化工測量儀表課件(壓力)

第一篇壓力測量概述第一章非遠(yuǎn)傳式壓力測量儀表其次章遠(yuǎn)傳式壓力測量儀表第三章壓力測量儀表的選擇、校驗(yàn)和安裝小結(jié)返回11/28/20231概述壓力:

返回下一頁壓力單位換算關(guān)系，參見表1-1-1其它原工程常用單位：工程大氣壓〔kgf/cm2〕、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓〔atm〕：毫米水柱〔mmH2O〕、毫米汞柱〔mmHg〕垂直均勻地作用在單位面積上的力，即壓強(qiáng)。P＝F／A

F——垂直作用力；A——受力面積。法定計(jì)量單位：N/m2帕斯卡，以Pa表示。

11/28/20232在壓力測量中，有大氣壓力、確定壓力、表壓和真空度之分。各種壓力關(guān)系：返回上一頁P(yáng)表=P絕-P大氣P真=P大氣-P絕假設(shè)無特殊說明，儀表顯示的測量結(jié)果均為表壓或真空度。絕壓>大氣壓，稱表壓或正壓；絕壓<大氣壓，稱真空度或負(fù)壓11/28/20233第一章非遠(yuǎn)傳式壓力測量儀表返回第一節(jié)液柱式壓力計(jì)其次節(jié)應(yīng)用彈性變形測量壓力11/28/20234第一節(jié)液柱式壓力計(jì)U形管壓力計(jì)單管壓力計(jì)斜管壓力計(jì)返回11/28/20235一、U型管壓力計(jì)

A—U形管內(nèi)孔截面積；

ρ—工作液的密度；ρ?—

被測介質(zhì)的密度；

g—重力加速度；

h—左右兩邊液柱差，h=h1+h2;

PA—

相對較低的壓力或大氣壓；

P—

相對較高的壓力?？傻梅祷叵乱豁?1-2-2)11/28/20236假設(shè)PA為大氣壓，被測介質(zhì)為氣體，ρ?<<ρ，ρ可無視不計(jì)。則上式可表示為：上一頁

浸潤性工作液讀取凹月面的最低點(diǎn)；非浸潤性工作液讀取凸月面的最高點(diǎn)。(1-2-3)U型管壓力計(jì)其次頁返回因工作液不同，液柱外表會消失彎月現(xiàn)象。11/28/20237二、單管壓力計(jì)

h1

—大容器中工作液下降的高度；

h2

—玻璃管中工作液上升的高度。

h1A1=h2A2

返回

A1

—大容器截面；

d—玻璃管直徑；

A2

—玻璃管截面；D—大容器直徑。(1-2-4)假設(shè)D＞＞d壓力P作用下，大容器內(nèi)工作液下降的體積等于玻璃管內(nèi)工作液上升的體積，即11/28/20238三、斜管壓力計(jì)

因D＞＞d，則h1+h2≈h2=Lsin

L—斜管內(nèi)液柱的長度；

—

斜管傾斜角。準(zhǔn)確測量時(shí)，應(yīng)考慮下降高度h1返回因L＞h2

，則靈敏度高于單管。常用于微小壓力測量,測量范圍一般為0～2023Pa。11/28/20239其次節(jié)應(yīng)用彈性變形

測量壓力原理彈性元件彈簧管壓力表爭論返回11/28/202310一、原理

基于彈性元件的彈性特性。當(dāng)彈性元件在其軸向受到外力作用時(shí)，會產(chǎn)生拉伸或壓縮位移，即

F

——軸向外力;

X——彈性元件的變形位移;

C——彈性元件的剛度系數(shù)。

由于

Ae

——彈性元件的有效面積;

P——被測壓力。返回則(1-2-9)(1-2-10)(1-2-11)假設(shè)Ae/C為常數(shù)，則X與P為線性關(guān)系。11/28/202311二、彈性元件返回彈性后效與彈性滯后現(xiàn)象下一頁彈簧管膜片膜盒波浪管11/28/202312返回上一頁11/28/202313

