講義壓力測量儀表

第二章 壓力測量概述：在化工生產(chǎn)中，工藝條件要求很不一樣，有的要求在高壓下進(jìn)行，如氫氣和氮?dú)狻⒑铣砂睔獾膲毫?2MPa，高壓聚乙烯的壓力為150MPa。壓力過高要發(fā)生嚴(yán)重事故，壓力過低則產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量達(dá)不到指標(biāo)。有的產(chǎn)品則要在真空中進(jìn)行，如液體燒堿要在幾十個(gè)KPa的真空下蒸發(fā)，真空度不夠，蒸發(fā)速度緩慢，生產(chǎn)效率變低，可見壓力測量對化工生產(chǎn)有一定的重要性。測量壓力的儀表常稱為壓力表或壓力計(jì)。測量真空度的儀表稱為真空表或負(fù)壓計(jì)。有的壓力表既有壓力刻度標(biāo)尺，又有真空度刻度標(biāo)尺，稱為聯(lián)成計(jì)。一、 壓力的基本概念壓力就是垂直作用在物體單位面積上的力，在物理學(xué)中稱為壓強(qiáng)。它由受力的面積和垂直作用力的大小決定，方向指向受壓物體，可用下式表示P=F/S或中P-----壓力，帕（Pa）F-----垂直作用力，牛（N）S-----受力面積，米2（m2）二、 壓力的單位及不同單位制的換算壓力以及以后所述的流量測量中的計(jì)量單位，除了長度、質(zhì)量和時(shí)間三個(gè)基本單位外，其它如壓力、力、密度、粘度等等均為導(dǎo)出單位。我國法定計(jì)量單位，以國際單位制為主，又允許某些并用單位。過去工廠所用儀表多是工程單位制、絕對單位制，現(xiàn)在應(yīng)改為法定單位，為便于改制的參考，在表2-1中列出不同單位制單位及相互換算關(guān)系。在國際單位制中，壓力的單位是帕斯卡，簡稱帕（符號為Pa），這是一個(gè)導(dǎo)出單位，定義為：1帕=1牛頓/米2即1牛頓的力垂直均勻作用在1米2的面積上所形成的壓力值叫1帕，它的基本單位表示如下：1帕二1牛頓/米2=1公斤*米*秒-2/米2=1公斤*米-1*秒-2過去經(jīng)常用的壓力單位還有：物理大氣壓、工程大氣壓、毫米汞柱、毫米水柱等，在表2中列出的是一些常見單位及定義。各種壓力單位按照定義相換算，例如：1工程大氣壓二1公斤力/厘米2=1公斤*9.80665米*秒-2/10-4米2=9.80665*104帕表2—1（化工測量儀表）P9三、大氣壓力、表壓力、絕對壓力、負(fù)壓力（真空度）在壓力測量中常有大氣壓力、表壓力、絕壓力、負(fù)壓力（真空度）之分。如下圖圖2—1（化工測量儀表）P9絕對壓力是指介質(zhì)所受的實(shí)際壓力。大氣壓力是指由于空氣柱的重力作用在底面積上所產(chǎn)生的壓力，我們所處的環(huán)境中，到處都是大氣壓力的作用。工程上所用的壓力指示值，多為表壓力，它是絕對壓力和大氣壓力之差。即為p表壓=?絕對壓-p大氣壓大氣壓力即物理大氣壓，又稱標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，常以P0表示，符號為atm。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓等于101325Pa。表2—2（化工測量儀表）P10表2—3（化工測量儀表）P10由式（2-2）可知，絕對壓力二表壓與大氣壓之和過去工程上計(jì)算壓力時(shí)常以kgf/cm2為計(jì)算單位，常用表壓力加1表示被測壓力的絕對壓力。當(dāng)被測壓力低于大氣壓力時(shí)，則稱為負(fù)壓力和真空，它是大氣壓力與絕對壓力之差。P負(fù)壓（真空度）常以表壓的負(fù)值來表示，如上述P負(fù)壓=81325Pa,則表壓為-81325Pa。