第二章 壓力及變送

1、 第二章 壓力測量及變送 本章重點：壓力的單位、表示方法，彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)及原理、選用、安裝和校驗，電容式差壓變送器的簡單原理，變送器作用、變送器的輸入輸出關(guān)系以及變送器的正確使用。 從這一章開始介紹化工生產(chǎn)過程四大參數(shù)：壓力、物位、流量、溫度壓力、物位、流量、溫度的測量儀表第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 在石油、化工、煉油、儲運過程中，經(jīng)常會遇到壓力的測量與控制，其中包括比大氣壓高很多的高壓測量和比大氣壓低很多的真空度測量。例如，油田開采晚期的注水工藝的壓力為十幾個MPa，鉆井的泥泵出口的壓力在25MPa左右,高壓聚乙烯工藝壓力高達(dá)280MPa；而減壓塔要低于大氣壓幾百個mmHg（典型值為真空度9

2、3.1Kpa）。在我們儲運的輸油管線上、加熱爐旁、輸油泵進(jìn)出口經(jīng)常可看到測壓用的壓力表。為了保證生產(chǎn)正常運行，很多場合還需要對壓力進(jìn)行控制。 一一 壓力的定義壓力的定義AFP （2-1）國際單位: Pa KPa MPa ，其它單位在工程上仍有許多應(yīng)用：巴、毫米水拄、毫米汞拄、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、工程大氣壓等。KPaPaPSIinbfMPaPacmkgf8949. 69 .6894)(/11 . 05 .98066/122 第一節(jié) 概述 二二 壓力的表示方法壓力的表示方法在實際壓力測量時，常有絕壓、表壓、真空度（負(fù)壓）之分，其關(guān)系如圖2-1所示。 圖2-1 不同壓力表示方法的關(guān)系大氣壓大氣壓: 大氣自重

3、產(chǎn)生的壓力 絕壓絕壓: 以絕對真空作為它的基準(zhǔn) 表壓表壓: 以大氣壓作為它的基準(zhǔn)，工程上最常用。 真空度真空度: 低于大氣壓的壓力 它們之間的關(guān)系: 大氣絕表ppp（）絕大氣真ppp（）當(dāng)絕對壓力大于大氣壓時，一般用表壓表示；絕對壓力小于大氣壓時，一般用真空度表示。 第一節(jié) 概述 三三 壓力檢測方法壓力檢測方法 （一）根據(jù)轉(zhuǎn)換原理不同，大致可以分為四大類： 1 液柱式壓力計 根據(jù)流體靜力學(xué)原理，如U型管壓力計、單管壓力計、斜管壓力計等。優(yōu)點：準(zhǔn)確度高，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。缺點：測量低壓，就地顯示。主要應(yīng)用：低壓的精密測試和量值傳遞。多用于實驗室。 2 2 彈性式壓力計彈性式壓力計 被測壓力作用

4、于彈性元件使之發(fā)生彈性變形，根據(jù)變形的大小，便可測得被測壓力的數(shù)值。應(yīng)用范圍很廣。常見的彈性式壓力計元件有：彈簧管壓力計、波紋管壓力計、薄膜式壓力計等。根據(jù)帕斯卡定律和流體靜力學(xué)力平衡原理，由專用砝碼的重力作用在活塞有效面積上產(chǎn)生的壓力與被測壓力相平衡來測量壓力的儀表。優(yōu)點：測量范圍寬（0.1-2500MPa）；確度高（0.002%-0.2%)。缺點：工作液體容易發(fā)生泄漏；壓力不能連續(xù)測量。主要應(yīng)用：作為標(biāo)準(zhǔn)表用于檢定壓力儀表，作為壓力量值傳遞用。 第一節(jié) 概述 3 3 電氣式壓力計電氣式壓力計 將被測壓力通過機械和電氣元件轉(zhuǎn)換成電量來進(jìn)行壓力測量的，如應(yīng)變式、霍爾式、電容式、電感式、等。壓力

