第三講壓力檢測61

化工儀表及自動化第二章壓力檢測

概述3

在化工生產(chǎn)中,壓力是指由氣體或液體均勻垂直地作用于單位面積上的力。在工業(yè)生產(chǎn)過程中,壓力往往是重要的操作參數(shù)之一。

壓力的檢測與控制,對保證生產(chǎn)過程正常進(jìn)行,達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低消耗和安全是十分重要的。內(nèi)容提要壓力單位及測壓儀表彈性式壓力計彈性元件彈簧管壓力表電氣式壓力計應(yīng)變片式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器電容式壓力傳感器1智能式變送器智能變送器的特點(diǎn)智能變送器的結(jié)構(gòu)原理壓力計的選用及安裝壓力計的選用壓力計的安裝第一節(jié)壓力單位及測壓儀表壓力是指均勻垂直地作用在單位面積上的力。壓力的單位為帕斯卡，簡稱帕（Pa）4第一節(jié)壓力單位及測壓儀表

為了使大家了解國際單位制中的壓力單位（Pa或MPa）與過去的單位之間的關(guān)系，下面給出幾種單位之間的換算關(guān)系表。56壓力單位帕/Pa兆帕/MPa工程大氣壓/(kgf/cm2)物理大氣壓/atm汞柱/mmHg水柱/mH2O（磅/英寸2）/（1b/in2）巴/bar帕11×1061.0197×10-59.869×10-67.501×10-31.0197×10-41.450×10-41×10-5兆帕1×106110.1979.8697.501×1031.0197×1021.450×10210工程大氣壓9.807×1049.807×10-210.9678735.610.0014.220.9807物理大氣壓1.0133×1050.101331.0332176010.3314.701.0133汞柱1.3332×1021.3332×10-41.3595×10-31.3158×10-310.01361.934×10-21.3332×10-3水柱9.806×1039.806×10-30.10000.0967873.5511.4220.09806（磅/英寸2）6.895×1036.895×10-30.070310.0680551.710.703110.06895巴1×1050.11.01970.9869750.110.19714.501表3-1各種壓力單位換算表第一節(jié)壓力單位及測壓儀表7在壓力測量中，常有表壓、絕對壓力、負(fù)壓或真空度之分。

當(dāng)被測壓力低于大氣壓力時，一般用負(fù)壓或真空度來表示。p表P真P絕P絕大氣壓力線

零線圖2-1絕對壓力、表壓、負(fù)壓（真空度）的關(guān)系第一節(jié)壓力單位及測壓儀表8測量壓力或真空度的儀表按照其轉(zhuǎn)換原理的不同，分為四類。1.液柱式壓力計

它根據(jù)流體靜力學(xué)原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度進(jìn)行測量。

按其結(jié)構(gòu)形式的不同

有U形管壓力計、單管壓力計等

優(yōu)點(diǎn)這類壓力計結(jié)構(gòu)簡單、使用方便

缺點(diǎn)

其精度受工作液的毛細(xì)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。

第一節(jié)壓力單位及測壓儀表第一節(jié)壓力單位及測壓儀表2.彈性式壓力計

它是將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件變形的位移進(jìn)行測量的。

3.電氣式壓力計

它是通過機(jī)械和電氣元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成電量（如電壓、電流、頻率等）來進(jìn)行測量的儀表。9第一節(jié)壓力單位及測壓儀表4.活塞式壓力計

它是根據(jù)水壓機(jī)液體傳送壓力的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞上所加平衡砝碼的質(zhì)量來進(jìn)行測量的。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)測量精度很高，允許誤差可小到0.05%～0.02%。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價格較貴。

10測量范圍：幾千Pa~幾千MPa常用作標(biāo)準(zhǔn)儀表，檢驗(yàn)其它壓力計第二節(jié)彈性式壓力計11定義

彈性式壓力計是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。優(yōu)點(diǎn)

