压力检测及仪表课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020-4-23,#,压力检测及仪表,压力检测及仪表,1,垂直而均匀地作用在单位面积上的力,式中,压力（,Pa,）,均匀垂直作用力（,N,）,受力面积（,m,2,）,单位,:,牛顿,/,米,2,（,N/m,2,），简称“帕”，用符号“,Pa”,一、压力的基本概念,式中压力（Pa） 单位: 牛顿/米2（N/m,2,压力的表示,绝对压力,单位面积所受到的力,相对压力（表压）,绝对压力与大气压之差,真空度,大气压与绝对压力之差,绝对压力,绝对压力,真空度,表压,标准大气压,压力的表示与单位,压力的表示绝对压力绝对压力真空度表压标准大气压压力的表示与单,3,工程上的“压力”与力学中的“压力”不表示同一个概念。,帕,Pa,N/m,2,毫米汞柱,mm,兆帕,MPa,10,6,N/m,2,水柱,m,工程大气压,10,mH,2,O,巴,dyn/cm,2,物理大气压,20,C,海平面,psi,lb/in,2,压力单位,帕 PaN/m2毫米汞柱mm兆帕 MPa106N,4,二、测压仪表,1643,年，意大利人托里拆利首先测定标准的大气压力值为,760,毫米汞柱，奠定了液柱式压力测量仪表的基础。,1847,年，法国人波登制成波登管压力表，由于结构简单、实用，很快在工业中获得广泛应用，一直是常用的压力测量仪表。,二、测压仪表 1643年，意大利人托里拆利首先测定,5,二十世纪上半叶出现了远传压力表和电接点压力表，从而解决了压力测量值的远距离传送和压力的报警、控制等问题。,60,年代以后，为适应工业控制、航空工业和医学测试等方面的要求，压力测量仪表日益向体积轻巧、耐高温、耐冲击、耐振动和数字显示等方向发展。,二十世纪上半叶出现了远传压力表和电接点压力表，从,6,工业压力计通常按敏感元件的类型进行分类：,液柱式压力计,活塞式压力计,弹性式压力计,电气式压力计,工业压力表的分类,工业压力计通常按敏感元件的类型进行分类：工业压力表的分类,7,测量原理,根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。,1,、液柱式压力计,1、液柱式压力计,8,形管压力计,当被测介质的压力,p,x,大于大气压力,p,时，管,1,中的工作液体液面下降，管,2,中的工作液体液面上升，一直到两液面差的高度,h,产生的压力与被测压力相平衡时为止。,形管压力计 当被测介质的压力px大于大气压力p时，,9,如果被测介质是气体，可得到被测压力值,p,x,为,P,x,=,gh,式中：,-,工作液体的密度（,kg/m,3,）；,g-,重力加速度（,m/s,2,）。,如果被测介质是液体，平衡时还要考虑被测介质的密度，被测压力为,P,x,=h(,-,x,)g,式中：,x,-,被测介质的密度（,kg/m,3,）,如果被测介质是气体，可得到被测压力值px为,10,液柱式压力计的特点,结构简单、使用方便、价格便宜，在一定的条件下比较容易得到较高的精度，目前还有广泛的用途。但是由于它不能测量较高的压力，也不能进行自动的指示和记录，所以它的应用范围受到限制。一般可作为实验室中低压的精密测量方法以及用于仪表的检定校验。,液柱式压力计的特点 结构简单、使用方便、,11,液柱式压力计使用注意事项,被测压力不能超过仪表测量范围。,被测介质不能与工作液混合或起化学反应。,当被测介质要与水或水银混合或起化学反应时，则应更换工作液或采取加隔离液的方法。常用的隔离液如下表所示。,液柱式压力计使用注意事项 被测压力不能超过仪表测量范围。,12,测量介质,隔离液,测量介质,隔离液,氯气,98%,的浓硫酸或氟油,氨水、水煤气,变压器油,氯化氢,煤油,水煤气,变压器油,硝酸,五氯乙烷,氧气,甘油,某些介质的隔离液,测量介质 隔离液 测量介质 隔离液 氯气 98%的浓硫酸或氟,13,液柱压力计安装位置应避开过热、过冷和有震动的地方。,由于液体的毛细现象，在读取压力值时，视线应在液柱面上，观察水时应看凹面处，观察水银面时应看凸面处。,液柱压力计安装位置应避开过热、过冷和有震动的地方。,14,压力检测及仪表课件,15,测量原理,P=G/S,所以,G=P,S,精确度高,常用作标准仪表，检验其它压力计,2,、活塞式压力计,YS/YU-6,，,60,，,250,，,600,活塞式压力计,2、活塞式压力计YS/YU-6，60，250，600活塞式压,16,一、原理,将被测压力转换成弹性元件变形的位移,二、,根据敏感元件形式的不同可以分为以下3类：,弹簧管式压力表,薄膜式压力表,波纹管式压力表,P,弹簧管式弹性元件,P,膜片式弹性元件,3,、弹性式压力计,一、原理P 弹簧管式弹性元件P 膜片式弹性元件3、弹性,17,三、弹性元件,弹性元件是弹性压力表的敏感元件，测压范围不同，所用的弹性元件亦不同。