過程檢測技術及儀表章壓力壓差

過程檢測技術及儀表章壓力壓差第一頁，共五十七頁，2022年，8月28日三種壓力表示方法絕對壓力pa表壓力p負壓或真空度ph3.1壓力的表示方法pa1絕對壓力零線pphpa2大氣壓p01.01325×105Pa絕對壓力是指物體所受的實際壓力。

表壓是指一般壓力表所測得的壓力，它是高于大氣壓力的絕對壓力與大氣壓力之差，即

真空度是指大氣壓與低于大氣壓的絕對壓力之差，有時也稱為負壓，即由于各種工藝設備和檢測儀表通常是處于大氣之中，本身就承受著大氣壓力，因此工程上通常采用表壓或者真空度來表示壓力的大小，一般的壓力檢測儀表所指示的壓力也是表壓或者真空度。除特殊說明之外，以后所提及的壓力均指表壓。

第二頁，共五十七頁，2022年，8月28日3.2壓力檢測方法的分類目前工業(yè)上常用的壓力檢測方法和壓力檢測儀表很多，根據(jù)敏感元件和轉換原理的不同，一般分為四類：(1)液柱式壓力檢測

一般采用充有水或水銀等液體的玻璃U形管或單管進行測量。(2)彈性式壓力檢測

它是根據(jù)彈性元件受力變形的原理，將被測壓力轉換成位移進行測量的。常用的彈性元件有彈簧管、膜片和波紋管等。(3)電氣式壓力檢測

它是利用敏感元件將被測壓力直接轉換成各種電量進行測量的儀表，如電阻、電荷量等。(4)負荷式壓力檢測

它是根據(jù)靜力平衡原理進行測量，典型儀表有活塞式、浮球式和鐘罩式三種。

第三頁，共五十七頁，2022年，8月28日3.3液柱式壓力檢測液柱式壓力檢測是以液體靜力學原理為基礎的，它們一般采用水銀或水為工作液，用U型管進行測量，常用于較低壓力、負壓或壓力差的檢測。p1p2p1p2h(a)(b)特點：直觀、可靠、準確度較高等，但U形管只能測量較低的壓力或差壓，為了便于讀數(shù)，U形管一般是用玻璃做成，易破損，另外它只能進行現(xiàn)場指示。用U形管進行壓力檢測，其誤差來源主要有：①溫度誤差——由使用環(huán)境溫度的變化引起的測量誤差。它主要包括兩個方面：一是標尺長度隨溫度的變化（要求U形管材料的溫度系數(shù)極?。?；二是工作液密度隨溫度的變化。例如水，當溫度從10℃變到20℃時，其密度從999.8kg/m3減小到998.3kg/m3，相對變化量為0.15％。②安裝誤差——當U形管安裝不垂直時將會產(chǎn)生安裝誤差。例如若傾斜5°，讀數(shù)誤差約0.38％。第四頁，共五十七頁，2022年，8月28日液體壓力計的誤差重力加速度變化誤差傳壓介質誤差:傳壓介質是指工作液上方的介質（一般是氣體），當U形管兩個引壓管的高度差相差較大，而氣體的密度又較大時，引壓管內(nèi)傳壓介質對工作液的壓力作用會引起測量誤差。讀數(shù)誤差第五頁，共五十七頁，2022年，8月28日其他液柱式壓力計測量原理：P=h所以h=P/單管壓力計：P=P0+ρgh斜管壓力計：P=P0+ρghP0P第六頁，共五十七頁，2022年，8月28日液體壓力計的使用液體壓力計在使用時，須注意以下問題：壓力計工作時，如實際工作溫度和當?shù)刂亓铀俣绕x儀表設計值；應對儀表讀數(shù)進行修正壓力計應垂直安裝使用應根據(jù)被測介質的特性和壓力的測量范圍選擇合適的工作液在使用時，被測壓力的瞬時值不能超過測量范圍第七頁，共五十七頁，2022年，8月28日特點：應用范圍廣、結構簡單、穩(wěn)定可靠、準確度高、重復性好、

