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(fù)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(fù)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(jìn)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(jìn)行測量的。彈簧管壓力計。電氣式壓力計:通過機(jī)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(jī)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(jìn)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(diǎn):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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)壓力的測量?；魻栃?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(yùn)動(逆Y軸方向運(yùn)動)時,由于受電磁力的作用,使電子運(yùn)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?；魻栯妱菖c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(qiáng)度就不同,可得到與位移成正比例的霍爾電勢,實(shí)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(yuǎn)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(bǔ)償片。特點(diǎn):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(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。儀表特點(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。適于在惡劣環(huán)境下使用,便于實(shí)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(jìn)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(diǎn):

結(jié)構(gòu)簡單.過載能力強(qiáng).精度高可達(dá)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(jìn)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(diǎn):可進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。利用手持通信器,可對1500m內(nèi)現(xiàn)場變送器進(jìn)行各種運(yùn)行參數(shù)的選擇和標(biāo)定;精度高,使用和維護(hù)方便。通過編制各種程序可實(shí)現(xiàn)自修正、自補(bǔ)償、自診斷及錯誤方式報警功能,便于實(shí)現(xiàn)人機(jī)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(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(jī),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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的選擇、導(dǎo)壓管的鋪設(shè)及壓力表的安裝。(1).測壓點(diǎn)的選擇：能反映被測壓力的真實(shí)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(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)保持齊平,不應(yīng)有凸出物或毛刺。(c).測量液體壓力時,取壓點(diǎn)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(diǎn)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(xì)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(yuǎn)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(jìn)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(fù)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(jī)構(gòu)(氣動壓力變送器)或電磁反饋機(jī)構(gòu)(電動壓力變送器)。特點(diǎn):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(jī)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