第三章第二節(jié)壓力檢測及儀表

第二節(jié)壓力檢測及儀表

一、壓力單位及測壓儀表1.壓力:由氣體或液體均勻垂直地作用在單位面積上的力。公式為p—為壓力,F—為垂直作用力S—為受力面積單位:帕斯卡,簡稱帕(Pa),1帕為1牛頓每平方米(國際單位制SI)。

1Pa=1N/m21MPa=1X106Pa1物理大氣壓(1atm)=1.0133X105Pa=760mmHg1工程大氣壓(1kgf/cm2)=9.807X104Pa=104mmH2O2.幾種壓力表示法（按取壓的標(biāo)準(zhǔn)不同）在壓力測量中,常有表壓、絕對壓力、負壓或真空度。其關(guān)系見下圖。表壓:是絕對壓力和大氣壓力之差,P表壓=P絕對壓力-P大氣壓力

負壓或真空度:是當(dāng)被測壓力低于大氣壓力時,大氣壓力和絕對壓力之差,P真空度=P大氣壓力-P絕對壓力絕對零壓線絕對壓力P絕大氣壓P0表壓P表真空度P真絕對壓力P絕3.壓力計的分類（按信號轉(zhuǎn)換原理不同）液柱式壓力計:根據(jù)流體靜力學(xué)原理,將被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度進行測量。結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,但精度低,測量范圍窄。彈性式壓力計:將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件變形的位移進行測量的。彈簧管壓力計。電氣式壓力計:通過機械和電氣元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成電量來測量的儀表。壓力變送器?；钊綁毫τ?根據(jù)水壓機傳送壓力原理,將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞上所加平衡砝碼的質(zhì)量來進行測量的。二、彈性式壓力計1.定義:利用各種形式的彈性元件,在被測介質(zhì)壓力的作用下,使彈性元件受壓后產(chǎn)生彈性變形的原理而制成的測壓儀表。2.特點:結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠、讀數(shù)清晰、牢固可靠、價格低廉、測量范圍寬、有足夠的精度、應(yīng)用廣泛。3.測量范圍:幾百帕到數(shù)千兆帕。4.彈性元件（根據(jù)測壓范圍的不同）(1).彈簧管式彈性元件(單圈和多圈的)是截面呈橢圓或扁圓型的中空金屬管,當(dāng)通入壓力p后,它的自由端就會產(chǎn)生位移。適合測高、中、低壓。(2).薄膜式彈性元件：(膜片a或膜盒b)由具有彈性的金屬或非金屬片構(gòu)成,在壓力作用下能產(chǎn)生變形。膜盒中內(nèi)充硅油。適合測中、低壓。(3).波紋管式彈性元件:有一端封閉,外部存在波紋的彈性金屬片構(gòu)成金屬筒體,是氣動單元組合儀表中不可缺少的部分。彈性元件易于變形,且位移很大。適合測微壓和低壓,在氣動壓力變送器上應(yīng)用較多。5.彈簧管壓力表應(yīng)用廣范,品種繁多?？煞謫稳投嗳?按用途分普通壓力表、耐腐蝕的氨用壓力表、禁油的氧氣壓力表。它們外形和結(jié)構(gòu)相同,只是所用材料不同。(1).結(jié)構(gòu)1—彈簧管;2—拉桿;3—扇形齒輪;5--指針;4—中心齒輪;6—面板;7—游絲;8—調(diào)節(jié)螺釘;9—接頭。(2).工作原理工作原理:彈簧管1是壓力表的測量元件。圖為單圈彈簧管,它是一根彎成270°圓弧的橢圓截面的空心金屬管。管子的自由端B封閉,管子的另一端固定在接頭9上。當(dāng)通入壓力P后,由于橢圓形截面在壓力的P作用下將趨于圓形,使彈簧管的自由端B產(chǎn)生位移,且與輸入壓力的大小成正比(具有線性刻度)。所以只要測得B點的位移量,就能反映壓力P的大小。放大過程:自由端B的位移通過拉桿2使扇形齒輪3作逆時針偏轉(zhuǎn),指針5通過同軸的中心齒輪4的帶動作順時針偏轉(zhuǎn),在面板6的刻度標(biāo)尺上顯示出被測壓力p的數(shù)值。由于自由端的位移與被測壓力的大小成正比,則刻度標(biāo)尺是線性的。