热工检测技术-第3章-压力测量及仪表ppt课件

p76第三章第三章 压力测量压力测量及仪表及仪表p76第三章 压力测量及仪表1压力测量的意义压力测量的意义安全性经济性 压力测量的意义2(1)压力的表示方法压力的表示方法u绝对压力绝对压力P1u大气压力大气压力Pambu表压力表压力Pe Pe=P1Pambu真空度真空度PZ（负压）（负压）PZPambP1(1)压力的表示方法绝对压力P13 (2)压力单位压力单位我国法定计量单位中，压力的单位是我国法定计量单位中，压力的单位是“帕斯帕斯卡卡”，简称，简称“帕帕”，符号为，符号为“Pa”。(2)压力单位我国法定计量单位中，压力的单位是“帕斯卡”4 过过 去去 采采 用用 的的 压压 力力 单单 位位“工工 程程 大大 气气 压压 力力”（kgf/cm2）、“毫毫米米汞汞柱柱”（mmHg）、“毫毫 米米 水水 柱柱”（mmH2O）、“标标 准准 大大 气气 压压”（atm）、“巴巴”（bar）等等均均应应改改成成法法定定计计量单位帕。量单位帕。1 kgf/cm2=0.9807105Pa1mmH2O=0.980710Pa1 mmHg=1.332102Pa1atm=1.01325105Pa1bar=105Pa 过去采用的压力单位“工程大气压力”（kgf/5(3)压力测量的主要方法和分类压力测量的主要方法和分类 n压力传感器从其原理及结构来看可分为：压力传感器从其原理及结构来看可分为：液柱液柱式、机械式及电气式式、机械式及电气式u测量压力的仪表，按信号原理不同，大致可分为四测量压力的仪表，按信号原理不同，大致可分为四类：类：液柱式液柱式：根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱：根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度高度活塞式活塞式：根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力：根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量机械式机械式：根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转：根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移换成位移(3)压力测量的主要方法和分类 6电气式电气式：将被测压力转换成各种电量，：将被测压力转换成各种电量，如电感、电容、电阻、电位差等，依如电感、电容、电阻、电位差等，依据电量的大小实现压力的间接测量据电量的大小实现压力的间接测量电气式：将被测压力转换成各种电量，如电感、电容、电阻、电位差73.1 3.1 液柱式压力计液柱式压力计 u利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的力相平衡的原理原理，通过液柱高度来反映被测，通过液柱高度来反映被测压力的大小压力的大小u优点：优点：结构简单，使用方便，有相当高的准结构简单，使用方便，有相当高的准确度确度u缺点：缺点：量程受液柱高度的限制，体积大，玻量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管容易损坏及读数不方便；测量范围不大璃管容易损坏及读数不方便；测量范围不大3.1 液柱式压力计 利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压8u采用水银或水为工作液，用采用水银或水为工作液，用U形管或单管进形管或单管进行测量，常用于低压、负压或压力差的检测行测量，常用于低压、负压或压力差的检测u被广泛用于实验室压力测量或现场锅炉烟、被广泛用于实验室压力测量或现场锅炉烟、风道各段压力、通风空调系统各段压力的测风道各段压力、通风空调系统各段压力的测量量采用水银或水为工作液，用U形管或单管进行测量，常用于低压、负9一、一、U形管压力计形管压力计测气体测气体P=P1P2 =3g(h1+h2)=3gh提高工作液密度将提高工作液密度将增加压力的测量范增加压力的测量范围，但灵敏度要降围，但灵敏度要降低。低。3-2一、U形管压力计测气体提高工作液密度将增加压力的测量范围，但10n式适用于平衡液体上传压介质是气体。若不是气体而是另外一种液体，其密度1，则公式中3用3-1代替。