壓力和壓差測量

1、4.2壓力和壓差測量在化工生產和實驗過程中，操作壓力是非常重要的參數。例如在精儲、吸收 等化工單元操作中需要測量塔頂、塔釜的壓力，以便檢測塔的操作是否正常；泵 性能實驗中泵的進出口壓力的測量，對于了解泵的性能和安裝是否正確都是必不 可少的?；どa和實驗中測量的壓力范圍很廣， 要求的準確度各不相同，而且還常 常測量高溫、低溫、強腐蝕及易燃易爆介質的壓力。如果壓力不符合要求，不僅 會影響生產效率，降低產品質量，有時還會造成嚴重的生產事故。止匕外，壓力測 量的意義還不局限于它自身，有些其他參數的測量，如物位、流量等往往是通過 測量壓力或壓差來進行的，即測出了壓力或壓差，便可以確定物位或流量。壓力測

2、量儀表很多，按照其轉換原理的不同可分為液柱式壓力計、彈性式壓 力計、電氣式壓力計等。下面分類介紹各種常用測量儀表及方法。液柱式壓力計液柱式壓力計是根據流體靜力學原理，將被測壓力轉換成液柱高度進行測量 的。即可用于測量流體的壓力，又可用于測量流體管道兩點間的壓力差。按其結 構形式的不同，有U型管壓力計、倒U型管壓力計、單管壓力計、斜管壓力計、 微差壓力計等，具體結構及特性見表 4.2-1 o這類壓力計結構簡單，使用方便，但其精度受工作液的毛細管作用、 密度及 視差等因素的影響，測量范圍較窄，一般用來測量較低壓力、真空度或壓力差。彈性式壓力計彈性式壓力計是利用各種形式的彈性元件， 在被測介質壓力的

3、作用下，使彈 性元件受壓后產生彈性變形的原理而制成的測壓儀表。這種儀表具有結構簡單、 使用可靠、讀數清晰、牢固可靠、價格低廉、測量范圍寬以及有足夠的精度等優(yōu) 點。若增加附加裝置，如記錄機構、電氣變換裝置、控制元件等，則可以實現(xiàn)壓 力的記錄、遠傳、信號報警、自動控制等，彈性式壓力計可以用來測量幾百帕到 數千兆帕范圍內的壓力，因此在工業(yè)上是應用最為廣泛的一種測壓儀表。彈性元件是一種簡易可靠的測壓敏感元件。它不僅是彈性式壓力計的測壓元 件，也經常用來作為氣動單元組合儀表的基本組成元件。彈性式壓力計中常用的 彈性元件有彈簧管、膜片、膜盒、波紋管等，結構如圖 1所示，其中波紋膜片和 波紋管多用于微壓和低

4、壓測量，單圈和多圈彈簧管可用于高，中，低壓直到真空 度的測量。（a）單圈彈簧管（b）多圈彈簧管（c） 膜片(d)膜盒 （e） 波紋空 心金屬管子。管子的自由端B封閉，管子的另一端固定在接頭9上。當通圖1彈性元件示意圖彈簧管壓力表的測量范圍極廣，品種規(guī)格繁多，按其所使用的測壓元件不同， 可有單圈彈簧管壓力表與多圈彈簧管壓力表。按其用途不同，除普通彈簧管壓力 表外，還有耐腐蝕的氨用壓力表，禁油的氧氣壓力表等。圖2彈簧管式壓力計示意圖1 一彈簧管；2拉桿；3一扇形齒輪；4 一中心齒輪；5指針；6一分度盤；7游絲；8一調整螺釘；9一接頭彈簧管式壓力計主要有彈簧管齒 輪傳動機構，示數裝置（指針和分度 盤

5、）以及外殼等幾部分組成，其結構 如圖2所示。弓M簧管1是壓力表的測 量元件。圖中所示為單圈彈簧管，它 是一根彎成270。圓弧的橢圓截面的入被測白壓力p后，由于橢圓形截面在壓力p的作用下，將趨于圓形，而彎成圓 弧形的彈簧管也隨之產生向外挺直的擴張變形。由于變形，使彈簧管的自由端 B 產生位移，輸入壓力p越大，產生的變形也越大。由于輸入壓力與彈簧管自由端B的位移成正比，所以只要測得 B點的位移量，就能反映壓力p的大小，這就是 彈簧管壓力表的基本測量原理。4.2.3 電氣式壓力計電氣式壓力計是一種能將壓力轉換成電信號進行傳輸及顯示的儀表。它一般由壓力傳感器，測量電路和信號處理裝置所組成。常用的信號處