μ、E—彈簧管材料的泊松系數(shù)和彈性模量；

h—彈簧管壁厚；

κ—彈簧管幾何參數(shù)，

α、β—與a/b比值有關(guān)的參數(shù)。返回1、測壓原理下一頁三、彈簧管壓力表利用橢圓或扁圓特殊截面，受壓后長軸變短、短軸變長，從而引起自由端位移。11/28/2023142、彈簧管壓力表構(gòu)造〔1〕彈簧管扁平、中空，橫截面為橢圓，一端固定，另一端為自由端，弧度270°。返回上一頁原理圖〔2〕齒輪、杠桿傳動機(jī)構(gòu)〔3〕游絲：抑制齒輪間的間隙,削減變差。〔4〕指針、表盤顯示11/28/202315爭論1.彈簧管壓力表的量程與哪些因素有關(guān)？2.當(dāng)彈簧管剛度、幾何外形確定，量程應(yīng)如何調(diào)整？彈簧管初始幾何外形〔角度、截面〕、剛度〔材料、壁厚〕轉(zhuǎn)變放大機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)。調(diào)整拉桿與扇形齒輪連接點(diǎn)〔調(diào)整螺釘〕3.具有均勻壁厚的圓形彈簧管能否作為測壓元件？不能。上一頁返回11/28/202316其次章遠(yuǎn)傳式壓力測量儀表返回概述第一節(jié)力平衡式壓力變送器其次節(jié)電阻式壓力傳感器第三節(jié)電容式壓力傳感器第四節(jié)電感式壓力傳感器第五節(jié)其它壓力傳感器11/28/202317概述0.14MPa壓縮空氣220V〔溝通〕24V〔直流〕返回標(biāo)準(zhǔn)信號：氣動20~100kPa

電動0~10mA4~20mA變送器：將各種非電量的工藝參數(shù)〔壓力、流量、物位、溫度等〕轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，傳送到有關(guān)儀表進(jìn)展顯示或掌握。傳感器：將各種非電量的工藝參數(shù)〔壓力、流量、物位、溫度等〕轉(zhuǎn)換成為各種便于遠(yuǎn)傳的電量信號。11/28/202318第一節(jié)力平衡式壓力變送器測量局部〔輸入轉(zhuǎn)換局部〕轉(zhuǎn)換局部工作原理返回11/28/202319返回一、測量局部〔輸入轉(zhuǎn)換局部〕將被測壓力通過彈性元件轉(zhuǎn)換為作用在主杠桿上的力Fi，經(jīng)主杠桿傳遞到轉(zhuǎn)換局部。下一頁高壓－彈簧管；中壓－波浪管；低壓－膜片。1.壓力變送器11/28/202320膜盒：基座、硬芯、膜片、硅油、密封圈。具有單向過載愛護(hù)作用。高、中、低差壓變送器承受膜盒，微差壓變送器承受金屬或橡膠膜片。2.差壓變送器硅油：溫度系數(shù)小，凝固點(diǎn)低(-40℃)。作為力的傳遞媒質(zhì)，并使膜片的運(yùn)動受到阻尼作用。返回上一頁11/28/202321二、轉(zhuǎn)換局部1.低頻位移檢測放大器

由低頻位移檢測放大器和電磁反響機(jī)構(gòu)組成。下一頁返回組成：差動變壓器，低頻振蕩器，整流濾波，功率放大器。作用：將銜鐵的微小位移S轉(zhuǎn)換成直流輸出電流I0，即位移－電流轉(zhuǎn)換器。11/28/202322〔1〕差動變壓器S→UCD銜鐵〔檢測片〕上罐形磁芯：磁芯的中心柱截面積等于其外環(huán)截面積下罐形磁芯：與上罐形磁芯構(gòu)造一樣，中心柱人為地磨去一固定氣隙δ=0.76mm四組線圈：AB原邊，同相連接；CD副邊，反相連接。VCD相位取決于檢測片位移是大于還是小于δ/2。VAB肯定，VCD=e2’－e2’’上一頁下一頁返回S=δ/2時(shí)，e2’＝e2’’，VCD=0S<δ/2時(shí)，e2’>e2’’，VCD>0，VCD與VAB同相；S>δ/2時(shí)，e2’<e2’’，VCD<0，VCD與VAB反相。11/28/202323(2)低頻振蕩器