具有結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠、讀數(shù)清晰、牢固可靠、價格低廉、測量范圍寬以及有足夠的精度等優(yōu)點(diǎn)。

可用來測量幾百帕到數(shù)千兆帕范圍內(nèi)的壓力。

第二節(jié)彈性式壓力計12

一、彈性元件

彈性元件是一種簡易可靠的測壓敏感元件。當(dāng)測壓范圍不同時，所用的彈性元件也不一樣。圖2-2彈性元件示意圖

彈簧管式彈性元件如圖(a)和(b)所示，波紋管式彈性元件如圖(e)所示，薄膜式彈性元件如圖(c)和(d)所示。第二節(jié)彈性式壓力計13

二、彈簧管壓力表

分類使用的測壓元件單圈彈簧管壓力表與多圈彈簧管壓力表。

用途普通彈簧管壓力表，耐腐蝕的氨用壓力表、禁油的氧氣壓力表等。

1—彈簧管；2—拉桿；3—扇形齒輪；4—中心齒輪；5—指針；6—面板；7—游絲；8—調(diào)整螺絲；9—接頭彈簧壓力表第二節(jié)彈性式壓力計基本測量原理

單圈彈簧管是一根彎成270°圓弧的橢圓截面的空心金屬管子。管子的自由端B封閉，另一端固定在接頭９上。當(dāng)通入被測的壓力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(chǎn)生擴(kuò)張變形。同時，使彈簧管的自由端B產(chǎn)生位移。輸入壓力p越大，產(chǎn)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(diǎn)的位移量，就能反映壓力p的大小。注意：彈簧管自由端B的位移量一般很小，直接顯示有困難，所以必須通過放大機(jī)構(gòu)才能指示出來。

14第二節(jié)彈性式壓力計

在化工生產(chǎn)過程中，常需要把壓力控制在某一范圍內(nèi)，即當(dāng)壓力低于或高于給定范圍時，就會破壞正常工藝條件，甚至可能發(fā)生危險。這時就應(yīng)采用帶有報警或控制觸點(diǎn)的壓力表。將普通彈簧管壓力表稍加變化，便可成為電接點(diǎn)信號壓力表，它能在壓力偏離給定范圍時，及時發(fā)出信號，以提醒操作人員注意或通過中間繼電器實(shí)現(xiàn)壓力的自動控制。

警惕！15第二節(jié)彈性式壓力計

圖2-4

電接點(diǎn)信號壓力表1，4

—靜觸點(diǎn)；2

—動觸點(diǎn)；3

—綠燈；5

—紅燈

壓力表指針上有動觸點(diǎn)2，表盤上另有兩根可調(diào)節(jié)指針，上面分別有靜觸點(diǎn)1和4。當(dāng)壓力超過上限給定數(shù)值時，2和4接觸，紅色信號燈5的電路被接通，紅燈發(fā)亮。若壓力低到下限給定數(shù)值時，2與1接觸，接通了綠色信號燈3的電路。1、4的位置可根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)。16第三節(jié)電氣式壓力計定義電氣式壓力計是一種能將壓力轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行傳輸及顯示的儀表。17優(yōu)點(diǎn)1.該儀表的測量范圍較廣，分別可測7×10-5Pa至5×102MPa的壓力，允許誤差可至0.2％；

2.由于可以遠(yuǎn)距離傳送信號，所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中可以實(shí)現(xiàn)壓力自動控制和報警，并可與工業(yè)控制機(jī)聯(lián)用。

第三節(jié)電氣式壓力計組成

一般由壓力傳感器、測量電路和信號處理裝置所組成。常用的信號處理裝置有指示儀、記錄儀以及控制器、微處理機(jī)等。圖2-5電氣式壓力計組成方框圖18電氣式壓力計分兩類彈簧管式電氣壓力計（電遠(yuǎn)傳彈性壓力計）電氣式壓力計第三節(jié)電氣式壓力計第二節(jié)壓力檢測及儀表幾種常見的傳感器或變送器：1.霍爾片式壓力傳感器