n必须分别读出h1和h2，再相加得出液面高度差。故读数误差大。式适用于平衡液体上传压介质是气体。若不是气体而是另外一种液体11 31 31123.1.2 单管压力计单管压力计 由于由于U形管压力形管压力计需两次读取液面高计需两次读取液面高度，为使用方便，设度，为使用方便，设计出一次读取液面高计出一次读取液面高度的单管压力计。度的单管压力计。3-3h13.1.2 单管压力计 由于U形管压力计13 因因 故故 由于由于 Dd，所以，所以 P=gh1 因14斜管微压计斜管微压计 主要用于测量微小压力、负压和压主要用于测量微小压力、负压和压差，它将单管液柱压力计的测量管倾斜差，它将单管液柱压力计的测量管倾斜放置，这样可以提高灵敏度，减少读数放置，这样可以提高灵敏度，减少读数相对误差。相对误差。斜管微压计 主要用于测量微小压力、负压和压差，15121216倾倾斜斜角角度度越越小小，l越越长长，测测量量灵灵敏敏度度就就越越高高；但但不不可可太太小小，否否则则液液柱柱易易冲冲散散，读读数数较较困困难难，误差增大。误差增大。这这种种倾倾斜斜管管液液柱柱式式压压力力计计可可以以测测量量到到0.98Pa的的微微压压。为为了了进进一一步步提提高高微微压压计计的的精精确确度度，应选用密度小的酒精作为工作液体。应选用密度小的酒精作为工作液体。倾斜角度越小，l越长，测量灵敏度就越高；但不可太小，否则液柱17倾斜式微压计 倾斜式微压计 183.2弹性式压力计弹性式压力计 用弹性传感器（又称弹性元件）组成的压用弹性传感器（又称弹性元件）组成的压力测量仪表称为力测量仪表称为弹性式压力计弹性式压力计。弹性元件受压。弹性元件受压后产生的形变输出（力或位移），可以通过传后产生的形变输出（力或位移），可以通过传动机构直接带动指针指示压力（或压差），也动机构直接带动指针指示压力（或压差），也可以通过某种电气元件组成变送器，实现压力可以通过某种电气元件组成变送器，实现压力（或压差）信号的远传。（或压差）信号的远传。3.2 弹性式压力计 用弹性传感器（又称193.2.1弹性元件的测压概述弹性元件的测压概述 优点：量程范围广 结构简单，结实耐用，价格低3.2.1 弹性元件的测压概述 优点：量程范围广203.2.1弹性元件的测压概述弹性元件的测压概述 弹性元件在弹性弹性元件在弹性限度内受压后会产生限度内受压后会产生变形，变形大小与被变形，变形大小与被测压力有关。测压力有关。3.2.1 弹性元件的测压概述 弹性元件在213.2.2弹性元件弹性元件 1.膜片膜片u按剖面形状分为平膜片和波纹膜片按剖面形状分为平膜片和波纹膜片u可与其他转换元件合用可与其他转换元件合用u电容式压力传感器电容式压力传感器u光纤式压力传感器光纤式压力传感器u力矩平衡式压力变送器力矩平衡式压力变送器3.2.2弹性元件 1.膜片222.波纹管波纹管n优点优点：灵敏高，可测较低压力：灵敏高，可测较低压力n缺点缺点：迟滞误差较大，精度一般只有：迟滞误差较大，精度一般只有1.5级级2.波纹管233.2.4弹性元件的应用弹性元件的应用 3.2.4 弹性元件的应用 24膜盒式微压计膜盒式微压计p82n膜片和膜盒图片膜盒式微压计p82膜片和膜盒图片25n膜膜盒盒式式微微压压计计常常用用于于火火电电厂厂锅锅炉炉风风烟烟系系统统的的风风、烟烟压压力力测测量量及及锅炉炉膛负压测量。锅炉炉膛负压测量。n当几个膜盒敏感元件叠放在一起后量测极微小的压力（毫巴级）膜盒式微压计常用于火电厂锅炉风烟系统的风、烟压力测量及锅炉炉265527弹簧管压力计弹簧管压力计p831弹簧管测压原理弹簧管测压原理截面为非圆形（椭圆截面为非圆形（椭圆形或扁圆形），并弯形或扁圆形），并弯成圆弧状的空心管子成圆弧状的空心管子一端为封闭（自由端）一端为封闭（自由端），一端为开口（固定，一端为开口（固定端）端）弹簧管压力计p831弹簧管测压原理282弹弹簧簧管管压压力力计计的的结构结构 n结结构构简简单单，使使用用方方便便，价价格格低低廉廉，使使用用范范围围广广，测测量范围宽量范围宽n可可测测负负压压、微微压压、低低压压、中压和高压中压和高压n精精度度有有0.5、1.0、1.5、2.5等等2弹簧管压力计的结构 29热工检测技术-第3章-压力测量及仪表ppt课件303.2.5 电接点压力计n电接点压力计可用电接点压力计可用作电气发讯设备联作电气发讯设备联锁装置和自动操纵锁装置和自动操纵装置装置 n高低压给定指针n指示指针n电接点 3.2.5 电接点压力计电接点压力计可用作电气发讯设备联313.2.6压力表的调校压力表的调校 n比较法是将被校压力计（被校表）与标准压力计（标准表）在压力表校验台上产生的某一定值的压力或某一负压下进行比较n重量法是被校表与活塞压力计上的标准砝码在活塞缸内的压力下进行比较。