化工儀表及自動(dòng)化課件5

1、上節(jié)課內(nèi)容,測量過程 測量誤差：絕對誤差 相對誤差 儀表的性能（品質(zhì)）指標(biāo)：準(zhǔn)確度（精確度）、線性度、變差、靈敏度與靈敏限、分辨力與分辨率、時(shí)間常數(shù)、傳遞滯后時(shí)間,第二節(jié) 壓力檢測與儀表,壓力：化工生產(chǎn)中，由氣體或液體均勻垂直地作用于單位面積上的力。 化工生產(chǎn)中，通常遇到壓力和真空度的測量。若壓力不符合要求，不僅會影響生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品質(zhì)量，還會造成嚴(yán)重生產(chǎn)事故?；瘜W(xué)反應(yīng)中，壓力既影響物料平衡關(guān)系，也影響化學(xué)反應(yīng)速度。所以，壓力的測量與控制，對保證生產(chǎn)過程正常進(jìn)行，達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低消耗和安全是十分重要的,三種壓力表示方法,絕對壓力 pa 表壓力 p 負(fù)壓或真空度 ph,一 壓力單位及測壓儀表

2、,絕對壓力是指物體所受的實(shí)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(shí)也稱為負(fù)壓，即,由于各種工藝設(shè)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。,壓力檢測儀表的分類,根據(jù)敏感元件和轉(zhuǎn)換原理的不同，一般分為四類： (1)液柱式壓力檢測 流體靜力學(xué)原理，壓力液柱高度 一般采用充有水或水銀等液體的玻璃U形管或單管進(jìn)行測量。 (2)彈性式壓力檢測 它是根據(jù)彈性

3、元件受力變形的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成位移進(jìn)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(zhuǎn)換成各種電量進(jìn)行測量的儀表，如電阻、電荷量等。 (4)活塞式壓力檢測 它是根據(jù)液壓機(jī)液體傳送壓力的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞面積上所加平衡砝碼的質(zhì)量來進(jìn)行測量。 活塞式壓力計(jì)的測量精度較高，允許誤差可以小到0.050.02，它普遍被用作標(biāo)準(zhǔn)儀器對壓力檢測儀表進(jìn)行檢定。,液柱式壓力檢測,常用于較低壓力、負(fù)壓或壓力差的檢測。,特點(diǎn)：直觀、可靠、準(zhǔn)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(jìn)行現(xiàn)

4、場指示。,用U形管進(jìn)行壓力檢測，其誤差來源主要有： 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(gè)方面：一是標(biāo)尺長度隨溫度的變化（要求U形管材料的溫度系數(shù)極小）；二是工作液密度隨溫度的變化。例如水，當(dāng)溫度從10變到20時(shí)，其密度從999.8kg/m3減小到998.3kg/m3，相對變化量為0.15。 安裝誤差當(dāng)U形管安裝不垂直時(shí)將會產(chǎn)生安裝誤差。例如 若傾斜5，讀數(shù)誤差約0.38。,二 彈性式壓力計(jì),用彈性元件把壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件位移,平薄膜 波紋膜 波紋管 單圈彈簧管 多圈彈簧管,膜 片受壓力作用產(chǎn)生位移，可直接帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)指示。但是膜片的位移較小，靈敏度低，指示精度不高，一般

5、為2.5級。膜片更多的是和其他轉(zhuǎn)換元件合起來使用，通過膜片和轉(zhuǎn)換元件把壓力轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)指針直接讀數(shù)。其特點(diǎn)是靈敏高（特別是在低壓區(qū)），常用于檢測較低的壓力（1.0106Pa），但波紋管遲滯誤差較大，精度一般只能達(dá)到1.5級； 彈簧管結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格低廉，它使用范圍廣，測量范圍寬，可以測量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓，因此應(yīng)用十分廣泛。根據(jù)制造的要求，儀表精度最高可達(dá)0.15級。,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。,閉口端作為自由端，開口端作為固定端。,被測壓

6、力介質(zhì)從開口端進(jìn)入并充滿彈簧管的整個(gè)內(nèi)腔，使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移,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,測量機(jī)構(gòu),放大機(jī)構(gòu),指示機(jī)構(gòu),游絲,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 電接點(diǎn)輸出的彈簧管壓力表,彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格低廉、測量范圍寬，可以測量負(fù)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(dá)0.15級。,1、電容式差壓變送器,電容式差壓變送器采用差動(dòng)電容作為檢測元件 主要包括測量部件和轉(zhuǎn)換放大電路兩部分：,測量部分,轉(zhuǎn)換放大部