LAB和C4構(gòu)成的并聯(lián)諧振回路，振蕩條件：S↓，VCD↑，VAB=KVCD↑〔3〕整流濾波〔4〕功率放大器將振蕩器的輸出進(jìn)展整流放大，變?yōu)橹绷鳂?biāo)準(zhǔn)信號輸出。下一頁上一頁返回振幅：KF≥1，F(xiàn)振蕩器反響系數(shù)，K放大器電壓放大倍數(shù)。相位：要求VCD與VAB同相，即S<δ/2，正反響，VC↑→VB↓→VAB↑↑___________↓11/28/2023242．電磁反響機(jī)構(gòu)作用：將電流I0轉(zhuǎn)換為反響力Ff。組成：反響動圈、導(dǎo)磁體、永久磁鋼。

Ff＝B

I0＝πBDWI0＝KfI0

Ff的方向由左手定則判定。上一頁返回－主導(dǎo)線長度，＝πDWW－反響動圈匝數(shù)；D－動圈平均直徑；B－磁場強(qiáng)度。11/28/202325力矩平衡〔力平衡〕變送器輸入與輸出為線性關(guān)系轉(zhuǎn)變W或矢量角可轉(zhuǎn)變量程；轉(zhuǎn)變F0可調(diào)整零點(diǎn)或進(jìn)展零點(diǎn)遷移。三、工作原理返回11/28/202326其次節(jié)電阻式壓力傳感器工作原理應(yīng)變片壓力傳感器返回11/28/202327一、工作原理

ρ——電阻率；

L——電阻的長度；

A——

電阻的截面。返回下一頁電阻受到拉力作用，電阻變化率為對圓截面電阻A=πD2/4，則：ε—軸向應(yīng)變，ε=dL/L據(jù)材料力學(xué)：

dD/D——金屬電阻絲的徑向應(yīng)變；dL/L——金屬電阻絲的軸向應(yīng)變；

μ——材料的泊松系數(shù)。

電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)。11/28/202328π——半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)σ——縱向應(yīng)力,E——半導(dǎo)體材料的彈性模量；ε——縱向應(yīng)變。1.金屬導(dǎo)體返回上一頁(1-2-16)(1-2-17)Ｋ=

E，半導(dǎo)體靈敏系數(shù)。2.半導(dǎo)體〔1-3-7〕Ｋ=1+2μ

，導(dǎo)體應(yīng)變靈敏系數(shù)。11/28/202329二、應(yīng)變片應(yīng)變片返回11/28/202330三、壓力傳感器

返回下一頁由圖可得

〔1-3-8〕應(yīng)變筒1.應(yīng)變式壓力傳感器11/28/202331橋路處于平衡時(shí)，應(yīng)使Usc=0，即應(yīng)滿足假設(shè)四個(gè)橋臂電阻均為應(yīng)變片，有壓力作用時(shí)，設(shè)每個(gè)橋臂電阻變化△Ri,并且△Ri<<Ri，在橋路平衡的條件下，可得〔1-3-9〕〔1-3-10〕返回下一頁上一頁假設(shè)R1、R2為應(yīng)變片，R3、R4為固定周密電阻〔ΔR3=ΔR4=0〕，且R1=R2，但ΔR1≠ΔR2，據(jù)應(yīng)變原理ΔR1/R1——應(yīng)變筒的軸向應(yīng)變；

