項(xiàng)目三 壓力測(cè)量

1、項(xiàng)目二 壓力測(cè)量項(xiàng)目二 壓力測(cè)量任務(wù)十二 液柱式壓力計(jì)任務(wù)十三 彈性式壓力計(jì) 任務(wù)十 四 差壓變送器 測(cè)量原理任務(wù)十一 概述測(cè)量原理測(cè)量原理1 任務(wù)十一 概述一、壓力的概念 工程技術(shù)中，壓力的定義為垂直作用在物體單位面積上的力，在物理學(xué)上稱(chēng)之為壓強(qiáng)。 嚴(yán)格講工程上的壓力定義只是一種習(xí)慣用語(yǔ)，它指的實(shí)際上就是壓強(qiáng)，而俗稱(chēng)“壓力”罷了。 一般儀表顯示的壓力數(shù)值是被測(cè)壓力和大氣壓力的差值，用差值表示壓力有其實(shí)用價(jià)值。在火電廠測(cè)量氣體或液體壓力大多使用這種壓力表，這種壓力表測(cè)量顯示的壓力又稱(chēng)為表壓力（或指示壓力）。 絕對(duì)壓力：垂直作用在物體單位截面上的力。 相對(duì)壓力(也稱(chēng)表壓力)：絕對(duì)壓力-大氣壓力。

2、 表壓力為正時(shí)一般稱(chēng)為壓力，若表壓力為負(fù)稱(chēng)為負(fù)壓或真空. 在工業(yè)上經(jīng)常使用導(dǎo)管將兩個(gè)絕對(duì)壓力引入到一個(gè)儀表中進(jìn)行比較，壓力差也稱(chēng)為差壓。2二、壓力的量綱 壓力的量綱（單位）是力的單位除以面積單位，這和壓力定義“垂直作用在物體單位面積上的力”是一致的。在國(guó)際單位制和我國(guó)法定計(jì)量單位中，力的單位是牛頓（N）、面積的單位是平方米（m2），則壓力的單位是N/ m2，稱(chēng)為帕斯卡，簡(jiǎn)稱(chēng)“帕”，符號(hào)為“Pa”。 表3-1 實(shí)用壓力單位與Pa換算表壓力單位符號(hào)與Pa換算關(guān)系1工程大氣壓kgf/cm29.807*1041標(biāo)準(zhǔn)大氣壓atm1.013*1051毫米水柱mmH2O9.8061毫米汞柱mmHg1.33*

3、1023三、常用壓力測(cè)量方法測(cè)量壓力和真空的方法，按照信號(hào)轉(zhuǎn)換原理的不同，大致可分為以下幾種。1. 重力平衡方法（1） 液柱式壓力計(jì)?；谝后w靜力學(xué)原理。被測(cè)壓力與一定高度的工作液體產(chǎn)生的重力相平衡，可將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成為液柱高度差進(jìn)行測(cè)量。例如：U形管壓力計(jì)、單管壓力計(jì)、斜管壓力計(jì)等。（2） 負(fù)荷式壓力計(jì)?；谥亓ζ胶庠?。其主要型式為活塞式壓力計(jì)。2. 彈性力平衡方法此種方法利用彈性元件的彈性變形特性進(jìn)行測(cè)量。被測(cè)壓力使測(cè)壓彈性元件產(chǎn)生變形，因彈性變形而產(chǎn)生的彈性力與被測(cè)壓力相平衡，測(cè)量彈性元件的變形大小可知被測(cè)壓力。例如：彈簧管壓力計(jì)、波紋管壓力計(jì)及膜盒式壓力計(jì)等。3. 物理特性測(cè)量方法基

4、于在壓力的作用下，測(cè)壓元件的某些物理特性發(fā)生變化的原理。利用測(cè)壓元件的壓阻、壓電等特性或其他物理特性，可將被測(cè)壓力直接轉(zhuǎn)換成為各種電量來(lái)測(cè)量。例如：電容式變送器、擴(kuò)散硅式變送器等。4任務(wù)十二 液柱式壓力計(jì) 教學(xué)目標(biāo)：說(shuō)出液柱式壓力計(jì)的分類(lèi) ； 掌握液柱柱式壓力計(jì)的測(cè)壓原理。教學(xué)重點(diǎn)：液柱柱式壓力計(jì)的測(cè)壓原理。教學(xué)難點(diǎn)：液柱柱式壓力計(jì)的測(cè)壓原理。5一、U形管壓力計(jì)如果兩側(cè)壓力相等，既被測(cè)壓力等于大氣壓，則兩側(cè)水平面同高。作用此截面上的壓力由大氣壓和水柱形成壓力組成。大氣壓是個(gè)常數(shù)，而水柱壓力如何求??？液柱壓力測(cè)量原理根據(jù)流體靜力學(xué)原理可知，密度相同的同種液體中，同一水平面上的壓力相等。一般將此平

