工業(yè)儀表與工程測試第4章壓力測量.ppt

第四章壓力測量,1、概述：壓力單位、壓力檢測儀表的分類；2、液柱式壓力計：原理和結構、液柱式壓力計的測量誤差及其修正；3、活塞式壓力計：簡單活塞式壓力計、差動活塞式壓力計；4、彈性壓力表：彈性元件、彈性壓力計的誤差及改善途徑；5、應變式壓力傳感器：電阻應變式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、力平衡式壓力傳感器（參照第二章自學）；6、測壓儀表的選擇和安裝：壓力儀表的選擇、壓力表的校驗、壓力表的安裝；,4.1概述,4.1.1壓力測量的目的確定流體輸送管路的阻力；為選擇流體機械設備提供依據(jù)；測定壓力容器內(nèi)部壓力，保證容器安全工作。4.1.2壓力單位工程技術中的壓力實際上是指物理學中的壓強，即物體表面單位面積上所受的法向作用力。壓力表示方法:絕對壓力(P);大氣壓力(p);負壓或真空度(p);壓力差(p)壓力單位:atm;Pa(MPa);mmH2O;mmHg,如水泵，等,確定沿程阻力,4.1.3壓力測量儀表（傳感器）種類,(1)機械壓力測量儀表（傳感器）1)壓力使管內(nèi)液柱升高（或降低），當液柱產(chǎn)生的重力與被測壓力達到平衡時，根據(jù)液柱高度及其比重即可表示出壓力（液柱壓力計）；2）若物體由于壓力作用發(fā)生彈性變形，當彈性力與壓力形成的力達到平衡時，變形值即可反映壓力大?。◤椥詨毫Ρ恚?）當一定壓力的液體通過活塞升舉一定重量的物體并達到平衡時，物體的重量除以液體作用于活塞有效面積即表示液體的壓力（活塞式靜重壓力計）。,（2）電子壓力測量儀表（傳感器）有的物體受壓力作用后，其某種電氣性能會發(fā)生變化。測出該電氣參數(shù)的變化值即可測知壓力。1）壓電現(xiàn)象（piezoelectricity）晶體發(fā)生機械變形時產(chǎn)生相應的面電荷或體電荷的現(xiàn)象；2）壓阻效應（pressure-resistanceeffect）物體在壓力作用下發(fā)生的電阻率變化。機械式壓力傳感器的特點：結構簡單，使用方便，技術成熟。但體積大，動態(tài)特性差，只適用于作就地指示儀表，不易于信號遠傳。電氣式壓力傳感器的特點：體積小，靈敏度高，動態(tài)特性好，便于遠傳,4.2液柱式壓力計,封液1，1,封液2，2,介質，,特點：結構簡單，使用方便，用于測量小于1000mmHg的低靜壓。缺點：體積大，讀數(shù)不便，玻璃管易損。,液柱式壓力計是利用液柱所產(chǎn)生的壓力與被測壓力平衡，并根據(jù)液柱高度來確定被測壓力大小的壓力計。所用的液體叫做封液，常用的封液有水、酒精、水銀等。,4.2.1液柱式壓力計的原理和結構當被測壓力與封液液柱的壓力相平衡時，水平面A-A處的靜壓力平衡方程：,封液1,1,封液2,2,介質，,若12，則上式簡化為：,（1）,（2）,（3）,若1=2，則上式簡化為：,上式說明，封液以上的介質相當于減小了封液密度，使儀表的測量范圍減小，但靈敏度提高。利用此現(xiàn)象可設計測量微壓的U形壓力計。,注意：讀數(shù)時應分別讀取h1和h2，然后相加，以避免產(chǎn)生誤差。,（4）,液柱式壓力計的基本結構：連通U形管、封液、標尺封液的作用：隔離U形管二側的介質，并形成一定高度的液柱，以平衡被測壓力。對封液的要求：（1）不與被測介質發(fā)生物理和化學反應；（2）流動性好；（3）液面清晰；（4）密度不同于被測介質：封液密度大，則測量上限高；密度小時，靈敏度高。液柱式壓力計阻尼特性較差，被測壓力波動時，易發(fā)生振蕩。