2壓力測量儀表

1、第二章 壓力測量 概述： 在化工生產(chǎn)中，工藝條件要求很不一樣，有的要求在高壓下進行， 如氫氣和氮氣、合成 氨氣的壓力為32MPa，高壓聚乙烯的壓力為 150MPa。壓力過高要發(fā)生嚴(yán)重事故，壓力過低 則產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量達不到指標(biāo)。有的產(chǎn)品則要在真空中進行，如液體燒堿要在幾十個 KPa 的真空下蒸發(fā)，真空度不夠，蒸發(fā)速度緩慢，生產(chǎn)效率變低，可見壓力測量對化工生產(chǎn)有一 定的重要性。 測量壓力的儀表常稱為壓力表或壓力計。測量真空度的儀表稱為真空表或負壓計。有 的壓力表既有壓力刻度標(biāo)尺，又有真空度刻度標(biāo)尺，稱為聯(lián)成計。 一、壓力的基本概念 壓力就是垂直作用在物體單位面積上的力，在物理學(xué)中稱為壓強。它由受

2、力的面積和垂 直作用力的大小決定，方向指向受壓物體，可用下式表示 P=F/S 或中P-壓力，帕（Pa） F-垂直作用力，牛（N） S-受力面積，米2（ m2） 二、壓力的單位及不同單位制的換算 壓力以及以后所述的流量測量中的計量單位，除了長度、質(zhì)量和時間三個基本單位外， 其它如壓力、力、密度、粘度等等均為導(dǎo)出單位。我國法定計量單位，以國際單位制為主， 又允許某些并用單位。過去工廠所用儀表多是工程單位制、絕對單位制，現(xiàn)在應(yīng)改為法定 單位，為便于改制的參考，在表2-1中列出不同單位制單位及相互換算關(guān)系。 在國際單位制中，壓力的單位是帕斯卡，簡稱帕（符號為Pa），這是一個導(dǎo)出單位， 定義為： 1帕=

3、1牛頓/米2 即1牛頓的力垂直均勻作用在1米2的面積上所形成的壓力值叫1帕，它的基本單位表 示如下： 2 2 2-1-2 1帕=1牛頓/米=1公斤*米*秒-/米=1公斤*米*秒 過去經(jīng)常用的壓力單位還有：物理大氣壓、工程大氣壓、毫米汞柱、毫米水柱等，在表 2中列出的是一些常見單位及定義。 各種壓力單位按照定義相換算，例如： 1工程大氣壓=1公斤力/厘米2=1公斤*9.80665米*秒-2/10-4米2=9.80665*10 4帕 表 2 1（化工測量儀表）P9 1 公斤力 /厘米 2(kgf/cm2) = 0.0981 MPa 1 毫米水柱(mmH 20) = 9.81 W-6 MPa 1 巴

4、(bar) = 0.1 MPa 1 毫米水銀柱(mmHg) = 1.333 X0-3 MPa 1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm) = 0.1013 MPa 1 英寸水柱(inH2O) = 2.49 10-4 MPa 223 1 磅/英寸(psi,lb/in ) = 6.89 10- MPa 1 英尺水柱(ftH2O) = 2.984 10- MPa 1 盎司/英寸 2(ozf/in 2) = 4.31 10-4 MPa 1 英寸汞柱(inHg) = 3.38610 3 MPa 、大氣壓力、表壓力、絕對壓力、負壓力（真空度） 在壓力測量中常有大氣壓力、表壓力、絕壓力、負壓力（真空度）之分。如下圖 圖2 1

5、（化工測量儀表）P9 絕對壓力是指介質(zhì)所受的實際壓力。 大氣壓力是指由于空氣柱的重力作用在底面積上所產(chǎn)生的壓力，我們所處的環(huán)境中，到 處都是大氣壓力的作用。 工程上所用的壓力指示值，多為表壓力，它是絕對壓力和大氣壓力之差。即為 p 表壓 =p 絕對壓 -p 大氣壓 大氣壓力即物理大氣壓，又稱標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，常以P0表示，符號為atm。一個標(biāo)準(zhǔn)大氣 壓等于 101325Pa。 表2 2（化工測量儀表）P10 表2 3（化工測量儀表）P10 由式（2-2）可知， 絕對壓力 =表壓與大氣壓之和， 過去工程上計算壓力時， 常以 kgf/cm2 為計算單位，常用表壓力加 1 表示被測壓力的絕對壓力。 當(dāng)被測