霍爾片式壓力傳感器是根據(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，從而實(shí)現(xiàn)壓力的測量。

圖3-9

霍爾效應(yīng)

霍爾電勢可用下式表示

式中，UH為霍爾電勢；RH為霍爾常數(shù)，與霍爾片材料、幾何形狀有關(guān)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；I為控制電流的大小。39第二節(jié)壓力檢測及儀表注意

霍爾電勢與磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流成正比。提高B和I值可增大霍爾電勢UH，但兩者都有一定限度，一般I為3～20mA，B約為幾千高斯，所得的霍爾電勢UH約為幾十毫伏數(shù)量級。

導(dǎo)體也有霍爾效應(yīng)，不過它們的霍爾電勢遠(yuǎn)比半導(dǎo)體的霍爾電勢小得多。40第二節(jié)壓力檢測及儀表

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3-10所示。

圖3-10霍爾片式壓力傳感器1—彈簧管；2

—磁鋼；3

—霍爾片

當(dāng)被測壓力引入后，在被測壓力作用下，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，因而改變了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。

利用這一電勢即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離顯示和自動控制。4119第三節(jié)電氣式壓力計2、應(yīng)變片壓力傳感器

應(yīng)變片式壓力傳感器利用電阻應(yīng)變原理構(gòu)成。電阻應(yīng)變片有金屬和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類，被測壓力使應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變。當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生壓縮（拉伸）應(yīng)變時，其阻值減?。ㄔ黾樱偻ㄟ^橋式電路獲得相應(yīng)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壓力，從而組成應(yīng)變片式壓力計。圖2-6應(yīng)變片壓力傳感器示意圖1—應(yīng)變筒；2—外殼；3—密封膜片應(yīng)變片式電氣壓力傳感器應(yīng)變片式傳感器是利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)，將被測量轉(zhuǎn)換為電量輸出的一種傳感器。補(bǔ)充1）電阻應(yīng)變效應(yīng)及工作原理當(dāng)金屬或半導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值發(fā)生變化----這種現(xiàn)象稱電阻應(yīng)變效應(yīng)取一根長度為L，截面積為S，電阻率為的金屬絲，未受力時其電阻R為（3-1）

當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時,將伸長ΔL,橫截面積相應(yīng)減小ΔS,電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變Δρ,故引起電阻值相對變化量為式中ΔL/L是長度相對變化量,用應(yīng)變ε表示ΔS/S為圓形電阻絲的截面積相對變化量,即（3-2）（3-3）（3-4）在彈性范圍內(nèi),金屬絲受拉力時,沿軸向伸長,沿徑向縮短,那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為（3-5）式中:μ——電阻絲材料的泊松比,負(fù)號表示應(yīng)變方向相反。將式（3-3）,式（3-5）代入式（3-2）,可得或（3-6）（3-7）C由材料及加工方法決定代入式（3-6）對于金屬材料電阻應(yīng)變效應(yīng)對于半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料在受力方向的壓阻系數(shù)壓阻效應(yīng)代入式（3-6）通式

通常把單位應(yīng)變引起的電阻值變化稱為應(yīng)變靈敏度系數(shù)。k0---應(yīng)變靈敏度系數(shù)金屬應(yīng)變片

絲式箔式薄膜式2)應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)金屬應(yīng)變片

半導(dǎo)體應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片電阻絲直徑0.015~0.05mm金屬箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片是在絕緣基底上，將厚度為0.003～0.01mm電阻箔材，利用照相制版或光刻技術(shù)，制成各種需要的形狀。優(yōu)點(diǎn)：①可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵；②與被測件粘結(jié)面積大；②散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度；④橫向效應(yīng)??；⑥蠕變和機(jī)械滯后小，壽命長。缺點(diǎn)：電阻值的分散性大金屬薄膜應(yīng)變片