過去工程上常用的mmHg或mmH2O來表示負(fù)壓，它們與法定單位的換算關(guān)系為：1mmHg=133.3224Pa常簡化為133Pa。由于各種工藝設(shè)備和測量儀表都處于大氣中所以工程上都用表壓或真空來表示壓力的大小。用壓力表測量得到的壓力數(shù)值，實(shí)際上也都是表壓（或真空度），因此，以后所提到的壓力，如無特別說明，均為表壓（或真空度。兩個(gè)壓力相比較的差值為壓力差。壓力差常稱為壓差或差壓，應(yīng)該指出的是P-是指較P+為低的壓力，不一定是指負(fù)壓力。四、壓力的測量與壓力計(jì)的選擇壓力測量原理可分為液柱式、彈性式、電阻式、電容式、電感式和振頻式等等。壓力計(jì)測量壓力范圍寬廣，可以從超真空如133*10-13Pa直到超大高壓280MPa。壓力計(jì)從結(jié)構(gòu)上可分為實(shí)驗(yàn)室型和工業(yè)應(yīng)用型。壓力計(jì)的品種繁多，因此根據(jù)被測壓力對象很好地選用壓力計(jì)就顯得十分重要。1、 就地壓力顯示當(dāng)壓力在2.6KPa到69MPa時(shí)，可采用膜片式壓力表、波紋管壓力表和波登管壓力表，如接近大氣壓的低壓測量時(shí)，可用膜片式壓力表或波紋管式壓力表，2、 遠(yuǎn)距離壓力顯示若需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離壓力顯示時(shí)一般用氣動或電動壓力變送器也可用電氣壓力傳感器。當(dāng)壓力范圍為140~280MPa時(shí)，則應(yīng)采用高壓壓力傳感器。當(dāng)高真空測量時(shí)可采用熱電真空計(jì)。3、 多點(diǎn)壓力測量進(jìn)行多點(diǎn)壓力測量時(shí)，可采用多點(diǎn)巡回壓力檢測儀。若被測壓力達(dá)到極限值需報(bào)警時(shí)，則應(yīng)選用附帶報(bào)警裝置的各類壓力計(jì)。正確選擇壓力除上述幾點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)（1） 量程的選擇根據(jù)被測壓力的大小確定儀表量程。對于彈性式壓力表，在測穩(wěn)定壓力時(shí)，最大壓力值應(yīng)不超過滿量程的3/4；測波動壓力時(shí)，最大壓力值不超過滿量程的2/3。最低測量壓力應(yīng)不低于全量程的1/3。（2） 精度的選擇根據(jù)生產(chǎn)允許的最大測量誤差，以經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠的原則確定儀表的精度選編。一般工業(yè)用壓力表1.5或2.5級已足夠，科研或精密測量用0.5級或0.35級的精密壓力表或標(biāo)準(zhǔn)壓力表。（3） 使用環(huán)境信介質(zhì)性能的考慮環(huán)境條件惡劣，如高溫、腐蝕、潮濕、振動等，被測介質(zhì)的性能，如溫度的高低、腐蝕性、易結(jié)晶、易燃、易爆等等，以此來確定壓力的種類和型號。（4） 壓力表外形尺寸的選擇現(xiàn)場就地指示的壓力表一般表面直徑為100mm，在標(biāo)準(zhǔn)較高或照明條件差的場合用表面直徑為200~250mm的，盤裝壓力表直徑為150mm，或用矩形壓力表，常用彈性壓力表規(guī)格見表。表2—1—13P176（儀表工手冊）包端管壓力表在測量運(yùn)行中的常見故障及處理方法。包裝管壓力表常見故障及處理方法見表。表2—1—14P177（儀表工手冊）三、壓力傳感器壓力傳感器是壓力檢測系統(tǒng)的重要組成部分。