7、分,三 電氣式壓力計(jì),P=0 Ci1=Ci2,P0 Ci1的電容量減小 Ci2的電容量增大,差動(dòng)電容測量原理,測量原理 電容式壓力變送器是先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后進(jìn)行測量的,過壓保護(hù) 與力矩平衡式相比，電容式?jīng)]有杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而尺寸緊湊，密封性與抗振性好，測量精度相應(yīng)提高，可達(dá)0.2級。,2、 應(yīng)變片壓力/差壓變送器,利用金屬或半導(dǎo)體材料制成的電阻體的阻值可表示為：,當(dāng)電阻體受外力作用時(shí)，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(yīng)變效應(yīng),壓縮l減小，S增大R減小 拉伸l增大，S減小R增大 金屬應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片,r1沿應(yīng)變筒

8、軸向貼放，作為測量片；r2沿徑向貼放，作為溫度補(bǔ)償片。 當(dāng)膜片受到外力作用時(shí)，彈性筒軸向受壓，使應(yīng)變片r1產(chǎn)生軸向壓縮，阻值變小；而應(yīng)變片r2受到軸向壓縮，引起徑向拉伸，阻值變大。實(shí)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(bǔ)償。,是應(yīng)變片阻值變化量的測量電橋，圖中R3和R4是兩個(gè)阻值相等的精密固定電阻,不受壓時(shí) r1= r2=r0 R3=R4=r,若應(yīng)變片受壓 r1= r0r1 r2=r0r2 (r1r2),有壓力作用時(shí)，使電橋由較大的輸出 當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，r1、r2同時(shí)增減，不影響電橋的平衡。,如果儀表能把電橋輸出電壓Ui進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，則該儀表即可稱為應(yīng)變

9、式壓力變送器。,結(jié)論：應(yīng)變片式壓檢測儀表具有較大的測量范圍，被測壓力可達(dá)幾百M(fèi)Pa，并具有良好的動(dòng)態(tài)性能，適用于快速變化的壓力測量 盡管測量電橋具有一定的溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?，?yīng)變片式壓力檢測儀表仍有比較明顯的溫漂和時(shí)漂，因此，這種壓力檢測儀表較多地用于一般要求的動(dòng)態(tài)壓力檢測，測量精度一般在0.51.0左右。,3、壓阻式（擴(kuò)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(yīng)。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)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(jī)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(kuò)散硅壓阻傳感器作為檢測元件的壓

10、力檢測儀表得到了廣泛的使用。,構(gòu)成框圖：,擴(kuò)散硅壓阻傳感器,前置 放大器,調(diào)零電路,VI轉(zhuǎn)換,P,US,U01,UZ,IO,檢測部分,電磁放大部分,測量部分?jǐn)U散硅壓阻傳感器,把被測差壓P成比例地轉(zhuǎn)換為不平衡電壓US,1.負(fù)壓室 2.正壓室 4.引線 5.硅片,測量部分惠斯頓電橋,不受壓時(shí)：Ri1Ri2Ri3Ri4R,測量部分電壓轉(zhuǎn)換,受壓時(shí)：Ri1Ri4r1Ri2Ri3r2,受壓時(shí)，流經(jīng)2橋臂的電流始終相等,結(jié)論： 壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小，結(jié)構(gòu)簡單 擴(kuò)散電阻的靈敏系數(shù)是金屬應(yīng)變片的幾十倍，能直接測量出微小的壓力變化 壓阻式壓力傳感器還具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，遲滯小，可用來測量幾千赫茲乃

11、至更高的脈動(dòng)壓力 因此，這是一種發(fā)展比較迅速，應(yīng)用十分廣泛的一類壓力傳感器,缺點(diǎn)則是擴(kuò)散電阻存在溫度效應(yīng)，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(bǔ)償電路，甚至把放大轉(zhuǎn)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。,4、霍爾片式壓力傳感器,霍爾效應(yīng),霍爾電勢：,壓力P位移X電勢UHP,5、力矩平衡式壓力傳感器,負(fù)反饋,主杠桿平衡時(shí)：,矢量機(jī)構(gòu)F1 將分解為F2與F3,副杠桿平衡：,四 壓力計(jì)的選用和安裝,選用安裝,其它儀表也基本適應(yīng),1、壓力計(jì)的選用,三個(gè)方面選用時(shí)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝對壓力檢測的要求、被測介質(zhì)的特性、現(xiàn)場使用的環(huán)境等條件本著節(jié)約的原則

12、合理地考慮儀表的量程、精度、類型（材質(zhì)）等。,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(jìn)行測量的范圍 關(guān)鍵：根據(jù)操作中需要測量的參數(shù)的大小來確定。同時(shí)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2/3 測量脈動(dòng)壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的1/2 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,這只是一個(gè)一般經(jīng)驗(yàn)要求，不是絕對的！,儀表的量程等級：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它們10n倍。

13、 在選用儀表量程時(shí)，應(yīng)采用相應(yīng)規(guī)程或者標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)值。,儀表精度,根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定，即要求實(shí)際被測壓力允許的最大絕對誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差。 在選擇時(shí)應(yīng)堅(jiān)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。,例：有一壓力容器在正常工作時(shí)壓力范圍為0.40.6MPa，要求使用彈簧管壓力表進(jìn)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(shè)儀表量程為 0A MPa ，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01.0MPa的彈簧管壓力表。,由題意，被測壓力的允許最大絕對誤差為： ma