常用的弹性元件有弹簧管式、薄膜式和波纹管式。,P,弹簧管式弹性元件,P,膜片式弹性元件,三、弹性元件 弹性元件是弹性压力表的敏感元件，测,18,（,1,）弹簧管式弹性元件,弹簧管式弹性元件的测压范围较宽，可测量高达,1000MPa,的压力。单圈弹簧管是弯成圆弧形的金属管子，它的截面做成扁圆形或椭圆形。为了增加自由端的位移，可以制成多圈弹簧管。,（1）弹簧管式弹性元件 弹簧管式弹性元件的测压,19,（,2,）薄膜式弹性元件,薄膜式弹性元件根据其结构不同还可以分为膜片与膜盒等。它的测压范围较弹簧管式的为低。膜片式弹性元件，它是由金属或非金属材料做成的具有弹性的一张膜片,(,有平膜片与波纹膜片两种形式,),，在压力作用下能产生变形。有时也可以由两张金属膜片沿周口对焊起来，成一薄壁盒子，内充液体,(,例如硅油,),，称为膜盒。,（2）薄膜式弹性元件 薄膜式弹性元件根据其,20,（,3,）波纹管式弹性元件,波纹管式弹性元件 波纹管式弹性元件是一个周围为波纹状的薄壁金属筒体。这种弹性元件易于变形，而且位移很大，常用于微压与低压的测量,(,般不超过,1Mpa),。,（3）波纹管式弹性元件 波纹管式弹性元件,21,弹性元件结构和特点,弹性元件结构和特点,22,当弹性元件在轴向受到外力作用 时，就会产生拉伸或压缩位移，即,S,P,式中,F,轴向外力,S,位移,C,弹性元件的刚度系数,式中,A,弹性元件承受压力的有效面积,P,被测压力,当弹性元件在轴向受到外力作用 时，就会产生拉伸,23,弹簧管压力表,弹簧管压力表的工作原理,弹簧管压力表主要由弹簧管、齿轮传动机构、指示装置（指针和分度盘）以及外壳等几个部分组成,弹簧管压力表 弹簧管压力表的工作原理 弹簧管压力表主要,24,弹簧管压力表,刻度盘,游丝,接头,中心齿轮,弹簧管,指针,扇形齿轮,拉杆,调整螺钉,弹簧管压力表 刻度盘游丝接头中心齿轮弹簧管指针扇形齿轮拉杆,25,压力检测及仪表课件,26,电接点压力表,1,2,4,3,5,电接点压力表 12435,27,弹簧管压力计特点,结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽及有足够的精确度。可实现压力的记录、远传、信号报警和自动控制等。是工业上应用最广泛的测压仪表。,弹簧管压力计特点 结构简单、使用可靠、读数清,28,弹簧管压力计使用安装中注意事项,（,1,）仪表应工作在正常允许的压力范围内，在静压力下一般不应超过测量上限的,70%,，在波动压力时，不应超过测量上限的,60%,；,（）工业用压力表应在环境温度为,-4060,，相对湿度不大于,80%,的条件下使用；,（）仪表安装处与测量点间的距离应尽量短，以免指示迟缓；,（）在振动情况下使用仪表时要装减振装置；,弹簧管压力计使用安装中注意事项（1）仪表应工作在正常允许的,29,（,5,）测量结晶或粘度较大的介质时，要加装隔离器；,（,6,）仪表必须垂直安装，无泄漏现象；,（,7,）仪表的测定点与仪表的安装处应处于同一水平位置，否则将产生附加高度误差，必要时需加修正值；,（,8,）测量爆炸、腐蚀、有毒气体的压力时，应使用特殊的仪表，氧气压力表严禁接触油类，以免爆炸；,（,9),仪表必须定期校验，合格的表才能使用。,（5）测量结晶或粘度较大的介质时，要加装隔离器；,30,4,、电气式压力计,电气式压力计的原理,电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。,通常把将弹性元件感受到的位移变化转换为与压力相对应的电信号输出。,4、电气式压力计电气式压力计的原理,31,电气式压力计的结构,传感器,测量线路,指示器,记录仪,控制器,辅助电源,压力,电量,电气式压力计一般有压力传感器、测量电路和信号处理装置组成。,感受压力，并把被测压力转换为电信号，送到测量电路进行测量。,把传感器输出信号转换成适应显示装置输入要求信号。,电气式压力计的结构传感器测量线路指示器辅助电源压力电量,32,标准信号：直流电流,420mA,、空气压力,0.020.1MP,。我国当前还有一些变送器以直流电流,010mA,为输出信号。