ΔR2/R2——應(yīng)變筒的徑向應(yīng)變。

11/28/202332則橋路輸出電壓Usc與應(yīng)變

成正比，而與應(yīng)變筒的軸向應(yīng)變成正比?！?-3-11〕返回上一頁Usc與被測壓力P成正比，測得Usc可知P。11/28/2023332.壓阻式壓力傳感器返回特點(diǎn)：

易于微小型化：靈敏系數(shù)高：測量范圍寬：精度高、工作牢靠。11/28/202334返回第三節(jié)電容式壓力傳感器工作原理壓力〔差壓〕變送器壓力傳感器變送器輸出與被測參數(shù)的換算關(guān)系11/28/202335平行板電容器ε—極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；A—兩平行板掩蓋面積；d—兩平行板之間距離。轉(zhuǎn)變d能夠獲得較高靈敏度，可測量微米數(shù)量級的位移；轉(zhuǎn)變介電常數(shù)ε常用于物位測量。轉(zhuǎn)變A只適用于測量厘米數(shù)量級的位移；一、工作原理返回下一頁11/28/202336無壓力時(shí)，初始電容為動極板平行位移Δx

時(shí)線性，增加b或減小d，可提高靈敏度。轉(zhuǎn)變a會如何呢？有壓力時(shí)，θ≠0

返回下一頁上一頁初始電容為1．變面積式11/28/202337電容量C與極板間距d為非線性，

P=0時(shí)，動極板位移x=0，兩極板間距為d，電容量為P>0時(shí)，動極板位移，間距減小x

當(dāng)x<<d時(shí)，可近似為

返回上一頁2．變間隙式〔轉(zhuǎn)變d〕11/28/202338變面積式壓力傳感器返回11/28/202339依據(jù)變送器的測量范圍、工作能源、輸出信號范圍可由下式求得I0—變送器的輸出信號值；x—被測參數(shù)的測量值〔單位量綱應(yīng)與變送器量程全都〕；I上、I下—變送器輸出的上限值、下限值;lmin—變送器測量范圍的下限值。各種輸出與被測參數(shù)滿足線性關(guān)系的變送器均可適用。返回四、變送器輸出與被測參數(shù)的換算關(guān)系11/28/202340第四節(jié)電感式壓力傳感器自感式傳感器互感式傳感器返回11/28/202341一、自感式傳感器

N—線圈匝數(shù)；

RM

—磁路總磁阻。

當(dāng)空氣隙δ較小時(shí)，總磁阻為

μ—導(dǎo)磁體導(dǎo)磁率；μ0—空氣導(dǎo)磁率；

l—導(dǎo)磁體長度；δ—?dú)庀堕L度；A1—導(dǎo)磁體截面積；A—?dú)庀督孛娣e。返回一般:導(dǎo)磁體磁阻<<空氣隙磁阻則前項(xiàng)可略，線圈電感可為：下一頁1.工作原理11/28/202342銜鐵上移Δδ

