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1、第7章 压力测量,7.1 液柱式压力计,液柱式压力计是用一定高度的液柱所产生的静压力平衡被测压力的方法来测量压力的。 常用于测量低压、负压和差压。,1 U形管压力计 1,2肘管；3封液,p=p1-p2=（h1h2）(1-2)g =h(1-2)g 1、2:U形管中所充封液密度和封液上面的介质密度； h：两肘管中封液的高度差，h=h1+h2； g：重力加速度。,2 单管式压力计 1- 宽容器；2-带标尺的肘管；3-连通管；4-水准泡,h2f=h1A f,A:分别为肘管截面积和大容器截面积； h2,h1:分别为封液在肘管中上升和大容器中下降的高度。 p=p1-p2=(h1+h2)(1-2)g =h2
2、(1+f/A)(1-2)g 当f、A一定时，系数(1+f/A)为常数。封液密度1和封液上面的介质密度2为定值，只要读取肘管中液面上升高度h2就可测得差压值p。,3 斜管式微压计 1 宽容器；2倾斜肘管,p=p1-p2=(h1-h2)(1-2)g 测量气体，2可略去； h2=lsin; h1=lf/F=l(d2/D2) 式中 f,d:斜管截面积和内径； F,D:大截面容器截面积和内径。 p=l(sin+d2/D2)1g=Kl 式中 K:系数。,7.2 弹性式压力计,压力计中以弹性元件为敏感元件感受压力变化。 常见的测压弹性元件有金属膜片式（包括膜盒式）、波纹管式和弹簧管式三类。,（输入）,压力,
3、面积一定,力,弹性极限内,弹性变形,（输出）,弹性力,膜盒式 单膜盒 膜盒组,波纹管式 无缝波纹管 有缝波纹管,弹簧管式 C字形 螺旋形 螺线形,1 弹性特性 弹性元件在负荷的作用下，产生相应的变形，此变形与负荷间的关系称为弹性元件的弹性特性。 s-弹性元件的位移；弹性元件的转角； p、F、M分别为作用在弹性元件上的压力、力与位移。,2 弹性滞后 弹性元件在其弹性变形范围内，加负荷与减负荷时表现的弹性特性不重合的现象，称为弹性滞后。,3 弹性后效 当负荷停止变化(p=p1)或完成卸负荷后（p=0），弹性元件不是立刻完成相应的变形，而是在一段时间内继续变形，这张现象称为弹性后效。,7.3 压力（
4、差压）信号的电变送方法,1 变送器 变送器的作用是将各种工艺参数，如温度、压力、流量、液位等物理量转换成统一的标准信号。,1.1构成 变送器是基于负反馈原理工作。,测量部分用以检测被测参数x，并将其转换成能被放大器接受的输入信号Zi（电压、电流、位移、作用力或力矩等信号）。 反馈部分将变送器输出信号Y转换为反馈信号Zf。 放大器将=ZiZ0-Zf放大、处理为标准信号Y输出。 输出与输入：Y=K=K(ZiZ0-Zf) = K(ZiZ0-FY) 有 Y=K (CXZ0) /(1+KF) =(CXZ0)/(1/K+F) 满足深度负反馈时，即K1，Y=(CXZ0) /F,若Zi、Zf、Z0是电量，则称
5、为电平衡。 若Zi、Zf、Z0是力或力矩，则称为力平衡或力矩平衡。 如果转换系数C和反馈系数F是常数，输出、输入将保持良好的线性关系。,1.2 量程调整 量程调整是使变送器输出信号的上限ymax（即统一信号的上限值）与测量信号的上限值xmax相对应。 量程调整相当于改变输入输出特性的斜率，即改变y与x的比例系数，通常是通过改变F实现。 Y=(CXZ0) /F F大，量程大；F小，量程小。,1.3 零点调整 零点调整是使xmin=0时，yymin。,1.4 零点迁移 零点迁移是将测量起始点由零迁移到某一数值（正或负值）。 正迁移，xmin0；负迁移xmin0。 从Y=1/F(CXZ0)，迁移可通
6、过改变调零信号Z0的大小实现。,1.5 模拟信号的传输 电压传输方式,电压传输误差,在满足RiR0+Rcm时， 当线路电阻变化时，nRcm引起的变化就会比较大，会产生较大的误差， 所以不适合作远距离传送。,电流传输方式,电流传输误差：,在满足R0Rcm+nRi时， 发送仪表R0很大，相当于一个恒流源。 因此，当连接导线长度在一定范围内变化时，仍能保证信号的传送精度。 所以，电流传输方式适于远距离传输。,1.6 电源与模拟信号传输方式 四线制传输 电源、模拟信号分别用两根导线传输。 二线制传输 变送器与接收仪表之间仅用两根导线连接，既是电源线，又是信号线。,由变送器的动力源分为电动变送器、气动变
7、送器。 电动变送器从40年底的位移式开始经力平衡式到70年代已发展到微位移式，目前向数字化、智能化发展。,2 电位器式压力变送器 把测压弹性元件的输出位移转换成微型电位器滑动触点的位移，从而把被测压力的变化变换成电阻值的变化，进一步转换成电流或电压。 结构简单，使用维护方便，动态特性差，精度差。,3 力平衡式压力变送器 1杠杆系统；2副杠杆；3差动变压器；4位移检测放大器；5反馈动圈。,1测量元件 2连接簧片 3轴封膜片 4主杠杆 6矢量板 7量程调整丝杆 9位移检测片 10放大器 11差动变压器 12副杠杆 13反馈动圈 14调零弹簧,4电容式压力（差压）变送器 变送器由测量部分和转换部分组
