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1、2.3 压力检测及仪表 压力是工业生产中的重要工艺参数之一。如在化工、炼油等生产工艺中，经常会遇到压力，包括高压、超高压和真空度（负压）的测量。,2.3.1压力检测的方法 工程上习惯把垂直作用于作用单位面积上的力称为 “压力”。即 P = F/S,压力的单位是“帕斯卡”1Pa =1N/m2 1MPa =106Pa 1工程大气压 = 1kg /cm2 = 9.80665104Pa 0.1MPa,工程中压力的表示方式有： 表压、负压（真空度）、 差压、绝对压力。,工业中所用仪表的压力指示值，大多数为表压和差压。,p差压 = p被测压力1 - p被测压力2,表压 、绝对压力、负压（真空度）、差压之间
2、的关系：,p表亚 = p绝对压力 - p大气压力,p真空镀 = p大气压力 - p绝对压力,压力测量仪表品种很多，按照其转换原理的不同，大致可分为四大类。,1、液柱式压力计 利用液体静力学原理测压，如U型管压力计，当被测压力P大于大气压力B时，液柱会产生高度差。,在U型管h2处等压面上有： P +1g( H+h1+h2 ) =B + 2g H + g( h1+h2 ) 则： p = P - B= (2 -1 ) g H + ( 2 ) g (h1+h2) 只要读出(h1+h2)便可知p,U型管压力计在读（h1h2）时，产生两次读数误差。为了减少读数误差，可将其改进为单管压力计和斜管压力计，测量
3、原理相似。 目前，液柱式压力计使用较少。,2、弹性式压力计,它是将被测压力转换成弹性元件的变形位移进行测量的。,3电气式压力计 是通过各种敏感元件将被测压力转换成电量（电压、电流、频率等）进行测量的。例如力平衡式压力变送器、电容式压力变送器等。 4活塞式压力计 是根据液体传送压力的原理，将被测压力与活塞上所加的砝码质量进行平衡来测量的。它的测量精度很高。,2.3.2 弹性式压力计 利用弹性元件受压产生变形可以测量压力。由于其产生的位移或力易转化为电量，且构造简单，价格便宜，测压范围宽，被广泛使用。 常用的弹性元件有5种：,（1）单圈弹簧管 将截面为椭圆形的金属空心管弯成270圆弧形，顶端封口，
4、当通入压力 p 后，它的自由端就会产生位移。,测压范围较宽，可高达1000MPa。,（2）多圈弹簧管 为了在测低压时增加位移，可以将弹簧管制成多圈状。,（3） 膜片 用金属或非金属材料做成的具有弹性的圆片（有平膜片和波纹膜片）。在压力作用下，其中心产生变形位移。可测低压。,（4） 膜盒 将两张金属膜片沿周口对焊，内充硅油。使膜片增加强度。,( 5 ) 波纹管 位移最大，可测微压（1MPa)。,弹簧管压力表的品种规格繁多。按其用途不同，有普通弹簧管压力表、耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。但它们的外形与结构基本相同，只是所用的弹簧管材料有所不同。,2.3.2.2弹簧管压力表,弹簧管压力表的
5、结构原理,1 - 弹簧管,2- 拉杆,3- 扇形齿轮,4- 中心齿轮,5- 指针,6 面板,7 游丝,8 调整螺钉,9 接头,弹簧管是一根弯成270圆弧的椭圆截面的空心金属管，管子的自由端B封闭，并连接拉杆及扇形齿轮，带动中心齿轮及指针。,在被测压力 p 的作用下，弹簧管的椭圆形截面趋于圆形，圆弧状的弹簧管随之向外扩张变形。 自由端B的位移与输入压力p成正比。通过拉杆、齿轮的传递、放大，带动指针偏转。,基本测量原理,传递及放大过程,游丝7用来压紧扇形齿轮和中心齿轮间的接触面。,自由端B的位移,拉杆2,扇形齿轮3,中心齿轮4,同轴的指针5转动,在面板6的刻度标尺上 指示出被测压力p的数值,调整螺