游絲7用來克服因扇形齒輪與中心齒輪間的傳動間隙而產(chǎn)生的儀表變差。改變調(diào)節(jié)螺釘8的位置,可調(diào)整儀表的量程。(3).彈簧管材料的選擇當(dāng)P≥19.6MPa時,選用合金鋼或不銹鋼的材料。當(dāng)P<19.6MPa時,選用磷青銅或黃銅的材料,所測流體種類不同,所用彈簧管材料不同。(4).電接點信號壓力表是在普通彈簧管壓力表上帶有報警或控制觸點的壓力表。當(dāng)壓力偏離給定范圍時,及時發(fā)出信號,提醒操作人員注意或通過中間繼電器實現(xiàn)壓力控制。三、電氣式壓力計彈簧管壓力計的不足在于不能測量脈動、真空和超高壓力,而電氣壓力計可克服上述不足。1.定義:把壓力轉(zhuǎn)換為電信號進行傳輸及顯示的儀表。2.組成:壓力傳感器、測量電路和信號處理裝置。3.測量范圍:7×10-5Pa---5×102MPa,測量范圍廣。4.壓力傳感器作用:把壓力信號檢測出來,并轉(zhuǎn)換成電信號進行輸出。當(dāng)輸出的電信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號時,壓力傳感器稱為壓力變送器。標(biāo)準(zhǔn)信號:是指物理量的形式和數(shù)值范圍都符合國際標(biāo)準(zhǔn)的信號。如直流電流4-20mA(0-10mA),空氣壓力0.02-0.1MPa都為標(biāo)準(zhǔn)信號。5.壓力傳感器分類:霍爾片式、應(yīng)變片式、壓阻式壓力傳感器和力平衡式、電容式壓力變送器。(1).霍爾片式壓力傳感器依據(jù):根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的,即利用霍爾元件將由壓力所引起的彈性元件的位移轉(zhuǎn)換成霍爾電勢,實現(xiàn)壓力的測量。霍爾效應(yīng):霍爾片由半導(dǎo)體材料制成的薄片,如圖在Z軸方向上加恒定磁場B,在Y軸方向上加外電場(直流穩(wěn)壓電源),電子在霍爾片中運動(逆Y軸方向運動)時,由于受電磁力的作用,使電子運動軌道發(fā)生偏移,則一個端面有電子,另一個端面上正電荷過剩,在X軸方向上出現(xiàn)電位差,稱為霍爾電勢。這物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。Y(1).霍爾片式壓力傳感器霍爾電勢:UH=RHBIRH--霍爾常數(shù),與霍爾片材料、幾何形狀有關(guān)。導(dǎo)體也有霍爾效應(yīng),但霍爾電勢比半導(dǎo)體的霍爾電勢小得多。霍爾電勢與位移關(guān)系:根據(jù)UH=RHBI,若I為定值,在非均勻磁場中,霍爾元件所處位置不同,所受到的磁感應(yīng)強度就不同,可得到與位移成正比例的霍爾電勢,實現(xiàn)位移－電勢的線性轉(zhuǎn)換?；魻柶綁毫鞲衅鹘Y(jié)構(gòu):霍爾元件與彈簧管配合,組成霍爾片式壓力傳感器。Y(1).霍爾片式壓力傳感器工作原理：在被測壓力作用下,彈簧管自由端產(chǎn)生位移,則改變霍爾片在非均勻磁場中的位置,使所產(chǎn)生的霍爾電勢與被測壓力成比例。即:壓力→彈性位移→霍爾片移動→霍爾電勢。應(yīng)用:用于所測壓力不高、壓力波動小、信號需要遠傳的場合。(2).應(yīng)變片式壓力傳感器工作原理:利用電阻應(yīng)變原理構(gòu)成。有壓力作用時,應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變,表現(xiàn)為應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化,通過橋式電路轉(zhuǎn)換為毫伏級電勢輸出,從所測電壓的大小讀出所測的壓力。結(jié)構(gòu):1.應(yīng)變筒;2.外殼;3.密封膜片;4.輸出信號;5.恒壓直流;6.電源?？点~絲應(yīng)變片r1沿應(yīng)變筒軸向貼放,為測量片;r2沿徑向貼放,為溫度補償片。特點:速度快.動態(tài)性能好.非線性誤差小.滯后小.適合測高(25MPa)且脈動較大的壓力。變小變大546(3).壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)：