用途：1、用作檢驗、檢定壓力表和壓力傳感器的標準儀器

2、標準壓力發(fā)生器3.4負荷式壓力檢測第八頁，共五十七頁，2022年，8月28日活塞式壓力計測量原理：P=G/S

所以G=P?S精確度高，允許誤差可以小到0.05％～0.02。常用作標準儀表，檢驗其它壓力計圖見圖1或書P97第九頁，共五十七頁，2022年，8月28日1、手輪2、手搖泵3、活塞4、被校壓力表5、6、7、針形閥 8、標準壓力表9、貯油杯、10、測量活塞、11、砝碼托盤、12、砝碼壓力表的示值：P=(m1+m2)g/AP-被測壓力；m1-活塞及托盤的質量；m2-砝碼質量；A-活塞承受壓力的有效面積；g-重力加速度101211第十頁，共五十七頁，2022年，8月28日活塞式壓力計誤差分析1、重力加速度的影響：重力加速度與所在的海拔、緯度有關；2、空氣浮力的影響：空氣對砝碼會產(chǎn)生浮力；3、溫度變化的影響：當環(huán)境溫度不是20度時，要引入溫度修正因子；第十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日浮球式壓力計浮球式壓力計的用途：在氣體壓力儀器儀表的生產(chǎn)、科妍和各級計量檢定、校準機構使用。可用于測量各種氣體壓力，大多用來檢驗各種氣體壓力測量儀器儀表。

特點：傳壓介質是壓縮空氣，克服了活塞式壓力計因油的表面張力、粘度等產(chǎn)生的摩擦力，也沒有活塞式壓力計的漏油問題，特別適用于禁油類壓力計和傳感器的檢定。組成：浮球、噴嘴、砝碼支架、專用砝碼、流量調(diào)節(jié)器、氣體過濾器、底座、水平調(diào)節(jié)器等。第十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日第十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日工作原理：浮球式壓力計是以氣體作為壓力源，以精密浮球處于工作狀態(tài)時的壓力作用面積為浮球有效面積的一種氣動負荷式壓力計。精密浮球置于氣流噴嘴內(nèi)部，專用砝碼通過砝碼架作用在浮球體的頂端，當噴嘴內(nèi)的氣體壓力作用在浮球體下部時，會使浮球在噴嘴內(nèi)飄浮起來。在浮球處于飄浮狀態(tài)下時，專用砝碼質量所產(chǎn)生的重力與氣壓的作用力相平衡，浮球式壓力計便輸出一個穩(wěn)定而精確的壓力值。

第十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日浮球式壓力計的精度等級分為一等、二等。一等的精度為0.02%，目前國內(nèi)產(chǎn)量很少。二等的精度為0.05%，國內(nèi)生產(chǎn)廠家較多。這種壓力計的精度等級取決于浮球和噴嘴的制造精度和專用砝碼的質量精度。浮球式壓力計的測壓范圍最高測量上限一般只能達到0.6MPa第十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日3.5彈性式壓力檢測彈性式壓力檢測是用彈性元件把壓力轉換成彈性元件位移的一種檢測方法。平薄膜波紋膜波紋管單圈彈簧管多圈彈簧管第十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日膜片受壓力作用產(chǎn)生位移，可直接帶動傳動機構指示。但是膜片的位移較小，靈敏度低，指示精度不高，一般為2.5級。膜片更多的是和其他轉換元件合起來使用，通過膜片和轉換元件把壓力轉換成電信號；波紋管的位移相對較大，一般可在其頂端安裝傳動機構，帶動指針直接讀數(shù)。其特點是靈敏高（特別是在低壓區(qū)），常用于檢測較低的壓力（1.0～106Pa），但波紋管遲滯誤差較大，精度一般只能達到1.5級；彈簧管結構簡單、使用方便、價格低廉，它使用范圍廣，測量范圍寬，可以測量負壓、微壓、低壓、中壓和高壓，因此應用十分廣泛。根據(jù)制造的要求，儀表精度最高可達0.15級。第十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日——彈簧管和彈簧管壓力表彈簧管是橫截面呈非圓形（橢圓形或扁圓形），彎成圓弧狀（中心角常為270°）的空心管子。管子的一端為封閉，另一端為開口。閉口端作為自由端，開口端作為固定端。第十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日被測壓力介質從開口端進入并充滿彈簧管的整個內(nèi)腔，由于彈簧管的非圓橫截面，使它有變成圓形并伴有伸直的趨勢而產(chǎn)生力矩，其結果使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，同時改變其中心角。位移量（中心角改變量）和所加壓力有如下的函數(shù)關系：

