第二章壓力檢測工作

第二章壓力檢測工作目錄

第一節(jié)壓力單位及測壓儀表

第二節(jié)彈性式壓力計(jì)

第三節(jié)電氣式壓力計(jì)

第四節(jié)智能式變送器

第五節(jié)壓力計(jì)的選用與安裝化工生產(chǎn)中，所謂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。特點(diǎn)是在化工、煉油等生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會遇到壓力和真空度的測量，其中包括比大氣壓力高很多的高壓、超高壓和比大氣壓力低很多的真空度的測量。如高壓聚乙烯，要在150MPa或更高壓力下進(jìn)行聚合；氫氣相氮?dú)夂铣砂睔鈺r，要在15MPa或32MPa的壓力下進(jìn)行反應(yīng)；而煉油廠減壓蒸餾，則要在比大氣壓低很多的真空下進(jìn)行。第二章壓力檢測如果壓力不符合要求，不僅會影響生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品質(zhì)量，有時還會造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。在化學(xué)反應(yīng)中，壓力既影響物料平衡關(guān)系，也影響化學(xué)反應(yīng)速度。所以，壓力的測量與控制，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。第二章壓力檢測由于壓力是指均勻垂宣地作用在單位面積上的力，故可用下式表示p=F/S式中p表示壓力，F(xiàn)表示垂直作用力，S表示受力面積。根據(jù)國際單位制(代號為SI)規(guī)定，壓力的單位為帕斯卡，簡稱帕(Pa)，1帕為1牛頓每平方米。1Pa＝1N／m2第一節(jié)壓力單位及測壓儀表帕所代表的壓力較小，工程上經(jīng)常使用兆帕(Mpa)。帕與兆帕之間的關(guān)系為：1MPa＝1×106Pa

過去使用的壓力單位比較多，根據(jù)1984年2月27日國務(wù)院“關(guān)于在我國統(tǒng)一實(shí)行法定計(jì)量單位的命令”的規(guī)定，這些單位將不再使用。但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。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在壓力測量中．常有表壓、絕對壓力、負(fù)壓或真空度之分，其關(guān)系見圖2。

第一節(jié)壓力單位及測壓儀表工程上所用的壓力指示值，大多為表壓(絕對壓力計(jì)的指示值除外)。表壓是絕對壓力和大氣壓力之差，即：p表壓＝p絕對壓力-p大氣壓力當(dāng)被測壓力低于大氣壓力時，一般用負(fù)壓或真空廢來表示，它是大氣壓力與絕對壓力之差，即：p真空度＝p大氣壓力-p絕對壓力第一節(jié)壓力單位及測壓儀表因?yàn)楦鞣N工藝設(shè)備和測量儀表通常是處于大氣之中，本身就承受著大氣壓力。所以，工程上經(jīng)常用表壓或真空度來表示壓力的大小。以后所提到的壓力，除特別說明外，均指表壓或真空度。第一節(jié)壓力單位及測壓儀表測量壓力和真空度的儀表很多，按照其轉(zhuǎn)換原理的不同，大致可分為四大類。1液柱式壓力計(jì)它是根據(jù)流體靜力學(xué)原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度進(jìn)行測量的。按其結(jié)構(gòu)形式的不同，有U型管壓力計(jì)、單管壓力計(jì)和斜管壓力計(jì)等。這種壓力計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。但其精度受工作液的毛細(xì)管作用、密度及視差等因素影響，測量范圍較窄，一般用來測量低壓力或真空度。第一節(jié)壓力單位及測壓儀表 隔離壓差變送器隔離液位變送器2彈性式壓力計(jì)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。例如彈簧壓力計(jì)、波紋管壓力計(jì)及膜式壓力計(jì)等。3電氣式壓力計(jì)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，例如電容式、電阻式、電感式、應(yīng)變片式和霍爾片式等壓力計(jì)。第一節(jié)壓力單位及測壓儀表工業(yè)壓力變送器4活塞式壓力計(jì)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重量進(jìn)行油量的。它的涵量精度很高，允許誤差可小到0.05%-0.02％一般作為一種標(biāo)準(zhǔn)型壓力測量儀器，可檢驗(yàn)其他類型的壓力計(jì)。第一節(jié)壓力單位及測壓儀表一、彈性元件二、彈簧管壓力表第二節(jié)彈性式壓力計(jì)

