1、.,1,熱工測量及儀表 第8章 壓力及壓差測量,任課教師： 曹 勇 電 話.,2,一、基本概念及意義,壓力 垂直作用于物體表面上的力。 壓強 垂直作用于單位面積物體表面上的力。 “通常所說的壓力實際上是指壓強?！?壓差 測量兩個壓力之差稱壓差。 表壓力壓力儀表指示的壓力值。 缺省情況下，所說的壓力值即指表壓力， 表壓力可正可負，為負時其絕對值稱為真空度。 意義：供水、供氣、液壓、軋制力、擠壓力等,.,3,帕(Pa) N/m2，國際單位 兆帕(MPa) 106Pa 工程大氣壓， kgf/cm2 ，98070 Pa，約等于一個大氣壓（1.013105 Pa) 1mmH2O

2、= 9.81 Pa 1mmHg =133 Pa,二、壓力單位,.,4,三壓力測量儀表的分類,1液柱式壓力計 2彈性式壓力計 3負荷式壓力計 4電氣式壓力計,應變式壓力傳感器,.,5,3.1 液柱式壓力計,分類 U型管壓力計 單管壓力計 斜管式微壓計 特點：結構簡單，使用方便，準確度比較高，常用于測量低壓、負壓、差壓。 缺點：體積大，讀數(shù)不方便，玻璃管易損壞。,.,6,液柱式壓力計,.,7,3.1.1 U型管壓力計,根據(jù)流體靜力學原理可得：,選用小的1 可提高壓力計靈敏度。 選用大的1 可提高壓力計的測試范圍。,被測介質為氣體時，2遠小于1，則,.,8,U型管壓力計,.,9,3.1.2 單管式壓

3、力計,A1、A2為常數(shù)，這樣可通過一次讀數(shù)進行壓差測量。當A2/A1很小時，h1可忽略，公式簡化為：,Pd,Px,直管,h1,h2,.,10,.,11,3.1.3斜管式壓力計,P1,主要用于測量微小的壓力、負壓和壓差。為了減少讀數(shù)的相對誤差，拉長液柱，將測量管傾斜放置。,.,12,3.1.3斜管式壓力計,實際應用時可以改變，越小，靈敏度越高，拉長液柱，會影響讀數(shù)的準確性，一般15o 。,.,13,3.1.3 斜管式壓力計,P1,.,14,.,15,3.1.4液柱式壓力計的誤差,1環(huán)境條件的影響 對于一般的工業(yè)測量，主要考慮溫度使液體密度變化對壓力測量的影響。修正公式為：,重力加速度使液體密度變

4、化的影響,標準重力加速度下的工作液柱高度,使用地點的工作液柱高度,.,16,3.1.4液柱式壓力計的誤差,2安裝的影響 U形管采用自由懸掛、微壓計要安裝水平儀，管路不得泄露和堵塞。,3. 毛細管現(xiàn)象的影響 為了減少該誤差，通常要求測量管的內徑一般 不小于10mm。,.,17,3.1.4液柱式壓力計的誤差,4. 讀數(shù)方面的影響 從凸面或凹面的頂點算起,.,18,3.2 彈性式壓力計,原理：利用各種不同形狀彈性感壓元件在被測壓力的作用下，產(chǎn)生彈性變形制成的測壓儀表。 F=CX， F=AP， X=P*A/C C:彈性元件的剛性系數(shù) 特點：結構簡單、牢固可靠、測壓范圍廣、使用方便、造價低廉、有足夠的精

5、度，可遠傳。 常用彈性壓力表： 膜片式 波紋管式 彈簧管式,.,19,.,20,.,21,膜片,使用時周邊夾緊，測低壓、微壓。將兩塊膜片沿周邊對焊起來，形成一膜盒，膜盒式微壓計通常用于測量爐膛和煙道尾部負壓。精度等級為2.5，最高可達1.5級。(p147),.,22,開口端固定，封閉端的位移作為輸出，由于波紋管的位移相對較大，大多直接指示，靈敏度高，常用于測量較低的壓力（1.0-106Pa）精度等級1.5級。(149) 遲滯性較大。,2波紋管,.,23,單圈彈簧管 多圈彈簧管(p153),3彈簧管,.,24,若被測壓力大于外界大氣壓力，產(chǎn)生短軸變長，長軸變短的彈性形變，使管子在彎曲方向上的剛度