5、面稱(chēng)為等壓面。 6同種連通液體同一水平面上壓力相等。所以有：被測(cè)壓力=大氣壓+hg表壓力=被測(cè)壓力-大氣壓一般被測(cè)壓力指的都是表壓力，所以被測(cè)壓力= hg。由于水的高度能代表壓力（乘以常數(shù)），所以經(jīng)常將水柱高度作為壓力單位。該題被測(cè)壓力=h1+h2（mm水柱）7二、單管壓力計(jì)工作原理單管壓力計(jì)和U形管壓力計(jì)工作原理幾乎相同，不同的是單管壓力計(jì)將一個(gè)U型管變粗，使的另外一管液位變化時(shí)，另外一管液位幾乎不變，這只在一個(gè)管上讀數(shù)就可以了。單管液位讀數(shù)標(biāo)記。被測(cè)壓力的表達(dá)式為P1 =g (h1+h2）+ P2或 P1- P2 =g（h1+h2）由于h2非常小可忽略不計(jì)，上式可改寫(xiě)如下 P1- P2 =

6、gh1 若杯形一側(cè)的直徑為D，另一側(cè)為d，則 h2*(D/2)2= h1*(d/2) 2h2= h1 d 2/ D2則上式為P1- P2 =g h1（1+ d 2/ D2）則讀出h1便可求的表壓力。 8三、傾斜式微壓計(jì)在測(cè)量很小的壓力時(shí)，U形管和單管壓力計(jì)中的液柱高度變化較小，讀數(shù)的相對(duì)誤差和毛細(xì)管現(xiàn)象引起的誤差都很大，為了克服U形管和單管壓力計(jì)的上述缺陷，人們對(duì)單管壓力計(jì)進(jìn)行改造制成傾斜式微壓計(jì)。 在測(cè)量同樣壓力時(shí)，原本豎直上升的液位為h1，在斜管中的上升為L(zhǎng)，由于L是直角三角形的斜邊，L大于h1，相當(dāng)于將原來(lái)的讀數(shù)h1放大到L，是讀數(shù)更準(zhǔn)確。這一巧妙的變形可以有效提高靈敏度。 L斜管中的液

7、柱雖然長(zhǎng)度較長(zhǎng)，但其液位平面是和h1高度中的液位平面同在一個(gè)水平面上，所以壓力相等。傾斜式微壓計(jì)的傾角越小，顯示液柱長(zhǎng)度的相應(yīng)放大倍數(shù)就越大。傾斜式微壓計(jì)的測(cè)壓表達(dá)式為p1 p2=g（h1+h2）gLsin 讀數(shù)的放大倍數(shù)為讀數(shù)的放大倍數(shù) sin永遠(yuǎn)小于等于1，所以放大倍數(shù)是大于等于1。其傾角 越小sin數(shù)值就越小，對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)就越大。9任務(wù)十三 彈性式壓力計(jì) 彈性壓力計(jì)是根據(jù)彈性元件受到壓力作用后，所產(chǎn)生的變形與壓力大小具有一一對(duì)應(yīng)的確定關(guān)系的力平衡原理進(jìn)行壓力測(cè)量的。彈性元件相關(guān)概念 1.彈性元件 是指在受到外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，而撤去外力后能夠恢復(fù)原狀的元件。2.輸出特性 彈性元件在被測(cè)

8、壓力px(差壓)的作用下，產(chǎn)生彈性變形，同時(shí)它又力圖恢復(fù)原狀，產(chǎn)生反抗外力作用的彈性力F，當(dāng)彈性力與作用力平衡時(shí)，變形停止。彈性變形與作用力具有一定的關(guān)系，從而得知被測(cè)壓力的大小。變形位移X與彈性力F、被測(cè)壓力px有如下關(guān)系： F=f(px) 或 X=f(px) 以上兩式稱(chēng)之為彈性元件的輸出特性，簡(jiǎn)稱(chēng)輸出特性。 103.剛度和靈敏度 使彈性元件產(chǎn)生單位變形所需要的負(fù)荷壓力、力)稱(chēng)為彈性元件的剛度；反之，在單位負(fù)荷作用下所產(chǎn)生的變形(力、位移)稱(chēng)為彈性元件的靈敏度。4.彈性遲滯和彈性后效 給彈性元件施加壓力和減小壓力時(shí)，輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象，稱(chēng)為彈性元件的遲滯，簡(jiǎn)稱(chēng)彈性遲滯。 當(dāng)彈性元件加壓