由各種壓力敏感元件將被測壓力信號轉(zhuǎn)換成容易測量的電信號作輸出，給顯示儀表顯示壓力值，或供控制和報(bào)警用。壓力傳感器的種類很多，常用壓力傳感器的性能比較如表所示。表2—1—15P178（儀表工手冊）1、應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器是把壓力的變化轉(zhuǎn)化的電阻的變化來進(jìn)行測量的應(yīng)變片是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻體，其阻值隨壓力所產(chǎn)生的應(yīng)變而變化，對于金屬變化率為畋/R的表達(dá)式為：^R/RW1+2|j）￡式中^——材料的泊松系數(shù)￡ 應(yīng)變量圖2—1—9P178（儀表工手冊）在圖中應(yīng)變筒中的上端與外殼2固定在一起，下邊與密封膜片3緊密接觸，兩片康銅絲應(yīng)變片R1和R2用特殊膠合劑粘貼在應(yīng)變筒的外壁上，R1沿應(yīng)變筒的軸向粘貼作為測量片，R2沿應(yīng)變筒的徑向粘貼作為溫度補(bǔ)償片，必須注意，應(yīng)變片和筒體之間不能產(chǎn)生相對滑動，并且要保持電絕緣，當(dāng)測量壓力P作用于膜片而合應(yīng)變筒作軸向受壓變形時(shí)，沿軸向貼置的應(yīng)變片R1也將產(chǎn)生軸向貼放壓縮應(yīng)變，于是R1的阻值變?。欢貜较虍a(chǎn)生向貼放的應(yīng)變片R2,由于應(yīng)變筒的徑向產(chǎn)生了拉伸變形，也將產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，于是R2的阻值變大。應(yīng)變片R1、R2與另兩個(gè)固定電阻R3、R4組成一個(gè)橋式電路，由于R1和R2的阻值變化使橋路失去平衡，從而獲得不平衡電壓作為傳感器的輸出信號，本傳感器橋器的電源為10V（直流最大的輸出為5mV直流信號，再經(jīng)前置放大成為電動單元組合儀表的輸入信號。BPR-2型壓力傳感器有0~1MPa、0~10MPa、0~30MPa等多種量程可供選用，選擇時(shí)測量上限一般不超過儀表量程的80%為宜，本傳感器主要適用于變化快的壓力測量，其非線性及滯后誤差小于1%2、壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器的原理是基于某些晶體材料的壓電效應(yīng)，目前廣泛使用的壓電材料有石英和鈦酸鋇等，當(dāng)這些晶體受壓力作用發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，在其相對的兩個(gè)側(cè)面上產(chǎn)生異性電荷，這種現(xiàn)象稱為"壓電效應(yīng)”。晶體上所產(chǎn)生的電荷的大小與外部施加的壓力成正比，即：q=np式中q----壓電量（電荷數(shù)）n----壓電常數(shù)p 外部施加的壓力這種壓力傳感器的特點(diǎn)是：體積小，結(jié)構(gòu)簡單，不需要外加電源，靈敏度和響應(yīng)頻率高，適用與動態(tài)壓力的測量，廣泛地應(yīng)用于空氣動力學(xué)、爆炸力學(xué)、發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測量等等。其測量范圍可從0~700Pa到0~70MPa，精確度可達(dá)0.1%。圖2—1—10P179（儀表工手冊）壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。圖中，由受壓薄壁筒給出預(yù)載力，并將一繞性材料制成非常薄的膜片進(jìn)行密封。