第三章壓力測(cè)量

1、 二、壓力的單位 壓力的單位是一個(gè)導(dǎo)出單位。由壓力的定義可知壓力的單位會(huì)有多種。 壓力單位帕千克力/厘米2毫米水柱毫米汞柱毫巴標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1帕11.0210-50.1027.50110-310-29.8710-2千克力/厘米29.8061041104735.56980.50.96781毫米水柱9.80610-417.355610-29.80610-20.967810-4毫米汞柱133.313.610-413.611.3331.31610-4毫巴1000.10210-210.20.750119.8710-4標(biāo)準(zhǔn)大氣壓10.131041.0331.03310476010131三、壓力測(cè)量?jī)x表 在生產(chǎn)

2、過(guò)程中和實(shí)驗(yàn)室里使用的壓力儀表種類很多。對(duì)壓力儀表可以從不同的角度進(jìn)行分類。如按被測(cè)壓力可分為：壓力表、真空表、絕對(duì)壓力表、真空壓力表等。如按壓力表使用的條件可分為：普通型、耐震型、耐熱型、耐酸型、禁油型、防爆型等壓力表。如按壓力表的功能可分為；指示式壓力表、壓力變送器。如按壓力表的工作原理可分為：液柱式壓力計(jì)、彈性式壓力計(jì)、物性式壓力計(jì)、活塞式壓力計(jì)等。 四、壓力標(biāo)準(zhǔn)與量值傳遞 壓力標(biāo)準(zhǔn)分為：基準(zhǔn)、一等標(biāo)準(zhǔn)、二等標(biāo)準(zhǔn)、三等標(biāo)準(zhǔn)。能夠?qū)崿F(xiàn)基準(zhǔn)和各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的儀器是基準(zhǔn)器和標(biāo)準(zhǔn)器?；鶞?zhǔn)器是國(guó)家最高的壓力標(biāo)準(zhǔn)器，它又可以分為基準(zhǔn)器和工作基準(zhǔn)器?；鶞?zhǔn)器用于進(jìn)行國(guó)際比對(duì)，還將壓力基準(zhǔn)傳遞給工作基準(zhǔn)器。工作

3、基準(zhǔn)器可復(fù)制多套保存在全國(guó)各地的主要部門，由它將壓力工作基準(zhǔn)傳遞到一等標(biāo)準(zhǔn)器，再由一等標(biāo)準(zhǔn)器傳遞到二等標(biāo)準(zhǔn)器，然后由二等標(biāo)準(zhǔn)器傳遞到三等標(biāo)準(zhǔn)器，最后由三等標(biāo)準(zhǔn)器傳遞到工作壓力儀表。 基準(zhǔn)器、工作基準(zhǔn)器及各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器目前多采用活塞式壓力計(jì)和液柱式壓力計(jì)。 根據(jù)流體靜力學(xué)原理，當(dāng)管內(nèi)的工作液柱產(chǎn)生的壓力與被測(cè)壓力平衡時(shí)，則有實(shí)際測(cè)量中，如果封液上面的介質(zhì)是氣體，則可忽略封液上面的介質(zhì)的影響，則有如果被測(cè)量的是差壓 ，則有 2.使用與測(cè)量誤差 U形管壓力計(jì)的型號(hào)為YYU，測(cè)壓范圍可達(dá)0266kPa，其允許誤差可達(dá)20.2。測(cè)量時(shí)要進(jìn)行兩次讀數(shù) ，讀數(shù)時(shí)要注意液體表面的彎月面情況，要求讀到彎月面頂部位置