采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1微米以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵，最后再加上保護(hù)層。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大。存在問題：溫度穩(wěn)定性差半導(dǎo)體應(yīng)變片用單晶硅、鍺制成。P型單晶硅結(jié)構(gòu)如圖。在直角坐標(biāo)系中它有許多晶軸方向，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沿不同晶軸方向壓阻系數(shù)相差很大（電阻率變化相差很大）。由硅、鍺單晶沿特定晶軸方向切片而成電橋放大器R1R3R2R4ADCB+-+-EU0⑴只有R1為工作片，P對于半等臂電橋⑵R1、R2為工作片，P⑶R1、R2、R3、R4為工作片，P對于全等臂電橋第三節(jié)電氣式壓力計

3、壓阻式壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器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，在單晶硅膜片上利用集成電路的工藝，在單晶硅的特定方向擴(kuò)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(kuò)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。工作原理20第三節(jié)電氣式壓力計特點(diǎn)

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；

便于實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)字化；

可以測量壓力，稍加改變，還可以測量差壓、高度、速度、加速度等參數(shù)。21圖3-12壓阻式壓力傳感器1—基座；2—單晶硅片；3—導(dǎo)環(huán)；4—螺母；5—密封墊圈；6—等效電阻第三節(jié)電氣式壓力計

4、電容式壓力變送器工作原理22先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后進(jìn)行測量。

圖2-8電容式測量膜盒1—中心感應(yīng)膜片(可動電極)；2—固定電極；3—測量側(cè)；4—隔離膜片第四節(jié)智能式變送器

智能型壓力或差壓變送器是在普通壓力或差壓傳感器的基礎(chǔ)上增加微處理器電路而形成的智能檢測儀表。23一、智能變送器的特點(diǎn)①性能穩(wěn)定,可靠性好,測量精度高,基本誤差僅為±0.1%。②量程范圍可達(dá)100∶1,時間常數(shù)可在0～36s內(nèi)調(diào)整,有較寬的零點(diǎn)遷移范圍。第四節(jié)智能式變送器③具有溫度、靜壓的自動補(bǔ)償功能,在檢測溫度時,可對非線性進(jìn)行自動校正。④具有數(shù)字、模擬兩種輸出方式,能夠?qū)崿F(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊,可以與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和上位計算機(jī)相連。⑤可以進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊,通過現(xiàn)場通訊器,使變送器具有自修正、自補(bǔ)償、自診斷及錯誤方式告警等多種功能,簡化了調(diào)整、校準(zhǔn)與維護(hù)過程,使維護(hù)和使用都十分方便。24第四節(jié)智能式變送器二、智能變送器的結(jié)構(gòu)原理從整體上來看,由硬件和軟件兩大部分組成。從電路結(jié)構(gòu)上來看,包括傳感器部件和電子部件兩部分。25第四節(jié)智能式變送器舉例以美國費(fèi)希爾-羅斯蒙特公司的3051C型智能差壓變送器為例介紹其工作原理。圖2-93051C型智能差壓變送器（4～20mA）方框圖26第四節(jié)智能式變送器

3051C型智能差壓變送器所用的手持通信器為275型，帶有鍵盤及液晶顯示器?？梢越釉诂F(xiàn)場變送器的信號端子上，就地設(shè)定或檢測，也可以在遠(yuǎn)離現(xiàn)場的控制室中，接在某個變送器的信號線上進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定及檢測。

實(shí)現(xiàn)的功能圖2-10手持通信器的連接示意圖（1）組態(tài)（2）測量范圍的變更（3）變送器的校準(zhǔn)（4）自診斷

27第四節(jié)智能式變送器

要對智能型差壓變送器每五年校驗(yàn)一次，智能型差壓變送器與手持通信器結(jié)合使用，可遠(yuǎn)離生產(chǎn)現(xiàn)場，尤其是危險或不易到達(dá)的地方，給變送器的運(yùn)行和維護(hù)帶來了極大的方便。注意28第五節(jié)壓力計的選用及安裝一、壓力計的選用