預(yù)載筒外的空腔可以連接冷卻系統(tǒng)，以保證傳感器工作在環(huán)境溫度一定的條件下，這樣就避免了因溫度變化所造成的預(yù)載力變化而引起測量誤差。3、光導(dǎo)纖維壓力傳感器光導(dǎo)纖維壓力傳感器與傳統(tǒng)的壓力傳感器相比，有其獨(dú)特的特點(diǎn)：利用光波傳導(dǎo)壓力信息，不受電磁干擾，電器絕緣好，乃腐蝕，無點(diǎn)火花，可以在高壓、易燃易爆的環(huán)境中測量壓力、流量、液位等。它靈敏度高，體積小，可繞性好，可插入狹窄的空間中進(jìn)行測量，因此而得到重視，并且得到迅速發(fā)展。如圖所示為Y型光導(dǎo)纖維壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。它由金屬膜片環(huán)、Y型光導(dǎo)纖維、光源、光接受器及支架等組成。膜片與Y型光導(dǎo)纖維端面間距離約為0.1mm。這種傳感器能測0~35MPa動態(tài)壓力，也可測量低壓，輸出壓力較大。圖2—1—11P179（儀表工手冊）當(dāng)被測壓力作用于膜片杯時(shí)，膜片發(fā)生位移，從而改變了光導(dǎo)纖維與膜片之間的距離，使光導(dǎo)纖維接受到反射光量變化，這光量由光電元件接受器接受，并且轉(zhuǎn)換成電量，經(jīng)放大器放大后，顯示被側(cè)壓力值。傳感器要求光源穩(wěn)定，否則要采取補(bǔ)償措施，以消除光源波動對測量結(jié)果的影響。四、壓力變送器需要在控制室內(nèi)顯示壓力的儀表，一般選用壓力變送器或壓力傳感器。對于爆炸危險(xiǎn)場所，常選用氣動壓力變送器、防爆型電動口型或皿型壓力變送器;對于微壓力的測量，可采用微差壓變送器；對粘稠、易堵、易結(jié)晶和腐蝕強(qiáng)的測量介質(zhì)，宜選用帶法蘭的膜片式壓力變送器，在大氣腐蝕場所及強(qiáng)腐蝕性等介質(zhì)測量中，還可選用1151系列或820系列壓力變送器。壓力變送器主要技術(shù)性能見表2-1-16。表2—1—16P180（儀表工手冊）QBY氣動壓變是QDZ系列氣動單元組合儀表中的一個(gè)品種它用測量生產(chǎn)過程中各種液體、蒸汽以及氣體的壓力、負(fù)壓和絕對壓力。氣體壓力變送器的結(jié)構(gòu)除了測量部分外，轉(zhuǎn)換部分與氣動差壓變送器相同。壓力變送器測量部分的測壓敏感元件所產(chǎn)生的測量力的大小范圍約為50~100N,最高不超過150N。根據(jù)這一要求，敏感元件的選擇依據(jù)由測壓范圍而定。測量0~2.5MPa低壓的敏感元件一般是用黃銅或不銹鋼制成的波紋管，其結(jié)構(gòu)原理如圖所示。當(dāng)被測壓力p進(jìn)入測量室后，經(jīng)測量波紋管轉(zhuǎn)換成測量力，通過推桿作用在主杠桿上，傳遞到氣動轉(zhuǎn)換部分。測量中，高壓的敏感元件一般采用鉻鋼制成的包端管，它的測量原理是利用包端管末端產(chǎn)生的徑向分力，通過推桿2作用在主杠桿3的下端，帶動變送器的氣動轉(zhuǎn)換部分動作。圖2-1-13為中高壓變測量部分的結(jié)構(gòu)原理示意圖圖2—1—12P180（儀表工手冊）圖2-1-14為絕對壓變測量部分的結(jié)構(gòu)原理圖，主要有兩個(gè)不銹鋼波紋管組成。波紋管1為測量波紋管，波紋管2為補(bǔ)償波紋管，被抽成真空，兩個(gè)波紋管的有效面積相等。即A1=A2。