,4.2.2單管壓力計和斜管微壓計,4.2.2.1單管壓力計對于不可壓縮流體，根據(jù)質量守恒定律，有F1h1=F2h2h1=F2h2/F1,當F1F2時，F(xiàn)2/F10，則,當F2/F10.01時，因只讀h2引起的誤差1%,（5）,（6）,4.2.2.2斜管微壓計,測量微壓（差）及負壓時，液柱升高很小，此時讀數(shù)和毛細現(xiàn)象誤差較大。若使h2增大，則可減小誤差。當細管傾斜角度為時，液柱由h2變?yōu)閘，讀數(shù)為,注意：一般不小于150,否則讀數(shù)困難。,（7）,4.2.3液柱式壓力計的誤差及修正,4.2.3.1毛細現(xiàn)象的影響封液在管內(nèi)的毛細現(xiàn)象使液柱產(chǎn)生附加的升高或降低（由管內(nèi)徑、彎曲液面的上凸或下凹決定）。管內(nèi)徑不小于10mm；單管壓力計用水作封液時，常溫下的毛細誤差小于2mm；用Hg作封液時，小于1mm。4.2.3.2溫度的影響,修正：設溫度為t時，液柱指示值為h1+h2,有,標準狀態(tài)時液柱指示值為h1+h2，則,（9）,t0t范圍內(nèi)封液的平均體膨脹系數(shù)，1/,4.2.3.3重力加速度的影響,儀器使用地的重力加速度,儀器使用地的緯度,儀器使用地的海拔高度,地球半徑,4.2.3.4讀數(shù)誤差,4.2.3.5儀器傾斜誤差,二液柱的距離,儀器傾斜角度,（11）,4.3.1簡單活塞式壓力計平衡時，,4.3活塞式壓力計,活塞半徑,注意：（1）活塞式壓力計的使用溫度：205；（2）測量時，活塞以30120r/min的角速度連續(xù)轉動，以保持其與活塞缸間的油膜,活塞與活塞缸的徑向間距,活塞、承重盤、砝碼重之和,活塞有效面積,4.3.2差動式活塞壓力計調(diào)零：關閉閥門1和2，打開閥門3，使系統(tǒng)與大氣相通。此時，未加砝碼的盤6和7升至同一規(guī)定高度，達到零點。有,若不平衡，視盤6和7偏離規(guī)定高度的程度調(diào)整。盤6超高時，打開閥4，調(diào)整調(diào)零容器8，減小p1,盤6降至規(guī)定高度時，關閉閥4；盤7偏低時，打開閥5，調(diào)整調(diào)零容器8，使其中的油壓入油管，增大gh，然后關閥5。調(diào)零需反復幾次。零位調(diào)好后，閥3、4、5均關閉。,1,2,3,4,5,6,7,8,閥門（1、2、3、4、5）,簡單活塞壓力計承重盤G1,差動活塞壓力計承重盤G2,調(diào)零容器,被校表（9、10）,微調(diào)容器,油杯,簡單活塞,差動活塞（14、15）,檢驗測量步驟：由閥1（或2）通入壓力P，被校表9、10有指示，盤7升高，盤6下降。在盤7上加砝碼G2，使二盤回至規(guī)定位置。此時,式(14)式(13)得被測壓力（表壓）：,當由閥1（或2）通入的壓力小于大氣壓力時，盤7下降，盤6上升。在盤6上加砝碼G1，使二盤回至規(guī)定位置，有,（14）,（15）,（17）,（16）,1,6,5,4,3,2,7,8,9,式（16）（12）得,式（18）代入式（17），得,即,（18）,（19）,負壓,（17）,（13）,這種活塞式壓力計的技術規(guī)格為（以YU型為例）：測量范圍：真空0760mmHg；壓力02.5105Pa。精度等級：二等標準儀器，誤差按量程分12.55106Pa：0.05%；01.5105Pa：0.5mmH2O；80760mmHg：0.05%；080mmHg：0.04mmHg。專用砝碼：測量壓力為5.5105Pa的有4個；1.5105Pa的有4個；5.5103Pa的有4個；測量真空為100mmHg的有7個；50mmHg的有2個。