彈性式壓力計(jì)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。這種儀表具有結(jié)構(gòu)簡單、使用可取、皮數(shù)清晰、牢固可靠、價格低廉、微量范圍廣以及有足夠的精度等優(yōu)點(diǎn)。若增加附加裝置，如記錄機(jī)構(gòu)、電氣變換裝置、控制元件等，則可以實(shí)現(xiàn)壓力的記錄、遠(yuǎn)傳、信號報(bào)警、自動控制等。彈性式壓力計(jì)可以用來測量幾百拍到數(shù)干兆拍范圍內(nèi)的壓力，因此在工業(yè)上是應(yīng)用最為廣泛的一種測壓儀表。第二節(jié)彈性式壓力計(jì)數(shù)字壓力變送器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(jì)的測壓元件，也經(jīng)常用來作為氣動單元組合儀表的基本組成元件。當(dāng)瀾壓范圍不同時，所用的彈性元件也不一樣，常用的幾種彈性元件的結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。一、彈性元件微壓變送器1彈簧管式彈性元件彈簧管式彈性元件的測壓范圍較寬，可測量高達(dá)1000MPa的壓力。單田彈簧管是彎成圓弧形的金屬管子，’它的截面做成扁圓形或橢圓形，如圖2-2(a)所示。當(dāng)通入壓力p后，它的自由端就會產(chǎn)生位移。這種單圈彈簧管自由端位移較小，因此能測量較高的壓力。為了增加自由端的位移，可以制成多圈彈簧管，如圖2-2(b)所示。一、彈性元件通用壓力變送器2薄膜式彈性元件蔭膜式彈性元件根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同還可以分為膜片與膜盒等。它的測壓范圍較彈簧管式的為低。團(tuán)2-2(c)為膜片式彈性元件，它是由金屬或非金屬材料做成的具有彈性的一張膜片(有平膜片與波紋膜片兩種形式)，在壓力作用下能產(chǎn)生變形。有時也可以由兩張金屑膜片沿用口對焊起來，成一薄壁盒子，內(nèi)充液體(例硅油)，稱為膜盒，如圖2-2(d)所示。一、彈性元件隔膜壓力變送器3波紋管式彈性元件波紋管式彈性元件是一個周圍為波紋狀的薄壁金屬簡體，如圖2-2(e)所示。這種彈性元件易于變形，而且位移很大，常用于微壓與低壓的測量(一般不超過1MPa)。一、彈性元件隔離壓力變送器彈簧管壓力表的測量范圍極廣，彈簧管壓力表與多困彈簧管壓力表。氨用壓力表、禁油的氧氣壓力表等。它們的外形與結(jié)構(gòu)基本上是相同的，只是所用的材料有所不同彈簧管壓力計(jì)的結(jié)構(gòu)原理如圖2-3所示。二、彈簧管壓力表高溫壓力變送器二、彈簧管壓力表二、彈簧管壓力表彈簧管1是壓力計(jì)的測量元件。圖中所示為單圍彈簧管，它是一根彎成270度圓弧的橢圓截面的空心金屑管子。管子的自由端B封閉，管于的另一端固定在接頭9上。二、彈簧管壓力表當(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，彎成圓弧形的彈簧管隨之產(chǎn)生向外挺直的擴(kuò)張變形。由于變形，使彈簧管的自由端B產(chǎn)生位移。二、彈簧管壓力表輸入壓力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，所以只要測量B點(diǎn)的位移量，就能反映壓力p的大小，這就是彈簧管壓力計(jì)的基本測量原理。二、彈簧管壓力表彈簧管自由端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。具體過程是這樣的：彈簧管自由端B的位移通過拉桿2(見圖2-3)使扇形齒輪3作逆時針偏轉(zhuǎn)，二、彈簧管壓力表于是指針5通過同軸的中心齒輪4的帶動而作順時針偏轉(zhuǎn)，在面板6的刻度標(biāo)尺上顯示出被鍘壓力p的數(shù)值。由于彈簧管自由端的位移與被測壓力之間具有正比關(guān)系，因此銻簧管壓力表的刻度標(biāo)尺是線性的。二、彈簧管壓力表游絲7用來克服因扇形齒輪和中心齒輪間的傳動間隙而產(chǎn)生的儀表變差。改變調(diào)整螺釘8的位置(即改變機(jī)械傳動的放大系數(shù))，可以實(shí)現(xiàn)壓力表量程的調(diào)整。二、彈簧管壓力表在化工生產(chǎn)過程中，常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(bào)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)壓力的自動接制。二、彈簧管壓力表圖2-4是電接點(diǎn)信號壓力表的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖。壓力表指針上有動觸點(diǎn)2，表盤上另有兩個可調(diào)節(jié)的指針，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(此數(shù)值由靜觸點(diǎn)4的指針位置確定)時，動觸點(diǎn)2和靜觸點(diǎn)4接觸，二、彈簧管壓力表紅色信號燈5的電路被接通，使紅燈發(fā)亮，若壓力低到下限給定數(shù)值時，動觸點(diǎn)2與靜觸點(diǎn)1接觸，接通了綠色信號燈3的電路。靜觸點(diǎn)1、4的位置可根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)。