：δ=δ0-Δδ,對應(yīng)電感為銜鐵下移Δδ

：δ=δ0+Δδ,對應(yīng)電感為同理：當(dāng)Δδ/δ0<<1時(shí)，上式可開放成級數(shù)形式無視二次項(xiàng)以上的高次項(xiàng)，則有下一頁返回上一頁11/28/2023432.差動式自感傳感器返回下一頁對高Q值差動式傳感器〔Q=ωL0/R0〕上一頁11/28/202344差動式自感壓力傳感器返回上一頁11/28/202345返回二、互感式傳感器次級繞組通過互感系數(shù)的變化得到不同的輸出電壓。多承受差動形式，又稱差動變壓器。LP、RP—初級線圈電感及損耗電阻；M1、M2—互感系數(shù)；UP—鼓勵(lì)電壓；ω—鼓勵(lì)電壓角頻率。輸出由互感M1和M2大小所打算。相位反映鐵芯移動方向；幅值反映鐵芯移動距離。1.工作原理下一頁11/28/2023462.壓力傳感器傳感器的工作原理，如何實(shí)現(xiàn)壓力測量？將鐵心與可產(chǎn)生位移〔變形〕的彈性元件連接。返回上一頁P(yáng)→彈性元件→鐵芯位移→M變化→U0變化11/28/202347第五節(jié)其它壓力傳感器壓電式壓力傳感器霍爾式壓力傳感器諧振式壓力傳感器返回11/28/202348一、壓電式壓力傳感器1.壓電效應(yīng)返回下一頁壓電效應(yīng)某些物質(zhì)沿肯定方向施加外力〔受壓或受拉〕發(fā)生氣械變形時(shí)，它的兩個(gè)外表上會產(chǎn)生異性電荷。當(dāng)外力去掉后，會重新回到不帶電的狀態(tài)，此現(xiàn)象稱“壓電效應(yīng)”。11/28/202349Ax

確定，測出qx即可得壓力P。

上一頁返回縱向壓電效應(yīng):在x軸方向施加作用力Fx

,則x方向產(chǎn)生的電荷為橫向壓電效應(yīng):在y軸方向施加作用力Fy

,則x方向產(chǎn)生的電荷為a

—壓電厚度;b—y

方向長度.因軸的對稱性，則壓電系數(shù)k1=-k2=k

下一頁可視為一個(gè)電荷發(fā)生器,假設(shè)在兩受力面上加上電極,又可視為平行板電容ε

—壓電材料的介電常數(shù);A

—

極板面積;d

—壓電元件厚度.(1-2-12)11/28/202350為提高測量靈敏度,可承受串并聯(lián)組合方式(類似電容串并聯(lián))。串聯(lián):

U串=2Uq串=qC串=C/2輸出電壓大,電容小,適宜以電壓作輸出信號.且要求測量電路輸入阻抗要高。并聯(lián):

U并=Uq并=2qC并=2C輸出電荷大,電容大,適宜以電荷作輸出信號。上一頁返回因產(chǎn)生電荷只有在無泄漏狀況才可保存,需測量回路輸入阻抗無窮大。不適宜靜態(tài)及緩變參數(shù)的測量。2.常用構(gòu)造形式11/28/202351三、諧振式壓力傳感器1.根本原理

任意機(jī)械振動系統(tǒng)中振子的諧振頻率可按下式計(jì)算：

f0——諧振元件的固有頻率；

C——諧振元件材料的剛度；

ｍ——諧振元件的質(zhì)量；

Ｋ——與量綱有關(guān)的常數(shù)。返回下一頁可承受間歇激振或連續(xù)激振方式使諧振元件產(chǎn)生振動。常用諧振元件：振弦、振膜、振筒、振梁等。11/28/2023522.壓力傳感器返回下一頁上一頁〔1〕振弦式壓力傳感器11/28/202353〔2〕振膜式壓力傳感器返回上一頁11/28/202354第三章壓力測量儀表的選擇、

校驗(yàn)和安裝返回第一節(jié)壓力儀表的選擇其次節(jié)壓力儀表的校驗(yàn)第三節(jié)壓力表的安裝11/28/202355第一節(jié)壓力儀表的選擇測量范圍選擇準(zhǔn)確度等級選擇儀表類型選擇返回11/28/202356一、測量范圍的選擇穩(wěn)定壓力：K=3/2脈動壓力：K=2高壓：K=5/3返回依據(jù)被測壓力的最大值和最小值計(jì)算求出儀表的上、下限。P=KP測P測—被測壓力值國家規(guī)定的壓力儀表測量范圍：-0.1～0；-0.1～0.06、0.15MPa;0～1、1.6、2.5、4、6、10×10nkPa〔n為正、負(fù)自然整數(shù)〕