,彈性壓力表的第一個環(huán)節(jié)彈性壓力傳感器,4.4彈性壓力表,組成：彈簧管、齒輪傳動機構、指針和刻度盤,彈性壓力傳感器的信號變換過程：,彈性壓力表的第二個環(huán)節(jié)位移變換器：用以顯示變形，其輸出是指針位移，亦可為氣信號或電信號,4.4.1彈簧管壓力計,彎曲成圓弧形、螺旋形或S形等形狀的管子。管截面為非圓斷面扁圓形或橢圓形，截面短軸方向與管彎曲的徑向一致。一端封閉，另一端敞開。封閉端可自由運動，其位移作為輸出信號；開口端固定于儀表外殼上，被測壓力由此通入彈簧管內(nèi)。,測量范圍寬：0.2Pa(0.02mmH2O)10MPa,工作工程：當它的內(nèi)腔被接入被測壓力后，在壓力的作用下它會發(fā)生變形。短軸方向的內(nèi)表面積比長軸方向的大，因而受力也大。當管內(nèi)壓力比管外的大時，短軸要變長些，長軸要變短些，管子截面區(qū)域更圓，產(chǎn)生彈性形變。由于短軸方向與彈簧管圓弧形的徑向一致，變形是自由端向管子伸直的方向移動，產(chǎn)生管端位移量，通過拉桿帶動齒輪傳動機構，使指針相對于刻度盤轉動。當變形引起的彈性力與被測壓力產(chǎn)生的作用力平衡時，變形停止，指針指示出被測壓力值。,膨脹管,4.4.2膜式壓力計分膜片壓力計和膜盒式壓力計，前者主要用于測量腐蝕性介質或非凝固、非結晶的粘性介質的壓力，后者常用于測量氣體的微壓和負壓。他們的敏感元件分別是膜片和膜盒。膜片和膜盒的形狀如圖。,波紋膜片通常用于測量小壓力，測壓范圍：040000Pa(4000mmH2O)。最大測壓上限：6MPa,膜片分為彈性膜片和撓性膜片。使用時周邊夾緊，輸出為膜片中心的位移。,膜片壓力計是利用金屬膠片作為敏感元件。膜片是四周加以固定的岡形薄片，當膜片兩側面受到不同壓力時，膜片將彎向壓力低的一面，使其中心產(chǎn)生一定位移，通過傳動機構使指針在度盤上轉動，指示出被測壓力值。圖3-7為一種膜片壓力計的結構圖，膜片1固定在兩個凸緣2的中問，膜片下部承受被測壓力，上部則為大氣壓，膜片中央固定著小桿3，當所測壓力變化時，膜片就帶動小仟3上下移動，因而也使淮桿4推動扇形齒輪6，從而使齒掄7及固定在它軸上的指針8轉動，這樣在刻度盤上就可讀出相應的壓力數(shù)值。,4是由兩片有凹凸波紋的膜片組成的膜盒。該膜盒通過導壓管17與需要測量壓力的空間相通。當測壓空間的壓力變化時，膜盒受力也就發(fā)生變化，它的容積也就產(chǎn)生變化。由于膜盒變形，容積增大或縮小，焊在膜盒中心的梢釘7就推動杠桿12，杠桿11又借拉桿12和14的幫助把指針5推轉一個角度。,圖4-7膜盒式壓力計1-調(diào)零螺桿；2-基座；3-刻度板；4-膜盒；5-指針；6-調(diào)零板；7-限位螺絲；8-弧形連桿；9-雙金屬片；10-軸；11-杠桿架；12-連桿；13-指針軸；14-杠桿；15-游絲；16管接頭；17-導壓管,4.4.3波紋管壓力計波紋管是外周沿軸向有深槽形狀的波紋褶皺，可沿軸向伸縮的薄壁管子。它受壓時的線性輸出范圍比受拉時的大，故常在壓縮狀態(tài)下使用。波紋管式壓差計以波紋管為感壓元件來測量壓差信號，有單波紋管、雙波紋管兩種，主要用作流量和液位測量的顯示儀表。,1-連接軸；2-單向受壓的保護閥；3-推板；4-擺桿；5-扭力管；6-心軸；7-量程彈簧組；8-中心基座；9-阻尼閥；10-阻尼旁路；11-阻尼環(huán)；12-填充液；13-滾針軸承；14-瑪瑙軸承；15-隔板；16-平衡閥,連接軸1固定在波紋管B1，B2端面的剛性端蓋上，B1、B2被剛性的連接在一起。B1、B2通過阻尼環(huán)11與中心基座8間的環(huán)形間隙，以及中心基座上的阻尼旁路10相通。量程彈簧組7在低壓室，其兩端分別固定在連接軸和中心基座上。接入被測壓差后，B1，被壓縮，其中的填充液通過環(huán)形間隙和阻尼旁路流向B2，B2伸長，量程彈簧7被拉伸，直至壓差在B1、B2兩個端面上形成的力與量程彈簧及波紋管產(chǎn)生的彈性力相平衡為止。