式中θ0為彈簧管中心角的初始角；Δθ為受壓后中心角的改變量；R為彈簧管彎曲圓弧的外半徑；h為管壁厚度；a、b為彈簧管橢圓形截面的長、短半軸。K=Rh/a2;μ為泊松系數(shù)；E為彈性模數(shù)第十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日1－彈簧管2－拉桿3－扇形齒輪4－中心齒輪5－指針6－－面板7－游絲8－調(diào)節(jié)螺釘9－接頭圖3-18彈簧管壓力表彈簧管自由端的位移量一般很小，需要通過放大機構才能指示出來,為了加大彈簧管自由端的位移量，也可采用多圈彈簧管，其原理與單圈彈簧管相似。

單圈彈簧管壓力表是工業(yè)現(xiàn)場使用最普遍的就地指示式壓力檢測儀表（也有電接點輸出的彈簧管壓力表）

彈簧管壓力表結構簡單、使用方便、價格低廉、測量范圍寬，可以測量負壓、微壓、低壓、中壓和高壓一般的工業(yè)用彈簧管壓力表的精度等級為1.5級或2.5級，但根據(jù)制造的要求，其精度等級最高可達0.15級。第二十頁，共五十七頁，2022年，8月28日電源下限上限指針——電接點壓力表在普通彈簧管壓力表的基礎上改進而成，除能就地顯示外，還能進行上限值與下限值的報警。第二十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日第二十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日第二十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日波紋管差壓計波紋管的特點是靈敏度高（特別是在低壓），但是遲滯誤差較大，波紋管壓力表的測量范圍較小，一般為0～0.4MPa，儀表的準確度等級為1.5～2.5級第二十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日其它彈性式壓力表膜片和膜盒也常常被用作壓力測量的彈性元件，從而構成膜片壓力表和膜盒壓力表膜盒壓力表主要用于測量較低壓力或負壓的氣體壓力，壓力測量范圍為－20～40kPa，儀表的準確度等級一般為1.5～2.5級。第二十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日膜片壓力表的工作原理與膜盒壓力表相近，測量準確度也差不多，但膜片壓力表的可測壓力范圍較寬，最高可達2.5MPa。另外，作為彈性元件的膜片常常和其他轉換元件一起使用構成電遠傳式壓力儀表.第二十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日3.6電氣式壓力檢測——應變片壓力/差壓變送器利用金屬或半導體材料制成的電阻體的阻值可表示為：

當電阻體受外力作用時，電阻體的長度、截面積或電阻率會發(fā)生變化，即其阻值也會發(fā)生變化。這種因尺寸變化引起阻值變化稱為應變效應。應變片多以金屬材料為主，一般和彈性元件一起使用。r1r2123P(a)傳感器1－外殼2－彈性筒3－膜片第二十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日應變筒的上端與外殼固定在一起，下端與不銹鋼密封膜片3緊密接觸，應變片r1和r2用膠合劑貼緊在應變筒的外壁，與筒體之間不發(fā)生相對滑動。r1沿應變筒軸向貼放，作為測量片；r2沿徑向貼放，作為溫度補償片。圖中應變片r1、r2的靜態(tài)性能完全相同。當膜片受到外力作用時，彈性筒軸向受壓，使應變片r1產(chǎn)生軸向應變，阻值變?。欢鴳兤瑀2受到軸向壓縮，引起徑向拉伸，阻值變大。實際上，r2的變化量比r1的變化量要小，r2的主要作用是溫度補償。

第二十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日左圖是應變片阻值變化量的測量電橋，圖中R3和R4是兩個阻值相等的精密固定電阻。UiE－＋＋－r1r2R3R4AB(b)測量電橋不受壓時r1=r2=r0R3=R4=r若應變片受壓，則：r1=r0+Δr1；r2=r0+Δr2(Δr1≠Δr2)第二十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日由此可見，由壓力作用時，r1和r2一減一增，使電橋有較大的輸出；當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，r1、r2同時增減，不影響電橋的平衡。如果儀表能把電橋輸出電壓Ui進一步轉換為標準信號輸出，則該儀表即可稱為應變式壓力變送器。

