《压力检测及仪表》PPT课件.ppt

第6章压力检测及仪表 6 1压力及压力检测方法6 2常用压力检测仪表6 3压力检测仪表的选择及校验6 4压力检测系统 6 1压力及压力检测方法 一 压力的定义及单位1 压力的定义压力是指垂直 均匀地作用于单位面积上的力 2 压力的单位 工程大气压 毫米汞柱 mmHg 毫米水柱 mmH2O 标准大气压 国际单位 SI 制压力单位帕 Pa 1牛顿垂直均匀地作用在1平方米面积上所形成的压力为1 帕斯卡 简称 帕 符号为Pa 加上词头又有千帕 KPa 兆帕 MPa 等 二 压力的表示方法 1 绝对压力被测介质作用在容器表面积上的全部压力称为绝对压力 用符号P绝表示 2 大气压力由地球表面空气柱重量形成的压力 称为大气压力 其值用气压计测定 用符号P大气压表示 3 表压力通常压力测量仪器是处于大气之中 则其测量的压力值等于绝对压力和大气压力之差 称为表压力 用符号P表表示 P表 P绝 P大气压 6 1 常用压力测量仪表测得的压力值均是表压力 4 真空度当绝对压力小于大气压力时 表压力为负值 负压力 其绝对值称为真空度 用符号表示 6 2 用来测量真空度的仪器称为真空表 5 差压设备中两处的压力之差称为差压 生产过程中有时直接以差压作为工艺参数 差压的测量还可作为流量和物位测量的间接手段 这几种表示方法的关系如图6 1所示 三 压力检测的主要方法及分类 重力平衡方法 弹性力平衡方法 机械力平衡方法 物性测量方法 6 2常用压力检测仪表 一 液柱式压力计一般采用水银或水为工作液 用U型管 单管或斜管进行压力测量 常用于低压 负压或压力差的检测 如图6 2是用U形玻璃管检测的原理图 它的两个管口分别接压力P1和P2 当P1 P2时 左右两管的液体的高度相等 如图6 2 a 所示 当P2 P1时 U形管的两管内的液面便会产生高度差 如图6 2 b 所示 根据液体静力学原理 有 6 3 6 4 这说明U形管内两边液面的高度差h与两管口的被测压力之差成正比 如果将P1管通大气 即P1 P大气压 则 6 5 式中P为P2的表压 由此可见 用U形管可以检测两被测压力之间的差值 称差压 或检测某个表压 用U形管进行压力检测具有结构简单 读数直观 准确度较高 价格低廉等优点 它不仅能测表压 差压 还能侧负压 是科学实验研究中常用的压力检测工具 a b 图6 2U型管压力计示意图 但是 用U形管只能测量较低的压力或差压 不可能将U形管做得很长 测量上限不超过0 1 0 2MPa 为了便于读数 U形管一般是用玻璃做成 因此易破损 同时也不能用于静压较高的差压检测 另外它只能进行现场指示 二 活塞式压力计活塞式压力计是一种精度很高的标准器 常用于校验标准压力表及普通压力表 其结构如图6 3所示 它由压力发生部分和压力测量部分组成 1 压力发生部分螺旋压力发生器4 通过手轮7旋转丝杠8 推动工作活塞9挤压工作液 经工作液传压给测量活塞1 工作液一般采 用洁净的变压器油或蓖麻油等 2 压力测量部分测量活塞1上端的托盘上放有砝码2 活塞1插入在活塞柱3内 下端承受螺旋压力发生器4向左挤压工作液5所产生的压力P的作用 当活塞1下端面因压力P作用所产生向上顶的力与活塞1本身和托盘以及砝码2 图6 3活塞式压力计示意图a b c d 切断阀 1 测量活塞 2 砝码 3 活塞柱 4 螺旋压力发生器 5 工作液 6 压力表 7 手轮 8 丝杠 9 工作活塞 10 油杯 11 进油阀 的重量相等时 活塞1将被顶起而稳定在活塞柱3内的任一平衡位置上 这时的力平衡关系为 6 6 6 7 可以方便而准确地由平衡时所加的砝码和活塞本身的质量得到被测压力P的数值 如果把被校压力表6上的示值P 与这一准确的压力相比较 便可知道被校压力表的误差大小 也可以在阀上部接入标准压力表 由压力发生器改变工作液压力 比较被校表和标准表上的示值进行校验 此时 阀应关闭 三 弹性式压力计弹性式压力检测是用弹性元件作为压力敏感元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法 1 测压弹性元件弹性元件在弹性限度内受压后会产生形变 变形的大小与被测压力成正比关系 如图6 4所示 目前工业上常用的测压用弹性元件主要是弹性膜片 波纹管和弹簧管等 1 