壓力檢測(cè)儀表及變送器

第一節(jié)壓力檢測(cè)儀表及變送器一、概述在化工、煉油等生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要對(duì)壓力和真空度進(jìn)行檢測(cè)和控制。根據(jù)生產(chǎn)過程的不同要求有的需要檢測(cè)比大氣壓力高很多的高壓，例如高壓聚乙烯要在150Mpa的壓力下進(jìn)行反應(yīng)。而有的生產(chǎn)過程卻需要檢測(cè)比大氣壓力低的真空度，例如煉油廠的減壓蒸餾則需要在一定的負(fù)壓下才能進(jìn)行正常操作。此外，通過檢測(cè)壓力還可以間接測(cè)量液位的高低、流量的大小等，也可以判斷設(shè)備的工作善。因此，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、確保生產(chǎn)安全順利地進(jìn)行，必須對(duì)壓力進(jìn)行檢測(cè)或按一定的要求對(duì)壓力進(jìn)行控制。所謂壓力p是指垂直而均勻地作用于單位面積上的力。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為p＝（3－15）式中p為壓力，F(xiàn)為垂直作用力，S為受力面積。在國際單位制（代號(hào)SI）和我國法定計(jì)量單位中規(guī)定，壓力的單位是帕斯卡，簡稱帕，符號(hào)Pa，它表示每平方米的表面上垂直作用1牛頓的力，即1Pa＝1N/m2。由于帕的單位太小，因此，工程上還常用千帕（kPa）和兆帕（MPa）壓力單位，它們之間的關(guān)系為：1Mpa＝1×103kPa＝1×106Pa工程上習(xí)慣用的壓力單位還有工程大氣壓（kgf/cm2）、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）、毫米水柱（mmH2O）、毫米汞柱（mmHg）等，按照有關(guān)規(guī)定，這些單位已不再使用，但為了解這些單位與國際單位制中壓力單位的關(guān)系，列出表3－5供參考。表3－5各種壓力單位換算表單位名稱帕（斯卡）PPa千克力每平方厘米（工程大氣壓）kgf/cm2毫米汞柱mmHg毫米水柱mmH2O標(biāo)準(zhǔn)大氣壓atm巴bar1Pa（帕）10.0197×10-50.75×10-21.0197×10-10.987×10-51×10－51kgf/cm2(1千克力每平方厘米)0.9807×10610.73556×1031040.96780.98071mmHg（1毫米汞柱）1.332×1021.3595×10-311.3595×101.316×10-31.332×10－31mmH2O（1毫米水柱）0.9807×1010-40.731556×10-110.9678×10-40.9807×10－41atm（1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）1.01325×1051.03327601.0332×10411.013251bar（1巴）1×1051.01970.75×1031.0197×1040.98691壓力檢測(cè)中，常用絕對(duì)壓力、大氣壓力、表壓（力）、負(fù)壓（力）或真空度等概念，它們各自的意義及相互之間的關(guān)系為絕對(duì)壓力p絕：是指物體上所受的實(shí)際壓力（包含大氣壓力）。大氣壓力p大：是空氣柱形成的壓力。表壓p表：是指高于大氣壓力的絕對(duì)壓力與大氣壓力之差，即p表＝p絕－p大負(fù)壓p負(fù)：是指大氣壓力與低于大氣壓力的絕對(duì)壓力之差，即p負(fù)＝p大－p絕絕對(duì)壓力、表壓、負(fù)壓和大氣壓力的關(guān)系如圖3－21所示。檢測(cè)絕對(duì)壓力的儀表稱為絕對(duì)壓力表，檢測(cè)表壓的儀表稱為壓力表。真空空用低于大氣壓力的數(shù)值表示，絕對(duì)壓力為零的表示為絕對(duì)真空。檢測(cè)負(fù)壓的儀表稱為真空表，既能檢測(cè)表壓又能檢測(cè)負(fù)壓的儀表稱為壓力真空表。