結論：應變片式壓檢測儀表具有較大的測量范圍，被測壓力可達幾百MPa，并具有良好的動態(tài)性能，適用于快速變化的壓力測量。但是，盡管測量電橋具有一定的溫度補償?shù)淖饔茫瑧兤綁毫z測儀表仍有比較明顯的溫漂和時漂，因此，這種壓力檢測儀表較多地用于一般要求的動態(tài)壓力檢測，測量精度一般在0.5～1.0％左右。

第三十頁，共五十七頁，2022年，8月28日——霍爾壓力變送器（YSH型）壓力變化——位移變化——霍爾電勢VH變化。Z方向，有恒定的非均勻的磁場BY方向，有恒定的電流I通過由于受電磁力的作用，電子運動的軌跡發(fā)生偏移，造成霍爾片的一個端面電子積累，另一端面正電荷過剩，這樣在X方向上形成一個電位差（VH），這一電位差稱為霍爾電勢。這一物理現(xiàn)象稱為“霍爾效應”。ZYX第三十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日VH=RH×B×I——VH與B、I均有關VH:霍爾電勢，大小約幾十mV；RH：霍爾常數(shù)，單位：mV/mA(千高斯)I：控制電流（通過霍爾片的電流），大小約3-20mAB:垂直作用于霍爾片的磁感應強度，一般為幾千高斯VH：導體的霍爾效應比半導體小得多，因而霍爾片用半導體做比較多?；魻柶c彈簧管自由端連在一起，壓力變化，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，霍爾片在非均勻磁場中的位置改變（相當于B會改變），進而VH改變。這樣就實現(xiàn)了把壓力轉變成位移再轉變成VH的變化。第三十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日——壓阻式（擴散硅）壓力/差壓變送器

因電阻率變化引起阻值變化稱為壓阻效應。半導體材料的壓阻效應比較明顯。用作壓阻式傳感器的基片材料主要為硅片和鍺片，由于單晶硅材料純、功耗小、滯后和蠕變極小、機械穩(wěn)定性好，而且傳感器的制造工藝和硅集成電路工藝有很好的兼容性，以擴散硅壓阻傳感器作為檢測元件的壓力檢測儀表得到了廣泛的使用。

第三十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日p2p1硅杯圖3-30壓阻式傳感器示意圖正壓側隔離膜片引出線負壓側隔離膜片硅油第三十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日測量部分——擴散硅壓阻傳感器——把被測差壓ΔP成比例地轉換為不平衡電壓US

1.負壓室2.正壓室3.硅杯4.引線5.硅片Ri1Ri2Ri3Ri4第三十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日測量部分——惠斯頓電橋Ri1Ri2Ri3Ri4Ri1Ri2Ri3Ri4IS不受壓時：Ri1＝Ri2＝Ri3＝Ri4＝R第三十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日測量部分——電壓轉換Ri1Ri2Ri3Ri4IS受壓時：△Ri1＝△Ri4＝r1

△Ri2＝△Ri3＝r2受壓時，流經(jīng)2橋臂的電流始終相等第三十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日結論：壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點是體積小，結構簡單，其核心部分就是一個既是彈性元件又是壓敏元件的單晶硅膜片。擴散電阻的靈敏系數(shù)是金屬應變片的幾十倍，能直接測量出微小的壓力變化。此外，壓阻式壓力傳感器還具有良好的動態(tài)響應，遲滯小，可用來測量幾千赫茲乃至更高的脈動壓力。第三十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日壓阻式壓力傳感器是一種發(fā)展比較迅速，應用十分廣泛的一類壓力傳感器。這種傳感器的缺點則是擴散電阻存在溫度效應，容易受環(huán)境溫度的影響，有些廠家在傳感器組件中提供了若干校正用的溫度補償電路，甚至把放大轉換等電路集成在同一塊單晶硅膜片上，從而可以大大提高傳感器的基本性能。第三十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日3.7壓力檢測儀表的選用和安裝

選用＋安裝其它儀表也基本適應第四十頁，共五十七頁，2022年，8月28日——壓力檢測儀表的選用

三個方面——選用時應根據(jù)生產(chǎn)工藝對壓力檢測的要求、被測介質的特性、現(xiàn)場使用的環(huán)境等條件本著節(jié)約的原則合理地考慮儀表的量程、精度、類型（材質）等。