6、增大，自由端向管子伸直的方向運動。對應的幾何分析如下：,3.2.1彈簧管式壓力計,兩式相減 :,因為：,可得:,R1,R2,.,25,彈簧管在量程范圍內自由端的位移一般為7-8o，位移量很小。彈簧管作成多圈時，自由端的位移可達45o。彈簧管的自由端的位移可通過杠桿機構帶動指針轉動，這種機構的指針最大轉角為180o，通常作成90度的回轉角。最常用的傳動機構為杠桿扇形齒輪機構，可使指針轉動270o。,.,26,.,27,精密壓力表,一般壓力表,.,28,3.2.2 電接點壓力表,其測量工作原理和一般彈簧管壓力計完全相同。 它有一套發(fā)訊機構，在指針的下部有兩個指針，一個為高壓給定指針，另一個為低壓給

7、定指針，利用專用鑰匙在表盤的中間旋動給定指針的銷子，將給定指針撥到所要控制的壓力上、下限值上。,電接點壓力表（徑向）,.,29,電接點壓力表的用途： a、可作為高、低壓報警； b、可以接其它繼電器等自動設備，起聯(lián)鎖和自 動操作作用； C、但不能遠傳壓力指示。 觸點的供電電壓：交流電不得超過380V，直流220V以下； 觸點的最大容量10VA，電流1A。,.,30,不銹鋼耐震電接點壓力表,在熱力生產(chǎn)過程中，不僅需要進行壓力的顯 示，而且還需要將壓力控制在某一范圍內。例如：鍋爐汽包壓力，過熱蒸汽壓力等,.,31,3.2.3 薄膜式壓力計,原理： 壓力信號從引壓口、導壓管引入膜盒，使膜盒產(chǎn)生變形。通

8、過傳動機構帶動指針轉動進行壓力值指示。 用途： 常用于火力發(fā)電廠鍋爐風煙系統(tǒng)的風、煙壓力測 量及鍋爐爐膛負壓測量。 結構圖： 測量范圍為1504000Pa，準確度等級一般為2.5級。,.,32,膜合壓力表,.,33,YEJ1、YEJ1F矩形膜合壓力表用于測量不起腐蝕作用的空氣或其他氣體介質的微壓或負壓，一般用在空氣管道、燃燒裝置以及其他類似的設備上(p147) 。,矩形膜合壓力表,.,34,3.3 負荷式壓力計,特點：應用范圍廣、結構簡單、穩(wěn)定可靠、準確度高、重復性好。 是檢驗、標定壓力表的標準儀器之一。 常用有活塞式壓力計 、浮球式壓力計,.,35,3.3.1 活塞式壓力計 原理： 是根據(jù)流

9、體靜力平衡原理工作的，利用壓力作用在活塞上的力與砝碼的重力相平衡的原理設計而成的。如圖所示。主要由壓力發(fā)生部分和測量部分組成。,.,36,壓力發(fā)生部分,測量部分,.,37,常用校驗壓力表的標準儀器 活塞式壓力計,.,38,超高壓活塞壓力計,.,39,3.3.2使用注意事項,(1)使用前應檢查油路是否暢通，密封處是否緊固，不得存在有堵塞或泄漏的現(xiàn)象。 (2）活塞進入活塞筒中的部分等于活塞全長的2/33/4。 (3)活塞壓力計的編號應與專用砝碼編號一致。 (4)活塞與活塞筒之間配合間隙非常小，測量時應輕輕地轉動活塞。,.,40,(5)活塞應處于沿直位置，可應用活塞壓力計底盤上的水泡來調節(jié)。 (6)

10、當用作檢定壓力儀表的標準儀器時，其壓力計的綜合誤差應不大于被檢儀表基本誤差的絕對誤差的1/3,.,41,3.3.3 浮球式壓力計 組成：由浮球、噴嘴、砝碼支架、專業(yè)砝碼、流量調節(jié)器、氣體過濾器、底座組成。 浮球壓力計主要用于計量室、實驗室以及生產(chǎn)或科學實驗環(huán)節(jié)作為壓力基準器使用。,.,42,浮球式壓力計是以壓縮空氣或氮氣作為壓力源，以精密浮球處于工作狀態(tài)時的球體下部的壓力作用面積為浮球有效面積的一種氣動負荷式壓力計 。如右圖所示。,（右圖） 浮球式壓力計原理圖,.,43,工作原理 從汽源來的壓縮空氣經(jīng)氣體過濾器減壓，再經(jīng)流量調節(jié)器調節(jié),達到所需流量(由流量計讀出)后，進入內腔為錐形噴嘴，并噴向