9、和減壓到某一值時(shí)，彈性變形不能同時(shí)達(dá)到相應(yīng)穩(wěn)態(tài)值，而是要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后(有時(shí)多達(dá)幾分鐘，甚至幾天)才能達(dá)到相應(yīng)有的穩(wěn)態(tài)值，稱(chēng)為彈性后效，簡(jiǎn)稱(chēng)彈性后效。彈性遲滯和彈性后效在實(shí)際工作中是同時(shí)產(chǎn)生的。11一、彈簧管壓力計(jì) 彈簧管壓力表是一種應(yīng)用非常廣泛的壓力表，通常用于測(cè)量真空或0.11000Mpa的壓力。 彈簧管是壓力表中的敏感元件，它是一根彎成圓弧形或螺旋形的金屬管，管子截面是扁圓形或橢圓形的。 彈簧管的開(kāi)口固定在儀表的接頭座上，稱(chēng)為固定端，被測(cè)介質(zhì)由固定端引入彈簧管內(nèi)。彈簧管的另一端封閉，稱(chēng)為自由端，自由端與儀表的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連。當(dāng)彈簧管壓力表內(nèi)通入被測(cè)介質(zhì)時(shí)，彈簧管受壓變形，自由端位移，再

10、通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)壓力表的指針偏轉(zhuǎn)，指示被測(cè)介質(zhì)的壓力。12方形管受力變形原理示意圖 13橢圓形截面的彈簧管當(dāng)彈簧管中通入正壓時(shí)（大于大氣壓），彈簧管的截面是橢圓形的，和方形管變形相似，橢圓形截面有變成圓形的趨勢(shì)，即長(zhǎng)軸變短和短軸變成長(zhǎng)。 彈簧管在通入正壓時(shí)的變形是自由端外伸。同理可以理解當(dāng)通入的壓力是負(fù)壓時(shí),自由端會(huì)向內(nèi)移動(dòng)。彈簧管的中心角變化就代表外界壓力的變化。越大同樣壓力引起的中心角變化就越大,所以要提高測(cè)量的靈敏度可以使用多圈彈簧管壓力表；另外與b也成正方向變，即彈簧管越扁通入壓力后變形越明顯。14 單圈彈簧管壓力表是電廠中常見(jiàn)的一種壓力表，其機(jī)械傳動(dòng)有兩種形式，一種是杠桿傳動(dòng)。這

11、種彈簧管自由端的位移通過(guò)杠桿直接帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，指針的最大轉(zhuǎn)角為1800，通常為900。這種壓力表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗振性能好、適合于測(cè)量脈動(dòng)壓力，但受轉(zhuǎn)角偏小的限制靈敏度不高。 另一種是利用齒輪傳動(dòng)，。彈簧管的自由端通過(guò)拉桿4帶動(dòng)扇形齒輪5轉(zhuǎn)動(dòng)，扇形齒輪推動(dòng)和指針固定在一個(gè)軸上的小齒輪10轉(zhuǎn)動(dòng)，指針在標(biāo)尺上指示被測(cè)壓力。游絲6用來(lái)消除齒輪傳動(dòng)間隙引起的示值變差。這種壓力表不適用于測(cè)量波動(dòng)大的壓力。151617二、膜片式差壓計(jì)（差壓 變送器）1高壓切斷閥（紅色）2低壓切斷閥（黑色）3平衡閥（黑色）4高壓室5低壓室 6膜片 7非磁性不銹鋼連桿8磁性材料鐵心 9差動(dòng)變壓器初級(jí)線圈 10-差動(dòng)變壓器次級(jí)線圈