二、彈簧管壓力表一、應(yīng)變片式壓力傳感器二、壓阻式壓力傳感器三、電容式壓力傳感器第三節(jié)電氣式壓力計(jì)把壓力轉(zhuǎn)換為電信號輸出，然后測量電信號的壓力表叫電氣式壓力計(jì)。這種壓力計(jì)的測量范圍較廣，分別可測7×10-5Pa至5×106Pa的壓力，允許誤差可至0.2％。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(bào)警，并可與工業(yè)控制機(jī)聯(lián)用。電氣式壓力計(jì)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器、記錄儀、應(yīng)變儀以及控制器、微處理機(jī)等。圖2-5是電氣式壓力計(jì)的組成方框圖。第三節(jié)電氣式壓力計(jì)第三節(jié)電氣式壓力計(jì)壓力傳感器的作用是把壓力信號檢測出來，并轉(zhuǎn)換成電信號輸出。為此，常在彈簧管壓力計(jì)中附加一些變換裝置，把彈簧管自由端的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為某些電量的變化，從而構(gòu)成各種彈簧管式的電氣壓力計(jì)，如電阻式、電感式和霍爾片式等。但是，這類壓力計(jì)都是先經(jīng)彈簧管把壓力變換成位移后再轉(zhuǎn)化為電量而進(jìn)行測量的。所以，它們不能適應(yīng)快速變化的脈動壓力和高真空、超高壓等場合下進(jìn)行測量的需要，因而出現(xiàn)了另一類電氣式壓力計(jì)，如應(yīng)變片式、壓阻式和電容式等。第三節(jié)電氣式壓力計(jì)應(yīng)變片式壓力傳感器是利用電阻應(yīng)變原理構(gòu)成的。電阻應(yīng)變片有金屑應(yīng)變片(金屬絲或金屬箔)和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。檢測壓力使應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變。當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生壓縮應(yīng)變時，其阻值減?。划?dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生拉伸應(yīng)變時，其阻值增加。應(yīng)變片阻值的變化，再通過橋式電路獲得相應(yīng)的毫伏級電勢輸出、并用毫伏計(jì)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(jì)。一、應(yīng)變片式壓力傳感器圖2-6是BPR-2型應(yīng)變片式壓力傳感器的原理固。當(dāng)被油壓力p作用于膜片而使應(yīng)變筒作鈾向受壓變形時，沿軸向貼放的應(yīng)變片r1也將產(chǎn)生軸向壓縮應(yīng)變e1，于是r1的阻值變小；而沿徑向貼放的應(yīng)變片r2，由于本身受到橫向壓縮將引起縱向拉伸應(yīng)變e2，于是r2阻值變大。但是由于e2比e1要小，故實(shí)際上r1的減少量格比r2的增大量為大。一、應(yīng)變片式壓力傳感器絕壓變送器一、應(yīng)變片式壓力傳感器應(yīng)變片r1和r2與兩個固定電阻r3和r4組成橋式電路，如圖2-6(b)所示。由于r1和r2的阻值變化而使橋路失去平衡，從而獲得不平衡電壓U作為傳感器的輸出信號，在橋路供給直流穩(wěn)壓電源最大為10V時，可得最大U為5mv的輸出。傳感器的被測壓力可達(dá)25MPa。由于傳感器的固有頻率在25000Hz以上，故有較好的動態(tài)性能，適用于快速變化的壓力測量。傳感器的非線性及滯后誤差小于額定壓力的1％。一、應(yīng)變片式壓力傳感器雙膜壓差變送器壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)而構(gòu)成。其工作原理如圖2-7所示。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，在單晶面的特定方向擴(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。二、壓阻式壓力傳感器二、壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器具有精度高、工作可靠、頻率響應(yīng)高、遲滯小、尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，可以適應(yīng)惡劣的環(huán)境條件下工作，便于實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)字化。壓阻式壓力傳感器不僅可以用來測量壓力，稍加改變，就可以用來測量差壓、高度、速度、加速度等參數(shù)。

二、壓阻式壓力傳感器電容式壓力傳感器是將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后進(jìn)行測量的。圖2-8所示是CDCY型電容式壓力變適器的測量部分。測量膜盒內(nèi)充以填充液(硅油)，中心感應(yīng)膜片1(可動電極)和其兩邊弧形固定電極2分別形成電容C1和C2。三、電容式壓力傳感器 電容壓力變送器當(dāng)被測壓力加在測量側(cè)3的隔離膜片4上后，通過