弹性膜片膜片是一种沿外缘固定的片状圆形薄板或薄膜 有时也可以将两块膜片沿周边对焊起来 成一薄膜盒子 两膜片之间内充液体 如硅油 称为膜盒 平薄膜波纹膜波纹管单圈弹簧管多圈弹簧管图6 4弹性元件示意图 当膜片两边压力不等时 膜片就会发生形变 产生位移 当膜片位移很小时 它们之间具有良好的线性关系 这就是利用膜片进行压力检测的基本原理 图6 5单圈弹簧管结构示意图 2 波纹管波纹管是一种具有同轴环状波纹 能沿轴向伸缩的测压弹性元件 当它受到轴向力作用时能产生较大的伸长收缩位移 通常在其顶端安装传动机构 带动指针直接读数 波纹管的特点是灵敏度高 特别是在低区 适合 检测低压信号 1MPa 但波纹管时滞较大 测量精度一般只能达到1 5级 3 弹簧管弹簧管是弯成圆弧形的空心管子其横截面积呈非圆形 弹簧管一端是开口的 另一端是封闭的 如图6 5所示 开口端作为固定端 被测压力从开口端接入到弹簧管内腔 封闭端作为自由端 可以自由移动 当被测压力从弹簧管的固定端输入时 由于弹簧管的非圆横截面 使它有变成圆形并伴有伸直的趋势 使自由端产生位移并改变中心角 所以只要测得自由端的位移量就能够反映压力p的大小 这就是弹簧管的测压原理 2 弹簧管压力表弹簧管压力可以通过传动机构直接指示被测压力 也可以用适当的转换元件把弹簧管自由端的位移 变换成电信号输出 图6 6弹簧管压力表示意图1 弹簧管 2 拉杆 3 扇形齿轮 4 中心齿轮 5 指针 6 面板 7 游丝 8 调节螺钉 9 接头 弹簧管压力表是一种指示型仪表 如图6 6所示 被测压力由接头9输入 使弹簧管1的自由端产生位移 通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转 于是指针5通过同轴的中心齿轮4的带动而作顺时针偏转 在面板6的刻度标尺上显示出被测压力的数值 游丝7是用来克服因扇形齿轮和中心齿轮 的间隙所产生的仪表变差 改变调节螺钉8的位置 即改变机械传动的放大系数 可以实现压力表的量程 调节 弹簧管压力表结构简单 使用方便 价格低廉 测量范围宽 因此应用十分广泛 一般的工业用弹簧管压力表的精度等级为1 5级或2 5级 3 波纹管差压计 图6 7双波纹管差压计结构示意图1 高压波纹管 2 补偿波纹管 3 连杆 4 挡板 5 摆杆 6 扭力管 7 芯轴 8 保护阀 9 填充液 10 低压波纹管 11 量程弹簧 12 阻尼阀 13 阻尼环 14 轴承 采用膜片 膜盒 波纹管等弹性元件可以制成差压计 图6 7给出双波纹管差压计结构示意图 双波纹管差压计是一种应用较多的直读式仪表 其测量机构包括波纹管 量程弹簧组和扭力管组件等 仪表两侧的高压波纹管和低压波纹管为测量主体 感受引入的差压信号 两个波纹管由连杆连接 内部填充液体用以传递压力 差压信号引入后 低压波纹管自由端带动连杆位移 连杆上的挡板推动摆杆使扭力管机构偏转 扭力管芯轴的扭转角度变化 扭转角变化传送给仪表的显示机构 可以给出相对应的被测差压值 差压计使用时要注意的问题是 仪表所引入的差压信号中包含有测点处的工作压力 又称背景压力 所以尽管需要测量的差压值并不很高 但是差压计要经受高的工作压力 因此在差压计使用中要避免单侧压力过载 一般差压计要装配平衡附件 例如图6 7中所示的三个阀门的组合 在两个截止阀间安装一个平衡阀 平衡阀只在差压计测量时关闭 不工作期间则打开 用以平衡正负压侧的压力 避免单向过载 新型差压计的结构均已考虑到单向过载保护功能 4 弹性测压计信号的远传方式 图6 8电位器式电远传压力计结构原理图 弹性测压计可以在现场指示 但是更多情况下要求将信号远传至控制室 一般在已有的弹性测压计结构上增加转换部件 就可以实现信号的远距离传送 弹性测压计信号多采用电远传方式 即把弹性元件的变形或位移转换为电信号输出 常见 的转换方式有电位器式 霍尔元件式 电感式 差动变压器式等 图6 8为电位器式电远传弹性压力计结构原理 在弹性元件的自由端处安装滑线电位器 滑线电位器的滑动触点与自由端连接并随之移动 自由端的位移就转换为电位器的电信号输出 四 压力传感器能够检测压力值并提供远传信号的装置统称为压力传感器 1 应变式压力传感器各种应变元件与弹性元件配用 组成应变式压力传感器 应变元件的工作原理是基于导体和半导体的 应变效应 