5、電量(R.V.I.L)應(yīng)變式壓力傳感器是把壓力的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化來進(jìn)行測量的，應(yīng)變片是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻體，其阻值隨壓力所產(chǎn)生的應(yīng)變而變化。 壓電式傳感器的原理是基于某些晶體材料的壓電效應(yīng)，目前廣泛使用的壓電材料有石英和鈦酸鋇等，當(dāng)這些晶體受壓力作用發(fā)生機械變形時，在其相對的兩個側(cè)面上產(chǎn)生異性電荷，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。 活塞式壓力計活塞式壓力計 第一節(jié) 概述 （二）根據(jù)信號傳輸方式1. 就地指示式就地指示式：彈管壓力表 2. 2. 遠(yuǎn)傳信號式遠(yuǎn)傳信號式：壓力傳感器式、壓力變送器 第二節(jié) 彈性式壓力計 彈性式壓力計是利用各種形式的彈性元件在受壓后所產(chǎn)生的彈性變形(即位移)來

6、測量壓力的。 一 彈性元件 常用的彈性元件有:膜片 膜盒 波紋管 彈簧管 材料:鈹青銅、磷青銅、不銹鋼、橡膠膜片等 第二節(jié) 彈性式壓力計 （一）結(jié)構(gòu)及工作原理儀表由測量系統(tǒng)、指示部分和表殼部分等組成。測量系統(tǒng)由接頭，彈簧管和齒輪傳動機構(gòu)等組成。由被測介質(zhì)的壓力作用，使彈簧管的 末 端 （ 自 由 端 ） 相 應(yīng) 地 產(chǎn) 生 位 移 ， 借 助 連 桿 帶 動 機 構(gòu) 中 的 扇 形 齒 輪 產(chǎn) 生 一角位移，而使齒輪軸得以偏轉(zhuǎn)傳給指示部分。指示部分由分度盤、鏡面。由指針將齒輪軸的偏轉(zhuǎn)值相應(yīng)地在分度盤上指示出被測介質(zhì)的壓力值。表殼部分由表蓋、表玻璃和罩殼等組成。表蓋的下端設(shè)有供調(diào)整零位用調(diào)零裝置

7、，以保持零值和讀數(shù)的準(zhǔn)確性。 二 彈簧管壓力計 第二節(jié) 彈性式壓力計 1 測量元件（彈簧管） 下面以單圈彈簧管為例介紹。結(jié)構(gòu)：扁平、中空，橫截面為扁圓或橢圓形，一端固定（測量端） ，另一端封閉（自由端）, 弧度為度。 材料：一般為銅或合金銅,但測量氨介質(zhì)時必須用專門的氨用壓力表,而測氧氣時,不得沾有油脂。 作用：感受壓力信號，并轉(zhuǎn)換為位移信號(較小)。 作用原理： xP自由端橢圓形趨于圓形Pkx1（）k1與彈簧管橫截面幾何形狀(橢圓度、角度)、剛度有關(guān)。 第二節(jié) 彈性式壓力計 結(jié)論： (1) 若彈簧管橫截面幾何形狀一定、剛度一定，則 xp可以根據(jù)自由端的位移變化來測量壓力 (2) 若彈簧管橫截

8、面幾何形狀一定、P一定，則 x剛度量程剛度可以通過改變彈簧管剛度來改變壓力表量程 (3) 若彈簧管剛度一定、P一定，則 橫截面幾何形狀改變 x變化,量程改變 多圈彈簧管 x變化大 ,多圈彈簧管用于小量程 橫截面更扁 x變化大 ，量程小通過彈簧管將被測壓力轉(zhuǎn)換成自由端的位移 x ，但是很小，靈敏度低，需要對其進(jìn)行放大才能指示出來。 第二節(jié) 彈性式壓力計 2 齒輪傳動放大機構(gòu) (1) 第一次放大（杠桿） 轉(zhuǎn)過的角度相等： xOBOALOBxOAL(2-5) OA OB L x 實現(xiàn)弧長的放大（角度不變） 放大不夠，需進(jìn)一步放大。 第二節(jié) 彈性式壓力計 () 第二次放大（中心齒輪）中心齒輪扇形齒輪走

9、過的弧長相等： rOArOAL (2-6)實現(xiàn)角度的放大（弧長不變）OAr 指針實現(xiàn)第三次放大和指示的作用轉(zhuǎn)過的角度相等： LrRyrLRy (2-) 實現(xiàn)弧長的放大（角度不變） rR Ly 第二節(jié) 彈性式壓力計 結(jié)論： 顯示二級放大一次放大自由端微小位移壓力指針中心齒輪扇形齒輪彈簧管 xPKPPkkxkOBxOArROArRLrRy122 (2-)yP指針位移壓力 討論： （） 零點調(diào)整 改變指針初始位置或表盤位置（一般只有標(biāo)準(zhǔn)表可以調(diào)整表盤位置）() 量程調(diào)整 量程由k1、R、r、OA、OB決定，其中k1、R、r、OA由廠家定，用戶可通過OB調(diào)整，改變B點調(diào)整螺釘?shù)奈恢谩?第二節(jié) 彈性式壓