4、處。 使用計(jì)算式計(jì)算被測(cè)壓力或差壓值時(shí)，要注意封液的密度是測(cè)量狀態(tài)下的密度，重力加速度是當(dāng)?shù)刂亓铀俣?。如果測(cè)量要求較高，則要考慮封液的密度、毛細(xì)現(xiàn)象、重力加速度、U形管不豎直狀態(tài)等對(duì)測(cè)量的影響。)()(21121hhgpp)(2121hhgpp21pp)(2121hhgppp22Dd22Dd三、斜管微壓計(jì) 斜管微壓計(jì)是一種測(cè)量微小壓力的測(cè)量?jī)x表。它可以測(cè)量微小正壓、負(fù)壓及差壓。它的一支肘管可以傾斜，使用方便。 1.結(jié)構(gòu)與工作原理 斜管微壓計(jì)由杯形容器、肘管、弧形支架、標(biāo)尺、封液等組成，如圖所示。其工作原理與U形管壓力計(jì)相同。當(dāng)被測(cè)壓力與封液液柱產(chǎn)生的壓力平衡時(shí)，有 式中 由于所以得到： 肘管

5、的傾斜角是可調(diào)節(jié)的，為使用方便，弧形支架板上設(shè)計(jì)了一些固定肘管的孔。在每個(gè)孔處刻有一數(shù)字，使用時(shí)讀出液柱長(zhǎng)度(mm)，則 斜管微壓計(jì)的分度條件是：標(biāo)準(zhǔn)重力加速度和20時(shí)確定密度(80838kgm3)的酒精溶液。顯然刻在弧形支架板上的數(shù)字為 式中 4時(shí)純水的密度。 不同的值對(duì)應(yīng)著不同值。角度不宜太小，因?yàn)榻翘r(shí)，讀數(shù)困難且準(zhǔn)確性差。一般角在2060之間。 2.使用及示值修正 斜管微壓計(jì)的型號(hào)為KST。實(shí)際的斜管微壓計(jì)還具有零位調(diào)整及水平調(diào)整機(jī)構(gòu)。使用時(shí)通過(guò)零位調(diào)整機(jī)構(gòu)可以調(diào)整杯形容器中封液液面，使之為零；通過(guò)水平調(diào)整螺絲和水平儀使儀表為水平。使用時(shí)要注意封液的密度是儀表標(biāo)明的工作液密度。所以在

6、分度條件下，被測(cè)差壓。實(shí)際的測(cè)量經(jīng)常是偏離儀表分度條件，而經(jīng)常發(fā)生的是測(cè)量時(shí)溫度不是20，而其他某個(gè)溫度，在測(cè)量要求高的時(shí)候，則要對(duì)溫度時(shí)的示值進(jìn)行修正，把值修正分度溫度時(shí)的示值，再使用儀表上給出的值計(jì)算得到測(cè)量值，示值修正系數(shù) 式中 工作液(酒精)在20對(duì)的密度(確定值)； 工作液(酒精)在工作溫度時(shí)的密度。20t 2.彈性元件的特性 彈性元件是彈性壓力計(jì)中的敏感元件，它的特性直接關(guān)系到壓力計(jì)性能的好壞。彈性元件工作在彈性范圍內(nèi)，而且彈性元件工作的安全系數(shù)(彈性極限壓力，工作壓力的上限)一般在2以上。盡管如此，由于彈性元件的不完全彈性方面的特性，如蠕變、彈性遲滯、彈性后效以及溫度特性等都將直

7、接影響到壓力計(jì)的性能，使測(cè)量產(chǎn)生誤差。 (1)蠕變和疲勞形變 彈性元件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的負(fù)荷作用，當(dāng)負(fù)荷取消后，不能恢復(fù)原來(lái)的形態(tài)，這種特性稱為彈性元件的蠕變。 (2)彈性遲滯 彈性元件在彈性范圍內(nèi)加負(fù)荷與減負(fù)荷時(shí)其彈性形變輸出特性曲線不重合，這種特性稱為彈性遲滯。 (3)彈性后效 當(dāng)加在彈性元件上的負(fù)荷停止變化或被取消時(shí)，彈性元件的形變并不是立即就完成，而是要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間才完成相應(yīng)的形變，這種特性稱為彈性后效。 （a）彈性遲滯；（b）彈性后效；（c）彈性滯環(huán) (4)輸出- 輸入特性 目前只是通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合的方法，得出彈性元件的輸出輸入關(guān)系。 對(duì)于膜片和膜盒，其輸出-輸入關(guān)系一般是非線性的。

