壓力表基礎(chǔ)知識(shí)、工作原理及檢定方法

1、項(xiàng)目三 壓力測量儀表的應(yīng)用任務(wù)一壓力測量儀表的選擇 、安裝和應(yīng)用合肥二電廠高級(jí)技師宋毓楠主要內(nèi)容一 、壓力儀表概念二、測壓儀表的分類三 、壓力表的選用、校驗(yàn)、安裝四、故障分析一 、壓力儀表概念壓力：垂直均勻地作用在單位面積上的力，它的法定計(jì)量單位是帕斯卡（簡稱帕），符號(hào)為Pa，其它常用法定計(jì)量單位還有Kpa、Mpa。 1Pa就是1牛頓（N）的力作用在1平方米（m2）面積上所產(chǎn)生的壓力。1MPa=1000KPa=106Pa根據(jù)測量要求，按零標(biāo)準(zhǔn)的方法，可分為絕對(duì)壓力、表壓力、差壓力等。工業(yè)上相應(yīng)檢測壓力的儀表有壓力表、真空表、壓力真空兩用表。工程上檢測壓力的儀表多數(shù)是表壓，但工程上儀表調(diào)校和計(jì)算

2、時(shí)，又多數(shù)用絕對(duì)壓力。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，分清是什么壓力。 絕對(duì)壓力是以完全真空作為零標(biāo)準(zhǔn)的壓力。在用絕對(duì)壓力表示低于大氣壓時(shí)，把該絕對(duì)壓力稱為真空度。表壓力是以當(dāng)?shù)卮髿鈮鹤鳛榱銟?biāo)準(zhǔn)的壓力。通常，所謂壓力就是指表壓力。差壓是用兩個(gè)壓力之差表示的壓力，也就是以大氣壓以外的任意壓力作零標(biāo)準(zhǔn)的壓力a P表壓=P絕對(duì)壓力P大氣壓 b P真空度=P大氣壓力P絕對(duì)壓力因?yàn)楦鞣N工藝設(shè)備和測量儀表通常是處于大氣之中，本身就承受著大氣壓力。所以，工程上常用表壓或真空度來表示壓力的大小。下面提到的壓力無特別說明都是表壓或真空度。二、測壓儀表的分類：1 彈性式壓力計(jì)2液柱式壓力計(jì)。3電氣式壓力計(jì)4活塞式壓力計(jì) （1）彈

3、性壓力計(jì)彈性壓力計(jì):依據(jù)彈性力與被測壓力平衡的原理制成，彈性元件變形位移量的多少反映了被測壓力的大小。常用的彈性元件有彈簧管、膜片和波紋管，相應(yīng)的有彈簧管壓力計(jì)、膜式壓力計(jì)和波紋管式壓差計(jì)。彈簧管彈性元件有： 彈簧管是彈簧管壓力計(jì)的主要測壓元件。彈簧管的橫截面呈橢圓形或扁圓形，是一根空心的金屬管，其一端封閉為自由端，另一端固定在儀表的外殼上，并與被測介質(zhì)相通的管接頭連接，當(dāng)具有壓力的介質(zhì)進(jìn)入管的內(nèi)腔后，由于彈簧管的橫截面是橢圓形或扁圓形的。所以在壓力的作用下它會(huì)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(dāng)管內(nèi)壓力比管外大時(shí)，短軸要變長些，長軸要變短些，管子截面趨于更圓，產(chǎn)生彈性

4、變形。使彎成圓弧狀的彈簧管向外伸張，在自由端產(chǎn)生位移。此位移經(jīng)桿系和齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針，指出相應(yīng)的壓力值。 電位器式壓力表膜式壓力計(jì)： 膜式壓力計(jì)分為膜片壓力計(jì)和膜盒壓力計(jì)兩種。前者主要用于測量腐蝕性介質(zhì)或非凝固、非結(jié)晶的粘性介質(zhì)的壓力；后者常用于測量氣體的微壓或負(fù)壓。它們的敏感元件分別是膜片和膜盒 。膜片壓力計(jì)： 膜片壓力計(jì)的膜片可分為彈性膜片和撓性膜片兩種。膜片呈圓形，一般由金屬制成，常用的彈性波紋膜片是一種壓有環(huán)狀同心波紋的圓形薄片，它的四周被固定起來。通入壓力后，膜片將向壓力低的一面彎曲，其中心產(chǎn)生一定的位移（即撓度），通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，指示出被測壓力。 （a）彈性膜片 （b）撓