壓力計的選用應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)過程對壓力測量的要求，結(jié)合其他各方面的情況，加以全面的考慮和具體的分析，一般考慮以下幾個問題。

儀表類型的選用

儀表精度級的選取

儀表測量范圍的確定

29五、壓力計的選用與安裝1.壓力儀表的選用：類型選擇功能：顯示、報警、記錄、傳送（數(shù)字、模擬）介質(zhì)條件：溫度、腐蝕性、粘度、臟污程度、易燃易爆；如：氨氣表防腐，氧氣表禁油現(xiàn)場環(huán)境條件：溫度、震動、電磁場等。量程與盤面大小測量穩(wěn)定壓力Pmax≤2/3量程(上限),Pmin≥1/3量程;測量脈動壓力Pmax≤1/2量程;測高壓Pmax≤3/5量程.盤面大小應(yīng)方便安裝和觀察。精度等級根據(jù)工藝要求所允許的最大測量誤差確定。第五節(jié)壓力計的選用及安裝1.測壓點(diǎn)的選擇

應(yīng)能反映被測壓力的真實(shí)大小。①要選在被測介質(zhì)直線流動的管段部分，不要選在管路拐彎、分叉、死角或其他易形成漩渦的地方。②測量流動介質(zhì)的壓力時，應(yīng)使取壓點(diǎn)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)保持平齊，不應(yīng)有凸出物或毛刺。③測量液（氣）體壓力時，取壓點(diǎn)應(yīng)在管道下（上）部，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存氣（液）體。30二、壓力計的安裝第五節(jié)壓力計的選用及安裝2.導(dǎo)壓管鋪設(shè)

①導(dǎo)壓管粗細(xì)要合適，一般內(nèi)徑為6～10mm，長度應(yīng)盡可能短，最長不得超過50m，以減少壓力指示的遲緩。如超過50m，應(yīng)選用能遠(yuǎn)距離傳送的壓力計。②導(dǎo)壓管水平安裝時應(yīng)保證有1:10～1:20的傾斜度，以利于積存于其中之液體（或氣體）的排出。③當(dāng)被測介質(zhì)易冷凝或凍結(jié)時，必須加設(shè)保溫伴熱管線。④取壓口到壓力計之間應(yīng)裝有切斷閥，以備檢修壓力計時使用。切斷閥應(yīng)裝設(shè)在靠近取壓口的地方。31第五節(jié)壓力計的選用及安裝3.壓力計的安裝①壓力計應(yīng)安裝在易觀察和檢修的地方。②安裝地點(diǎn)應(yīng)力求避免振動和高溫影響。32第五節(jié)壓力計的選用及安裝③測量蒸汽壓力時，應(yīng)加裝凝液管，以防止高溫蒸汽直接與測壓元件接觸[圖3-17（a）］；對于有腐蝕性介質(zhì)的壓力測量，應(yīng)加裝有中性介質(zhì)的隔離罐，右圖（b）表示了被測介質(zhì)密度ρ2大于和小于隔離液密度ρ1的兩種情況。圖2-11壓力計安裝示意圖１—壓力計；２—切斷閥門；３—凝液管；４—取壓容器33第五節(jié)壓力計的選用及安裝④壓力計的連接處，應(yīng)根據(jù)被測壓力的高低和介質(zhì)性質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)牟牧希鳛槊芊鈮|片，以防泄漏。⑤當(dāng)被測壓力較小，而壓力計與取壓口又不在同一高度時，對由此高度而引起的測量誤差應(yīng)按Δp＝±Hρg進(jìn)行修正。式中H為高度差，ρ為導(dǎo)壓管中介質(zhì)的密度，g為重力加速度。⑥為安全起見，測量高壓的壓力計除選用有通氣孔的外，安裝時表殼應(yīng)向墻壁或無人通過之處，以防發(fā)生意外。34例題分析舉例1.某臺往復(fù)式壓縮機(jī)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，并能高低限報警，試正確選用一臺壓力