8、實(shí)用的平面膜片位移不超過(guò)0.1mm時(shí)，可以使輸出-輸入的關(guān)系達(dá)到較好的線性程度，即 對(duì)于波紋膜片，其彈性位移與被測(cè)壓力關(guān)系為 對(duì)于彈簧管，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)制造加工后，在一定壓力范圍內(nèi)，其輸出-輸出關(guān)系一般為線性。對(duì)于截面是扁圓結(jié)構(gòu)的彈簧管，其自由端彈性位移與被測(cè)壓力的關(guān)系為 (5)溫度的影響 由于溫度的變化，彈性元件材料的彈性模量相應(yīng)變化，所以彈性元件的剛度發(fā)生變化，這將影響彈性元件的輸出特性。很容易理念，溫度升高，剛度減小，靈敏度增大，壓力表示值將會(huì)偏離。由于溫度對(duì)彈性元件輸出特性的影響，所以彈性壓力表的使用要注意它的適用溫度范圍。 kpl)(224lblaREp5 . 022)cos1 ()s

9、in(RlpCxabbREp122222)1 (1 二、膜盒壓力表 膜盒壓力表是用于生產(chǎn)過(guò)程的工業(yè)儀表，它適用于測(cè)量微小壓力和真空。測(cè)量范圍一般在一20004000Pa，精確度等級(jí)一般為2.5級(jí)。目前在生產(chǎn)過(guò)程中使用的國(guó)產(chǎn)膜盒壓力表的型號(hào)有MW系列、YE系列、YEJ系列等。 膜盒壓力表的結(jié)構(gòu)主要由膜盒、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、調(diào)整機(jī)構(gòu)、游絲指針、表盤等構(gòu)成， 三、彈簧管壓力表 彈簧管壓力表是生產(chǎn)過(guò)程中和實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用非常普遍的測(cè)壓儀表。它可以測(cè)量壓力，也可以測(cè)量真空。按照使用的彈簧管的種類可分為單圈和多圈彈簧管壓力表。按照適用的條件可分為耐振型、耐熱型、耐腐蝕型、抗沖擊防爆型以及專用壓力表等。它們的工作原理是相

10、同的。 1.單圈彈分管壓力表的結(jié)構(gòu)及工作原理 結(jié)構(gòu)組成如圖所示，它主要由彈簧管、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、游絲、指針、表盤等組成。扇形齒輪、中心齒輪、游絲安裝在彼此平行的夾板之中。中心齒輪和扇形齒輪能以各自的軸轉(zhuǎn)動(dòng)并相互嚙合；指針固定在中心齒輪上，夾板固定在儀表的支架上，從自由端到扇形齒輪的尾端由拉桿連接。 2.多圈(螺旋形)彈簧管壓力表 單圈彈簧管的自由端位移一般不大，所能提供的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩也不大，所以單圈彈簧管多適用于指示型壓力表。如要實(shí)現(xiàn)記錄指示，則需要有較大的彈性位移和較大的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，這就要使用多圈彈簧管。在一定的壓力范圍內(nèi)，多圈彈簧管自由端輸出的角位移與被測(cè)壓力是線性關(guān)系。多圈彈簧管壓力表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖

11、所示。在測(cè)量狀態(tài)下記錄紙是隨時(shí)間勻速運(yùn)的，記錄筆下的曲線代表壓力隨時(shí)間的變化。 多圈彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)示意1一引壓管，2一螺旋彈簧管，3一軸；4一可調(diào)臂；5調(diào)整螺絲；6一拉桿；7一記錄筆；8一曲柄；9一弓形架；10一三角孔 四、雙波紋管差壓計(jì) 雙波紋管差壓計(jì)在火力發(fā)電廠中主要用于流量和水位測(cè)量指示記錄的二次儀表。如果用于流量測(cè)量，差壓計(jì)往往還帶有積算裝置。各種功能的雙波紋管差壓計(jì)測(cè)量部分的作用原理都是相同的。測(cè)量的差壓值上限可達(dá)0.4MPa，耐工作壓力上限可達(dá)40MPa，精確度可達(dá)1.01.5級(jí)。 雙波紋管差壓計(jì)主要由測(cè)量機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、記錄機(jī)構(gòu)以及機(jī)械積算裝置等部分組成。 1.測(cè)量機(jī)構(gòu)及工作原