n前者用来校验精度在1级以下的各种工业用仪表，而后者用于校验精度在0.5级以上的各种标准表。3.2.6 压力表的调校 32压力仪表的校验压力仪表的校验u校验校验就是将被校验压力表和标准压力表通就是将被校验压力表和标准压力表通以相同压力，比较它们的指示数值，如果以相同压力，比较它们的指示数值，如果被校表对于标准表的读数误差，不大于被被校表对于标准表的读数误差，不大于被校表规定的最大准许绝对误差时，则认为校表规定的最大准许绝对误差时，则认为被校表合格。被校表合格。u常用的校验仪器常用的校验仪器是活塞式压力计，它由压是活塞式压力计，它由压力发生部分和测量部分组成，它的精度等力发生部分和测量部分组成，它的精度等级有级有0.02、0.05和和0.2级，可用来校准级，可用来校准0.25级级精密压力表，也可校准各种工业用压力表，精密压力表，也可校准各种工业用压力表，被校压力的最高值为被校压力的最高值为60MPa。压力仪表的校验校验就是将被校验压力表和标准压力表通以相同压力33压力发压力发生部分生部分测量测量部分部分压力发生部分测量部分34 1活塞式压力计pA=G式中A活塞8底面的有效面积；G活塞、托盘及砝码总重力。p=G/A 1活塞式压力计pA=G式中A活塞8底面的有效面积；35 实验演示3弹簧管压力计校验 n准备工作n选取标准表时n标准表的测量上限一般应不低于被校表测量上限，标准表的允许误差应不大于被校表允许误差的1/3，或者标准压力表比被校压力表高两个精确度等级。实验演示3弹簧管压力计校验 准备工作36n确定校验点n对于1.0，1.5，2.0，2.5精确度等级的压力表，可在5个刻度点上进行校验n对于0.5级和更高精确度等级的压力表，应取全刻度标尺上均匀分布的10个刻度点进行校验。确定校验点37校验步骤 n（1）检查压力表校验器连接接头垫片的良好情况，安装好并用扳手拧紧标准表和被校表。n（2）调节地脚螺钉，使水准泡位于正中。校验步骤（1）检查压力表校验器连接接头垫片的良好情况，安装38n（3）开启油杯上的针形阀，注入变压器油。逆时针旋转手轮，将油吸入手摇泵内。顺时针旋转手轮，将油压入油杯，观察是否有小气泡从油杯中升起，若有，逆时针旋转手轮，再顺时针旋转手轮，反复操作，直到不出现气泡。（3）开启油杯上的针形阀，注入变压器油。逆时针旋转手轮，将油39n（4）关紧油杯上的针型阀，打开两表下的针形阀，顺时针旋转手轮，平稳地升压，直到被校压力表指示第一个压力校验点，读标准压力表指示值。n如果使用砝码，加上相应压力的砝码，顺时针旋转手轮，使油压力上升直到砝码盘逐渐抬起，到规定高度时停止加压，轻轻转动砝码盘，读被校压力表指示值。（4）关紧油杯上的针型阀，打开两表下的针形阀，顺时针旋转手轮40n（5）均匀增压至刻度上限，保持上限压力3min。n（6）逆时针旋转手轮，均匀降至零压，平稳地降压进行下行程校验。n（7）实验中观察指示有无跳动、停止、卡塞现象。求出被校压力表的基本误差、变差、轻敲位移。（5）均匀增压至刻度上限，保持上限压力3min。41n（8）零位调整方法：用取针器取出被校压力表指针，再按照零刻度位置轻轻压下指针。n（9）量程调整方法：用螺丝刀松开扇形齿轮上的量程调节螺钉，改变螺钉在滑槽中的位置，调好后固紧螺钉，重复上述校验。调量程时零位会变化，因此一般量程、零位需反复进行调整。（8）零位调整方法：用取针器取出被校压力表指针，再按照零刻度42n（10）待校验合格后，放掉检验器的压力，拆下被校表，揩掉油污并装上盖子，打好铅封，填写校验记录单。（10）待校验合格后，放掉检验器的压力，拆下被校表，揩掉油污43p76第三章第三章 压力测量压力测量p76第三章 压力测量443.3 3.3 压力变送器压力变送器 作用：弹性元件输出的位移或力变换成统一的电信号，送到远方。3.3 压力变送器 作用：453.3.1电容式压力电容式压力(差压差压)变送器变送器(一)概述1151系列电容差压/压力变送器具有悠久的历史，并依其设计新颖、品种规格齐全、安装使用简便、坚固耐振、长期稳定性好、单向过载保护能力强而著称。3.3.1 电容式压力(差压)变送器(一)概述46(二)测量部分1测量部分的结构被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在敏感元件的两侧隔离膜片上，通过填充液传到预张紧的测量膜片两侧。