10、力計 游絲 克服因扇形齒輪和中心齒輪的間隙所產(chǎn)生的儀表變差。 第二節(jié) 彈性式壓力計 （二）電接點壓力表 電接點壓力表經(jīng)與相應(yīng)的電氣器件（如繼電器及接觸器等）配套使用，即可對被測（控）壓力系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制和發(fā)信（報警）的目的。工作原理工作原理：當(dāng)指示指針上的動觸頭與設(shè)定指針上的靜觸頭（上限或下限）相接觸的瞬時，控制系統(tǒng)的電路得以斷開或接通，以達(dá)到自動控制和發(fā)信的目的。 第二節(jié) 彈性式壓力計 （三）壓力表型號YX-一般電接點壓力表 YN-耐振壓力表YB標(biāo)準(zhǔn)表YO-測氧壓力表 YH-測氫壓力表YY-測乙炔壓力表YA-測氨壓力表 第二節(jié) 彈性式壓力計 （四）壓力表特點優(yōu)點優(yōu)點：簡單可靠；價格低廉；精度

11、高 測量范圍寬 （ MPa）；321010缺點缺點：只能就地顯示。但很多情況需要將壓力信號傳送到控制室，作為記錄、顯示、控制、報警等用。需要遠(yuǎn)傳時，要采用電氣式壓力計，下一節(jié)，主要介紹電容式壓力變送器。 第三節(jié) 變送器 一 變送器的作用 可將工藝參數(shù)X（P、 L 、T、F ）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號Y（420mA、20100KPa、010mA等），并傳送到控制室供顯示、記錄、調(diào)節(jié)、運算、報警等用途。變即轉(zhuǎn)換、送即遠(yuǎn)距離傳送、器即儀器裝置之意，所以變送器是完成工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換、傳送的過程控制儀表。差壓溫度液位流量電流含水率.壓力 工藝參數(shù)變送器顯示紀(jì)錄調(diào)節(jié)現(xiàn)場控制室 第三節(jié) 變送器 一 變送器的輸入輸出關(guān)

12、系 輸入：XminXmax 被測變量測量范圍 L =XmaxXmin 量程 輸出： YminYmax 標(biāo)準(zhǔn)信號 變送器的輸出是標(biāo)準(zhǔn)信號，不同類型變送器的輸出范圍是不同的。 輸出信號 能源氣動差壓變送器： 20100KPa 140KPa 70年代-80年代中電動差壓變送器: 電型 010mA； 220VAC 80年代中-90年代初 電型 420mA 24VDC 90年代初-變送器的輸入X和輸出Y的關(guān)系一般為理想的線性關(guān)系。 變送器輸出值的計算：minminmaxminmaxmin)()(YYYXXXXPIYOO或 測量值（變送器輸入）的計算 minminmaxminmaxmin)(XXXYYYY

13、X (2-9) (2-10) 第三節(jié) 變送器 一 變送器的輸入輸出關(guān)系 例例2-12-1:一臺電差壓變送器，測量范圍210MPa, 從控制室測得信號為12mA時，所測差壓是多少?當(dāng)所測差壓為7.6MPa時，從控制室測得信號為多少mA?解： )( 62)210(420412)(minminmaxminmaxminMPaXXXYYYYX)( 2 .154) 420(21026 . 7)(minminmaxminmaxminmAYYYXXXXYIo 第三節(jié) 變送器 二二 變送器的連線方式變送器的連線方式 1 四線制現(xiàn)場控制室四線制變送器 從控制室伸出四根導(dǎo)線與現(xiàn)場變送器相連，其中兩根為電源線，兩根為

14、信號線。變送器工作時要求其供電電源從控制室來，輸出信號傳送到控制室。 DDZ- DDZ-電源： 220VAC 24VDC信號： 010mA 420mA現(xiàn)場控制室目前四線制變送器已經(jīng)很少，絕大多數(shù)是兩線制變送器。 2 二線制二線制變送器 從控制室伸出兩根導(dǎo)線與現(xiàn)場變送器相連，這兩根導(dǎo)線既為電源線又為信號線。電源與負(fù)載串聯(lián)后接到變送器上。 電源：24VDC 信號： 420mA四線制與二線制比較四線制與二線制比較：一般現(xiàn)場離控制室較遠(yuǎn)，前者電纜成本高、故障率高。3 三線制現(xiàn)在有一部分儀表采用三線制，將四線制的電源地與信號地共用一根線。 第三節(jié) 變送器 三 變送器的零點、量程調(diào)整 FFKXKDXY01

