《自動化儀表與過程控制》課件2.1 壓力的檢測及儀表

2.1壓力的檢測及儀表2.1.1壓力的單位及測壓儀表2.1.2彈性式壓力計2.1.3電氣式壓力計2.1.4壓力計的選用及安裝2.1.1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）

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。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p表P真P絕P絕大氣壓力線絕對壓力的零線在壓力測量中，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。圖3-4絕對壓力、表壓、負(fù)壓（真空度）的關(guān)系測壓儀表液柱式壓力計重力與壓力平衡，P=ρghU形管壓力計、斜管壓力計彈性式壓力計彈性力與被測壓力平衡，形變反應(yīng)力大小彈簧管壓力計、波紋管壓力計電氣式壓力計物質(zhì)的物理特性與壓力有關(guān)電阻應(yīng)變片式、電容式、壓電式、電感式、霍爾式活塞式壓力計被測壓力與活塞上砝碼質(zhì)量平衡標(biāo)準(zhǔn)表測壓儀表按其轉(zhuǎn)換原理的不同可分為四類。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

U形管壓力計單管壓力計

優(yōu)點這類壓力計結(jié)構(gòu)簡單、使用方便

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。缺點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。4.活塞式壓力計

它是根據(jù)水壓機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)點缺點測量精度很高，允許誤差可小到0.05%～0.02%。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價格較貴。

2.1.2彈性式壓力計定義

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

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。

可用來測量幾百帕到數(shù)千兆帕范圍內(nèi)的壓力。1.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3-5

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。2.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

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的壓力表。將普通彈簧管壓力表稍加變化，便可成為電接點信號壓力表，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現(xiàn)壓力的自動控制。

圖3-7電接點信號壓力表1，4

—靜觸點；2

—動觸點；3

—綠燈；5

—紅燈

壓力表指針上有動觸點2，表盤上另有兩根可調(diào)節(jié)指針，上面分別有靜觸點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)。2.1.3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。優(yōu)點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)過程中可以實現(xiàn)壓力自動控制和報警，并可與工業(yè)控制機聯(lián)用。

圖3-8電氣式壓力計組成方框圖組成

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、微處理機等。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)強度；I為控制電流的大小。

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。

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現(xiàn)遠(yuǎn)距離顯示和自動控制。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3-11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。工作原理圖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；

便于實現(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)。4.壓電式壓力傳感器形變—極化—壓電效應(yīng)5.力矩平衡壓力變送器力矩平衡原理6.電容式壓力變送器

電容式壓力變送器是一種開環(huán)檢測儀表，具有結(jié)構(gòu)簡單、過載能力強、可靠性好、測量精度高等優(yōu)點，其輸出信號是標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA（DC）電流信號。

工作原理圖3-13電容式差壓變送器原理圖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—引線先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后進(jìn)行測量。

電容式壓力傳感器結(jié)論：(1)相對變化值與被測差壓成線性關(guān)系。

(2)與介電常數(shù)無關(guān),可大大減小溫度對變送器的影響。(3)

與有關(guān)。愈小，靈敏度越高。2.1.4壓力計的選用及安裝1.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

儀表精度等級的選取

儀表測量范圍的確定

舉例

例3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，并能高低限報警，試正確選用一臺壓力表，指出型號、精度與測量范圍。

解由于往復(fù)式壓縮機的出口壓力脈動較大，所以選擇儀表的上限值為

根據(jù)就地觀察及能進(jìn)行高低限報警的要求，由本章附錄一，可查得選用YX-150型電接點壓力表，測量范圍為0～60MPa。

由于，故被測壓力的最小值不低于滿量程的

1/3，這是允許的。另外，根據(jù)測量誤差的要求，可算得允許誤差為所以，精度等級為1.5級的儀表完全可以滿足誤差要求。至此，可以確定，選擇的壓力表為YX-150型電接點壓力表，測量范圍為0～60MPa，精度等級為1.5級。

2.壓力計的安裝

（1）測壓點的選擇

(應(yīng)能反映被測壓力的真實大小)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，取壓點應(yīng)在管道下（上）部，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存氣（液）體。（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。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3-17壓力計安裝示意圖１—壓力計；２—切斷閥門；３—凝液管；