1.基座2.單晶硅片

3.導(dǎo)環(huán)

4.螺母5.密封墊圈

6.等效電阻(3).壓阻式壓力傳感器工作原理:利用單晶硅的壓阻效應(yīng)而構(gòu)成。采用單晶硅片為彈性元件,在單晶硅彈性膜片上用集成電路工藝,在單晶硅的特定方向上擴散一組等值電阻,并將電阻接成橋路,單晶硅片置于傳感器腔內(nèi)。當(dāng)壓力發(fā)生變化時,單晶硅產(chǎn)生應(yīng)變,使直接擴散在上面的應(yīng)變電阻產(chǎn)生與被測壓力成比例的變化,再由橋式電路獲得相應(yīng)的電壓輸出信號。儀表特點:精度高、工作可靠、頻率響應(yīng)高、遲滯小、尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單。適于在惡劣環(huán)境下使用,便于實現(xiàn)顯示數(shù)字化。稍作改變后可以用來測差壓、速度、高度、加速度等參數(shù)。(5).電容式壓力變送器結(jié)構(gòu):1.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。工作原理:先將壓力變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化,然后進行測量的。壓力作用在兩側(cè)的隔離膜片上,通過硅油將差壓傳遞到測量膜片上,使其向壓力小的一側(cè)彎曲變形,使兩電極的電容變化,電容的變化量通過引線傳至測量電路,P1P2儀表特點:

結(jié)構(gòu)簡單.過載能力強.精度高可達0.2級.工作可靠.體積小.重量輕.使用方便;可以用來測差壓和液位等參量。通過測量電路的檢測和放大,轉(zhuǎn)換成4~20mA的直流標(biāo)準(zhǔn)電信號進行輸出。四.智能型的壓力變送器結(jié)構(gòu):普通的壓力或差壓傳感器上增加微處理器電路即形成智能檢測儀表。特點:可進行遠程通信。利用手持通信器,可對1500m內(nèi)現(xiàn)場變送器進行各種運行參數(shù)的選擇和標(biāo)定;精度高,使用和維護方便。通過編制各種程序可實現(xiàn)自修正、自補償、自診斷及錯誤方式報警功能,便于實現(xiàn)人機對話。五、壓力計的選用及安裝1.壓力表的選用:根據(jù)工藝生產(chǎn)過程的要求,結(jié)合各方面的情況,加以全面考慮和具體的分析。(1).儀表類型的選用:必須滿足工藝生產(chǎn)的要求?？紤]被測介質(zhì)、現(xiàn)場條件和工藝要求。(2).確定儀表測量范圍及量程：測穩(wěn)定壓力時,Pmax≤2/3

P上限,即P上限≥3/2

Pmax;

測脈動壓力時,Pmax≤P上限/2

,即P上限≥2Pmax;

測高壓時,Pmax≤3/5

P上限,

P上限≥5/3

Pmax;

最小值,Pmin≥N/3,N≤3Pmin

。(3).選取儀表的精度根據(jù)生產(chǎn)上允許的最大測量誤差來確定儀表的精度等級,在滿足工業(yè)要求的情況下盡可能選用精度較低、價廉耐用的壓力表。K%<|δ現(xiàn)允|例:某臺往復(fù)式壓縮機的出口壓力范圍為25～28MPa,測量誤差不得大于1MPa。工藝上要求就地觀察,并能高低報警,試正確選用一臺壓力表,指出型號、精度與測量范圍。