6、理裝置有指示儀， 記錄儀以及控制器，微處理機等。壓力傳感器的作用是把壓力信號檢測出來， 并 轉換成電信號進行輸出，當輸出的電信號能夠被進一步變換為標準信號時，壓力傳感器又稱為壓力變送器。常用的有霍爾片式、應變片式、壓阻式壓力傳感器和 力平衡式、電容式壓力變送器等。（1）霍爾片式壓力傳感器霍爾片式壓力傳感器是根據霍爾效應制成，即利用霍爾元件將壓力所引起 的彈性元件的位移轉換成霍爾電勢，從而實現(xiàn)壓力的測量?；魻柶瑸橐话雽w（如錯）材料制成的薄片。如圖 3所示，在霍爾片的Z 軸方向加一磁感應強度為B的恒定磁場，在Y軸方向加一外電場（接近直流穩(wěn)壓 電源），便有恒定電流沿Y軸方向通過。電子在霍爾片中運動

7、（電子逆 Y軸方向 運動）時，由于受電磁力的作用，而使電子的運動軌道發(fā)生偏移，造成霍爾片的 一個端面上有電子積累，另一個端面上正電荷過剩，于是在霍爾片的X軸方向上 出現(xiàn)電位差，這一電位差稱為霍爾電勢，這樣一種物理現(xiàn)象就稱為“霍爾效應”。 霍爾電勢的大小與半導體材料、所通過的電流（一般稱為控制電流）、磁感應強 度以及霍爾片的幾何尺寸等因素有關，可用下式表示：Uh =RhBI式中Uh -霍爾電勢；Rh-霍爾常數，與霍爾片材料、幾何形狀有關；B-磁感應強度；I -通過電流。由上式可知，霍爾電勢與磁感應強度和電流成正比，隨它們的增大而增大。但兩者都有一定的限度，一般I為320mA,B約為幾千高斯，所得

8、的霍爾電勢Uh 約為幾十毫伏數量級。將霍爾元件與彈簧管配合，就組成了霍爾片式彈簧管壓力傳感器，如圖4所示。被測壓力由彈簧管1的固定端引入，彈簧管的自由端與霍爾片 3相連接, 在霍爾片的上下方垂直安放兩對磁極，使霍爾片處于兩對磁極形成的非均勻磁場 中，霍爾片的四個端面引出四根導線，其中與磁鋼2相平行的兩根導線和直流穩(wěn) 壓電源相連接，另兩根導線用來輸出信號。當被測壓力引入后，在被測壓力作用 下，彈簧管自由端產生位移，因而改變霍爾片在非均勻磁場中的位置， 使產生的 霍爾電勢與被測壓力成比例，利用這一電勢即可實現(xiàn)遠距離顯示和自動控制。圖3霍爾效應圖4霍爾片式壓力傳感器1 彈簧管；2磁鋼；3霍爾片(2)

9、應變片式壓力傳感器應變片式壓力傳感器是利用電阻應變原理構成的。電阻應變片有金屬應變片(金屬絲或金屬箔)和半導體應變片兩類。被測壓力使應變片產生應變。當應變 片產生壓縮應變時，其阻值減??；當應變片產生拉伸應變時，其阻值增加。應變 片阻值的變化，再通過橋式電路獲得相應的毫伏級電勢輸出， 并用毫伏計或其他 記錄儀表顯示出被測，從而組成應變式壓力計。圖5是一種應變式壓力傳感器的原理圖。應變筒1的上端與外殼2固定在一 起，下端與不銹鋼密封膜片3緊密接觸，應變片r、i沿應變筒軸向貼放，r2沿徑 向貼放。當被測壓力p作用于膜片而使應變筒因軸向受壓變形時， 沿軸向貼放的 應變片ri也將產生軸向壓縮應變 為。于

10、是ri的阻值變??；而沿徑向貼放的應變片2,由于本身受到橫向壓縮將引起縱向拉伸應變 君2。于是2阻值變大。但由于$比島小，所以實際上ri的減少量要比r2的增加量大。然后通過橋式電路獲得 相應的電勢輸出，并用毫伏計或其他記錄儀表顯示出被側壓力。出僖號。值壓直斑6)測量楞路圖5應變片壓力傳感器測量示意圖1應變筒；2外殼；3不銹鋼密封膜片(3)電容式壓力變送器電容式差壓變送器采用差動電容作為檢測元件， 無杠桿機構。整個變送器無 機械傳動、調整裝置，結構簡單，具有高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性和高抗振性。 電容式壓力變送器是先將壓力的變化轉換為電容量的變化，然后進行測量的。圖6是電容式差壓變送器的原理圖，將