12、理第四節(jié) 壓力（差壓）變送器 彈性元件檢測(cè)壓力的輸出只是機(jī)械位移信號(hào)，該信號(hào)可以就地顯示，也可以變換為電信號(hào)以供遠(yuǎn)傳。這種變換一般稱為電變送，其方法很多，如電阻式、電感式、電容式、應(yīng)變式、力平衡式、霍爾式、振弦式、光纖式等。目前工業(yè)生產(chǎn)使用的電變送后的壓力信號(hào)都是標(biāo)準(zhǔn)化的電流或電壓信號(hào)，其變送器都是定型的產(chǎn)品。 一、1151系列電容式壓力(差壓)變送器 1.概述 1151系列電容式壓力(壓差)變送器是我國(guó)引進(jìn)美國(guó)羅斯蒙特公司技術(shù)并自己開發(fā)生產(chǎn)的一類新型壓力(差壓)變送器。 特點(diǎn)：它具有精確度高，性能穩(wěn)定，單向過(guò)載保護(hù)性能好，調(diào)整方便，體積小，重量輕等一系列優(yōu)點(diǎn)。 應(yīng)用：使用在電力、石油、化工等

13、各領(lǐng)域的生產(chǎn)過(guò)程中。在火力發(fā)電廠使用1151電容式壓力(差壓)變送器幾乎有一種替代其他種類壓力(差壓)變送器的趨勢(shì)。 組成： 變送器由兩部分組成：差動(dòng)式壓力(差壓)電容轉(zhuǎn)換和測(cè)量電路。 差動(dòng)式壓力(差壓)電容轉(zhuǎn)換是將被測(cè)壓力(差壓)轉(zhuǎn)換成差動(dòng)變化的電容CL、CH，其結(jié)構(gòu)如圖所示。 部分1151電容式壓力（差壓）變送器 2.結(jié)構(gòu) 感壓元件是膜片，它是能產(chǎn)生彈性變形的極板。兩電容的固定極板為球面形結(jié)構(gòu)。測(cè)量膜片位于兩固定極板的中央，它與固定極板構(gòu)成兩個(gè)小室，稱為室，兩室結(jié)構(gòu)對(duì)稱。固定極板是將玻璃絕緣體磨成球形凹面，并在該表面鍍上一層金屬薄膜而成。金屬薄膜和彈性膜片都接有輸出引線。測(cè)量膜片與固定極板

14、形成的電容在30150pf范圍內(nèi)。室通孔與自己一側(cè)隔離膜片腔室連通，室和隔離腔室內(nèi)充有硅油。 4.測(cè)量電路及工作原理 測(cè)量電路的任務(wù)是將電容變化量轉(zhuǎn)換成420mA，DC輸出，輸出特性是線性的。電路能實(shí)現(xiàn)儀表零點(diǎn)、量程、阻尼、線性等調(diào)整。 1151系列變送器有三種測(cè)量電路：E型(普通型)J型(有開平方功能)、F型(用于微差壓測(cè)量)?，F(xiàn)以E型電路為例分析其轉(zhuǎn)換工作原理，電路組成原理框圖如圖所示。 測(cè)量電路的作用： 一是完成電容電流的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成的電流為直流并與成正比。這由解調(diào)器、振蕩器、振蕩控制放大器完成。 二是對(duì)轉(zhuǎn)換成的直流電流信號(hào)進(jìn)行控制放大使之成為420mA，DC輸出，并能實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)、量程、阻