解:由于是往復(fù)式壓縮機,則儀表的上限值為：Pmax≤P上限/2,P上限≥2Pmax＝2×28＝56MPa,根據(jù)就地觀察及高低報警,查表選電接點壓力表,測量范圍0～60MPa。下限值為:因Pmin≥N/3=60/3=20,則Pmin=25﹥20MPa,滿足要求。精度等級:因K%<|δ現(xiàn)允|,選1.5級?？芍?選1.5級,0～60MPa,YX-150A型電接點壓力表。2.壓力計的安裝壓力計的安裝正確與否,直接影響到測量的準(zhǔn)確性和壓力計的使用壽命,應(yīng)注意測壓點的選擇、導(dǎo)壓管的鋪設(shè)及壓力表的安裝。(1).測壓點的選擇：能反映被測壓力的真實大小。(a).要選在被測介質(zhì)直線流動的管道部分,不要選在管路拐彎、分叉、死角或其他易形成漩渦的地方。(b).測量流動介質(zhì)的壓力時,應(yīng)使取壓點與流動方向垂直,取壓管內(nèi)端面與生產(chǎn)設(shè)備連接處的內(nèi)壁應(yīng)保持齊平,不應(yīng)有凸出物或毛刺。(c).測量液體壓力時,取壓點應(yīng)在管道下部、使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存氣體;測量氣體壓力時,取壓點應(yīng)在管道上方,使管道內(nèi)不積存液體。

(2).導(dǎo)壓管的鋪設(shè)(a).導(dǎo)壓管的粗細要合適,一般內(nèi)徑為6~10mm,長度盡可能短,一般為3~50m,超過50m選用電遠傳壓力表。(b).導(dǎo)壓管水平安裝時,應(yīng)保證有傾斜度(1:10~1:20),以利于積存于其中的液體或氣體排出。(c).當(dāng)被測介質(zhì)易冷凝或凍結(jié)時,必須加保溫裝置。(d).取壓口到壓力表之間應(yīng)有切斷閥,以備檢修壓力計。切斷閥應(yīng)裝設(shè)在靠近取壓口的地方。(3).壓力表的安裝(a).安裝在易觀察和檢修的地方。(b).避免振動和高溫。(c).當(dāng)被測壓力較小,而壓力計與取壓口又不在同一高度時,對由此高度引起的測量誤差應(yīng)按△p=±Hρg進行修正。H為高度差,ρ為介質(zhì)密度,g為重力加速度。(3).壓力表的安裝(d).壓力表的連接處,應(yīng)選適當(dāng)?shù)牟牧?作為密封墊片,以防泄漏。(e).為了安全,測高壓的壓力表的外殼應(yīng)有通氣孔,安裝時外殼應(yīng)向墻壁或無人處。(f).針對被測介質(zhì)的不同性質(zhì),要采取相應(yīng)的防熱、防腐、防凍、防堵等措施。如測蒸汽壓力時,應(yīng)加裝凝液管,以防止高溫蒸汽直接與測壓元件接觸。如測有腐蝕性介質(zhì)壓力時,應(yīng)加裝有中性介質(zhì)的隔離罐,其中ρ2為被測介質(zhì)的密度,ρ1為隔離液的密度。壓力計安裝的特殊問題(4).力矩平衡式壓力變送器工作原理:是一種典型的自平衡檢測儀表,利用力矩平衡和負反饋的工作原理。結(jié)構(gòu):測量部分、杠桿系統(tǒng)、位移檢測放大器、波紋管反饋機構(gòu)(氣動壓力變送器)或電磁反饋機構(gòu)(電動壓力變送器)。特點:測量精度高、工作穩(wěn)定可靠、線性好、不靈敏區(qū)小等。DDZ-Ⅲ型電動力矩平衡壓力變送器直流電源24V,輸出4-20mA(DC),兩線制,安全防暴。1.測量膜片;2.軸封膜片;3.主杠桿;4.矢量機構(gòu);5.量程調(diào)整螺釘;6.連桿;7.副杠桿;8.檢測片;9.差動變壓器;10.反饋線圈11.放大器;12.調(diào)零彈簧;13.永久磁鋼;被測壓力p作用在測量膜片1上,則Fi=fp式中f為膜片的有效面積當(dāng)主杠桿3平衡時,則Fil1=F1l2F1=Fi×l1/l2式中l(wèi)1.l2