由于各種工藝設(shè)備本身就處于大氣之中，因此工程上多采用壓力表或真空表測(cè)量各種設(shè)備的壓力，只要無特殊要求，一般采用表壓加大氣壓力的方法來求得被測(cè)壓力的絕對(duì)壓力值。檢測(cè)壓力的儀表類型很多，如果按其轉(zhuǎn)換原理的不同，大致可分為以下四類：（一）液柱式壓力計(jì)它是根據(jù)流體靜力學(xué)原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度來進(jìn)行測(cè)量。利用這一原理檢測(cè)壓力的儀表有U型管壓力計(jì)、單管壓力計(jì)及斜管微壓計(jì)等。（二）彈性式壓力表及壓力變送器它是基于彈性元件受壓后產(chǎn)生的彈性變形位移與被測(cè)壓力間呈一定關(guān)系的原理制成的。例如，單圈（或多圈）彈簧管壓力表、膜片（或膜盒）壓力表及波紋管壓力表等。如果通過波紋管（測(cè)低壓）或單圈彈簧管（測(cè)中、高壓）把所測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為20～100kPa統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的氣壓信號(hào)或0～10mA的直流電流信號(hào)輸出則為氣動(dòng)或電動(dòng)壓力變送器。壓力變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)可以送往顯示儀表進(jìn)行壓力顯示；也可以送往調(diào)節(jié)器，作為自動(dòng)控制的依據(jù)。有關(guān)十四行詩為送器的工作原理，將在差壓變送器一節(jié)予以介紹。（三）電氣式壓力計(jì)它是通過機(jī)械和電氣元件把被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成電量來進(jìn)行測(cè)量的儀表，例如應(yīng)變片式、霍爾片式、電容式、電阻式等電氣式壓力計(jì)。（四）活塞式壓力計(jì)它是根據(jù)水壓機(jī)流體傳送壓力的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成活塞面積上所加砝碼的質(zhì)量來進(jìn)行測(cè)量的。這是一處標(biāo)準(zhǔn)儀器，通常用來對(duì)彈簧管壓力表進(jìn)行校驗(yàn)或刻度。二、彈性式壓力表（一）彈性元件彈性元件是彈性式壓力表的感壓元件，它在受到壓力作用時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形（位移），根據(jù)彈性元件機(jī)械位移的程度來度量壓力的大小。對(duì)于不同的測(cè)壓范圍，所用的彈性元件也各不相同，常用的彈性元件有如圖3－22所示的幾種根據(jù)被測(cè)壓力的狀態(tài)和數(shù)值計(jì)算出儀表的上、下限值后，還不能以此數(shù)值直接作為儀表的測(cè)量范圍，因?yàn)閮x表標(biāo)尺的上限值不是任意值，它是由國家主管部門用規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)作了規(guī)定的。因此在選用時(shí)，只能選用與計(jì)算值相近的標(biāo)準(zhǔn)值作為儀表標(biāo)尺的上限值。壓力表標(biāo)尺刻度上限值的標(biāo)準(zhǔn)值為：（1、1.6、2.5、4、6）×10nMPa（kPa），n為正、負(fù)整數(shù)或零，壓力表的下限值為零。3、儀表精確度等級(jí)的選擇在確定儀表測(cè)量范圍后，應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)對(duì)壓力測(cè)量所能允許的最大絕對(duì)誤差來計(jì)算儀表的相對(duì)百分誤差的最大值，以此為依據(jù)確定儀表的允許誤差及精確度等級(jí)。（二）壓力表的安裝1、取壓點(diǎn)的位置必須具有代表性，取壓點(diǎn)應(yīng)選在能正確而及時(shí)地反映被測(cè)壓力實(shí)際數(shù)值的部位。