這時連接軸系統(tǒng)向低壓側有位移，擋板3推動擺桿4，帶動扭力管5轉動，使一端與扭力管固定在一起的心軸6發(fā)生扭轉，此轉角反映了被測壓差的大小。,4.5應變式壓力傳感器（自學）,分類：1、電阻應變式壓力傳感器；2、電容式壓力傳感器；3、電感式壓力傳感器；4、力平衡式壓力傳感器。應用場合：遠距離傳送壓力信號。特點簡單、可靠、維護量小、動態(tài)特性好、便于小型化。,4.5.1電阻應變式壓力傳感器,組成：電阻柵、基底、覆蓋層,工作原理：應變傳感器變形時，由于電阻柵的幾何尺寸和電阻率改變，導致其電阻值發(fā)生變化。,原理：電阻率變化引起電阻變化。,金屬電阻應變片工作原理：壓力引起尺寸變化，導致電阻變化。包括絲繞式和箔式。,設一段電阻柵長度為l，截面積為A，在外力作用下長度變化為l,面積變化為A，電阻率變化為，則電阻柵的電阻值變化為,或,由材料力學知，材料橫向應變與軸向應變的關系為,泊松系數(shù),（26）,（27）,（28）,所以，式（27）可寫為,電阻應變系數(shù)或應變傳感器的靈敏系數(shù),K的物理意義：單位應變引起的電阻值的相對變化。,K的數(shù)值可由實驗確定，一般金屬材料:K26；半導體材料:可達180,可見，當Kconstant時，可用電阻的變化來反映軸向應變。,應變傳感器常用材料的某些特性,4.5.3電容式壓力傳感器,工作原理：彈性敏感元件作為感受壓力的元件，并作為活動板，與固定在傳感器殼體上的定極板形成電容器，當壓力通過工作介質傳遞到動極板上時，膜片產(chǎn)生位移，改變電容量，因此可以通過測量電容量來測定壓力大小。電容大小為：,微分，得：,位移變化量必須嚴格限制。,為提高傳感器的靈敏度，改善輸出的非線形性，實際應用的壓力傳感器采用差動式，此時動極板在兩個靜極板之間，靈敏度可以提高1倍，非線形性大大降低。,圖4-12電容式差壓傳感器,4.5.4電感式壓力傳感器,基本原理：利用自感和互感變化來測量壓力的傳感器。,分變氣隙式、變截面和螺管式,圖4-13電感傳感器原理示意圖(a)氣隙式；(b)螺管式1-銜鐵；2-鐵芯；3-線圈,圖4-14螺管式傳感器原理圖(a)單線圈；(b)螺管式,一個螺管線圈和一個圓柱形銜鐵，靠銜鐵移動引起線圈電感值變化。,兩個相同螺管和一個公共銜鐵，靠銜鐵移動引起線圈電感值變化。,4.6測壓儀表的選擇和安裝,4.6.1測壓儀表的選擇普通壓力表的主要技術指標列于表4-1。壓力表的選用應根據(jù)生產(chǎn)要求和使用環(huán)境作具體分析。在滿足生產(chǎn)過程的技術要求的前提下，本著節(jié)約的原則，進行種類、型號、量程、精度等級的選擇：,4.6.1壓力表的選擇,（1）壓力表的選擇（2）變送器、傳感器的選擇（3）儀表量程的確定（4）儀表精度的確定,變送器是利用電子感應元件將壓力信號轉變成標準的模擬信號，可以方便的被采集和遠距離傳送至儀表、PLC、和計算機系統(tǒng)，具有比較高的測量精度，使用時需要有供電并配置相應的顯示儀表。,1)壓力表的選擇儀表種類和型號的選擇要根據(jù)工藝要求、介質性質及現(xiàn)場環(huán)境等因素來確定。在大氣腐蝕性較強、粉塵較多和易噴淋液體等環(huán)境惡劣的場合，宜選用密閉式全塑壓力表。稀硝酸、醋酸、氨類及其它一般腐蝕性介質，應選用耐酸壓力表、氨壓力表或不銹鋼膜片壓力表。稀鹽酸、鹽酸氣、重油類及其類似的具有強腐蝕性的、含固體顆粒、粘稠液等介質，應選用膜片壓力表或隔膜壓力表。其膜片或隔膜的材質，必須根據(jù)測量介質的特性選擇。,結晶、結疤及高粘度介質，應選用膜片壓力表。在機械振動較強的場合，應選用耐震壓力表或船用壓力表。