6、壓力低于大氣壓力時，則稱為負壓力和真空，它是大氣壓力與絕對壓力之差。 P負壓（真空度）常以表壓的負值來表示，如上述P負壓=81325Pa,則表壓為-81325Pa。 過去工程上常用的 mmHg 或 mmH2O 來表示負壓，它們與法定單位的換算關(guān)系為： 1mmHg=133.3224Pa 常簡化為 133Pa。 由于各種工藝設(shè)備和測量儀表都處于大氣中， 所以工程上都用表壓或真空來表示壓力的 大小。用壓力表測量得到的壓力數(shù)值，實際上也都是表壓（或真空度），因此，以后所提到 的壓力，如無特別說明，均為表壓（或真空度） 。 兩個壓力相比較的差值為壓力差。 壓力差常稱為壓差或差壓，應(yīng)該指出的是P-是指較P

7、+為低的壓力，不一定是指負壓力。 四、壓力的測量與壓力計的選擇 壓力測量原理可分為液柱式、彈性式、電阻式、電容式、電感式和振頻式等等。壓力計 測量壓力范圍寬廣，可以從超真空如133*10-13Pa直到超大高壓280MPa。壓力計從結(jié)構(gòu)上 可分為實驗室型和工業(yè)應(yīng)用型。 壓力計的品種繁多， 因此根據(jù)被測壓力對象很好地選用壓力 計就顯得十分重要。 1 、就地壓力顯示 當(dāng)壓力在 2.6KPa 到 69MPa 時，可采用膜片式壓力表、波紋管壓力表和波登管壓力表， 如接近大氣壓的低壓測量時，可用膜片式壓力表或波紋管式壓力表， 2、遠距離壓力顯示 若需要進行遠距離壓力顯示時， 一般用氣動或電動壓力變送器，

8、也可用電氣壓力傳感器。 當(dāng)壓力范圍為 140280MPa 時，則應(yīng)采用高壓壓力傳感器。 當(dāng)高真空測量時可采用熱電真空 計。 3、多點壓力測量 進行多點壓力測量時，可采用多點巡回壓力檢測儀。 若被測壓力達到極限值需報警時，則應(yīng)選用附帶報警裝置的各類壓力計。 正確選擇壓力除上述幾點考慮以下幾點 （1）量程的選擇 根據(jù)被測壓力的大小確定儀表量程。 對于彈性式壓力表， 在測穩(wěn)定壓力時， 最大壓力值應(yīng)不超過滿量程的3/4；測波動壓力時，最大壓力值不超過滿量程的2/3。最低 測量壓力應(yīng)不低于全量程的 1/3。 （2）精度的選擇 根據(jù)生產(chǎn)允許的最大測量誤差， 以經(jīng)濟、實惠的原則確定儀表的精度選編。 一般工業(yè)

9、用壓力表 1.5或2.5級已足夠，科研或精密測量用 0.5級或 0.35級的精密壓力表或 標(biāo)準(zhǔn)壓力表。 （3） 使用環(huán)境信介質(zhì)性能的考慮環(huán)境條件惡劣，如高溫、腐蝕、潮濕、振動等，被測介 質(zhì)的性能，如溫度的高低、腐蝕性、易結(jié)晶、易燃、易爆等等，以此來確定壓力的種類和型 號。 （4） 壓力表外形尺寸的選擇現(xiàn)場就地指示的壓力表一般表面直徑為100mm，在標(biāo)準(zhǔn)較高 或照明條件差的場合用表面直徑為200250mm的，盤裝壓力表直徑為150mm，或用矩形壓 力表，常用彈性壓力表規(guī)格見表。 表21 13P176 （儀表工手冊） 包端管壓力表在測量運行中的常見故障及處理方法。 包裝管壓力表常見故障及處理方法見