例如選在被測(cè)介質(zhì)流動(dòng)平穩(wěn)的部位，而不應(yīng)太靠近有局部阻力或其它受干擾的地方，即不要選在管道拐彎、分叉、死角或其它易形成漩渦的地方。取壓管內(nèi)端面與設(shè)備連接處的內(nèi)壁保持平齊，不應(yīng)有凸出物和毛刺，以免影響流體的平穩(wěn)流動(dòng)。測(cè)量液體壓力時(shí)，取壓點(diǎn)應(yīng)在管道的下半部，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存氣體；測(cè)量氣體壓力時(shí)，取壓點(diǎn)應(yīng)在管道上半部，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存液體。2、導(dǎo)壓管應(yīng)按最短距離敷設(shè)，水平安裝時(shí)應(yīng)保證有一定的傾斜度；當(dāng)被測(cè)介質(zhì)容易冷凝或凍結(jié)時(shí)，必須加設(shè)保溫伴熱管；取壓口到壓力表之間應(yīng)裝切斷閥，以備檢修壓力表時(shí)使用。3、應(yīng)安裝在易于觀察和檢修的地方，安裝地點(diǎn)應(yīng)力求避免振動(dòng)和高溫影響。測(cè)量高溫介質(zhì)壓力時(shí)，應(yīng)加裝冷凝管，以免高溫介質(zhì)與檢測(cè)元件接觸，如圖3－28（a）所示。對(duì)于腐蝕性介質(zhì)的壓力測(cè)量，應(yīng)加裝有中性介質(zhì)的隔離罐。如圖3－25（b）所示。總之，應(yīng)根據(jù)不同情況（如高溫、低溫、腐蝕、結(jié)晶、沉淀、粘稠等）采取相應(yīng)的防護(hù)措施。此外，壓力表與導(dǎo)壓管的連接處應(yīng)加裝適當(dāng)?shù)拿芊鈮|片，以防泄漏。在壓力測(cè)量中，通常有絕對(duì)壓力，表壓力、負(fù)壓、或真空度等名詞。絕對(duì)壓力是指介質(zhì)所受的實(shí)際壓力。表壓是指高于大氣壓的絕對(duì)壓力與大氣壓之差，即：P表=P絕-P大負(fù)壓與真空度是指大氣壓力與低于大氣壓力的絕對(duì)壓力之差，即：P真=P大-P絕絕對(duì)壓力、表壓力、大氣壓力、負(fù)壓力（真空度）之間的關(guān)系如下圖所示。因?yàn)楦鞣N工藝設(shè)備和測(cè)量儀表都處于大氣中，所以工程上都用表壓力或真空度來表示壓力的大小。我們用壓力表來測(cè)量壓力的數(shù)值，實(shí)際上也都是表壓或真空度（絕對(duì)壓力表的指示值除外）。因此，在工程上無特別說明時(shí)，所提的壓力均指表壓力或真空度。壓力測(cè)量儀表的品種，規(guī)格甚多。常用的壓力測(cè)量方法和儀表有：通過液體產(chǎn)生或傳遞壓力來平衡被測(cè)壓力的平衡法。屬于應(yīng)于這類方法的儀表有液柱式壓力計(jì)和活塞式壓力計(jì)；將被測(cè)壓力通過一些隔離元件（如彈性元件）轉(zhuǎn)換成一個(gè)集中力，并在測(cè)量過程中用一個(gè)外界力（如電磁力或氣動(dòng)力）來平衡這個(gè)未知的集中力，然后通過對(duì)外界力的測(cè)量而得知被測(cè)壓力的機(jī)械力平衡法。力平衡式壓力變送器就是屬于應(yīng)用此法的例子；根據(jù)彈性元件受壓后產(chǎn)生彈性變型的大小來測(cè)量彈性力平衡法。屬于這類應(yīng)用方法的儀表很多，若根據(jù)所用彈性元件來分，可分為薄膜式，波紋管式，彈簧管式壓力表；能過機(jī)械和電子元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換在成各種電量（如電壓、電流、頻率等）來測(cè)量的電測(cè)法。例如電容式、電阻式、電感式、應(yīng)變片式和霍爾片式等變送器應(yīng)于此法的壓力測(cè)量儀表。目前，石油化工生產(chǎn)中應(yīng)用中廣泛的一種壓力測(cè)量儀表是彈性元件。根據(jù)測(cè)壓范圍不同，常用的測(cè)壓元件有單圈彈簧管、多圈彈簧管、膜片、膜盒、波紋管等。