在易燃、易爆場合，如需電接點訊號時，應選用防爆電接點壓力表。下列測量介質應選用專用壓力表：氣氨、液氨：氨壓力表、真空表、壓力真空表；氧氣：氧氣壓力表；氫氣：氫氣壓力表；氯氣：氯氣壓力表、壓力真空表；乙炔：乙炔壓力表；硫化氫：耐硫壓力表；堿液：耐堿壓力表、壓力真空表。,2)變送器、傳感器的選擇以標準信號（420mA）傳輸時，應選普通變送器。易燃易爆場合，選用氣動變送器或防爆型電動變送器。對易結晶、堵塞、粘稠或有腐蝕性的介質，優(yōu)選法蘭變送器。使用環(huán)境好，測量精度和可靠性要求不高時，可選用電阻式、電感式、霍爾式遠傳壓力表及傳感器。測壓小于5kPa時，可選用為差壓變送器。(2)外形尺寸選擇在管道或設備上安裝的壓力表，Dg=100mm或150mm。在儀表氣動灌錄的輔助設備上裝壓力表，Dg=60mm。安裝照度較低或較高，指示不易觀察的壓力表，Dg=200mm或250mm。,(3)儀表量程的確定儀表量程根據(jù)最大被測壓力的大小確定。對于非彈性式壓力表一般取儀表量程系列值中比最大被測壓力大的相鄰數(shù)值，或按儀表說明書規(guī)定選用。對于彈性壓力表，為了保證彈性元件在彈性變形的安全范圍內(nèi)工作，在選擇儀表量程時，必須考慮一定的預留量，一般在被測壓力較為穩(wěn)定的情況下，最大被測壓力應不超過量程的2/3；在被測壓力波動較大時，最大被測壓力應不超過量程的1/2；測量高壓力時，最大被測壓力應不超過量程的3/5。為了保證測量精度，被測壓力值以不低于全量程的1/3為宜。按此要求算出儀表量程后，實取稍大的相鄰系列值。目前，我國生產(chǎn)的彈簧管壓力表量程系列值為：0.1，0.16，0.25，0.4，0.6，1.0，1.6，2.5，4.0，6.0，10，16，25，40MPa。,(4)儀表精度的確定儀表的精度主要是根據(jù)生產(chǎn)允許的最大測量誤差來確定，選擇高精度等級會造成不必要的浪費。一般就地顯示用彈性壓力表，選用1.0，1.5或2.5級，壓力變送器類精度為0.2級0.5級。,4.6.2壓力表的校驗在儀表使用以前或儀表使用一段時間后，都需要進行校驗，看是否符合自身精度，如果誤差超過規(guī)定的數(shù)值，就應該對該儀表進行檢修。校驗就是將被校壓力表與標準壓力表通以相同的壓力，比較它們的指示數(shù)值。在標準表的量程大于等于被校表量程情況下，所選用的標準表的絕對誤差一般應小于被校儀表絕對誤差的1/3，此時被校儀表的誤差可以忽略不計，認為標準表的讀數(shù)就是真實值。如果被校儀表對于標準儀表的基本誤差小于被校儀表的規(guī)定誤差，則認為被校儀表精度合格。常用的壓力校驗儀器是活塞式壓力計和壓力校驗泵?；钊綁毫τ嬍怯庙来a法校驗標準壓力表，壓力校驗泵則是用標準表比較法來校驗工業(yè)用壓力表。,4.6.3壓力表的安裝,（1）取壓口的選擇（2）導壓管的安裝（3）壓力表的安裝,4.6.3壓力表的安裝壓力檢測系統(tǒng)由取壓口、導壓管、壓力表及一些附件組成，各個部件安裝正確與否對壓力測量精度都有一定影響。（1）取壓口的選擇取壓口是在被測對象上引取壓力信號的開口。選擇取壓口的原則是要使選取的取壓口能反映被測壓力的真實情況，具體選用原則如下：1)取壓口要選在被測介質直線流動的管段上，不要選在管道拐彎、分岔、死角及流束形成渦流的地方。2)就地安裝的壓力表在水平管道上的取壓口，一般在頂部和側面。,3)引至變送器的導壓管，其水平管道上的取壓口方位要求如下：測量液體壓力時，取壓口應開在管道橫截面的下部，與管道截面水平中心線夾角范圍在45度以內(nèi)；測量氣體壓力時，取壓口應開在管道橫截面的上部；對于測量水蒸氣壓力，在管道的上半部及下半部，與管道截面水平中心線在45度夾角內(nèi)。4)取壓口處在管道閥門、擋板前后時，