8、成。,差动电容,把差动电容近似看成为平板电容 无差压时：Ci1=Ci2； 有差压时：d=K1Pi Ci1=A/(d0+d), Ci2=A/(d0-d) C=Ci2-Ci1=A1/(d0-d)-1/(d0+d) =2dA/(d02-d2)，C与d为非线性。 (Ci2-Ci1)/(Ci2+Ci1)=A2d/(A2d0)=d/d0=K2d =K1K2Pi,上式表明： (Ci2-Ci1)/(Ci2+Ci1)与d成线性关系； (Ci2-Ci1)/(Ci2+Ci1)与介质常数无关； (Ci2-Ci1)/(Ci2+Ci1)的大小与d0有关。 使用差动电容的优点：灵敏度高、非线性小，并能补偿温度误差。,5 智
9、能式压力（差压）变送器 采用先进的传感器制造技术、计算机补偿、数字化和通信等技术，实现力电转换、补偿和人机对话。 变送器可靠性高、稳定性好、精度高，具有遥控设定、调整和自诊断等功能。 1）变送器的构成,差压信号用温度和静压进行修正，因温度、静压变化而引起的飘移量极小，所以在温度和静压变化相当激烈的系统里也可作为高精度测量仪器。 CPU的处理功能有：检测部分线性化、量程调整、转换、阻尼、诊断和通讯。 2）基本工作原理 P作用于测量膜片，产生位移s，位移s通过差动变压器产生电容变化信号(Ci2-Ci1)/(Ci2+Ci1)，电容变化由相应电路转换成模拟信号，经A/D转换为数字信号，进入CPU，经C
10、PU处理后分为两路。 一路：由D/A转换为420mADC输出，供模拟仪表指示、控制用； 一路：由数字通讯器发出数字信号，供通讯、数字式仪表用。,在需要进行远传遥控时，只要将远传通讯器连接在变送器输出的端子上，即能进行询问、诊断和设定调整等操作。,7.4 压力信号的气变送方法,气动仪表是用压缩空气(140kPa)作为动力源，输出标准压力信号(20100KPa)。与电动仪表相比，具有天然防爆、安全的特点，所以适合于在危险性的现场工作。 1 气动压力（差压）变送器的组成 从结构来看，变送器是由两部分组成： 测量部分：将压力转换成测量力或位移。 转换部分：将测量力或位移转换成标准压力信号。,2 转换部
11、分的工作原理 转换部分的结构形式多种多样，一般可分为力平衡式与位移式两种。 放大器是转换部分的核心。,1）放大器结构 1恒气阻 2金属膜片 3阀杆 4钢球 5弹簧片,2）放大器工作原理 摆杆向下，出气阀通流面积减小，PD增大，膜片2向下运动，钢球4向下运动，弹簧片5向下运动，弹簧片5产生向上的弹性力使钢球4稳定在某一位置。 由于钢球4向下的运动使通流面积增大，压缩空气经过钢球4处的压力损失降低，使输出信号PB增大。 摆杆向上，出气阀通流面积增大，PD降低，作用在膜片2上的压力降低，钢球4在弹簧片5向上的弹性力作用下向上运动，金属膜片2产生向下的作用力，钢球4稳定在某一位置。 由于钢球4向上的运
12、动使通流面积降低，压缩空气经过钢球4处的压力损失增大，使输出信号PB降低。 于是，气动放大器将摆杆的运动转换为输出气压的高低。,3 测量部分的工作原理,7.5 压力和差压测量仪表的使用,压力（差压）测量系统由被测对象、取压口、导压管、测量仪表组成。 压力测点位置的选择好坏，信号管（导压管）敷设正确与否，对压力测量精度具有很大的影响。 1 测压仪表的选用原则 选择测压仪表时需考虑以下方面： 根据测量的精度要求选择压力表精度等级； 被测介质的物理、化学性质和参数（温度、粘度、腐蚀性等） 用途（标准、指示、记录和远传等）；,根据测量的压力情况选择压力表量程； 在平稳负荷情况下，规定被测压力的正常值为
13、压力计满刻度的2/3处。 被测压力经常波动，压力的正常值应在压力计满刻度的1/2处。,2 取压口的选择 取压口的选择，要考虑测出的压力能真正反映被测介质的压力，不能有附加的动压头或其它干扰。 取压口要选在管道的直线部分，不能处于流线紊乱的地方； 取压口的轴线应与被测介质流速方向垂直； 口部与设备内壁平齐，导压管最好不要插入管道内。 当一定要插入时，管道口平面应严格与流动方向平行。,取压口孔径不可太大。 在保证加工方便和不堵的情况下尽可能小些。 在压力波动较大和较频繁时，和对动态特性要求较高时，孔径应适当加大。 取压口加工后必须精心清理毛刺和加工表面，不要使取压口形成各种形状的扩口。 取压口的位
14、置 测量气体：一般在工艺管道上部。 测量液体：一般在工艺管道下部。,3 导压管敷设 压力变化时，导压管中的被测介质会发生流动，为此要消耗能量。能量消耗的多少，与导压管长度、直径、局部阻力、介质粘度等有关。因此，对导压管长度和管径有一定要求。要求管路不堵不漏、传递迅速。 导管长度不能过长，管道尽可能短而直； 过长的管道除了影响动态特性外，也不安全（防冬、隔热等方面的问题）。 为了防止高温介质在高温时进入压力计，导压管也不能过短。,导压管直径，根据被测介质的性质、压力大小和动态特性要求及导压管的长度选择。为了减小迟延，信号管路的内径不应小于8-12mm。 导压管倾斜方向，当被测介质为气体时，导压管应向取压口方向倾斜； 当被测介质为液体时，导压管应向压力计方向倾斜。,