15、尼調(diào)整等功能。這由調(diào)零電路、量程調(diào)整電路、電流控制放大器、電流轉(zhuǎn)換電路(功率放大)、阻尼調(diào)整電路等完成。 三是輸出電流限制和外接電壓保護(hù)功能，這由電流限制電路和反極性保護(hù)電路完成。 四是線性調(diào)整功能，這由線性調(diào)整電路完成。 (1)電容電流轉(zhuǎn)換 將一個(gè)載有信號(hào)的電容轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，在此采用的方法是對(duì)電 容回路供以穩(wěn)定的交流電壓。當(dāng)電容量變化時(shí)，流過(guò)電容的電流也隨之發(fā)生變化，該電流即載有信號(hào)電流，顯然這要求供電的交流電壓應(yīng)穩(wěn)定。由于傳感電容的電容量較小(30150pF)，只有供電電壓頻率較高時(shí)才可能獲得大的信號(hào)電流。因此電容電流的轉(zhuǎn)換采用高頻振蕩器供電。為保證振蕩器的輸出電壓穩(wěn)定，采用了振蕩控制措

16、施。從控制角度看，這種控制是定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在振蕩控制放大器的輸入端放置一定值電壓，校調(diào)量是振蕩器輸出電壓。輸出電壓反饋到振蕩控制放大器的輸入端作為控制信號(hào)，該信號(hào)是由解調(diào)器輸出的共模電流在振蕩控制放大器輸出端的電阻網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生的，這是解調(diào)器完成的一個(gè)任務(wù)。完成的另一任務(wù)是輸出差模信號(hào)電流，該電流代表，輸出到電流控制電路進(jìn)行控制放大，轉(zhuǎn)換成420mA，DC。以下分析解調(diào)器輸出及振蕩控制的工作原理，電路如圖所示。 LiHiLi Hi LCHCLCHC (2)電流控制放大及電流轉(zhuǎn)換 電流控制放大器及電流轉(zhuǎn)換電路一起構(gòu)成輸出420mA，DC電流的控制回路。它是深度負(fù)反饋的控制回路，如圖3-25所示。電流

17、控制放大器的輸入端信號(hào)(不論是同相端還是反相端)均以G點(diǎn)為參考點(diǎn)。加到反相端的輸人信號(hào)有：C點(diǎn)與G點(diǎn)之間的電壓信號(hào)Up。Up是由分壓電阻R14提供的，相對(duì)于G點(diǎn)Up是負(fù)值。加到同相端的輸入情號(hào)有：解調(diào)器輸出的差模電流Is(測(cè)量信號(hào)電流)形成的電壓為RsIs，Rs是等效電阻。輸入放大器同相端的信號(hào)電壓為：- RsIs (相對(duì)于G點(diǎn)是負(fù)值)。調(diào)零電路在放大器同相端產(chǎn)生的電壓為KUU0(KU為分壓系數(shù))，相對(duì)于G點(diǎn)為負(fù)值。以上三個(gè)電壓是電流控制放大器的輸入電壓。整機(jī)輸出電流I0通過(guò)量程電路反饋到電流控制放大器同相端的反饋電壓為I0。 (3)電流限制電路 電流限制電路由晶體管V2電阻R18、R19組成

18、。電路的作用是限制功率放大器過(guò)大的輸出。當(dāng)功率放大器輸出過(guò)大時(shí)，流過(guò)R34的電流變大，因此V2集電極電位下降，使V2達(dá)到飽和狀態(tài)，從而增大了V2對(duì)功放的分流效果，使功率放大器的輸出受到限制。電路設(shè)計(jì)使整機(jī)輸出電流不會(huì)大于30mA，DC。另外，電流限制電路還提供直流電壓輸出作為放大器Al、A2、A3的電源電壓。 (4)反極性保護(hù)電路 穩(wěn)壓二極管V8構(gòu)成外接電源極性反接的保護(hù)電路。當(dāng)外接電源E極性反接時(shí)，V8構(gòu)成順向通路，這樣不致于損壞儀表電路。 (5)阻尼電路 阻尼電路由R31、R32、C18和電位器RP2構(gòu)成，其作用是抑制被測(cè)介質(zhì)信號(hào)脈動(dòng)變化時(shí)而引起的輸出電流過(guò)大的波動(dòng)。該通路為信號(hào)交流負(fù)反饋