第四十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日⑴量程儀表的量程是指該儀表可按規(guī)定的精確度對被測量進行測量的范圍關鍵：根據(jù)被測參數(shù)的大小來確定，同時必須考慮到被測對象可能發(fā)生的異常超壓情況，對儀表的量程選擇必須留有足夠的余地。測量穩(wěn)定壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的3/4測量脈動壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的2/3測量高壓壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的3/5最小工作壓力Pimin不低于上限值Pmax的1/3

第四十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日儀表的量程等級：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它們10n倍。在選用儀表量程時，應采用相應規(guī)程或者標準中的數(shù)值。第四十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日⑵儀表精度——根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定，即要求實際被測壓力允許的最大絕對誤差應小于儀表的基本誤差?！谶x擇時應堅持節(jié)約的原則，只要測量精度能滿足生產(chǎn)的要求，就不必追求用過高精度的儀表。

第四十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日例：有一壓力容器在正常工作時壓力范圍為0.4～0.6MPa，要求使用彈簧管壓力表進行檢測，并使測量誤差不大于被測壓力的±4％，試確定該表的量程和精度等級。

解：

由題意可知，被測對象的壓力比較穩(wěn)定，設儀表量程為0～AMPa，則根據(jù)工作壓力的要求：根據(jù)儀表的量程系列，可選用量程范圍為0～1.0MPa的彈簧管壓力表。由題意，被測壓力的允許最大絕對誤差為：Δmax=±0.4*4%=±0.016MPa這就要求所選儀表的相對百分誤差為：0.016/（1-0）*100%=1.6%按照儀表的精度等級，可選擇1．5級的壓力表。第四十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日⑶儀表類型正確選用儀表類型是保證儀表正常工作及安全生產(chǎn)的前提。主要應考慮以下幾個方面:儀表的材料

壓力檢測(檢測儀表)的特點是壓力敏感元件往往要與被測介質直接接觸，因此在選擇儀表材料的時候要綜合考慮儀表的工作條件。例如：對腐蝕性較強的介質應使用像不銹鋼之類的彈性元件或敏感元件；氨用壓力表則要求儀表的材料不允許采用銅或銅合金，因為氨氣對銅的腐蝕性極強；又如氧用壓力表在結構和材質上可以與普通壓力表完全相同，但要禁油，因為油進入氧氣系統(tǒng)極易引起爆炸。

第四十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日只需觀察壓力變化的，可選如彈簧管壓力表、液柱式壓力計那樣的直接指示型的儀表；如需將壓力信號遠傳到控制室或其他電動儀表，則可選用電氣式壓力檢測儀表或其他具有電信號輸出的儀表；如果要檢測快速變化的壓力信號，則可選用電氣式壓力檢測儀表，如壓阻式壓力傳感器；如果控制系統(tǒng)要求能進行數(shù)字量通信，則可選用智能式壓力檢測儀表。

輸出信號類型第四十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日使用環(huán)境對爆炸性較強的環(huán)境，在使用電氣壓力儀表時，應選擇防爆型壓力儀表；對于溫度特別高或特別低、環(huán)境溫度變化大的場合，應選擇使用溫度適當、溫度系數(shù)小小的敏感元件以及其他變換元件。

上述選型原則也適用于差壓、流量、液位等其它檢測儀表的選型第四十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日——壓力檢測儀表的安裝

分三種情況介紹：一般壓力檢測儀表的安裝特殊壓力檢測儀表的安裝（高溫、高壓、腐蝕等）壓力變送器的安裝第四十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日一般壓力測量儀表的安裝無論選用何種壓力儀表和采用何種安裝方式，在安裝過程中都應注意以下幾點：壓力儀表必須經(jīng)檢驗合格后才能安裝壓力儀表的連接處，應根據(jù)被測壓力的高低和被測介質性質，選擇適當?shù)牟牧献鳛槊芊鈮|圈，以防泄漏壓力儀表盡可能安裝在室溫，相對濕度小于80％，振動小，灰塵少，沒有腐蝕性物質的地方，對于電氣式壓力儀表應盡可能避免受到電磁干擾第五十頁，共五十七頁，2022年，8月28日壓力儀表應垂直安裝。一般情況下，安裝高度應與人