输出与被测参数满足线性关系的变送器均可适用。返回第二节压力、差压变送器三、变送器的连线方式1.四线制现场控制室四线制变送器四根导线与变送器相连。两根为电源线，两根为信号线。电动Ⅱ电动Ⅲ电源：220VAC24VDC信号：0～10mA4～20mA2.二线制现场控制室二线制变送器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。电源：24VDC信号：4～20mA前者电缆成本高、故障率高。返回第二节压力、差压变送器四、电容式压力（差压）变送器1.测压部件由中心感压膜片(动电极)与正负压两侧弧形电极（固定电极）形成电容Ci1、Ci2。P1=P2时：021PPPPF170~150dεACC02i1i021dddCi1↓，Ci2↑感压膜片产生位移，实现由差压向电容的转换。测压部件结构图Ci2Ci1d2d1返回△P0时：第二节压力、差压变送器0d0dd测压部件等效电路图PKd1ddKCi021ddKCi022PdKddCCCCiiii0101212差动电容的相对变化值与被测差压成正比。2.传送部分任务是将转换成标准信号4～20mADC电流输出。1i2i1i2iCCCCK1—由电极面积与刚度决定的系数。返回第二节压力、差压变送器1151电容式差压变送器返回3051电容式差压变送器返回第二节压力、差压变送器第三节压力仪表的选用与校验1.测量范围的选择稳定压力：K=3/2脉动压力：K=2高压(10MPa)：K=5/3根据被测压力的最大、最小值求出仪表的上、下限。P=KP测P测—被测压力值国家规定的压力仪表测量范围：-0.1～0；-0.1～0.06、0.15MPa;0～1、1.6、2.5、4、6、10×10nkPa(n为正、负自然整数)即Pmax≥P，且P测min≥1/3（Pmin～Pmax）据计算值，在国家规定测量范围中选择≥P值，且满足被测压力最小值不应低于仪表测量范围的1/3。一、压力仪表的选用返回2.精度等级的选择国家规定的精度等级：0.01、0.02、0.05、0.1、0.16、0.2、0.25、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5等。根据工艺允许的最大绝对误差和选定的仪表量程，计算仪表qmax，在国家规定的精度等级中确定精度。3.仪表类型的选择所选精度等级加上“％”、“±”后应小于或至少等于工艺允许的仪表最大引用误差qmax。根据被测介质的性质、是否提出特殊要求、是否需信号远传以及现场环境条件等对仪表类型进行选择。第三节压力仪表的选用与校验q允≤qmax返回例2：需要就地测量某储罐的压力，被测介质的工作压力为6.0MPa，要求最大测量误差不能超过被测压力的±2%，仪表应如何选择？解：普通弹簧管压力表。①测量范围选择：因为测量的储罐压力变化应比较平稳，则MPaP9236②精度选择：根据题意，工艺所允许的最大绝对误差为MPa.%amax12062仪表要求最大引用误差为：%.%.%Laqmaxmax2110010120100仪表允许最大引用误差为：%.qqmax21允选择结果：普通弹簧管压力表，测量范围0～10MPa,精度1.0级。第三节压力仪表的选用与校验测量范围：0~10MPa精度应为：1.0级返回③选择类型：作为就地指示表，没有其它特殊要求。某测温仪表的测量范围为0～1000℃,据工艺要求温度测量误差不得超过±7℃,应如何选择仪表精度才能满足要求?0.7%100%010007qmax结论:q允≤qmax且q允≤hmaxq允≥qmax且q允≥hmax根据工艺要求选择仪表精度等级:去掉“±”与“％”号，此值介于0.5和1.0级之间，若选择等级1.0级的仪表，其允许误差为±1.0％，超过工艺允许的最大误差。仪表允许的最大引用误差应为:例3：根据仪表校验数据确定精度等级:故应选择0.5级精度。第三节压力仪表的选用与校验返回二、校验1.校验方法第三节压力仪表的选用与校验(1)将被校表的示值与标准压力比较。(2)将被校表与标准表示值在相同条件下进行比较。①标准表允许绝对误差应小于等于被校表允许绝对误差的1/3。标准仪表的选择原则：②要求标准表的测量上限应比被校表大一档。a标允≤（1/3）a被允返回3.校验方法第三节压力仪表的选用与校验平衡关系为PAWW0PAWW10()A—测量活塞截面积；W、W0—砝码和测量活塞(托盘)重量；P—被测压力。活塞式压力计2.校验仪器(