6、钉8的位置，即改变了机械传动系数，调整了仪表量程。,测压关系： 自由端的相对角位移 / o 与被测压力P成正比。,/ o = KP,K常数,生产中，常需要把压力控制在某一范围内。要求当压力超出给定范围时，测量仪表能发出信号，以提醒操作人员，或启动继电器实现压力的自动控制。这就要求压力表带有报警或控制输出。,电接点压力表 在普通弹簧管压力表的基础上稍添部件，便可成为电接点信号压力表。,增加两个报警针，上面分别装静触点1和4，指示针上装动触点2。分别用软导线引至输出接线柱。,使用时可后接两个信号灯或继电器3、5。,报警原理： 若压力降到下限值时，动触点2与静触点1接触，接通了信号灯3的电路。当压力
7、超过上限值时，动触点2和静触点4接触，信号灯5的电路被接通。,2.3.3电气式压力计 电气式压力计是指将压力转换成电信号进行显示的仪表。电气式压力变送器是指将压力转换成标准电信号输出的仪表。 电气式压力计一般由压力传感元件、测量电路和信号处理电路所组成。,2.3.3.1电容式差压（压力）变送器 当电容式差压变送器的一个被测压力是大气压时，就成为压力变送器。 电容式压力变送器是20世纪70年代初由美国公司研发。结构简单、过载能力强、可靠性好、精度高、体积小。 电容式压力变送器先将压力的变化转换为电容量的变化，然后用电路测电容。 其输出信号是标准的420mA（DC）电流信号。,P1=P2时： C1
8、=C2=K2 /d0,K2 =S/4,差压传感部件,P1P2时： 测量膜片中心位移： d = K 1P K 1弹力系数,P1-P2 =P 中心膜片变形位移 电容量变化,当P2是大气压时，为压力传感部件。,有：,K3=K1 / d0,两个电容的电容量变为：,由测量电路将电容变化量转换为电压。,如图是一种测电容充放电电流的原理电路。 正弦波电压E加于差动电容C1、C2上，R1R4的阻抗都比C1、C2的阻抗小得多，则流过C1、C2的半周期电流近似为：,取R1=R2=R4，得：,因为：V1=I1R1、V2=I2R2、V4=I4R4， 则：,令V1、V2、V4表示R1、R2、R4的压降,在实际电路中，当
9、差动电容Cl、C2变化时，用负反馈自动调节供电电压E的幅度，使流过它们的电流之和Io保持恒定。,由上式可知，当V4 =IoR4不变时，测出V2V1，则可知P,如图为电容式压力变送器的原理线路。,A1供给振荡器电源,通过负反馈保证R4两端的电压恒定,A2将Rl，R2两端的电压相减,RP1调整电流负反馈，实现量程迁移,特点：灵敏度高，量程宽，过载能力强。没有杠杆传动机构，因而结构紧凑，稳定性与抗振性好，测量精度高，可达0.2级。,电容差压变送器,法兰式电容差压变送器,2.3.3.2 应变式压力传感器 应变式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。电阻应变片有金属应变片（金属丝或金属箔）和半导体应变片两
10、类。如金属丝应变片的结构：,R=L/S,电阻应变原理： 当应变片产生纵向拉伸变形时，L变大、S变小，其阻值增加；当应变片产生纵向压缩变形时，S 变大、 L变小，其阻值减小。,应变筒1的上端与外壳2固定在一起，下端与膜片3紧密接触。应变片r1沿应变筒轴向贴放；r2沿径向贴放。当被测压力p作用于膜片、使应变筒作轴向受压变形时，r1纵向压缩应变、阻值变小；r2纵向拉伸应变、阻值变大。,金属应变片的应用,金属应变片要紧贴在应变物上使用。如测梁的受力。如果没有应变物，只测气体的压力，则要借助于应变筒。,应变片电阻的变化可用电桥测出。 r1和r2的变化，使桥路失去平衡，有不平衡电压U输出。 r1、r2设置
11、在相邻桥臂，既可以提高灵敏度，又有温度补偿作用。温度升高时，r1、r2阻值都升高，各自得到的电源压降不变。,应变片r2,应变片r1,利用半导体材料的压阻效应将压力转换为电信号。 压阻效应受压时电阻率发生变化。 如图是一种半导体测压传感部件。,在杯状单晶硅膜片的表面上，沿一定的晶轴方向和位置扩散着四个长条形电阻。,2.3.3.3压阻式压力传感器,实验表明，圆形硅膜片在受压力变形时，其圆心区域和边缘区域受力性质不一样。以半径 63.2% 为界，圆心区域受拉应力，边缘区域受压应力。受拉时，扩散电阻阻值增大；受压时，扩散电阻阻值减小。四个电阻可以构成全桥电路。,在硅膜片上扩散四个阻值相等的电阻，接成全