,标准信号：直流电流420mA、空,33,按测量原理不同分为,霍尔片式压力传感器,应变式压力传感器,压阻式压力传感器,电容式压力变送器,力矩平衡式压力变送器,智能型压力变送器,电气式压力计传感器分类,按测量原理不同分为电气式压力计传感器分类,34,一、霍尔片式压力传感器,霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力测量。,霍尔片是一种半导体转换元件。,一、霍尔片式压力传感器 霍尔片式压力传感器是根,35,霍尔效应：,将一个半导体薄片放置在一磁场,B,中，在薄片两端垂直于磁场方向通以电流,I,，则在垂直于磁场和电流方向薄片的另外两侧会产生一个电势,U,H,，此电势的大小与电流、磁场强度成正比，这种现象称霍尔效应。,B,I,U,H,霍尔效应原理,霍尔元件是一种四端元件,霍尔效应：将一个半导体薄片放置在一磁场B中，在薄片两端垂直于,36,霍尔电势的大小与半导体材料、所通过的电流，磁感应强度以及霍尔片的的几何尺寸等因素有关。,U,H,= R,H,B I,霍尔电势,磁感应强度,电流强度,霍尔常数,霍尔电势的大小与半导体材料、所通过的电流，磁感,37,霍尔片式压力传感器组成,磁钢,霍尔片,弹簧管,霍尔片压力传感器主要由两个部分组成：一部分是感受压力的弹性元件及固定在弹性元件自由端上的霍尔元件；另一部分是产生非均匀磁场（线性梯度磁场）的磁极组。,U,H,= R,H,B I,霍尔片式压力传感器组成磁钢霍尔片弹簧管霍尔片压力传感器主要由,38,二、应片式压力传感器,应变式压力传感器的组成,应变式压力传感器由弹性元件、电阻应变片和测量电路三部分组成。,测量电桥,显示仪表,压力,压力,-,位移型弹性元件,力,-,应变型弹性元件,应变片,F,U,I,二、应片式压力传感器应变式压力传感器的组成 应变,39,应变式压力传感器的原理,应变片式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。被测压力引起弹性元件应变，通过粘贴在弹性元件上电阻应变片将应变转换为电阻值的变化，最后通过测量电路把电阻值变化成电压或电流的变化。,应变式压力传感器的原理 应变片式压力传感器是利用,40,金属导体在外界力的作用下产生机械应变时，其几何尺寸和电阻率都要发生变化，从而引起导体电阻值发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。,金属丝受拉时，,l,变长、,r,变小，导致,R,变大 。,原理演示,金属导体在外界力的作用下产生机械应变,41,金属丝式应变片的内部结构,金属丝式应变片的内部结构,42,箔式应变片的外形,箔式应变片的外形,43,半导体应变片外形,半导体应变片外形,44,应变筒,外壳,密封膜片,r,2,r,1,应变筒外壳密封膜片r2r1,45,压力检测及仪表课件,46,三、压阻式压力传感器,压阻式压力传感器是基于单晶硅的压阻效应而工作的。当压力变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。,三、压阻式压力传感器 压阻式压力传感器是基于单晶,47,压力检测及仪表课件,48,它的特点是精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量 轻、结构简单等。更可适应于恶劣的环境条件下工作。,它的特点是精度高、工作可靠、频率响应高,49,电容式压力变送器是将压力的变化转化为电容量的变化，然后进行测量的变送器。,电容式压力变送器是一种开环检测仪表。具有结构简单、过载能力强、测量精确度高、体积小、重量轻、使用方便等特点。,四、电容式压力变送器,电容式压力变送器是将压力的变化转化为电,50,测量原理,采用变电容原理，利用弹性元件受压变形来改变可变电容器的电容量，然后通过测量电容量,C,便可以知道被测压力的大小，从而实现压力,-,电容转换的。,电容器极板间绝缘介质的介电,常数，,F/m,A,电容器两平行板覆盖的面积，,m,2,d,两平行板之间的距离，,m,C,电容量，,F,测量原理采用变电容原理，利用弹性元件受压变形来改变可变,51,在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，提高抗干扰能力（如电源电压、环境温度等）常常做成差动的形式。,C,1,C,2,d,d,x,C,1,C,2,差动电容传感器原理图,在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，提高抗干扰,52,P,1,转换放大单元,P,2,电容式差压变送器,测量部分,填充液（硅油）,隔离膜片,可动电极,固定电极,测量部分包括电容膜盒、高低压室及法兰组件等,.,测量原理,:,将被测压力的变化转换成电容量的变化。