在被測(cè)介質(zhì)壓力的作用下，彈性元件發(fā)生彈性變型，而產(chǎn)生相應(yīng)的位移，能過轉(zhuǎn)換位置，可將位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)或氣信號(hào)，以遠(yuǎn)傳顯示，報(bào)警或調(diào)節(jié)用。主要壓力檢測(cè)儀表：（1）彈簧管壓力表彈簧管壓力表是壓力儀表的主要組成部份之一，它有著極為廣泛的應(yīng)用價(jià)值，它具有結(jié)構(gòu)簡單，品種規(guī)格齊全、測(cè)量范圍廣、便于制造和維修和價(jià)格低廉等特點(diǎn)。彈簧管壓力表是單圈彈簧壓力表的簡稱。它主要由彈簧管、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（包括拉桿、扇形齒輪、中心齒輪）、示數(shù)裝置（指針和分度盤）以及外殼等幾部份組成，如下圖所示。彈簧管是一端封閉并彎成270度圓孤形的空心管子。它的截面呈扁圓形或橢圓形，橢圓的長軸2a與圖面垂直的彈簧管的中心軸O相平行。管子封閉的一端B為自由端，即位移輸出端；而另一端A則是固定的，作為被測(cè)壓力的輸入端。當(dāng)由它的固定端A通入被測(cè)壓力P后，由于呈橢圓形截面的管子在壓力P的作用下，將趨于圓形，彎成圓弧形的彈簧管隨之產(chǎn)生向外挺直的擴(kuò)張變形，使自由端B發(fā)生位移。此時(shí)彈簧管的中心角γ要隨即減小Δγ，也就是自由端將由B移到B，處，如圖2-3(b)上虛線所示。此位移量就相應(yīng)于某一壓力值。自由端B的彈性變形位移通過拉桿使扇形齒輪作逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，使固定在中心齒輪軸上的指針也作順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，從而在面板的刻度標(biāo)尺上顯示出被測(cè)壓力的數(shù)值。由于彈簧管自由端位移而引起彈簧管中心角相對(duì)變化值Δγ/γ與被測(cè)壓力P之間具有比例關(guān)系，因此彈簧管壓力表的刻度標(biāo)尺是均勻的。由上述可如，彈簧管自由端將隨壓力的增大而向外伸張。反之若管內(nèi)壓力小于管外壓力，則自由端將隨負(fù)壓的增大而向內(nèi)彎曲。所以，利用彈簧管不僅可以制成壓力表，而且還可制成真空表或壓力真空表。彈簧管壓力表除普通型外，還有一些是具有特殊用途的，例如耐腐蝕的氨用壓力表、禁油的氧用壓力表等。為了能表明具體適用何種特殊介質(zhì)的壓力測(cè)量，常在其表殼、襯圈或表盤上涂以規(guī)定的色標(biāo)，并注有特殊介質(zhì)的名稱，使用時(shí)應(yīng)予以注意。2）應(yīng)變式壓力變送器應(yīng)變式變送器以是以電為能源，它利用應(yīng)變片作為轉(zhuǎn)換元件，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成應(yīng)變片電阻值的變化，然后經(jīng)過橋式電路得到毫伏級(jí)的電量輸出，供顯示儀表顯示被測(cè)壓力或經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后，再傳送到記錄儀和調(diào)節(jié)器等儀表。應(yīng)變片有金屬電阻絲應(yīng)變片(金屬絲粘貼在襯底上組成的元件)和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。根據(jù)電阻應(yīng)變?cè)?，?yīng)變片在壓力作用下產(chǎn)生彈性變形dL/L(即應(yīng)變e)，其電阻值隨之發(fā)生變化。如果已如應(yīng)變片的電阻變化與其變形(即應(yīng)變)的關(guān)系，那么，通過對(duì)應(yīng)變片電阻變化的測(cè)量就可測(cè)知被測(cè)壓力。單晶硅諧振式傳感器諧振式傳感器是采用超精細(xì)加工工藝在單晶硅材料上制成兩個(gè)完全一致的H型諧振梁，并以一定的頻率產(chǎn)生振動(dòng)。