即由金属导体或者半导体材料制成的电阻体 当它受到外力作用产生形变 伸长或者缩短 时 应变片的阻值也将发生相应的变化 为了使应变元件能在受压时产生变形 应变元件一般要和弹性元件一起使用 弹性元件可以是金属膜片 膜盒 弹簧管及其他 弹性体 敏感元件 应变片 有金属或合金丝 箔等 可做成丝状 片状或体状 它们可以以粘贴或非粘贴的形式连接在一起 在弹性元件受压变形的同时带动应变片也发生形变 其阻值也发生变化 粘贴式压力计通常采用4个特性相同的应变元件 粘贴在弹性元件的适当位置上 并分别接入电桥的4个臂 则电桥输出信号可以反映被测压力的大小 为了提高测量灵敏度 通常使相对桥臂的两对应变元件分别位于接受拉应力或压应力的位置上 如图6 9所示2 压阻式压力传感器压阻式压力传感器是根据压阻效应原理制造的 其压力敏感元件就是在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成的扩散电阻 当它受到外力作用时 扩散电阻的阻值由于电阻率的变化而改变 扩散电阻一般也要依附于弹性元件才能正常工作 3 电容式差压变送器电容式差压变送器采用差动电容作为检测元件 图6 10电容式差压变送器测量部件原理图 图6 10是电容式差压变送器测量部件的原理 它主要是利用通过中心感压膜片 可动电极 和左右两个弧形电容极板 固定电极 把差压信号转换为差动电容信号 中心感压膜片分别与左右两个弧形电容极板形成电容Ci1和Ci2 当正 负压力 差压 由正 负压室导压口到 加到膜盒两边的隔离膜片上时 通过腔内硅油液压传递到中心感压膜片 中心感压膜片产生位移 使可动电极和左右两个固定电极之间的间距不再相等 形成差动电容 差动电容的相对变化值与差压 p呈线性对应关系 并与腔内硅油的介电常数无关 从原理上消除了介电常数的变化给测量带来的误差 4 振频式压力传感器振频式压力传感器利用感压元件本身的谐振频率与压力的关系 通过测量频率信号的变化来检测压力 5 压电式压力传感器压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换成电信号的 它是动态压力检测中常用的传感器 不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力 五 力平衡式差压 压力 变送器 力平衡式差压 压力 变送器采用反馈力平衡的原理 由测量部分 膜盒 杠杆系统 放大器和反馈机构等部分组成 被测差压信号 p经测量部分转换成相应的输入力Fi Fi与反馈机构输出的反馈力Ff一起作用于杠杆系统 使杠杆产生微小的位移 再经放大器转换成标准统一信号输出 当 图6 11DDZ 型差压变送器结构示意图1 低压室 2 高压室 3 测量元件 膜盒 4 轴封膜片 5 主杠杆 6 过载保护簧片 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 位移检测片 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 输入力与反馈力对杠杆系统所产生的力矩Mi Mf达到平衡时 杠杆系统便达到稳定 状态 此时变送器的输出信号y反映了被测压力 P的大小 下面以DDZ 型膜盒式差压变送器为例进行讨论 DDZ 型变送器是两线制变送器 其结构示意图如图6 11所示 6 3压力检测仪表的选择及校验 一 压力检测仪表的选择仪表量程的选择 1 测稳定压力时 最大工作压力不超过仪表上限值的2 3 2 测脉动压力 或压力波动较大 时 最大工作压力不超过仪表上限值的1 2 3 测高压压力时 最大工作压力不超过仪表上限值的3 5 最小工作压力不应低于仪表上限值的1 3 当被测压力变化范围大 最大和最小工作压力可能不能同时满足上述要求时 选择仪表量程应首先满足最大工作压力条件 根据被测压力计算得到仪表上 下限后 还不能以此直接作为仪表的量程 目前我国出厂的压力 包括差压 检测仪表有统一的量程系列 它们是1kPa 1 6kPa 2 5kPa 4 0kPa 6 0kPa以及它们的倍数 n为整数 因此 在选用仪表量程时 应采用相应规程或者标准中的数值 2 仪表精度的选择压力检测仪表的精度主要根据生产允许的最大误差来确定 