11、浮球，氣體向上的壓力使浮球在噴嘴內漂浮起來，浮球上掛有砝碼，和砝碼架，當浮球所受的向下的重力和向上的浮力相平衡時，就輸出一個穩(wěn)定而準確的壓力。,.,44,浮球式壓力計具有下列特點： （與活塞式壓力計相比）,1、浮球式壓力計內置自動流量調節(jié)器，增、減砝碼后無須再作任何操作，即可得到精確的輸出壓力； 2、工作時 浮球不下降，可連續(xù)穩(wěn)定地輸出精確的壓力信號； 3、浮球式壓力計具有流量自行調節(jié)功能，其精確度與操作者的技術水平無關；,.,45,4、儀器工作時氣流使浮球懸浮于噴嘴內，球體與噴嘴之間處于非接觸狀態(tài)。其摩擦小、重復性好、分辨能力高，且免除了旋轉砝碼的必要。這是浮球式壓力計所獨具的特性；,.,4

12、6,5、工作進程中，氣流能不斷地對浮球體進行自清洗，確保儀器的高可靠性。浮球式壓力計的底盤安裝在一個箱式底座上（右圖所示），底盤即為壓力計的工作臺面。其上設有水平儀和操控閥，其下側設有氣源接口，用于壓力計與壓力源的連接。,.,47,3.4 電氣式壓力表,電氣式壓力表是利用壓力敏感元件，將被測壓力轉換成各種電量，如電阻、頻率、電荷量等來實現(xiàn)測量的。 能實現(xiàn)壓力電量轉換的壓敏元件主要有壓電材料、應變片和壓阻元件。 適合于壓力變化快和高真空、超高壓的測量。主要有壓電式壓力計、壓阻式壓力計等。,.,48,3.4.1 壓電式壓力計 主要用于測量內燃機汽缸、進排氣管壓力 。 壓電效應：壓電材料受壓時發(fā)生機

13、械變形，在其兩個相對表面上產(chǎn)生電荷分離，使其中一個表面帶正電荷，另一個帶負電荷，其電荷量與所受的壓力成正比。 壓電元件：具有壓電效應的材料。 壓電材料：單晶體、多晶體。 特點：結構簡單、緊湊，小巧輕便，工作可靠，線性度好，頻率響應高，量程范圍廣。,.,49,工作過程： 壓電元件被夾在兩塊性能相同的彈性元件（膜片）之間，膜片的作用是把壓力收集轉換成集中力，再傳遞給壓電元件。,.,50,電氣式壓力計開機顯示圖,電氣式壓力計使用接管圖,.,51,3.4.2 壓阻式壓力計 壓阻元件是基于壓阻效應工作的一種壓力敏感元件，它指在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴散電阻，當它受外力作用時，其阻值由于電

14、阻率的變化而改變。 擴散電阻正常工作需依附彈性元件，常用的是單晶硅膜片。,.,52,.,53,優(yōu)點：體積小，結構簡單，能直接反映微小的壓力變化，動態(tài)響應好 缺點：敏感元件易受溫度的影響，從而影響壓阻系數(shù)的大小,.,54,四、壓力傳感器和變送器,為適應集中檢測、熱工保護、自動調節(jié)等熱工測量和自動化的需要，通常測壓彈性元件輸出的位移或力變換成統(tǒng)一 的電信號，為此產(chǎn)生了壓力變送器。常用傳感器有電位式、電感式、霍爾式、平衡式、電容式、應變式、振弦式和智能型等八種。（p156）,.,55,4.1 電容式變送器 電容式變送器主要用于連續(xù)測量流體介質的壓力、差壓、流量、液位等熱工參數(shù)，將它們轉換成直流電流。

15、類型有差動電容式和單端電容式。 1、1151系列差動式變送器 電容式變送器結構上由測量和轉換兩部分構成。,.,56,1151電容式壓力變送器的總體結構,被測差壓p作用在金屬膜片上，使膜片產(chǎn)生微小位移d，引起差動電容量發(fā)生變化，再由測量電路和放大輸出電路將電容量的變化轉換成標準電流信號。 它采用24V（DV）集中供電， 42OmA的二線制電流信號。,.,57,測量部分工作原理 電容式變送器有一個可變電容的傳感器組件，稱為元件，被測介質的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在元件的兩側隔離膜片上，過程壓力通過隔膜片和元件內的填充液傳到中心的測量膜片兩側，當兩側壓力不一致時，致使測量膜片產(chǎn)生位移，其位移

16、量和壓力差成正比，故兩側電容就不等。膜片和兩側固定電容極板之間的電容差由電子電路檢測、放大轉換成4-2OmA的標準直流電流信號輸出。(p146),.,58,1151系列差動式變送器,.,59,1151功能參數(shù),1、使用對象：液體、氣體和蒸汽 ； 2、測量范圍：00.1KPa至040MPa ； 3、輸出信號：420mADC（特殊可為四線制 220VAC供電，010mADC輸出）； 4、供電電源：1245VDC，一般為24VDC； 5、負載特性：與供電電源有關，在某一電源電壓是帶負載能力，負載阻抗RL與電源電壓Vs關系式：R150（Vs-12） 6、指示表：指針式線性指示0100%刻度或LCD液晶