當(dāng)被測壓力P1進(jìn)入測量波紋管1時(shí)，在被測壓力P1與大氣壓力P2的壓作用下，測量波紋管產(chǎn)出一個(gè)推力：F1=P1A1-P2A2由于補(bǔ)償波紋管已被抽成真空，所以它僅僅受到周圍大氣壓P2的作用，它所產(chǎn)生的壓縮力為：F2二P2A2則作用在主杠桿4上的合力為F=F1+F2=P1A1-P2A1+P2A2=P1A1從上式知，測量力F與被測壓力P1成正比，而與大氣壓力P2無關(guān)，所以測得的壓力為絕對壓力，無論大氣壓力如何變化，大氣壓力對波紋管1與對波紋管2作用所產(chǎn)生的力總是相互抵消的，這就補(bǔ)償了由于大氣壓力變化而弓I起的測量誤差，它的測量范圍最小約為1.4KPa，最大可達(dá)220KPa。插圖2—1—132—1—14P181（儀表工手冊）表2—1—17P181（儀表工手冊）壓力測量儀表復(fù)習(xí)題1、壓力表中彈簧管為什么要做成扁圓形的？壓力表中彈簧管都是由一根彎成270°圓弧狀、截面呈橢圓形的空心金屬管制成。因?yàn)闄E圓形截面在介質(zhì)壓力下，將趨向圓形，使彎成圓弧形的彈簧管隨之產(chǎn)生向外挺直擴(kuò)張的形變，使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，并且其自由端位移和被測壓力之間在某范圍內(nèi)有一定的線性對應(yīng)關(guān)系。因此，彈簧管自由端的位移量，通過適當(dāng)放大，就能指示出被測介質(zhì)壓力的大小。2、 彈簧壓力表校驗(yàn)時(shí)常見的問題有那些？（1） 在全部刻度范圍內(nèi)壓力表的指示值和標(biāo)準(zhǔn)值不符，過大或過小。（2） 在全部刻度范圍內(nèi)，壓力表的指示值前面偏大，后面偏小；或者后面偏大，前面偏小;（3） 在校驗(yàn)過程中，上升時(shí)指示值與標(biāo)準(zhǔn)值相符，下降時(shí)不符合，或者下降時(shí)符合而上升時(shí)不符合，或者上升和下降時(shí)只有某些刻度上相符合；（4） 在進(jìn)行指示時(shí)表針有跳動現(xiàn)象。上述問題產(chǎn)生的原因，通常是由于傳動部件的磨損和摩擦，各部件的配合位置不當(dāng)或游絲松動不合適，以及彈簧管受到損壞或者發(fā)生永久性畸變等。3、 彈簧管壓力表是常見的最簡單的壓力測量儀表，當(dāng)它的指針脫落或松動后，你能正確安裝指針嗎？彈簧管壓力表指針裝入中心輪軸的方法有兩種，即所謂校驗(yàn)時(shí)安裝法和不校驗(yàn)時(shí)安裝法。校驗(yàn)時(shí)安裝法用于刻度盤"0"刻度值處有樁頭（擋頭）的壓力表，而不校驗(yàn)時(shí)安裝法用于刻度盤"0"刻度值處沒有樁頭（檔頭）的壓力表。1、 校驗(yàn)時(shí)安裝法：（1）將壓力表裝在壓力表校驗(yàn)儀上；（2）給壓力表試壓到任一壓力數(shù)值，一般選取在刻度盤90°處左右的壓力刻度數(shù)值，使壓力保持不變（3）然后將指針安裝在等于這個(gè)壓力數(shù)值的刻度盤上，并稍稍壓緊指針于中心輪軸上；（4）使壓力表校驗(yàn)儀的壓力為零，這時(shí)，壓力表指示應(yīng)為"0"刻度值。否則，說明壓力表有故障，需檢查調(diào)整（5）用空心銃子和鐘表錘子將指針輕輕敲牢在中心輪軸上。2、 不校驗(yàn)時(shí)安裝法：（1）在壓力表未校驗(yàn)時(shí)，把指針安裝于刻度盤的“0"值刻度處；（2）用空心銃子和鐘表錘子將指針輕輕敲牢在中心輪軸上。4、有一塊0~1MPa的300分格標(biāo)準(zhǔn)壓力表，試問加到100KPa時(shí)，指針應(yīng)指到哪格？使用300分格的標(biāo)準(zhǔn)表時(shí)要按檢定證書給出的數(shù)值使用。例如，對于這塊0~1MPa的標(biāo)準(zhǔn)壓力表，檢定證書上壓力實(shí)際值是100KPa，儀表指示值為28.9格。