其諧振頻率取決于梁的長度及張力，而張力隨壓力的變化而變化，實(shí)現(xiàn)了壓力變化轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)的變化，并采用了頻率差分技術(shù)，將兩個(gè)頻率信號(hào)直接輸出到脈沖計(jì)數(shù)器。從而使傳感器具有誤差小，重復(fù)性好、分解能力和反應(yīng)靈敏度高、直接輸出數(shù)字信號(hào)等特點(diǎn)。由于傳感器良好的特性，可使變送器幾乎不受靜壓和溫度的影響，而且具有優(yōu)良的過壓性能和范圍較寬的量程。壓力表的選用應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)過程對(duì)壓力測(cè)量的要求，被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件等來考慮儀表的類型、量程和精度等級(jí)。并確定是否需要帶有遠(yuǎn)傳、報(bào)警等附加裝置。這樣才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)、合理和有效的目的。1．類型的選用儀表類型的選用必須滿足工蘭生產(chǎn)的要求。例如是否需要遠(yuǎn)傳變送、自動(dòng)記錄或報(bào)警；被測(cè)介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)(如腐蝕性、溫度高低、粘度大小、臟污程度、易燃易爆等)是否對(duì)儀表提出特殊要求；現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件(如高溫、電磁場(chǎng)、振動(dòng)等)對(duì)儀表有否特殊要求等。普通壓力表的彈簧管材料多采用銅合金，高壓的也有采用碳鋼，而氨用壓力表的彈簧管材料都采用碳鋼，不允許采用銅合金。因?yàn)榘睔鈱?duì)銅的腐蝕極強(qiáng)，所以普通壓力表用于氨氣壓力測(cè)量很快就要損壞。氧氣壓力表與普通壓力表在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上完全相同，只是氧用壓力表禁油。因?yàn)橛瓦M(jìn)入氧氣系統(tǒng)會(huì)引起爆炸。如果必須采用現(xiàn)有的帶油污的壓力表測(cè)量氧氣壓力時(shí)，使用前必須用四氯化碳反復(fù)清洗，認(rèn)真檢查直到無油污為止。測(cè)量范圍的確定儀表的測(cè)量范圍是根據(jù)被測(cè)壓力的大小來確定的。對(duì)于彈性式壓力表，為保證彈性元件能在彈性變形的完全范圍內(nèi)可靠地工作，量程的上限值應(yīng)高于工藝生產(chǎn)中可能的最大壓力值。根據(jù)"化工自控設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定"，在測(cè)量穩(wěn)定壓力時(shí)，最大工作壓力不應(yīng)超過量程的2/3；測(cè)量脈動(dòng)壓力時(shí)，最大工作壓力不超過量程的1/2；測(cè)量高壓壓力時(shí)，最大工作壓力不應(yīng)超過量程的3/5。為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確度，所測(cè)的壓力值不能太接近于儀表的下限值，亦即儀表的量程不能選得太大，一般被測(cè)壓力的最小值應(yīng)不低于量程的1/3。按上述要求算出后，實(shí)取稍大的相鄰系列值，一般可在相應(yīng)的產(chǎn)品目錄申查到。3．精度級(jí)的選取儀表的精度主妥是根據(jù)生產(chǎn)上允許的最大測(cè)量誤差來確定的。此外，在滿足工藝要求的前提下，還要考慮經(jīng)濟(jì)性，即盡可能選用精度較低、價(jià)廉耐用的儀表。在化工生產(chǎn)過程中，為了有效地進(jìn)行生產(chǎn)操作和控制，經(jīng)常需要測(cè)量生產(chǎn)過程中各種介質(zhì)(如液體、氣體和蒸汽等)的流量，以便為生產(chǎn)操作和控制提供依據(jù)。同時(shí)，為了進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，也需要