15、 量程調(diào)整 (SPAN） 作用：使變送器輸出的上限值與測量信號輸入的上限值相對應(yīng)。當(dāng)X0 =Xmax時，使Y = 20mA/10mA/100KPa的調(diào)整，稱作量程調(diào)整。量程調(diào)整可通過在變送器外部的標(biāo)有“S”調(diào)整螺釘。例2-2：對于測量范圍為0-600 KPa 的差壓變送器，實際要求測量范圍是0-200KPa，問能否用？如何用？解：能用! 但要進(jìn)行量程的調(diào)整。YminYmaxXminXmax1Xmax2量程調(diào)整示意圖 第三節(jié) 變送器 三 變送器的零點、量程調(diào)整 FFKXKDXY02 零點調(diào)整和零點遷移(ZERO） 作用：使變送器輸出的下限值與測量信號輸入的下限值相對應(yīng)。當(dāng)X0=0時，使Y = 4

16、mA/0mA/20KPa的調(diào)整，稱作零點調(diào)整零點調(diào)整。零點調(diào)整可通過在變送器外部的標(biāo)有“Z”調(diào)整螺釘。當(dāng)X0=XMIN0時，使Y =4mA/0mA/20KPa的調(diào)整，稱作零點遷移零點遷移。Xmin XmaxXminXmax零點調(diào)整與零點遷移示意圖例2-3：對于測量范圍為0-600 KPa 的差壓變送器，當(dāng)輸入差壓為X=0時，輸出信號Y應(yīng)為4mA，如果輸出信號不是4mA，就需要對其進(jìn)行零點調(diào)整，使輸出信號Y = 4mA。由于測量信號的下限值不一定為零，而輸出的下限值一定，所以通過調(diào)整X0的大小來實現(xiàn)零點調(diào)整與零點遷移的功能。二者的區(qū)別是測量信號的下限值是否為零，零點遷移時，如果Xmin0時，稱之

17、為正遷移，如果Xmin10MPa）： 3553maxmax測量程量程測PPPP（活塞泵） 第五節(jié) 壓力儀表的選用、安裝與校驗壓力儀表的選用、安裝與校驗 2 測量范圍的選擇測量值下限下限大于1/3的量程，否則測量誤差太大。 根據(jù)被測參數(shù)的最大值和最小值計算出儀表的上下限后，不能以次直接作為儀表的測量范圍（量程），應(yīng)在國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)系列中選取。量程靠級: -0.10.06, -0.1 1.5；01， 0 1.6， 0 2.5， 0 4， 0 6, 0 10*10n MPa系列。n從而保證儀表的測量準(zhǔn)確度和靈敏度。 3 精度選擇 根據(jù)測壓范圍，根據(jù)工藝上允許的最大絕對誤差，先選出量程，再根據(jù)工藝上允

18、許的最大絕對誤差計算出儀表允許的最大引用誤差，q允去掉號和，其數(shù)值就是精度，若沒有這個等級，靠精度等級(往高精度靠)。 第五節(jié) 壓力儀表的選用、安裝與校驗壓力儀表的選用、安裝與校驗 n例2-5：就地測量某儲罐中的壓力，被測介質(zhì)的工作壓力為6.0MPa,要求最大測量誤差不能超過被測壓力的2%，如何選表？ 解： 選擇類型：作為就地指示表，沒有其它特殊要求。 選擇：單圈普通彈簧管壓力表。 測量范圍選擇：因為測量的儲罐壓力變力變化應(yīng)比較平穩(wěn)，所以被測壓力不應(yīng)超過儀表 測量上限的。 MPaP92363/26量程 在國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)系列中沒有09MPa的測量范圍，應(yīng)選最接近而稍大的測量范圍，因此選擇010M