,电容式差压变送器,P1转换放大单元 P2电容式差压变送器测量部分 填充液（硅油,53,五、力矩平衡式压力变送器,力矩平衡式压力变送器是一种典型的自平衡检测仪表，他利用负反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量精度。,五、力矩平衡式压力变送器 力矩平衡式压力变送器是一种典,54,力平衡式压力变送器,1,低压室,2,高压室,3,测量元件（膜盒、膜片）,4,轴封膜片,5,主杠杆,6,过载保护片,7,静压调整螺钉,8,矢量机构,9,零点迁移弹簧,10,平衡锤,11,量程调整螺钉,12,检测片（衔铁）,13,差动变压器,14,副杠杆,15,放大器,16,反馈动圈,17,永久磁钢,18,电源,19,负载,20,调零弹簧,测量机构,杠杆机构,反馈 机构,检测放大 机构,力平衡式压力变送器 1低压室 2高压室 测量机构,55,力矩平衡式压力变送器是按力矩平衡原理制成的,l,1,l,4,l,3,l,0,l,f,l,2,F,1,F,3,F,2,F,f,F,0,H,M,F,i,5,4,8,12,14,主杠杆,矢量机构将,F1,分解成,F2,和,F3,，,副杠杆平衡：,力矩平衡式压力变送器是按力矩平衡原理制成的l1l4l,56,在普通压力传感器上增加微处理器,特点,具有远程通讯的功能,依靠手操通信器，用户可在现场或控制室设定 变送器各种参数,使用维护方便,长期稳定工作，每,5,年才需校检一次。,六、智能压力变送器,六、智能压力变送器,57,3051C,型智能变送器原理图,传感膜头内存,修正系数,膜头信号,A/D,转换器,温度,传感器,电容,传感器,微处理器,传感器线性化,重设量程,诊断,工程单位,通信,电子板内存,量程值,变送器组态信息,本机量程和零点调整,数字通信,D/A,转换,4,20mA,手操器,传感膜头,电子线路板,以,3051C,为例：,组成：传感膜头：被测压力,- A/D,转换,-,数字信号,电子线路板：对信号进行修正，线性化处理,-D/A,转换,- 4,20mA,信号,3051C型智能变送器原理图传感膜头内存A/D转换器 温度,58,1.,压力计的选用,(1),仪表类型的选用,仪表类型的选用必须满足工艺生产的要求。 例如是否需要远传、自动记录或报警；被测介质的物理化学性能,(,诸如腐蚀性、温度高低、粘度大小、脏污程度、易燃易爆性能等）是否对测量仪表提出特殊要求；现场环境条件,(,诸如高温、电磁场、振动及现场安装条件等,),对仪表类型有否特殊要求等等。,压力计的选用及安装,1. 压力计的选用(1)仪表类型的选用 压力计,59,(2),仪表测量范围的确定,仪表的测量范围是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围，它是根据操作中需要测量的参数的大小来确定的。,在测量压力时，为了延长仪表使用寿命，避免弹性元件因受力过大而损怀，压力计上限值应该高于工艺生产中可能的最大压力值。,根据“化工自控设计技术规定”：,在测量稳定压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的,2/3,；,在测量脉动压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的,1/2,；,在测最高压压力时，最大工作压力不应越过测量上限值的,3,5,。,(2) 仪表测量范围的确定 在测量压力时，为了延长,60,为了保证测量值的准确度，所侧的压力值不能太接近于仪表的下限值，亦即仪表的量程不能选得太大，一般被测压力的最小值不低于仪表满量程的,1/ 3,为宜。,根据被测参数的最大值和最小值计算出仪表的上、下限后，应根据国家主管部门的规程或标淮规定进行圆整。因此，选用仪表的标尺极限值时，也只能采用相应的规程或标准中的数值,(,一般可在相应的产品目录中找到,),。,为了保证测量值的准确度，所侧的压力值不能太接近,61,(3),仪表精度级的选取,仪表精度是根据工艺生产上所允许的最大测量误差来确定的。,(3) 仪表精度级的选取,62,例,某台往复式压缩机的出口压力范围为,25,一,28MPa,，测量误差不得大于,1MPa,。工艺上要求就地观察，并能高低限报警。试正确选用,台压力表，指出型号、精度与测量范围。