热工测量及仪表(压力)综述

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1、1 热工测量及仪表 第8章 压力及压差测量 任课教师： 曹 勇 电 话：18388426460 2 一、基本概念及意义 压力 垂直作用于物体表面上的力。 压强 垂直作用于单位面积物体表面上的力。 “通常所说的压力实际上是指压强。” 压差 测量两个压力之差称压差。 表压力压力仪表指示的压力值。 缺省情况下，所说的压力值即指表压力， 表压力可正可负，为负时其绝对值称为真空度。 意义：供水、供气、液压、轧制力、挤压力等 3 帕(Pa) N/m2，国际单位 兆帕(MPa) 106Pa 工程大气压， kgf/cm2 ，98070 Pa，约等于一个 大气压（1.013105 Pa) 1mmH2O= 9.8

2、1 Pa 1mmHg =133 Pa 二、压力单位 4 三压力测量仪表的分类 1液柱式压力计 2弹性式压力计 3负荷式压力计 4电气式压力计 应变式压力传感器 5 3.1 液柱式压力计 v分类 nU型管压力计 n单管压力计 n斜管式微压计 v特点：结构简单，使用方便，准确度比较高， 常用于测量低压、负压、差压。 v缺点：体积大，读数不方便，玻璃管易损坏。 6 液柱式压力计 7 3.1.1 U型管压力计 根据流体静力学原理可得： 选用小的1 可提高压力计灵敏度。 选用大的1 可提高压力计的测试范围。 被测介质为气体时，2远小于1，则 8 U型管压力计 9 3.1.2 单管式压力计 A1、A2为常

3、数，这样可通过一次读 数进行压差测量。当A2/A1很小时， h1可忽略，公式简化为： Pd Px 直管 h1 h2 10 11 3.1.3斜管式压力计 P1 P2 斜管 h1 h2 L 主要用于测量微小的压力、负压和压差 。为了减少读数的相对误差，拉长液柱， 将测量管倾斜放置。 12 3.1.3斜管式压力计 实际应用时可以改变，越小，灵 敏度越高，拉长液柱，会影响读数的准确 性，一般15o 。 13 3.1.3 斜管式压力计 P1 14 15 3.1.4液柱式压力计的误差 1环境条件的影响 对于一般的工业测量，主要考虑温度使液体 密度变化对压力测量的影响。修正公式为： 重力加速度使液体密度变化

4、的影响 标准重力加速度 下的工作液柱高 度 使用地点的工 作液柱高度 16 3.1.4液柱式压力计的误差 2安装的影响 U形管采用自由悬挂、微压计要安装水平仪， 管路不得泄露和堵塞。 3. 毛细管现象的影响 为了减少该误差，通常要求测量管的内径一 般 不小于10mm。 17 3.1.4液柱式压力计的误差 4. 读数方面的影响 从凸面或凹面的顶点算起 18 3.2 弹性式压力计 原理：利用各种不同形状弹性感压元件在被测压力的作用下，产 生弹性变形制成的测压仪表。 F=CX， F=AP， X=P*A/C C:弹性元件的刚性系数 特点：结构简单、牢固可靠、测压范围广、使用方便、造价低廉 、有足够的精

5、度，可远传。 常用弹性压力表： 膜片式 波纹管式 弹簧管式 19 20 21 膜片 使用时周边夹紧，测低压、微压。将两块膜片沿周 边对焊起来，形成一膜盒，膜盒式微压计通常用于测量 炉膛和烟道尾部负压。精度等级为2.5，最高可达1.5级 。(p147) PxPx Px Px 平薄片波纹片膜盒 22 开口端固定，封闭端的位移作为 输出，由于波纹管的位移相对较大， 大多直接指示，灵敏度高，常用于测 量较低的压力（1.0-106Pa）精度等 级1.5级。(149) 迟滞性较大。 2波纹管 23 Px 单圈弹簧管 多圈弹簧管(p153) 3弹簧管 24 若被测压力大于外界大气压力，产生短轴变长，长轴变