即Pmax≥P，且P測min≥1/3〔Pmin～Pmax〕依據(jù)計(jì)算值，在國家規(guī)定的測量范圍中選擇大于或等于P值，且應(yīng)滿足被測壓力最小值不應(yīng)低于儀表測量范圍的1/3。11/28/202357二、準(zhǔn)確度等級的選擇國家規(guī)定的準(zhǔn)確度等級：0.01、0.02、0.05、0.1、0.16、0.2、0.25、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5等。依據(jù)工藝允許的最大確定誤差和選定的儀表量程，計(jì)算儀表的最大引用誤差qmax，在國家規(guī)定的準(zhǔn)確度等級中確定準(zhǔn)確度。三、儀表類型的選擇所選準(zhǔn)確度等級加上“％”、“±”后應(yīng)小于或至少等于工藝允許的儀表最大引用誤差qmax。

q允≤qmax依據(jù)被測介質(zhì)的性質(zhì)、是否提出特殊要求、是否需信號遠(yuǎn)傳以及現(xiàn)場環(huán)境條件等對儀表類型進(jìn)展選擇。返回下一頁11/28/202358某測溫儀表的測量范圍為0～1000℃,據(jù)工藝要求,溫度測量誤差不允許超過±7℃,應(yīng)如何選擇儀表準(zhǔn)確度才能滿足要求?返回上一頁結(jié)論:

q允≤qmaxq允≥qmax且

q允≥hmax依據(jù)工藝要求選擇儀表準(zhǔn)確度等級:將儀表的允許誤差去掉“±”號與“％”號，此值介于0.5級和1.0級之間假設(shè)選擇等級為1.0級的儀表，其允許誤差為±1.0％，超過了工藝要求的允許誤差，故應(yīng)選擇0.5級的準(zhǔn)確度才能滿足要求。儀表允許的最大引用誤差應(yīng)為:例2依據(jù)儀表校驗(yàn)數(shù)據(jù)確定準(zhǔn)確度等級:11/28/202359其次節(jié)壓力儀表的校驗(yàn)校驗(yàn)方法活塞式壓力計(jì)校驗(yàn)留意的問題返回11/28/202360一、校驗(yàn)方法〔1〕標(biāo)準(zhǔn)表允許確定誤差應(yīng)小于或等于被校表允許確定誤差的1/3。1、將被校表的示值與標(biāo)準(zhǔn)壓力比較。標(biāo)準(zhǔn)儀表的選擇原則：返回〔2〕要求標(biāo)準(zhǔn)表的測量上限應(yīng)比被校表大一檔?！鱕標(biāo)允≤〔1/3〕△Y被允2、將被校表的示值與標(biāo)準(zhǔn)表的示值在一樣條件下進(jìn)展比較。11/28/202361二、活塞式壓力計(jì)力平衡關(guān)系為A—測量活塞1的截面積；W、W0—砝碼和測量活塞〔包括托盤〕的重量；P—被測壓力。返回活塞式壓力計(jì)11/28/202362三、校驗(yàn)留意的問題1.在被校儀表的測量范圍內(nèi)均勻選擇5點(diǎn)以上;2.確保得到正、反行程誤差;3.為減小讀數(shù)誤差,誤差值應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)表上讀取;4.依據(jù)校驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,最終按準(zhǔn)確度等級要求得出結(jié)論。返回11/28/202363第三節(jié)壓力儀表的安裝取壓位置的選擇導(dǎo)壓管的安裝壓力儀表的安裝返回11/28/202364一、取壓位置的選擇1.對管路壓力的測量，應(yīng)避開死角、拐角及旋渦區(qū)。返回氣體取于管道截面上半局部，液體取于管道截面下半局部。3.對水平管路取壓點(diǎn)位置：2.管路中不應(yīng)有突出物，假設(shè)存在時(shí)，取壓點(diǎn)應(yīng)在其之前。11/28/202365二、導(dǎo)壓管的安裝返回1.導(dǎo)壓管不要超過50m，一般內(nèi)徑為6~10mm。2.

水平敷