17、式顯示。 7、防暴：a.隔爆型：dIIBT4 b.本質安全型：iaIICT6 ； 8、量程和零點：外部連續(xù)可調 ；,.,60,9、正負遷移：零點經(jīng)過正遷移和負遷移后，量程、測量范圍的上限值和下限值的絕對值，均不能超過測量范圍上限的100%。（智能型：量程比15：1）最大正遷移量為最小調校量程的500%；最大負遷移量為最小調校量程的600% ； 10、溫度范圍：放大器工作溫度范圍:-29+93。灌沖硅油的測量元件：-40+104，法蘭式變送器灌充高溫硅油時:-20+315,普通硅油:-40+149 ； 11、靜壓：4、10、25、32MPa ；,.,61,1151系列差壓變送器調校與使用,(1)

18、 量程調整范圍，任何一臺差壓變送器，都有一個從最小量程到最大量程的量程范圍。 (2)零點調整范圍 1151系列差壓變送器的正遷移量為其最小量程的500，負遷移量為其最小遷移量的600。必須注意：無論任何情況，進行零點遷移之后，測量膜片所承受的差壓值都不能超過變送器的最大量程值，否則將使膜片處于差壓和位移關系的非線性區(qū)域，而給測量差壓帶來很大誤差，甚至無法工作。,.,62,無遷移，負遷移，正遷移,.,63,(3) 零點和量程的調整 調整零點和進行零點遷移對量程沒有影響，但調整量程則會影響零點，無零點遷移時影響較小。 a、在變送器輸入差壓為零時，調零點調整電位 器R35，使輸出電流為4mA。 給變

19、送器加滿量程的差壓信號，調整量程調整電位器R32，使輸出電流為20mA。 反復進行零點和滿量程的調整直至滿足準確度要求為止。,.,64,b、將被測差壓范圍分為四等份，按0、25、50、75、100，測出輸出電流分別為4、8、12、16、20mA，其誤差應小于基本允許誤差。 c、在調好變送器準確度之后，進行零點遷移。 根據(jù)正或負遷移，將插接件SW1插在相應的位 置上。然后給變送器加零點遷移信號，調整 零點調整電位器R35,使變送器輸出電流為4mA。,.,65,4.2 智能壓力變送器,是一種應用集成技術、微機控制及數(shù)據(jù)通訊的新型儀表。利用現(xiàn)場通訊器，在集中控制室可以對150m以內的各個智能型壓力變

20、送器進行各種參數(shù)的選擇和標定。 羅斯蒙特、EJA系列,.,66,3051壓力變送器,一、工作原理 工作時，高、低壓側的隔離膜片和灌充液將過程壓力傳遞給灌充液，接著灌充液將壓力傳遞到傳感器中心的傳感膜片上。傳感膜片是一個張緊的彈性元件，其位移隨所受壓而變化（對于GP表壓變送器，大氣壓如同施加在傳感膜片的低壓側一樣）。AP絕壓變送器，低壓側始終保持一個參考壓力。傳感膜片的最大位移量為0.004英寸（0.1毫米），且位移量與壓力成正比。兩側的電容極板檢測傳感膜片的位置。傳感膜片和電容極板之間電容的差值被轉換為相應的電流，電壓（高速可尋址遠程發(fā)送器數(shù)據(jù)公路）輸出信號。,.,67,HQ-3051壓力/差

21、壓/絕壓變送器用于測量液體、氣體或蒸汽的液位、密度和壓力，然后將其轉變成420mADC信號輸出。HQll5l智能型可與HART手操器相互通訊，通過它進行設定，監(jiān)控或與上位機組成現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)。HQ-3051現(xiàn)場可調式智能差壓變送器，可脫離手操器，通過按鍵方式實現(xiàn)現(xiàn)場調零、狀態(tài)等操作。,HQ-3051壓力/差壓/絕壓變送器,.,68,3051變送器及其分類,3051C型、表壓與絕壓變送器 性能優(yōu)異：精度0.075%量程比100:1 表壓：校驗量程從2.5inH2O至2000psi 絕對壓力：校驗量程從0.167psia至4000psia 過程隔離膜片：不銹鋼，哈氏合金CR， 設計小巧、堅固而質輕，