,解 由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选择仪表的上限值为,根据就地观察及能进行高低限报警的要求，由本章附录一，可查得选用,YX-150,型电接点压力表，测量范围为,0,一,60MPa,。,由于,25/60,1/3,，故被测压力的最小值不低干满量程的,1,3,，这是允许的。,另外，根据测量误差的要求，可算得允许误差为,所以，精度等级为,1.5,级的仪表完全司以满足误差要求。,例 某台往复式压缩机的出口压力范围为25一2,63,某台空压机的缓冲器，其工作压力范围为,1.11.6MPa,，工艺要求就地观察罐内压力，并要求测量结果的误差不大于罐内压力的,5%,，试选择一台合适的压力计（类型，测量范围，精度等级），并说明其理由。,某台空压机的缓冲器，其工作压力范围为1.11.6M,64,解：,空气压缩机的缓冲器中的压力类型为平缓压力；,且只需要就地观察，不需要远传变送，所以,选择普通单圈弹簧管压力计,（类型）；,测量上限：,工作压力范围,1.1,1.6MPa,；,如果没有特殊要求，压力表下限选择,0 MPa,；,所以该压力计的量程为,0,2.4 MPa,；,且工作压力下限大于量程的,1,3,，小于量程的,2,3,，符合要求；,精度等级的确定：,解：如果没有特殊要求，压力表下限选择0 MPa；精度等级的确,65,解：,空气压缩机的缓冲器中的压力类型为平缓压力；,且只需要就地观察，不需要远传变送，所以,选择普通单圈弹簧管压力计,（类型）；,测量上限：,工作压力范围,1.1,1.6MPa,；,如果没有特殊要求，压力表下限选择,0 MPa,；,所以该压力计的量程为,0,2.4 MPa,；,且工作压力下限大于量程的,1,3,，小于量程的,2,3,，符合要求；,精度等级的确定：,满量程,0,2.4 MPa,1.1,按照靠系列选择 精度为,2.0,解：如果没有特殊要求，压力表下限选择0 MPa；精度等级的确,66,2,压力计的安装,压力计的安装正确与否，直接影响到测量结果的准确性和压力计的使用寿命。,(1),测压点的选择,所选择的测压点应能反映被测压力的真实大小。为此，必须注意以下几点。,要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。,测量流动介质的压力时，应使取压点与流动方向垂直，取压管内端面与生产设备连接处的内壁应保持平齐，不应有凸出物或毛刺。,测量液体压力时，取压点应在管道下部，使导压管内不积存气体；测量气体压力时，取压点应在管道上方，使导压管内不积存液体。,2压力计的安装 压力计的安装正确与否，直接,67,(2),导压管铺设,管粗细要合适，一般内径力,610mm,，长度应尽可能短，最长不得超过,50m,，以减少压力指示的迟缓。,导压管水平安装时应保证有,1,：,10,一,1,：,20,的倾斜度以利于积存于其中之液体（或气体）的排出。,当被测介质易冷凝或冻结时，必须加设保温伴热管线。,取压口到压力计之间应装有切断阀，以备检修压力计时使用。,(2)导压管铺设 管粗细要合适，一般内径力,68,(3),压力计的安装,压力计应安装在易观察和检修的地方。,安装地点应力求避免振动和高温影响。,测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接与测压元件接触；对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐，图,317(b),表示了被测介质密度,2,大于和小于隔离液密度,1,的两种情况。,(3)压力计的安装 压力计应安装在易观察和检,69,压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封垫片，以防泄漏。,当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按,Hg,进行修正。,为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外。,压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选,70,常见压力传感器外形,工业压力变送器,数字压力变送器,通用压力变送器,隔离压力变送器,高温压力变送器,隔离压差变送器,隔离液位变送器,微压变送器,电容压力变送器,隔膜压力变送器,绝压变送器,双膜压差变送器,微型探针压力计,暖风空调压力计,湿式压力变送器,本安压力变送器,OEM,血压计,OEM,压力芯片,常见压力传感器外形 工业压力变送器数字压力变送器通用压力变送,71,