12、桥式输出电路，不但可以提高电桥灵敏度，还可以获得温度补偿，抵消半导体电阻随温度变化引起的误差。,扩散硅压力变送器,2.3.3.4 压电式压力传感器 利用某些材料的压电效应原理制成。具有这种效应的材料如压电陶瓷、压电晶体称为压电材料。 压电效应：压电材料在一定方向受外力作用产生形变时，内部将产生极化现象，在其表面上产生电荷。当去掉外力时，又重新返回不带电的状态。这种机械能转变成电能的现象，称之为压电效应。,压电材料上电荷量的大小与外力的大小成正比。,如图所示，压电陶瓷的极化方向为z轴方向。如果在z轴方向上受外力作用，则垂直于z轴的x、y轴平面上面和下面出现正负电荷。,压电材料作为力敏感元件，从其
13、输出特性可以看作是一个电荷源（静电发生器）；从其材料特性可以等效为一个电容。其等效电路为：,Ca等效电容 Ra等效漏电阻,后接电压放大器或电荷放大器即可。,2.3.4智能式差压变送器 智能式差压变送器内部电路装有CPU芯片，有很强的数字处理能力。除检测功能外，还具有静压补偿、计算、显示、报警、控制、诊断等功能。与智能式执行器配合使用，可就地构成控制回路，并随时与上位机通讯。,2.3.4.1 3051C HART变送器 3051型差压变送器是美国罗斯蒙特公司的一种智能型两线制变送器，有电容式和压电式两种。图2.44是 3051C 电容式变送器的原理框图。,传感器部分与模拟仪表一样，测量信号经AD
14、转换后送微处理器处理。输出符合HART协议的数字信号叠加在由DA输出的420mA信号线上。,3051C HART变送器,可同时用于数字控制系统和模拟控制系统。将数据设定器跨接在信号线上，可以读取变送器的输出信号，并对变送器进行组态。,3051C HART变送器,（1）仪表类型的选择 1、满足工艺的要求。例如是否需要远传、自动记录 或报警； 2、被测介质的物理化学性能（诸如腐蚀性、温度高低、粘度大小、脏污程度、易燃易爆性能等）是否对测量仪表提出特殊要求； 3、现场环境条件（诸如高温、电磁场、振动及现场安装条件等）对仪表类型有否特殊要求等。,压力表的选择、安装与校验,根据工艺要求正确选用仪表类型是
15、保证仪表正常工作及安全生产的重要前提。 例如普通压力计的弹簧管大多采用铜合金，而氨用压力计弹簧管的材料却都采用碳钢，不允许采用铜合金。因为氨气对铜的腐蚀极强，普通压力计用于氨气压力测量时很快就要损坏。 又如氧气压力计与普通压力计在结构和材质上完全相同，但是氧用压力计禁油。因为油进入氧气系统易引起爆炸。所以，氧用压力计校验时，不用变压器油作为工作介质。,（2）仪表测量范围的确定 为了合理、经济使用仪表，仪表的量程不能选得太大，但为了保证测量精度，一般被测压力的最小值不低于仪表满量程的1/3为宜。,同时为了延长弹性元件的使用寿命，避免弹性元件因长期受力过大而永久变形，压力计的上限值应该高于被测量的
16、最大值（量程的1/21/3） ，留有余量。,（3） 仪表精度的选取 仪表精度是根据工艺生产上所允许的最大测量误差来确定的。不能认为选用的仪表精度越高越好，应在满足工艺要求的前提下，尽可能选用精度较低、价廉耐用的仪表 例题 某台压缩机的出口压力范围为2528MPa，测量绝对误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。,要求条件为： 被测脉动压力2528MPa，测量绝对误差1MPa，就地观察、高低限报警。 解： 脉动压力对仪表寿命影响很大，故选择仪表的上限值为：,若选压力表的测量范围为060MPa 则： 25MPa / 60MPa 1/3 被测压力的最小值不低于满量程的1/3，下限值也符合要求。,故选精度等级为1.5级的仪表可以满足误差要求。 答：根据就地观察及能进行高低限报警的要求，可选用YX150型电接点压力表，测量范围为060MPa，精度等级