因此，不能按一般習(xí)慣那樣，加100KPa儀表指針就是指到30格。5、 有的壓力表表殼背面有個(gè)小圓孔，這是起什么作用的？當(dāng)壓力表用于測量氣體或有毒液體時(shí)，在它的表殼背面有個(gè)安全孔（上面用橡膠堵死。這樣，當(dāng)彈簧管或連接處滲漏、損壞時(shí)，表殼內(nèi)的壓力將安全閥頂開，避免殼體內(nèi)的壓力沖破正面的玻璃而傷人。6、 如何檢查氧氣壓力表內(nèi)有無油脂？在進(jìn)行氧氣壓力表示值檢定時(shí)，應(yīng)先檢查表內(nèi)有無油脂。方法是，先將純凈的溫水注入彈簧管內(nèi)，經(jīng)過搖蕩，再將水倒入盛有清水的器皿中。如水面上沒有彩色的油影，即可認(rèn)為沒有油脂。7、 精密壓力表就是標(biāo)準(zhǔn)壓力表嗎？它有什么特點(diǎn)？精密壓力表有以下幾個(gè)特點(diǎn)（1） 精度等級較高，一般有0.6、0.4、0.25級。（2） 儀表為非直讀式，即由等分的分格值換算成相應(yīng)的壓力值，一般有300分格。（3） 有的分度盤帶鏡面，表蓋下端還設(shè)有調(diào)零裝置，零值位置內(nèi)外沒有指針限制釘。（4）檢定條件嚴(yán)格，檢定時(shí)的環(huán)境溫度為20±2^（0.25級）和20±3°C（0.4、0.6級）。精密壓力表可以做標(biāo)準(zhǔn)壓力表用，但并不等于標(biāo)準(zhǔn)壓力表。8、 有人在校驗(yàn)壓力表時(shí)經(jīng)常用手輕敲表殼，這是允許的嗎？壓力表在校驗(yàn)時(shí)不但允許輕敲表殼，而且還是必須的。但敲擊時(shí)指針變動量不得超過最大允許誤差絕對值的1/2,輕敲表殼和輕敲表殼后的示值與標(biāo)準(zhǔn)器示值之差均應(yīng)符合儀表精度等級要求，同一檢定點(diǎn)在升壓時(shí)輕敲后的讀數(shù)與降壓時(shí)輕敲后的讀數(shù)之差不應(yīng)超過最大允許基本誤差的絕對值。9、 電接點(diǎn)壓力表在檢定時(shí)有些什么特殊要求？電接點(diǎn)壓力表在檢定時(shí)，除了檢查示值精度外，還需：（1）檢查壓力表的電源部分與外殼之間的絕緣電阻，一般不應(yīng)小于20兆歐（工作電壓500V）（2）應(yīng)檢定信號誤差。方法是將上限和下限的信號接觸指針分別定于三個(gè)以上不同的檢定點(diǎn)上（檢定點(diǎn)在測量范圍的20%~80%間任選\要求標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)與信號示值間的誤差不超過最大允許基本誤差絕對值的1.5倍。10、 有人在校驗(yàn)1151AP絕對壓力變送器時(shí)，發(fā)現(xiàn)只要通上電源，儀表就有12mA輸出。這種現(xiàn)象是正常嗎？（如果儀表的測量范圍為50~150kP絕壓，當(dāng)時(shí)的大氣壓力為100Kp）絕對壓力變送器測的是絕對壓力，該儀表的測量范圍為50~150kPa,也就是說輸入50KPa絕壓時(shí)，儀表輸出4mA;輸入150kPa絕壓時(shí)，儀表輸出20mA.儀表在大氣壓力下，即輸入的是大氣壓力100kPa時(shí)，儀表的輸出為20-4/150-50*（100-50）+4=12mA現(xiàn)儀表輸出正好為12mA,所以是正常的。11、 壓力表在測量一般介質(zhì)時(shí)應(yīng)如何選擇壓力表在測量一般介質(zhì)的選擇原擇是1、 壓力在-40~0~+40KPA時(shí)，宜選用膜盒式壓力表。2、 壓力在40KPA以上時(shí)，宜選用彈簧管壓