测量膜片与两侧绝缘体上的电极各组成一个电容器，当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容就不等，通过检测，放大转换成420mA的二线制电流信号，(二)测量部分1测量部分的结构47 2差压-位移转换n设测量膜片位移为d，被测压差为p，则有n d=K1p (39)n其中K1是与膜片结构尺寸和材料性质有关的比例系数。2差压-位移转换设测量膜片位移为d，被测压差为p，则483位移-电容转换 球面容器的特性近似于平行板电容器的特征 (1)比值与被测差压p成正比；(2)比值与介电常数无关，n 3位移-电容转换 球面容器的特性近似于平行板电容器的特征 49n采用差动电容的设计是为了提高灵敏度和改善非线性；采用“相对差动电容”则又可忽略极板面积A和介电常数对测量的影响。采用差动电容的设计是为了提高灵敏度和改善非线性；采用“相对差50(三)转换部分(三)转换部分51(四)电容式差压变送器的调校与使用图3-13 电容式差压变送器校验线路图1加差压设备；2差压显示仪表；3变送器；4直流毫安表（或数字毫安表）；5-24V（DC）电源(四)电容式差压变送器的调校与使用图3-13 电容式差压523.3.2应变式压力变送器应变式压力变送器应变式压力传感器应变式压力传感器n应变片应变片是基于应变效应工作的一种压力敏感元是基于应变效应工作的一种压力敏感元件，当应变片受外力作用产生形变时，应变片件，当应变片受外力作用产生形变时，应变片的电阻值也将发生相应变化。的电阻值也将发生相应变化。n应变式压力传感器应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及是由弹性元件、应变片以及相应的桥路组成的。相应的桥路组成的。3.3.2应变式压力变送器应变式压力传感器53电阻应变效应 n概念概念n导体或半导体材料在外力作用下产生机导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，它的电阻值也相应地发生变械变形时，它的电阻值也相应地发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。化，这一物理现象称为电阻应变效应。电阻应变效应 概念54n电阻应变片是一种将被测件上的应变变电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。化转换成为一种电信号的敏感器件。n通常是将应变片通过特殊的粘合剂紧密通常是将应变片通过特殊的粘合剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。从而使加在电阻上的电压发生变化。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感55金属电阻应变片n工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：示：R=L/Sn式中：式中：金属导体的电阻率（金属导体的电阻率（cm2/m）S导体的截面积（导体的截面积（cm2）L导体的长度（导体的长度（m）以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变金属电阻应变片工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而56半导体压阻片半导体压阻片压阻式压力传感器压阻式压力传感器n压阻元件压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力敏感是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件，它指在半导体材料的基片上制成的扩散元件，它指在半导体材料的基片上制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。的变化而改变。n扩散电阻常用的是单晶体硅膜片。扩散电阻常用的是单晶体硅膜片。