19、Pa的測量范圍。 精度選擇：根據(jù)題意，工藝所允許的最大絕對誤差為 MPaa12. 06%2max所選壓力表的最大引用誤差為： %2 . 1%1001012. 0%100maxmaxLaq儀表允許的最大引用誤差為： %2 . 1max qq允q允去掉號和，其數(shù)值為1.2，由于國家規(guī)定的精度等級中沒有1.2級儀表，應(yīng)選最接近而往高精度靠，取1.0級。 選擇結(jié)果：單圈普通彈簧管壓力表，測量范圍010MPa, 精度1.0級。 那么選擇0.5級、0.2級或更高等級的表行不行？當(dāng)然可以，只是精度每增加一個等級，價格要至少翻一番，因此，從經(jīng)濟的角度考慮，只要滿足工藝要求，盡量選擇最便宜的表。 第五節(jié) 壓力儀

20、表的選用、安裝與校驗壓力儀表的選用、安裝與校驗 n二二 安裝安裝 壓力測量系統(tǒng)有取壓口，壓力信號導(dǎo)管，壓力表及一些附件組成。安裝正確與否，直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和儀表的使用壽命。1 取壓口的選擇取壓點要有代表性，總的原則是盡量反應(yīng)壓力的真實情況。（1）為保證測量的是靜壓，取壓點與容器壁要垂直，對管路壓力的測量，應(yīng)避開死角、拐角及旋渦區(qū)。（2）管路中不應(yīng)有突出物，若存在時，取壓點應(yīng)在其之前。（3）對水平管路取壓點位置：氣體取于上半部分，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存液體；液體取于管道截面下半部分，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存氣體。 第五節(jié) 壓力儀表的選用、安裝與校驗壓力儀表的選用、安裝與校驗 n二二 安裝安裝 2 2

21、導(dǎo)壓管的安裝導(dǎo)壓管的安裝（1）導(dǎo)壓管粗細(xì)要合適，一般內(nèi)徑為610mm，長度盡量短，不要超過50m，以防壓力指示遲緩。（2）水平敷段的導(dǎo)壓管應(yīng)保證有（1：10）（1：20）的傾斜度。液體引壓管下傾，氣體引壓管上傾。測液體在引壓管最高點裝排氣閥，測氣體在引壓管最低點裝排液閥。以利于積存于此的液體或氣體排出。（3）易凍易凝介質(zhì)安加保溫伴熱。（4）在靠近取壓點的引壓管上裝切斷閥，便于維修。 第五節(jié) 壓力儀表的選用、安裝與校驗壓力儀表的選用、安裝與校驗 n二二 安裝安裝 3 壓力表的安裝（1） 壓力表應(yīng)裝于易觀察和檢修的地方。（2） 盡可能避免振動、高溫。（3）測量蒸汽壓力時加裝凝液管，防止高溫蒸汽直接

22、和測壓元件接觸，測腐蝕介質(zhì)時加隔離罐。見課本P29圖2-22所示。（4） 若壓力表與取壓位置不在同一高度時，應(yīng)按 考慮修正。 （5）壓力表的連接處加裝封墊片，材料由耐壓、耐溫情況而定，注意介質(zhì)特性要求。乙炔氣、氨氣不能用銅墊，氧 不能沾油。（6） 為安全，測量高壓的壓力表的表殼應(yīng)向墻壁或無人通過的地方。gHP 第五節(jié) 壓力儀表的選用、安裝與校驗壓力儀表的選用、安裝與校驗 n二二 校驗校驗 為保證儀表正常測量，須定期校驗。新儀表在安裝使用前也應(yīng)校驗。 校驗是被校儀表與標(biāo)準(zhǔn)儀表在相同條件下的比較過程。標(biāo)準(zhǔn)表選取原則： 校驗時的標(biāo)準(zhǔn)表應(yīng)根據(jù)被校表進(jìn)行選擇，要求標(biāo)準(zhǔn)表的允許絕對誤差不得超過1/3的被校表允許絕對誤差，標(biāo)準(zhǔn)表的量程應(yīng)比被校表量程大一檔（或同檔）。2 校驗儀器：活塞式壓力計 1 校驗原理 根據(jù)帕斯卡定律和流體靜力學(xué)力平衡原理，由專用砝碼的重力作用在活塞有效面積上產(chǎn)生的壓力與被測壓力相平衡來測量壓力的儀表。優(yōu)點：測量范圍寬；精度高缺點：工作液體容易發(fā)生泄漏；壓力不能連續(xù)測量。主要應(yīng)用：作為標(biāo)準(zhǔn)表用于檢定壓力儀表，作為壓力量值傳遞用。