6、短的弹性形变，使管子在弯曲方向上的刚度增大，自由端向 管子伸直的方向运动。对应的几何分析如下： 3.2.1弹簧管式压力计 两式相减 : 因为： 可得: R1 R2 25 弹簧管在量程范围内自由端的位 移一般为7-8o，位移量很小。弹簧管 作成多圈时，自由端的位移可达45o。 弹簧管的自由端的位移可通过杠杆机 构带动指针转动，这种机构的指针最 大转角为180o，通常作成90度的回转 角。最常用的传动机构为杠杆扇形 齿轮机构，可使指针转动270o。 26 27 精密压力表一般压力表 28 3.2.2 电接点压力表 其测量工作原理和一般 弹簧管压力计完全相同。 它有一套发讯机构，在 指针的下部有两个

7、指针，一 个为高压给定指针，另一个 为低压给定指针，利用专用 钥匙在表盘的中间旋动给定 指针的销子，将给定指针拨 到所要控制的压力上、下限 值上。 电接点压力表（径向） 29 电接点压力表的用途： a、可作为高、低压报警； b、可以接其它继电器等自动设备，起联锁和自 动操作 作用； C、但不能远传压力指示。 触点的供电电压：交流电不得超过380V，直流220V以 下； 触点的最大容量10VA，电流1A。 30 不锈钢耐震电接点压力表 在热力生产过程中，不仅需要进行压力的显 示，而且还需要将压力控制在某一范围内。例 如：锅炉汽包压力，过热蒸汽压力等 31 3.2.3 薄膜式压力计 原理： 压力信

8、号从引压口、导压管引入膜 盒，使膜盒产生变形。通过传动机构带 动指针转动进行压力值指示。 用途： 常用于火力发电厂锅炉风烟系统的 风、烟压力测 量及锅炉炉膛负压测量。 结构图： 测量范围为1504000Pa，准确度等 级一般为2.5级。 32 膜合压力表 33 YEJ1、YEJ1F矩形膜 合压力表用于测量不起腐 蚀作用的空气或其他气体 介质的微压或负压，一般 用在空气管道、燃烧装置 以及其他类似的设备上 (p147) 。 矩形膜合压力表 34 3.3 负荷式压力计 n特点：应用范围广、结构简单、稳定可靠 、准确度高、重复性好。 n是检验、标定压力表的标准仪器之一。 n常用有活塞式压力计 、浮球

9、式压力计 35 3.3.1 活塞式压力计 原理： 是根据流体静力平衡原理工作的，利 用压力作用在活塞上的力与砝码的重力 相平衡的原理设计而成的。如图所示。 主要由压力发生部分和测量部分组成。 36 压力发 生部分 测量 部分 37 常用校验压力表的标准仪器 活塞式压力计 38 超高压活塞压力计 39 3.3.2使用注意事项 (1)使用前应检查油路是否畅通，密封处是否紧固 ，不得存在有堵塞或泄漏的现象。 (2）活塞进入活塞筒中的部分等于活塞全长的2/3 3/4。 (3)活塞压力计的编号应与专用砝码编号一致。 (4)活塞与活塞筒之间配合间隙非常小，测量时应 轻轻地转动活塞。 40 (5)活塞应处于

10、沿直位置，可应用活塞压力计底 盘上的水泡来调节。 (6)当用作检定压力仪表的标准仪器时，其压力 计的综合误差应不大于被检仪表基本误差的绝 对误差的1/3, 41 3.3.3 浮球式压力计 组成：由浮球、喷嘴 、砝码支架、专业砝 码、流量调节器、气 体过滤器、底座组成 。 n浮球压力计主要用于 计量室、实验室以及 生产或科学实验环节 作为压力基准器使用 。 42 浮球式压力计是以 压缩空气或氮气作 为压力源，以精密 浮球处于工作状态 时的球体下部的压 力作用面积为浮球 有效面积的一种气 动负荷式压力计 。 如右图所示。 （右图） 浮球式压力计原理图 43 工作原理 从汽源来的压缩空气经气体过滤器