5、性膜片 膜盒壓力計(jì)：為了增大膜片的位移量以提高靈敏度，可以把兩片金屬膜片的周邊焊接在一起，形成膜盒。1-調(diào)零螺桿； 2-機(jī)座； 3-刻度板； 4-膜盒； 5-指針； 6-調(diào)零板； 7-限位螺釘； 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(dǎo)壓管波紋管式彈性元件：這種彈性元件容易變形，而且位移大，常用于微壓和低壓測量。（一般不超過1MP）彈性式壓力計(jì)的誤差：1遲滯誤差 相同壓力下，同一彈性元件正反行程的變形量不一樣，產(chǎn)生遲滯誤差。2后效誤差 彈性元件的變形落后于被測壓力的變化，引起彈性后效誤差。3間

6、隙誤差 儀表的各種活動(dòng)部件之間有間隙，示值與彈性元件的變形不可能完全對(duì)應(yīng)，引起間隙誤差。4摩擦誤差 儀表的活動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，相互間存在摩擦力，產(chǎn)生摩擦誤差。5溫度誤差 環(huán)境溫度的變化會(huì)引起金屬材料彈性模量的變化，造成溫度誤差。2液柱式壓力計(jì) 液柱式壓力計(jì)：是根據(jù)流體靜力學(xué)原理，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(jì)。所用液體叫作封液，常用的有水、酒精、水銀等。液柱式壓力計(jì)多用于測量低壓、負(fù)壓和壓力差。常用的液注式壓力計(jì)有U型管壓力計(jì)、單管壓力計(jì)和斜管微壓計(jì)。 U型管壓力計(jì)單管壓力計(jì) 斜管微壓計(jì)液柱式壓力計(jì)的測量誤差 ：環(huán)境溫度變化的影響環(huán)境溫度偏離規(guī)定溫度2

7、0C后，封液密度改變對(duì)壓力計(jì)讀數(shù)影響儀器使用地點(diǎn)的重力加速度影響毛細(xì)現(xiàn)象造成的誤差毛細(xì)現(xiàn)象使封液表面形成彎月面，這不僅會(huì)引起讀數(shù)誤差，而且會(huì)引起液柱的升高或降低。這種誤差與封液的表面張力、管徑、管內(nèi)壁的潔凈度等因素有關(guān)，難以精確得到。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常常通過加大管徑來減少毛細(xì)現(xiàn)象的影響。此外液柱式壓力計(jì)還存在刻度、讀數(shù)、安裝等方面的誤差。讀數(shù)時(shí)，眼睛應(yīng)與封液彎月面的最高點(diǎn)或最低點(diǎn)持平，并沿切線方向讀數(shù)。U型管壓力計(jì)和單管壓力計(jì)都要求垂直安裝，否則將帶來較大誤差。3活塞式壓力計(jì)活塞式壓力計(jì)：將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞上所加平衡砝碼的重量進(jìn)行測量?；钊綁毫τ?jì)是基于帕斯卡定律及流體靜力學(xué)平衡原理產(chǎn)生的一種高