12、11非磁性材料密封套管12單向受壓時(shí)保護(hù)閥13單向受壓時(shí)的保護(hù)用密封環(huán)18這種差壓變送器主要是由一組閥門(mén)、測(cè)壓容室和差動(dòng)變壓器三部分組成。測(cè)壓容室用中間的波紋膜片將正負(fù)壓室隔開(kāi)，正負(fù)壓室和能產(chǎn)生壓差（如流量測(cè)量孔板兩側(cè)）的裝置連通，由于兩側(cè)壓強(qiáng)不同，作用在相同面積（波紋膜片的兩側(cè)面積）上的壓力就不同。正壓室產(chǎn)生的總壓力大于負(fù)壓室的總壓力，所以波紋彈性膜片變形向左移動(dòng)，帶動(dòng)磁性材料鐵心8也向左移動(dòng)，移動(dòng)的距離和壓差有關(guān)，壓差越大移動(dòng)的距離越大。移動(dòng)距離會(huì)改變差動(dòng)變壓器二次線圈的電壓，通過(guò)差動(dòng)變壓器將壓差轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，因此，膜片式壓力計(jì)是一種能產(chǎn)生電信號(hào)的儀表?？梢赃h(yuǎn)傳到控制室或其它參數(shù)集中處理的

13、地方。19三、膜盒微壓計(jì) 膜盒微壓計(jì)常用于火電廠鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)的風(fēng)、煙壓力測(cè)量及鍋爐爐膛負(fù)壓測(cè)量。儀表工作時(shí)，壓力信號(hào)由導(dǎo)壓管10將壓力引入到膜盒7內(nèi)，膜盒形狀是上下面積大而側(cè)面積小，上下受壓力大于側(cè)面壓力，所以扁形的膜盒有變圓的趨勢(shì)，當(dāng)膜盒下部側(cè)面固定不動(dòng)時(shí)，只能是上側(cè)面向上移動(dòng)。通過(guò)膜盒上的膜盒杠桿推動(dòng)7字型杠桿6繞支點(diǎn)5逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，又通過(guò)拉桿4和曲柄3帶動(dòng)指針8的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而進(jìn)行壓力指示。其中曲柄3和拉桿4是鉸接（接點(diǎn)可轉(zhuǎn)動(dòng)）。 20四、彈性壓力表的使用與安裝1.彈性壓力表的量程選擇 使用彈性壓力表測(cè)量壓力，首先要根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程提出的技術(shù)要求，合理地選擇壓力表的型號(hào)、量程和精度等級(jí)。我國(guó)的測(cè)壓

14、儀表標(biāo)尺上限的刻度值為1.010n、1.610n、2.510n、4.010n、6.310nMPa。 為了保證彈性元件在彈性形變的安全范圍內(nèi)工作，選擇壓力表量程時(shí)，要考慮被測(cè)測(cè)壓力的變化情況。 一般在被測(cè)壓力較穩(wěn)定的情況下，被測(cè)壓力的最大數(shù)值不應(yīng)超過(guò)儀表量程上限的2/3。若被測(cè)壓力波動(dòng)較大時(shí)，則被測(cè)壓力的最大數(shù)值應(yīng)不高于儀表量程上限的1/2。同時(shí)，為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確度，被測(cè)壓力的最小數(shù)值應(yīng)不低于儀表示值范圍的1/3。即被測(cè)壓力p應(yīng)滿(mǎn)足下列范圍：測(cè)量平穩(wěn)壓力 測(cè)量波動(dòng)壓力 212.彈性壓力表的精度等級(jí) 測(cè)壓儀表的精度等級(jí)是按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)系列化規(guī)定和儀表的質(zhì)量確定的。目前我國(guó)規(guī)定的精度等級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)儀表0.

15、05,0.1,0.16,0.2,0.25,0.35；工業(yè)儀表有0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等。實(shí)際選用時(shí)應(yīng)按被測(cè)參數(shù)的測(cè)量誤差要求和儀表的量程范圍來(lái)確定。22例已知某測(cè)點(diǎn)壓力約為100MPa，要求測(cè)量誤差不允許超過(guò)4Mpa，試確定測(cè)壓儀表的標(biāo)尺上限值和精度等級(jí)。解（1）若屬平穩(wěn)壓力，可得 MPa 此外 MPa根據(jù)以上計(jì)算范圍，選用標(biāo)尺上限系列值： 0160 MPa或0250 MPa（2）若屬波動(dòng)壓力，可得 MPa根據(jù)這個(gè)范圍，選用標(biāo)尺上限系列值： 0250 MPa233.彈性壓力表的安裝 為了保證壓力的準(zhǔn)確可靠和使用安全，必須正確安裝使用彈性壓力表，彈性壓力表安裝時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：a