即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差 另外 精度的选择要以经济 实用为原则 只要测量精度能满足生产的要求 就不必追求用过高精度的仪表 压力表的精度等级略有不同 主要有 0 1 0 16 0 25 0 4 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0等 一般工业用1 5 2 5级已足够 在科研 精密测量和校验压力表时 则需用0 25级以上的精密压力表 标准压力表或标准活塞式压力计 3 仪表类型的选择 仪表的材料 仪表的输出信号 仪表的使用环境 二 压力检测仪表的校验压力检测仪表在出厂前均需进行检定 使之符合精度等级要求 使用中的仪表则应定期进行校验 以保证测量结果有足够的准确度 6 4压力检测系统 压力检测系统如图6 12所示 一个完整的压力检测系统至少包括 1 取压口 在被测对象上开设的专门引出介质压力的孔或设备 2 引压管路 连接取压口与压力仪表入口的管路 使被测压力传递到测量仪表 3 压力检测仪表 检测压力 根据被测介质的不同和测量要求的不同 压力测量系统有的非常简单 有的比较复杂 为保证准确测量 系统还需加许多辅件 正确选用压力测量仪表十分重要 合理的测压系统也是准确测量的重要保证 一 取压点位置和取压口形式为真实反映被测压力的大小 要合理选择取压点 注意取压口形式 工业系统中取压点的选取原则遵循以下几条 1 取压点位置避免处于管路弯曲 分叉 死角或流动形成涡流的区域 不要靠近有局部阻力或其他干扰的地点 当管路中有突出物体时 如测温元件 取压点应在其前方 需要在阀门前后取压时 应与阀门有必要的距离 图6 13为取压口选择原则示意图 2 取压口开孔轴线应垂直设备的壁面 其内端面与设备内壁平齐 不应有毛刺或突出物 3 被测介质为液体时 取压口应位于管道下半部与管道水平线成00 450内 如图6 14 a 所示 取压 图6 13取压口选择原则示意图1 温度计 2 挡板 3 阀 4 导流板 不适合做取压口的地点 可用于做取压口的地点 口位于管道下半部的目的是保证引压管内没有气泡 这样由两根引压管内液柱所附加在差压变送器正 负压室的压力可以相互抵消 取压口不宜从底部引出 是为了防止液体介质中可能夹带的固体杂质会沉积在引压管中引起堵塞 被测介质为气体时 取压口应位于管道上半部与管道垂直中心线成内 如图6 14 b 所示 其目的是为了保证引压管中不积聚和滞留液体 被测介质为蒸汽时 取压口应位于管道上半部与管道水平线成内 如图6 14 c 所示 最常见的接法是从管道水平位置接出 并分别安装凝液罐 这样两根引压管内部都充满冷凝液 而且液位高度相同 a 液体 b 气体 c 蒸汽图6 14测量不同介质时取压口方位规定示意图 二 引压管路的铺设引压管路应保证压力传递的实时 可靠和准确 实时即不能因引压管路影响压力传递速度 与引压管的内径和长度有关 可靠即必须有防止杂质进入引压管或被测介质本身凝固造成的堵塞的措施 准确指管路中介质的静压力会对仪表产生附加力 可通过零点调整或计算进行修正 这要求引压管路中介质的特性 密度 必须稳定 否则会造成较大测量误差 引压管铺设应遵循以下原则 1 导压管粗细要合适 2 导压管水平铺设时要有一定的倾斜度 以利于积存于其中之液体 或气体 的排出 3 被测介质为易冷凝 结晶 凝固流体时 引压管路要有保温伴热措施 4 取压口与仪表之间要装切断阀 以备仪表检修时使用 5 测量特殊介质时 引压管上应加装附件 四 压力检测仪表的安装无论选用何种压力检测仪表和采用何种安装方式 在安装过程中都应注意以下几点 1 压力计应安装在易于观测和检修的地方 2 对于特殊介质应采取必要的防护措施 3 压力计与引压管的连接处 应根据被测压力的高低和被测介质性质 选择适当的材料作为密封垫圈 以防泄漏 4 压力检测仪表尽可能安装在室温 相对湿度小于80 振动小 灰尘少 没有腐蚀性物质的地方 对于电气式压力仪表应尽可能避免受到电磁干扰 5 当被测压力较小时 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进行修正 6 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 以防止发生意外