10、表。 表 2 1 14P177 （儀表工手冊） 三、壓力傳感器 壓力傳感器是壓力檢測系統(tǒng)的重要組成部分。 由各種壓力敏感元件將被測壓力信號轉(zhuǎn)換 成容易測量的電信號作輸出，給顯示儀表顯示壓力值，或供控制和報警用。 壓力傳感器的種類很多，常用壓力傳感器的性能比較如表所示。 表 21 15P178 （儀表工手冊） 1、應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器是把壓力的變化轉(zhuǎn)化的電阻的變化來進行測量的， 應(yīng)變片是由金屬導(dǎo) 體或半導(dǎo)體制成的電阻體，其阻值隨壓力所產(chǎn)生的應(yīng)變而變化，對于金屬變化率為 R/R的 表達式為： R/R （ 1+2卩） 式中 卩材料的泊松系數(shù) 應(yīng)變量 圖 219P178 （儀表工手冊）

11、在圖中應(yīng)變筒中的上端與外殼 2固定在一起， 下邊與密封膜片 3 緊密接觸， 兩片康銅絲應(yīng)變 片 R1 和 R2 用特殊膠合劑粘貼在應(yīng)變筒的外壁上， R1 沿應(yīng)變筒的軸向粘貼作為測量片， R2 沿應(yīng)變筒的徑向粘貼作為溫度補償片， 必須注意， 應(yīng)變片和筒體之間不能產(chǎn)生相對滑動， 并 且要保持電絕緣，當(dāng)測量壓力 P 作用于膜片而合應(yīng)變筒作軸向受壓變形時，沿軸向貼置的 應(yīng)變片 R1 也將產(chǎn)生軸向貼放壓縮應(yīng)變，于是 R1 的阻值變?。欢貜较虍a(chǎn)生向貼放的應(yīng)變 片R2，由于應(yīng)變筒的徑向產(chǎn)生了拉伸變形，也將產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，于是R2的阻值變大。 應(yīng)變片R1、R2與另兩個固定電阻 R3、R4組成一個橋式電路， 由

12、于R1和R2的阻值變化使 橋路失去平衡，從而獲得不平衡電壓作為傳感器的輸出信號，本傳感器橋器的電源為10V （直流最大的輸出為 5mV 直流信號，再經(jīng)前置放大成為電動單元組合儀表的輸入信號。 BPR-2 型壓力傳感器有 01 MPa 、 01 0MPa 、 030MPa 等多種量程可供選用，選擇時測量上 限一般不超過儀表量程的80%為宜，本傳感器主要適用于變化快的壓力測量，其非線性及 滯后誤差小于 1% 2、壓電式壓力傳感器 壓電式壓力傳感器的原理是基于某些晶體材料的壓電效應(yīng)，目前廣泛使用的壓電材料有 石英和鈦酸鋇等， 當(dāng)這些晶體受壓力作用發(fā)生機械變形時， 在其相對的兩個側(cè)面上產(chǎn)生異性 電荷，

13、這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)” 。 晶體上所產(chǎn)生的電荷的大小與外部施加的壓力成正比，即： q=np 式中 q壓電量（電荷數(shù)） n壓電常數(shù) p外部施加的壓力 這種壓力傳感器的特點是： 體積小， 結(jié)構(gòu)簡單， 不需要外加電源， 靈敏度和響應(yīng)頻率高， 適用與動態(tài)壓力的測量， 廣泛地應(yīng)用于空氣動力學(xué)、 爆炸力學(xué)、 發(fā)動機內(nèi)部燃燒壓力的測量 等等。其測量范圍可從 0700Pa到070MPa，精確度可達 0.1%。 圖 2 110P179（儀表工手冊） 壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。 圖中， 由受壓薄壁筒給出預(yù)載力， 并將一繞性材料制成 非常薄的膜片進行密封。 預(yù)載筒外的空腔可以連接冷卻系統(tǒng)， 以保證傳感器工作在環(huán)