14、x=0.44%=0.016 MPa 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15級的壓力表。,儀表類型,主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面:,儀表的材料,壓力檢測(檢測儀表)的特點(diǎn)是壓力敏感元件往往要與被測介質(zhì)直接接觸，因此在選擇儀表材料的時(shí)候要綜合考慮儀表的工作條件。,例如：對腐蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)應(yīng)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?yàn)榘睔鈱︺~的腐蝕性極強(qiáng)； 又如氧用壓力表在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上可以與普通壓力表完全相同，但要禁油，因?yàn)橛瓦M(jìn)入氧氣系統(tǒng)極易引起爆炸。,輸出信號類型,只需觀察壓力變化的，可

15、選如彈簧管壓力表、液柱式壓力計(jì)那樣的直接指示型的儀表； 如需將壓力信號遠(yuǎn)傳到控制室或其他電動(dòng)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(jìn)行數(shù)字量通信，則可選用智能式壓力檢測儀表。,使用環(huán)境,對爆炸性較強(qiáng)的環(huán)境，在使用電氣壓力儀表時(shí)，應(yīng)選擇防爆型壓力儀表；對于溫度特別高或特別低的環(huán)境，應(yīng)選擇溫度系數(shù)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,2、壓力計(jì)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

16、、腐蝕等） 壓力變送器的安裝,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(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 壓力儀表必須經(jīng)檢驗(yàn)合格后才能安裝 壓力儀表的連接處，應(yīng)根據(jù)被測壓力的高低和被測介質(zhì)性質(zhì)，選擇適當(dāng)?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(dòng)小，灰塵少，沒有腐蝕性物質(zhì)的地方，對于電氣式壓力儀表應(yīng)盡可能避免受到電磁干擾,一般壓力測量儀表的安裝,壓力儀表應(yīng)垂直安裝。一般情況下，安裝高度應(yīng)與人的視線齊平，對于高壓壓力儀表，其安裝高度應(yīng)高于一般人的頭部 測量液體或蒸汽介質(zhì)壓力時(shí)，應(yīng)避免液柱產(chǎn)生的誤差，壓力儀表應(yīng)安裝在與取壓口同一水平的位置上，否

17、則必須對壓力儀表的示值進(jìn)行修正 導(dǎo)壓管的粗細(xì)合適，一般為610mm，長度盡可能短，否則會引起測量遲緩 壓力儀表與取壓口之間應(yīng)安裝切斷閥，以便維修,測量特殊介質(zhì)時(shí)的壓力測量儀表安裝,測量高溫（60以上）流體介質(zhì)的壓力時(shí)，為防止熱介質(zhì)與彈性元件直接接觸，壓力儀表之前應(yīng)加裝U形管或盤旋管等形式的冷凝器，避免因溫度變化對測量精度和彈性元件產(chǎn)生的影響。如圖(a)、(b),測量高壓流體介質(zhì)的壓力時(shí)，安裝時(shí)壓力儀表表殼應(yīng)朝向墻壁或者無人通過之處，以防發(fā)生以外。 測量腐蝕性介質(zhì)的壓力時(shí)，除選擇具有防腐能力的壓力儀表之外，還應(yīng)加裝隔離裝置，如圖(c)、(d),測量波動(dòng)劇烈（如泵、壓縮機(jī)的出口壓力）的壓力時(shí)，應(yīng)在

18、壓力儀表之前加裝針形閥和緩沖器，必要時(shí)還應(yīng)加裝阻尼器，如圖(e),測量粘性大或易結(jié)晶的介質(zhì)壓力時(shí)，應(yīng)在取壓裝置上安裝隔離罐，使罐內(nèi)和導(dǎo)壓管內(nèi)充滿隔離液，必要時(shí)可采取保溫措施，如圖(f),測量含塵介質(zhì)壓力時(shí)，最好在取壓裝置后安裝一個(gè)除塵器，如圖(g)。,總之，針對被測介質(zhì)的不同性質(zhì)，要采取相應(yīng)的防熱、防腐、防凍、防堵和防塵等措施,差壓變送器的安裝,三個(gè)方面的內(nèi)容： 取壓口的選擇 引壓管的安裝 變送器本身的安裝,差壓變送器取壓口的選擇,液體、氣體、蒸汽？,被測介質(zhì)為液體時(shí)，取壓口應(yīng)位于管道下半部與管道水平線成045角內(nèi)，目的是保證引壓管內(nèi)沒有氣泡，兩根引壓管內(nèi)液柱產(chǎn)生的附加壓力可以相互抵消； 問：能否從底部引出？為什么？,被測介質(zhì)為氣體時(shí)，取壓口應(yīng)位于管道上半部與管道垂直中心線成045角內(nèi)，其目的時(shí)為了保證引壓管