8、準(zhǔn)確度、高復(fù)現(xiàn)性和高可信度的標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)量儀器 . （4） 電氣式壓力計(jì)電氣式壓力計(jì)：:電氣式壓力計(jì)通常是將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電阻、電感或電勢等電量的變化，構(gòu)成各種壓力傳感器。由于它輸出的是電量，便于信號(hào)遠(yuǎn)傳，尤其是便于與計(jì)算機(jī)連接組成數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)，所以得到了廣泛的應(yīng)用，極大地推進(jìn)了試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。電氣式壓力計(jì)組成：壓力傳感器、測量電路和信號(hào)處理裝置所組成。電氣式壓力計(jì)的種類很多，分類方式也不盡相同。從壓力轉(zhuǎn)換成電量的途徑來看，可分為電阻式、電容式、電感式等等；還有電磁效應(yīng)、壓阻效應(yīng)、壓電效應(yīng)、光電效應(yīng)等等。 電阻應(yīng)變片式壓力傳感器 被測壓力作用于彈性敏感元件上，使它產(chǎn)生變形，在其變形的部位粘

9、貼有電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片感受被測壓力的變化，按這種原理設(shè)計(jì)的傳感器稱為電阻應(yīng)變片式壓力傳感器。電感式壓力傳感器： 電感式壓力傳感器以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，利用磁性材料和空氣的導(dǎo)磁率不同，把彈性元件的位移量轉(zhuǎn)換為電路中電感量的變化或互感量的變化，再通過測量線路轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電流或電壓信號(hào)。電感式傳感器工作原理：當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，膜盒的頂端在壓力P 的作用下產(chǎn)生與壓力P 大小成正比的位移，于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng)，從而使氣隙發(fā)生變化，流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表A的指示值就反映了被測壓力的大小。電容式壓力傳感器：將壓力轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后進(jìn)行測量。測量膜盒一般填充硅油。中心感應(yīng)片和兩邊固定弧

10、形電極。 當(dāng)被測壓力作用在隔離膜片上時(shí)通過硅油傳遞壓力，引到中間感應(yīng)膜片，使之產(chǎn)生位移，這樣中間膜片到倆膜片距離不相再等，使倆邊電容不相等通過轉(zhuǎn)換放大為4-20ma信號(hào)。電容式壓力傳感器的精度高。允許誤差0.25%主要優(yōu)點(diǎn)：輸入能量小而靈敏度高。極距變化型電容式傳感器只需要很小的能量就能改變電容極板的位置。因此電容傳感器可以測量很小的力、振動(dòng)加速度，而且很靈敏。動(dòng)態(tài)特性好。電容傳感器活動(dòng)零件少，而且質(zhì)量很好，本身具有很高的自振頻率，所以動(dòng)態(tài)特性好。能量損耗小。電容式傳感器的工作是變化極板的間距，而電容變化并不產(chǎn)生熱量。結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性好。電容式傳感器的主要結(jié)構(gòu)是兩塊金屬極板和絕緣層，結(jié)構(gòu)很簡單

11、，在振動(dòng)、輻射環(huán)境下仍能正常工作。主要缺點(diǎn)： 非線性大。 電纜分布電容影響大。 (5) 壓力開關(guān)壓力開關(guān):是一種簡單的壓力控制裝置。當(dāng)被測壓力達(dá)到額定值時(shí)，壓力開關(guān)可發(fā)出警報(bào)或控制信號(hào)。壓力開關(guān)的工作原理是：當(dāng)被測壓力超過額定值時(shí)，彈性元件的自由端產(chǎn)生位移，直接或經(jīng)過比較后推動(dòng)開關(guān)元件，改變開關(guān)元件的通斷狀態(tài)，達(dá)到控制被測壓力的目的。 壓力開關(guān)采用的彈性元件有單圈彈簧管、膜片、膜盒及波紋管等。開關(guān)元件有磁性開關(guān)、水銀開關(guān)、微動(dòng)開關(guān)。開關(guān)形式有常開式和常閉式兩種。調(diào)節(jié)方式有兩位式和三位式兩種。（6）變送器智能變送器是在普通的模擬式變送器的基礎(chǔ)上，增加了微處理器而形成的一種智能式檢測儀表。時(shí)間應(yīng)用