14、境溫度 一定的條件下，這樣就避免了因溫度變化所造成的預(yù)載力變化而引起測量誤差。 3、光導(dǎo)纖維壓力傳感器 光導(dǎo)纖維壓力傳感器與傳統(tǒng)的壓力傳感器相比， 有其獨特的特點： 利用光波傳導(dǎo)壓力信 息，不受電磁干擾，電器絕緣好，乃腐蝕，無點火花，可以在高壓、易燃易爆的環(huán)境中測量 壓力、流量、液位等。它靈敏度高，體積小，可繞性好，可插入狹窄的空間中進行測量，因 此而得到重視，并且得到迅速發(fā)展。 如圖所示為 Y 型光導(dǎo)纖維壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。它由金屬膜片環(huán)、 Y 型光導(dǎo)纖維、 光源、光接受器及支架等組成。膜片與Y型光導(dǎo)纖維端面間距離約為0.1mm。這種傳感器 能測 035MPa 動態(tài)壓力，也可測量低壓，輸出

15、壓力較大。 圖 2111P179 （儀表工手冊） 當(dāng)被測壓力作用于膜片杯時，膜片發(fā)生位移，從而改變了光導(dǎo)纖維與膜片之間的距離， 使光導(dǎo)纖維接受到反射光量變化， 這光量由光電元件接受器接受， 并且轉(zhuǎn)換成電量， 經(jīng)放大 器放大后，顯示被側(cè)壓力值。 傳感器要求光源穩(wěn)定，否則要采取補償措施，以消除光源波動對測量結(jié)果的影響。 四、壓力變送器 需要在控制室內(nèi)顯示壓力的儀表， 一般選用壓力變送器或壓力傳感器。 對于爆炸危險場 所，常選用氣動壓力變送器、防爆型電動n型或川型壓力變送器；對于微壓力的測量， 可采 用微差壓變送器；對粘稠、易堵、易結(jié)晶和腐蝕強的測量介質(zhì)，宜選用帶法蘭的膜片式壓力 變送器，在大氣腐蝕

16、場所及強腐蝕性等介質(zhì)測量中，還可選用1151 系列或 820系列壓力變 壓力變送器主要技術(shù)性能見表 2-1-16。 表2116P180 （儀表工手冊） QBY 氣動壓變是 QDZ 系列氣動單元組合儀表中的一個品種， 它用測量生產(chǎn)過程中各種 液體、 蒸汽以及氣體的壓力、負壓和絕對壓力。氣體壓力變送器的結(jié)構(gòu)除了測量部分外，轉(zhuǎn) 換部分與氣動差壓變送器相同。 壓力變送器測量部分的測壓敏感元件所產(chǎn)生的測量力的大小范圍約為50100N ,最高不 超過150N。根據(jù)這一要求，敏感元件的選擇依據(jù)由測壓范圍而定。測量02.5MPa低壓的 敏感元件一般是用黃銅或不銹鋼制成的波紋管， 其結(jié)構(gòu)原理如圖所示。 當(dāng)被測壓

17、力 p 進入測 量室后，經(jīng)測量波紋管轉(zhuǎn)換成測量力，通過推桿作用在主杠桿上，傳遞到氣動轉(zhuǎn)換部分。測 量中，高壓的敏感元件一般采用鉻鋼制成的包端管， 它的測量原理是利用包端管末端產(chǎn)生的 徑向分力， 通過推桿 2作用在主杠桿 3的下端， 帶動變送器的氣動轉(zhuǎn)換部分動作。 圖 2-1-13 為中高壓變測量部分的結(jié)構(gòu)原理示意圖 圖 2112 P180 （儀表工手冊） 圖 2-1-14 為絕對壓變測量部分的結(jié)構(gòu)原理圖，主要有兩個不銹鋼波紋管組成。波紋 管1為測量波紋管， 波紋管 2為補償波紋管， 被抽成真空，兩個波紋管的有效面積相等。即 A1=A2。當(dāng)被測壓力P1進入測量波紋管1時，在被測壓力 P1與大氣壓