16、.取壓點(diǎn)的選擇必須保證儀表所測(cè)的是流體的靜壓力，因此取壓點(diǎn)要選擇在其前后有足夠長(zhǎng)直管的地方。在安裝時(shí)，應(yīng)使壓力信號(hào)管的端面與管道或開(kāi)口的內(nèi)壁保持平齊，不應(yīng)有凸出物和毛刺。b.安裝地點(diǎn)應(yīng)力求避免振動(dòng)和高溫的影響。c.測(cè)量蒸汽壓力時(shí)，壓力表前應(yīng)加裝凝汽管，以防高溫蒸汽與彈性元件直接接觸，。對(duì)于有腐蝕性介質(zhì)的流體，在壓力表前應(yīng)加裝充有中性液體的隔離罐。d.取壓點(diǎn)與壓力表之間應(yīng)加裝切斷閥，以備檢修壓力表時(shí)使用。 2425任務(wù)十四 電容式1151壓力變送器 為了適應(yīng)集中檢測(cè)、熱工保護(hù)、自動(dòng)控制等熱工測(cè)量以及自動(dòng)化的需要，通常是在測(cè)點(diǎn)附近用壓力、差壓變送器或傳感器將流體的壓力、壓差變換成電信號(hào)，然后再用電

17、纜傳輸?shù)娇刂剖疫M(jìn)行集中顯示或自動(dòng)控制。 可見(jiàn)壓力、壓差變送器是壓力、壓差測(cè)量顯示的延伸和繼續(xù)。液柱式、彈性壓力表僅能將被測(cè)壓力就地顯示，變送器能提供電信號(hào)，因此能將壓力傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的控制室。 壓力、壓差變送器的種類(lèi)很多，下面介紹廣泛使用的電容式1151壓力、差壓變送器。1. 1151電容式壓力變送器的原理結(jié)構(gòu)26充滿(mǎn)油介質(zhì)和正負(fù)壓力極板連接的保護(hù)和傳遞壓力的密封腔體27正極板和中間極板之間也充滿(mǎn)了油介質(zhì),和中間極板一起構(gòu)成電容.負(fù)極板電容.28假設(shè)正極板和中間極板的相對(duì)面積為A,之間距離為l,則兩個(gè)極板形成的電容等于 29l-ll+l由上式可以看出測(cè)量了C2-C1就相當(dāng)于測(cè)量了測(cè)量膜片的位移l，

18、也就是測(cè)量了壓差。302.差壓位移轉(zhuǎn)換 當(dāng)高低壓室分別引入被測(cè)壓力P1、P2時(shí)，壓差P= P1-P2使測(cè)量膜片產(chǎn)生位移l，由材料力學(xué)可知，膜片受到壓力作用后，膜片中心位移與壓差成正比，即 l=K1P （3-9）3.位移電容轉(zhuǎn)換式3-8中電容C1、C2與位移l成非線性關(guān)系，取電容之差與電容之和之比，可得 （3-10）式中將式3-9代人得 （3-11）式3-11為變送器的差壓電容轉(zhuǎn)換關(guān)系式。 式3-11為變送器的差壓電容轉(zhuǎn)換關(guān)系式?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論： （1） 與p線性關(guān)系。（2） 與介質(zhì)的介電常數(shù)無(wú)關(guān)。31 4.差壓電流轉(zhuǎn)換原理由式3-11可以看出，如果設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)換電路，使得電路中的輸出電流I滿(mǎn)足

19、式3-12，便可將差壓成比例地轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。 （3-12）此電流I與差壓關(guān)系為 I=K1K2K3P 轉(zhuǎn)換電路原理框圖 32固定電壓的電源,稱(chēng)為充電回路,也完成測(cè)量輸出的任務(wù).1.測(cè)量線路原理33L2線圈左邊為正.L2線圈右邊為負(fù).由于在整個(gè)回路中C2電容容量很小,所以短時(shí)間內(nèi)充電結(jié)束,回路電流等于零.充電結(jié)果C2兩端電壓等于L2電源電壓.34L2線圈右邊為正.L2線圈左邊為負(fù).由于在整個(gè)回路中C1電容容量很小,所以短時(shí)間內(nèi)充電結(jié)束,回路電流等于零.充電結(jié)果C1兩端電壓等于L2電源電壓.35L2線圈左邊為正.L2線圈右邊為負(fù).放電回路主要任務(wù)就是在短時(shí)間內(nèi),對(duì)壓力變送器中電容C1放電,以備下次充電.36L2線圈右邊為正.L2線圈左邊為