12、的智能變送器種類很多，結(jié)構(gòu)各有差異。按照被檢測變量的不同，分為智能壓力變送器、智能差壓變送器、智能溫度變送器等。智能式變送器的特點(diǎn)： 1. 在檢測部件中，除了壓力（差壓）傳感元外，一般還有溫度傳感元件。產(chǎn)品采用微機(jī)械電子加工技術(shù)、超大規(guī)模的專用集成電路（ASIC）和表面安裝技術(shù)（SMT），因此儀表結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，體積很小。2. 智能變送器的精度較高，一般在0.1%0.2%，有的還能到0.075%；測量范圍很寬，量程比達(dá)40、50、100甚至400；其他如溫度性能、靜壓性能、單向過載性能等也比以往的變送器有很大的提高。3. 智能變送器可以在手持通信器（又稱手操器、手持終端）上遠(yuǎn)方設(shè)定儀表的零

13、點(diǎn)和量程，因此儀表可以在不通信號(hào)壓力的情況下更改測量范圍，這對(duì)于人員難以達(dá)到的場合特別感到方便。4. 智能變送器和DCS控制系統(tǒng)之間可數(shù)字通信，就為全數(shù)字化的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)提供了條件。手操器 在各個(gè)公司的智能變送器中存在著兩種不同的通信協(xié)議，一種是HART通信協(xié)議，另一種是DE通信協(xié)議。如霍尼韋爾ST3000/900采用DE通信協(xié)議，而羅斯蒙特智能變送器、橫河EJA智能變送器等就采用HART通信協(xié)議。 將數(shù)字信號(hào)疊加在模擬信號(hào)上，兩者可同時(shí)傳輸?shù)氖荋ART協(xié)議；數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)分開傳輸，當(dāng)傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，模擬信號(hào)需中斷的是DE協(xié)議。當(dāng)變送器進(jìn)行數(shù)字通信時(shí)，如果串在輸出回路中的電流表還能有穩(wěn)

14、定的指示，則該變送器采用的是HART協(xié)議；如果電流表指針上下跳動(dòng)，無法讀出示值時(shí)，則該表采用的是DE協(xié)議。在數(shù)字通信時(shí)，以頻率的高低來代表邏輯“1”和“0”的是HART協(xié)議；而以脈沖電流的多少來代表邏輯“1”和“0”的是DE協(xié)議智能變送器的結(jié)構(gòu)原理：智能變送器從整體上看，是由硬件和軟件倆大部分構(gòu)成。硬件不分包括傳感器部分、微處理器部分、輸入輸出電路、人-機(jī)聯(lián)系部分等。軟件部分包括系統(tǒng)程序和用戶程序。不同的程序和不同的廠家的只能變送器組成基本相同。下面以霍尼韋爾公司的一般智能變送器為例對(duì)其工作原理做簡單介紹： 它由檢測部件和電子轉(zhuǎn)換部件兩大部分組成。被測過程壓力作用在隔離膜片上，通過封入液傳到膜

15、盒內(nèi)的傳感器的硅片上，使其應(yīng)力發(fā)生變化，因而其電阻值也跟著變化。通過電橋產(chǎn)生與壓力成正比的電壓，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送電子轉(zhuǎn)換部件中的微處理器。在傳感器的芯片上，還有兩個(gè)輔助傳感元件：一個(gè)是溫度傳感元件，用于檢測表體溫度；另一個(gè)是壓力傳感元件，用于檢測過程靜壓。溫度和靜壓的模擬值也被轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并送至轉(zhuǎn)換部件中的微處理器。微處理器對(duì)以上信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化和補(bǔ)償運(yùn)算后，輸出相應(yīng)的420mA模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。三 、壓力表的選用、校驗(yàn)、安裝 （1）壓力表的選擇： 儀表量程的選擇：在被測壓力較穩(wěn)定的情況下，最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的3/4；在壓力波動(dòng)較大時(shí)，不應(yīng)超過儀表滿量程的2/3