11、左右對稱的不銹鋼底座的外側加工成 環(huán)狀波紋溝槽，并焊上波紋隔離膜片?；鶅葌扔胁Ａ樱筒Ａ又虚g有 孔道相通。玻璃層內表面磨成凹球面，球面上渡有金屬膜，此金屬膜層有導線通 往外部，構成電容的左右固定極板。在兩個固定極板之間是彈性材料制成的測量 膜片，作為電容的中央動極板，在測量膜片兩側的空腔中充滿硅油。 當被測壓力Pi和P2分別加于左右兩側的隔離膜片時，通過硅油將差壓傳遞到測量膜片上，使其向壓力小的一側彎曲變形，引起中央動極板與兩邊固定電極間的距離發(fā)生變化，因而兩電極的電容量不再相等，而是一個增大另一個減小。電容的變化量通 過引線傳至測量電路，通過測量電路的檢測和放大，輸出一個420mA

12、ft流電流 信號電容式差壓變送器的結構可以有效 地保護測量膜片，當差壓過大并超過允 許測量范圍時，測量膜片將平滑地貼靠 在玻璃凹球面上，因此不易損壞，過載 后的恢復特性很好，大大提高了過載承 受能力。圖6電容式差壓變送器原理圖1 一隔離膜片；2, 7固定電極；3硅油；4 測量膜片；5玻璃層；6底座；8引線4.2.4壓力儀表的選用及安裝1、壓力儀表的選用正確的選用和安裝壓力儀表，直接影響測量結果的準確性和壓力計的使用壽 命。本著經濟合理的原則，進行種類、型號、量程、準確度等級的選擇。選擇時 主要考慮以下三個方面：(1)儀表類型的選用 儀表類型的選用必須滿足工藝生產的要求。例如是否需 要遠傳、自動

13、記錄或報警；被測介質的物理化學性能(諸如腐蝕性、溫度高低、 粘度大小、臟污程度、易燃易爆性能等)是否對測量儀表提出特殊要求；現(xiàn)場環(huán) 境條件對儀表類型是否有特殊要求等等。如果要求就地指示，一般選用彈性式壓力計即可。對常用的水、氣、油可采 用普通彈簧管式壓力計；特殊介質要選用專用壓力計，如氨用壓力計，彈簧管的 材料要選用碳鋼，不允許采用銅合金；在易燃易爆的危險場所，應選用防爆型壓 力計。如果要求信號遠傳，一般選用傳感式壓力計。(2)儀表測量范圍的確定 在測量壓力時，為了延長儀表的實用壽命，避免彈 性元件因受壓力過大而損壞，壓力計的上限值應該高于工藝生產中可能的最大壓 力值。在測量穩(wěn)定壓力時，最大的

14、工作壓力不應超過測量上限值的2/3;測量脈動壓力時，最大的工作壓力不應超過測量上限值的 1/2;測量高壓壓力時，最大 的工作壓力不應超過測量上限值的 3/5。為了保證測量值的準確度，所測得壓力 值不能太接近儀表的下限值，亦即儀表的量程不能選的太大，一般被測壓力的最 小值不低于儀表滿量程的1/3為宜。(3)儀表精度級的選取儀表精度是根據工藝生產上所允許的最大測量誤差來 確定的。一般來說，所選用的儀表越精密，則測量結果越精確、可靠。但不能認 為選用的儀表精密度越高越好，因為精密度越高的儀表，價格越貴，操作和維護 費事。因此，在滿足在滿足工藝要求的前提下，應盡可能選用精度較低、價格耐 用的儀表。2、

15、壓力儀表的安裝壓力計的正確安裝與否，直接影響到測量結果的準確性和壓力計的使用壽 命。安裝時注意以下幾點：(1)測壓點的選擇所選擇的測壓點應能反映被測壓力的真實大小。要選在被測介質直線流動的管線部分， 不要選在管路拐彎，分叉，死角或 其他易形成漩渦的地方。測量流動介質的壓力時，應使取壓點與流動方向垂直，取壓管內端面與生 產設備連接處的內壁應保持平起，不應有突出物和毛刺。測量液體壓力時，取壓點應在管道下部，使導壓管內不積存氣體，測量氣 體壓力時，取壓點應在管道上方，使導壓管內不積存液體。(2)導壓管的鋪設導壓管粗細要合適，一般內徑為 610mm長度應盡可能短，最長不得超 過50m以減少壓力指示的遲緩。導壓管水平安裝時應保證有1: 101:20的傾斜度，以利于積存于其中的 液體的排出當被測介質易冷凝或凍結時，必須加設保溫伴熱管線取壓口到壓力計之間應裝有切斷閥， 已