22、易于安裝 3051T型表壓與絕對變送器 性能優(yōu)異：精度0.075% 絕對壓力：校驗量程從0.3至10000psi 表壓：校驗量程從0.3至10000psi 單隔離膜片設計 灌充液：硅油與惰性油 可選DIN與Autoclave相配的過程連接,.,69,羅斯蒙特3051遠傳,EJA差壓變送器,.,70,五、檢測儀表的選擇與校驗,5.1 壓力表的選擇 （1）根據(jù)被測壓力的種類、被測壓力的介質、化學性質和用途及生產(chǎn)過程的技術要求（儀表輸出信號的要求，使用的環(huán)境） （2）壓力表的種類與結構形式 可選彈性式壓力表或非彈性式壓力表； 就地、集中控制盤。,.,71,從被測介質壓力大小考慮,.,72,從被測介質

23、的性質考慮 從儀表輸出信號的要求考慮,.,73,（3）儀表量程的選擇 被測壓力較穩(wěn)定時：最大工作壓力不應超過儀表滿量程的2/3； 被測壓力波動較大或測脈動壓力：最大工作壓力不應超過儀表滿量程的1/2； 測量高壓時：不應超過量程的3/5。 為保證測量準確度：最小工作壓力不應低于滿量程的1/3。 設儀表滿量程為Pm，則被測壓力為P應滿足以下關系： 測量平穩(wěn)壓力： 1/3 Pm P 3/4 Pm 測量波動壓力： 1/3 Pm P 2/3 Pm 優(yōu)先滿足最大工作壓力條件原則。,.,74,我國目前的測壓儀表是按統(tǒng)一系列量程生產(chǎn)，其上限刻度值有1kPa、1.6kPa、2.5kPa、4.0kPa、6.0kP

24、a及它們的10n倍數(shù)。 我國規(guī)定的測壓儀表準確度等級： 標準儀表：0.05、0.1、0.16、0.2、0.25、0.35； 工業(yè)儀表：0.5、1.0、1.5、2.5、4.0。 （4）儀表準確度等級的選擇 壓力檢測儀表的準確度主要根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定，即要求實際被測壓力允許的最大絕對誤差應小于儀表的基本誤差。,.,75,有一壓力容器，壓力范圍0.4-0.6MPa，壓力變化速度較緩，不要求遠傳。試選擇壓力儀表（給出量程和精度等級）測量該壓力，測量誤差不大于被測壓力的4%.,例題：,.,76,解：,最大工作壓力0.6MPa,最小工作壓力0.4MPa,被測壓力的最大示值絕對誤差,所選儀表的基本

25、誤差,所以可選擇量程范圍為01.0MPa彈簧管壓力表,可選擇1.5級的壓力表,.,77,5.2 壓力儀表的校驗,就是將被校驗壓力表和標準壓力表通以相同壓力，比較它們的指示數(shù)值，如果被校表對于標準表的讀數(shù)誤差，不大于被校表規(guī)定的最大準許絕對誤差時，則認為被校表合格。,.,78,5.2.1 常用的校驗儀器 校驗的標準儀器為活塞式壓力計，它由壓力發(fā)生部分和測量部分組成，它的精度等級有0.02、0.05和0.2級，可用來校準0.25級精密壓力表，也可校準各種工業(yè)用壓力表，被校壓力的最高值為60MPa。,.,79,壓力發(fā)生部分,測量部分,.,80,5.2.2 校驗方法： (1)校驗點應在測量范圍內均勻選

26、取4個點， (2)均勻增壓至刻度上限,保持上限壓力3min,然后,均勻降至0,主要觀察指示有無跳動/停止或卡塞現(xiàn)象; (3)單方向增壓至校驗點后讀數(shù),輕敲表殼再讀數(shù).然后再單方向緩慢降壓至每一校驗點進行校驗,并計算出被校表的基本誤差,變差/零位和輕敲位移。,.,81,六、 壓力表的安裝,6.1 取壓口的選擇 A 取壓口位置 (1) 取壓點應選在被測介質流動的直管道上，避免處于管路彎曲、分叉及流束形成渦流的區(qū)域。 (2) 取壓口開口位置的選擇應使壓力信號走向合理,避免水塞、氣塞或流入污物。 (3) 取壓口應無機械振動或振動不至于引起測量系統(tǒng)的損壞。,.,82,(4) 測量差壓時，兩個取壓口應在同一水平面上。 (5) 導壓管最好不要伸入被測對象內部。 (6) 取壓口與儀表(測壓口)應在同一水平面上,否則應進 行校正。 (7)當管路中有突出物體（如測溫元件）時，取壓口應取 在其前面 。 (8)當必須在調節(jié)閥門附近