16、；為保證測量的準(zhǔn)確度，最小工作壓力不應(yīng)小于滿量程的1/3。我國生產(chǎn)的壓力表有統(tǒng)一的量程系列，它們是1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它們的10n倍數(shù)。儀表精度的選擇：主要根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定，即要求實(shí)際被測壓力允許的最大絕對(duì)誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差。儀表類型的選擇：從壓力大小來考慮：小壓力采用液柱式或膜盒式，較大的采用彈簧管。從被測介質(zhì)來考慮：腐蝕性介質(zhì)采用不銹鋼材質(zhì)，氧氣、乙炔等介質(zhì)采用專用的壓力表。（2）壓力儀表的校驗(yàn)：校驗(yàn)就是將被校壓力表和標(biāo)準(zhǔn)壓力表通以相同壓力，比較它們的指示值，如果被校表對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)誤差不大于被校表的最大允許絕對(duì)誤差時(shí)，則認(rèn)為被校表合格。常用的校

17、驗(yàn)儀表是活塞式壓力計(jì)。 （3）壓力表的安裝壓力表的安裝基本要求如下：a 測壓點(diǎn):按被測介質(zhì)的需求選取正確的測壓點(diǎn)，插入生產(chǎn)設(shè)備的取壓管的內(nèi)端面，與工藝設(shè)備的接觸處內(nèi)壁應(yīng)保持平齊，不許有凸出物或毛刺，以免影響靜壓力的正確取得。根據(jù)不同的被測介質(zhì)選擇不同的測壓位置。 b 安裝地點(diǎn)的選擇 :避免振動(dòng)與高溫的影響。 c 防溫、防腐、防凍、防堵措施 例如檢測蒸汽壓力時(shí)，應(yīng)加裝凝液罐，以防止高溫蒸汽與測壓元件直接接觸而損壞測壓元件。對(duì)于有腐蝕性的被測介質(zhì)，應(yīng)加裝充有中性介質(zhì)的隔離罐。一般來講，對(duì)于不同的被測介質(zhì)，如高溫、低溫、腐蝕、臟污、結(jié)晶、沉淀、粘稠等，被測裝置應(yīng)采取相應(yīng)的防護(hù)措施。 d 檢修方便 安

18、裝壓力表時(shí)，應(yīng)考慮今后檢 修方便，壓力的取壓口到壓力表之間應(yīng)安裝切斷閥，切斷閥安裝在靠近取壓口的地方。如需在現(xiàn)場調(diào)校，被測介質(zhì)又有臟污的情況，切斷閥改用三通閥。e 安裝時(shí)引壓管不宜過長，否則容易造成測量滯后。滯后時(shí)間又叫時(shí)滯，它是從輸入產(chǎn)生變化的瞬間起，到它所引起的輸出量開始變化的瞬間為止的時(shí)間間隔。四、故障分析壓力控制儀表系統(tǒng)故障的基本分析思路 根據(jù)測量參數(shù)的不同，來分析不同的現(xiàn)場壓力儀表故障所在。 1首先，在分析現(xiàn)場壓力儀表故障前，要比較透徹地了解相關(guān)儀表系統(tǒng)的生產(chǎn)過程、生產(chǎn)工藝情況及條件，了解儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)意圖，儀表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、性能及參數(shù)要求等。 2在分析檢查現(xiàn)場儀表系統(tǒng)故障之前，要向現(xiàn)場操作工人了解生產(chǎn)的負(fù)荷及原料的參數(shù)變化情況，查看故障儀表的記錄曲線，進(jìn)行綜合分析，以確定儀表故障原因所在。 3如果儀表記錄曲線為一條死線（一點(diǎn)變化也沒有的線稱死線），或記錄曲線原來為波動(dòng)，現(xiàn)在突然變成一條直線；故障很可能在儀表系統(tǒng)。因?yàn)槟壳坝涗泝x表大多是DCS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，靈敏度非常高，參數(shù)的變化能非常靈敏的反應(yīng)出來。此時(shí)可人為地改變一下工藝參數(shù)，看曲線變化情況。如不變化，基本斷定是儀表系統(tǒng)出了問題；如有正常變化，基本斷定儀表