半导体压阻片压阻式压力传感器57图图3-14 3-14 扩散硅压阻元件扩散硅压阻元件（a）扩散硅压阻元件的组成；（）扩散硅压阻元件的组成；（b）硅膜片）硅膜片的示意图的示意图1N型单晶硅；型单晶硅；2第一次第一次SiO2涂层；涂层；3扩扩散散P型区；型区；4作连接导线的金属；作连接导线的金属；5第二第二次次SiO2涂层涂层图3-14 扩散硅压阻元件58u优点优点：体积小，结构简单，能直接反映：体积小，结构简单，能直接反映微小的压力变化，动态响应好微小的压力变化，动态响应好u缺点缺点：敏感元件易受温度的影响，从而：敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数的大小影响压阻系数的大小u内部温度内部温度补偿补偿优点：体积小，结构简单，能直接反映微小的压力变化，动态响应好593.3.3振弦式压力测量振弦式压力测量 n1振弦式压力测量原理振弦式压力测量原理图3-16 振弦式压力测量原理结构图1-振弦；2-支承；3-纯铁块；4-磁钢；5-弹性膜片 3.3.3 振弦式压力测量 1振弦式压力测量原理图3-1603.3.4 霍尔压力传感器霍尔压力传感器u电压和磁场及控制电压和磁场及控制电流成正比电流成正比 u一般霍尔器件采用一般霍尔器件采用半导体材料制作半导体材料制作 3.3.4 霍尔压力传感器电压和磁场及控制电流成正比 61n式中式中RH霍尔系数，由半导体材料的霍尔系数，由半导体材料的物理性质所决定；物理性质所决定；nI流经霍尔元件的电流；流经霍尔元件的电流；nB磁感应强度；磁感应强度；nd霍尔元件的厚度。霍尔元件的厚度。式中 RH霍尔系数，由半导体材料的物理性质所决定；623.5压力测量仪表的选择和安压力测量仪表的选择和安装装 p98n3.5.1压力测量仪表的选择压力测量仪表的选择 n1仪表种类的选择仪表种类的选择n2仪表量程的选择仪表量程的选择3.5 压力测量仪表的选择和安装 p983.5.1 压力63被测压力较稳定：最大工作压力不应超过被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的仪表满量程的2/3n被测压力波动较大或测脉动压力：最大被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过仪表满量程的工作压力不应超过仪表满量程的1/2n为保证测量准确度：最小工作压力不应为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的低于满量程的1/3n优先满足最大工作压力条件优先满足最大工作压力条件测压仪表的标尺上限测压仪表的标尺上限被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3测压仪64n例例3-1已知某测点压力约为已知某测点压力约为10MPa，要求其测量误差不超过要求其测量误差不超过0.1MPa。试。试确定该测点用的压力表标尺范围及精度确定该测点用的压力表标尺范围及精度等级？等级？例3-1已知某测点压力约为10MPa，要求其测量误差不超653.5压力测量仪表的选择和安装压力测量仪表的选择和安装n导压管的铺设n导压管是传递压力、压差信号的。导压管是传递压力、压差信号的。n对水平敷设的引压导管应有对水平敷设的引压导管应有35的的坡度坡度n引压导管的长度一般不超过引压导管的长度一般不超过5060m，一般内径为一般内径为610mmn当被测介质容易冷凝或冻结时，引压管当被测介质容易冷凝或冻结时，引压管路需有保温伴热措施路需有保温伴热措施3.5 压力测量仪表的选择和安装导压管的铺设663.5.2测压仪表的安装测压仪表的安装取压口的选择取压口的选择n在管道或烟道上取压在管道或烟道上取压n测量流动介质的压力测量流动介质的压力n测量气体，管道上部测量气体，管道上部n 蒸汽，管道两侧蒸汽，管道两侧n 液体，管道下部液体，管道下部3.5.2 测压仪表的安装67n测量液体和蒸汽介质压力时，应考虑由测量液体和蒸汽介质压力时，应考虑由于液柱所产生的压力误差。于液柱所产生的压力误差。n测量气体介质压力时，因气体的密度很测量气体介质压力时，因气体的密度很小，产生的误差可忽略不计。小，产生的误差可忽略不计。测量液体和蒸汽介质压力时，应考虑由于液柱所产生的压力误差。68n例例3-2已知如图已知如图3-27（a）和（）和（b）的）的测压系统中，脉冲水密度，高度差测压系统中，脉冲水密度，高度差n，仪表指示压力其修正值为，大气压力，仪表指示压力其修正值为，大气压力为。试求图（为。试求图（a）和（）和（b）中容器内介质）中容器内介质绝对压力各为多少绝对压力各为多少MPa。例3-2已知如图3-27（a）和（b）的测压系统中，脉冲69热工检测技术-第3章-压力测量及仪表ppt课件70