11、减压， 再经流量调节器调节,达到所需流量(由流量计 读出)后，进入内腔为锥形喷嘴，并喷向浮球 ，气体向上的压力使浮球在喷嘴内漂浮起来， 浮球上挂有砝码，和砝码架，当浮球所受的向 下的重力和向上的浮力相平衡时，就输出一个 稳定而准确的压力。 44 浮球式压力计具有下列特点： （与活塞式压力计相比） 1、浮球式压力计内置自动流量调节器，增、减 砝码后无须再作任何操作，即可得到精确的输 出压力； 2、工作时 浮球不下降，可连续稳定地输出精确 的压力信号； 3、浮球式压力计具有流量自行调节功能，其精 确度与操作者的技术水平无关； 45 4、仪器工作时气流使浮球悬浮于喷嘴内，球体 与喷嘴之间处于非接触状

12、态。其摩擦小、重复性 好、分辨能力高，且免除了旋转砝码的必要。这 是浮球式压力计所独具的特性； 46 5、工作进程中，气流能不 断地对浮球体进行自清 洗，确保仪器的高可靠 性。浮球式压力计的底 盘安装在一个箱式底座 上（右图所示），底盘 即为压力计的工作台面 。其上设有水平仪和操 控阀，其下侧设有气源 接口，用于压力计与压 力源的连接。 47 3.4 电气式压力表 电气式压力表是利用压力敏感元件，将被测压 力转换成各种电量，如电阻、频率、电荷量等 来实现测量的。 能实现压力电量转换的压敏元件主要有压电 材料、应变片和压阻元件。 适合于压力变化快和高真空、超高压的测量。 主要有压电式压力计、压阻

13、式压力计等。 48 3.4.1 压电式压力计 主要用于测量内燃机汽缸、进排气管压力 。 u压电效应：压电材料受压时发生机械变形，在其两个相 对表面上产生电荷分离，使其中一个表面带正电荷，另 一个带负电荷，其电荷量与所受的压力成正比。 u压电元件：具有压电效应的材料。 u压电材料：单晶体、多晶体。 u特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，线性度 好，频率响应高，量程范围广。 49 工作过程： 压电元件被夹在两块性 能相同的弹性元件（膜 片）之间，膜片的作用 是把压力收集转换成集 中力，再传递给压电元 件。 50 电气式压力计开机显示图电气式压力计使用接管图 51 3.4.2 压阻式压力计 u

14、压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力敏感元 件，它指在半导体材料的基片上用集成电路工艺 制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由 于电阻率的变化而改变。 u扩散电阻正常工作需依附弹性元件，常用的是单 晶硅膜片。 52 53 u优点：体积小，结构简单，能直接反映微 小的压力变化，动态响应好 u缺点：敏感元件易受温度的影响，从而影 响压阻系数的大小 54 四、压力传感器和变送器 为适应集中检测、热工保护、自动调节等热工 测量和自动化的需要，通常测压弹性元件输出的 位移或力变换成统一 的电信号，为此产生了压力 变送器。常用传感器有电位式、电感式、霍尔式 、平衡式、电容式、应变式、振弦式和智能型等

15、八种。（p156） 55 4.1 电容式变送器 电容式变送器主要用于连续测量流体介 质的压力、差压、流量、液位等热工参 数，将它们转换成直流电流。类型有差 动电容式和单端电容式。 1、1151系列差动式变送器 电容式变送器结构上由测量和转换两部 分构成。 56 1151电容式压力变送器的总体结构 差动电 容K2 膜片 K1 测量电 路K3 放大输出 电路K4 p d I2 I0 转换部分 测量部分 被测差压p作用在金属膜片上，使膜片产生微小位移 d，引起差动电容量发生变化，再由测量电路和放大输 出电路将电容量的变化转换成标准电流信号。 它采用24V （DV）集中供电， 42OmA的二线制电流信号。 57 测量部分工作原理 电容式变送器有一个可变电容 的传感器组件，称为元件，被 测介质的两种压力通入高、低两 压力室，作用在元件的两侧隔 离膜片上，过程压力通过隔膜片 和元件内的填充液传到中心的 测量膜片两侧，当两侧压力不一 致时，致使测量膜片产生位移， 其位移量和压力差成正比，故两 侧电容就不等。膜片和两侧固定 电容极板之间的电容差由电子电 路检测、放大转换成4-2OmA的标 准直流电流信号输出。(p146) 58 1151系列差动式变送器 59 1151功能参数 1、使用对象：液体