18、力P2的壓作用下, 測量波紋管產(chǎn)出一個推力： F1=P1A1-P2A2 由于補償波紋管已被抽成真空，所以它僅僅受到周圍大氣壓P2 的作用，它所產(chǎn)生的壓縮力 為： F2=P2A2 則作用在主杠桿 4 上的合力為 F=F1+F2=P1A1-P2A1+P2A2=P1A1 從上式知，測量力 F 與被測壓力 P1 成正比，而與大氣壓力 P2 無關(guān)，所以測得的壓力 為絕對壓力， 無論大氣壓力如何變化， 大氣壓力對波紋管 1 與對波紋管 2 作用所產(chǎn)生的力總 是相互抵消的，這就補償了由于大氣壓力變化而引起的測量誤差，它的測量范圍最小約為 1.4KPa，最大可達 插圖 2113 表 2117 220KPa。

19、2114 P181 P181 （儀表工手冊） 儀表工手冊） 壓力測量儀表復(fù)習(xí)題 1 、壓力表中彈簧管為什么要做成扁圓形的？ 壓力表中彈簧管都是由一根彎成270圓弧狀、截面呈橢圓形的空心金屬管制成。因為 橢圓形截面在介質(zhì)壓力下， 將趨向圓形， 使彎成圓弧形的彈簧管隨之產(chǎn)生向外挺直擴張的形 變，使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移， 并且其自由端位移和被測壓力之間在某范圍內(nèi)有一定的線 性對應(yīng)關(guān)系。因此， 彈簧管自由端的位移量， 通過適當(dāng)放大， 就能指示出被測介質(zhì)壓力的大 小。 2、彈簧壓力表校驗時常見的問題有那些？ （1 ）在全部刻度范圍內(nèi)壓力表的指示值和標(biāo)準(zhǔn)值不符，過大或過小。 （2）在全部刻度范圍內(nèi)，壓力

20、表的指示值前面偏大，后面偏??；或者后面偏大，前面偏?。?（3）在校驗過程中，上升時指示值與標(biāo)準(zhǔn)值相符，下降時不符合，或者下降時符合而上升 時不符合，或者上升和下降時只有某些刻度上相符合； （4）在進行指示時表針有跳動現(xiàn)象。 上述問題產(chǎn)生的原因， 通常是由于傳動部件的磨損和摩擦， 各部件的配合位置不當(dāng)或游絲松 動不合適，以及彈簧管受到損壞或者發(fā)生永久性畸變等。 3、彈簧管壓力表是常見的最簡單的壓力測量儀表，當(dāng)它的指針脫落或松動后，你能正確安 裝指針嗎？ 彈簧管壓力表指針裝入中心輪軸的方法有兩種，即所謂校驗時安裝法和不校驗時安裝 法。校驗時安裝法用于刻度盤“ 0”刻度值處有樁頭（擋頭）的壓力表，而

21、不校驗時安裝法 用于刻度盤“ 0”刻度值處沒有樁頭（檔頭）的壓力表。 1 、校驗時安裝法： （1 ）將壓力表裝在壓力表校驗儀上； （ 2）給壓力表試壓到任一壓力數(shù)值，一般選取在刻度 盤 90處左右的壓力刻度數(shù)值，使壓力保持不變；（ 3）然后將指針安裝在等于這個壓力數(shù) 值的刻度盤上，并稍稍壓緊指針于中心輪軸上； （ 4）使壓力表校驗儀的壓力為零，這時，壓 力表指示應(yīng)為“ 0”刻度值。否則，說明壓力表有故障，需檢查調(diào)整；（ 5）用空心銃子和鐘 表錘子將指針輕輕敲牢在中心輪軸上。 2、不校驗時安裝法： （1 ）在壓力表未校驗時，把指針安裝于刻度盤的“0”值刻度處； （2）用空心銃子和鐘表錘 子將指針