19、通道； 5.儀表的調(diào)整及使用 (1)測(cè)量電路 儀表的測(cè)量電路在結(jié)構(gòu)上做成了插件板形式，有檢測(cè)板、補(bǔ)償板、調(diào)整板、放大電路板等。檢測(cè)板裝有解調(diào)電路的二極管，并接有檢測(cè)變換電容CL、CH，一般情況下，它不可隨意拆下。補(bǔ)償板上是量程補(bǔ)償電阻R1、R2以及穩(wěn)壓溫度電阻R25、R26、R27。 調(diào)整板也是零點(diǎn)調(diào)整和量程調(diào)整電路。測(cè)量電路及其他電路均在放大電路板上。調(diào)整扳和放大電路板與其他型號(hào)的調(diào)整板子放大電路板可互換，互換后要對(duì)儀表進(jìn)行全面的校驗(yàn)。 (2)零點(diǎn)與量程調(diào)整 調(diào)整電位器RP3可以調(diào)整儀表的零點(diǎn)電流。當(dāng)需要進(jìn)行零點(diǎn)遷移時(shí)，應(yīng)先對(duì)插孔SZ或EZ進(jìn)行短接(粗調(diào))，之后再仔細(xì)調(diào)整RP3，使之達(dá)到要求

20、。量程的調(diào)整是通過(guò)電位器RP4的調(diào)整實(shí)現(xiàn)的，改變RP4的滑動(dòng)端即改變了系統(tǒng)的反饋系數(shù)。零點(diǎn)與量程的調(diào)整要反復(fù)進(jìn)行幾次才能最后確定。 (3)線性調(diào)整 在放大電路板上有線性調(diào)整電位器，儀表出廠時(shí)已經(jīng)按調(diào)整量程調(diào)到最佳狀態(tài)，一般不需再進(jìn)行調(diào)整。如果要求在某一特定的測(cè)量范圍內(nèi)有較好的線性特性時(shí)，則需要重新調(diào)整。 (4)阻尼調(diào)整 調(diào)整放大電路板上的RP2可以改變儀器的阻尼特性，調(diào)整范圍為0.21.66s，儀表出廠時(shí)調(diào)到0.2s狀態(tài)。阻尼時(shí)間的調(diào)整可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。如果儀表輸出波動(dòng)較大，應(yīng)進(jìn)行增加阻尼時(shí)間的調(diào)整。 (5)儀表負(fù)載特性 儀表運(yùn)行的允許負(fù)載與使用的儀表電源電壓有關(guān)， 6.變送器的特點(diǎn) (1)變送器

21、無(wú)機(jī)械傳動(dòng)和機(jī)械反饋機(jī)構(gòu)，與力平衡式壓力(差壓)變送器比較起來(lái)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便，精確度高。 (2)變送器的測(cè)量敏感部件采用平面膜片，兩側(cè)球面形極板為固定極板，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，利用膜片受壓后產(chǎn)生彈性位移，差動(dòng)式改變兩側(cè)電容的變化。球面形對(duì)稱性結(jié)構(gòu)和微位移使輸出有較好的線性特性。 (3)測(cè)量電路眾多采用線性集成元件，線路簡(jiǎn)單，性能好，整機(jī)的調(diào)整均通過(guò)測(cè)量電路，調(diào)整方便。 二、擴(kuò)散硅壓力(差壓)變送器 擴(kuò)散硅壓力(差壓)變送器是一種半導(dǎo)體應(yīng)變式變送器，其感壓元件是用半導(dǎo)體材料(單晶硅)制成的硅杯成膜片。它利用集成電路工藝使半導(dǎo)體材料在感壓元件上擴(kuò)散制成半導(dǎo)體應(yīng)變電阻來(lái)檢測(cè)感壓元件應(yīng)變的大小。 由于單品硅材料的彈性性能很高，其轉(zhuǎn)換性能的滯后與蠕變很小，所以轉(zhuǎn)換的精確度很高。我國(guó)80年代初研制成的集成式擴(kuò)散硅壓力變送器是將半導(dǎo)體應(yīng)變電阻和測(cè)量電路集成在同一芯片上，或采用做成幾個(gè)芯片再集成為一片的形式。所以變送器的體積小，而且輕便。擴(kuò)散硅式壓力(差壓)變