22、輕輕敲牢在中心輪軸上。 4、有一塊01MPa的300分格標(biāo)準(zhǔn)壓力表，試問加到 100KPa時，指針應(yīng)指到哪格？ 使用300分格的標(biāo)準(zhǔn)表時要按檢定證書給出的數(shù)值使用。例如，對于這塊01MPa的標(biāo)準(zhǔn)壓 力表，檢定證書上壓力實際值是100KPa，儀表指示值為28.9格。因此，不能按一般習(xí)慣那 樣，加 100KPa 儀表指針就是指到 30 格。 5、有的壓力表表殼背面有個小圓孔，這是起什么作用的？ 當(dāng)壓力表用于測量氣體或有毒液體時，在它的表殼背面有個安全孔（上面用橡膠堵死）。這 樣，當(dāng)彈簧管或連接處滲漏、損壞時，表殼內(nèi)的壓力將安全閥頂開，避免殼體內(nèi)的壓力沖破 正面的玻璃而傷人。 6、如何檢查氧氣壓力表

23、內(nèi)有無油脂？ 在進行氧氣壓力表示值檢定時， 應(yīng)先檢查表內(nèi)有無油脂。 方法是， 先將純凈的溫水注入 彈簧管內(nèi)， 經(jīng)過搖蕩，再將水倒入盛有清水的器皿中。如水面上沒有彩色的油影，即可認為 沒有油脂。 7、精密壓力表就是標(biāo)準(zhǔn)壓力表嗎？它有什么特點？ 精密壓力表有以下幾個特點 （1）精度等級較高，一般有 0.6、0.4、0.25 級。 （2）儀表為非直讀式，即由等分的分格值換算成相應(yīng)的壓力值，一般有300 分格。 （3）有的分度盤帶鏡面，表蓋下端還設(shè)有調(diào)零裝置，零值位置內(nèi)外沒有指針限制釘。 （4）檢定條件嚴(yán)格，檢定時的環(huán)境溫度為20 2 C（ 0.25級）和20土 3C（ 0.4、0.6級）。 精密壓力

24、表可以做標(biāo)準(zhǔn)壓力表用，但并不等于標(biāo)準(zhǔn)壓力表。 8、有人在校驗壓力表時經(jīng)常用手輕敲表殼，這是允許的嗎？ 壓力表在校驗時不但允許輕敲表殼， 而且還是必須的。 但敲擊時指針變動量不得超過最 大允許誤差絕對值的 1/2，輕敲表殼和輕敲表殼后的示值與標(biāo)準(zhǔn)器示值之差均應(yīng)符合儀表精 度等級要求， 同一檢定點在升壓時輕敲后的讀數(shù)與降壓時輕敲后的讀數(shù)之差不應(yīng)超過最大允 許基本誤差的絕對值。 9、電接點壓力表在檢定時有些什么特殊要求？ 電接點壓力表在檢定時，除了檢查示值精度外，還需： （1）檢查壓力表的電源部分與外殼之間的絕緣電阻，一般不應(yīng)小于20 兆歐（工作電壓 500V） （2）應(yīng)檢定信號誤差。方法是將上限和

25、下限的信號接觸指針分別定于三個以上不同的檢 定點上（檢定點在測量范圍的20%80%間任選）。要求標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)與信號示值間 的誤差不超過最大允許基本誤差絕對值的 1.5 倍。 10、有人在校驗 1151AP 絕對壓力變送器時，發(fā)現(xiàn)只要通上電源，儀表就有 12mA 輸出。這 種現(xiàn)象是正常嗎？（如果儀表的測量范圍為50150kP 絕壓，當(dāng)時的大氣壓力為100Kp） 絕對壓力變送器測的是絕對壓力，該儀表的測量范圍為 50150kPa，也就是說輸入50KPa 絕壓時，儀表輸出4mA;輸入150kPa絕壓時，儀表輸出20mA.儀表在大氣壓力下，即輸入的是大 氣壓力 100kPa 時，儀表的輸出為 20-4/150-50*（100-50）+4=12mA 現(xiàn)儀表輸出正好為 12mA， 所以是正常的。 11 、壓力表在測量一般介質(zhì)時應(yīng)如何選擇 壓力表在測量一般介質(zhì)的選擇原擇是 1 、 壓力在 -400+40KPA 時，