压力检测与仪表.pptx

刘玉长刘玉长第一节 概述第二节 弹性式压力计第三节 压力(差压)传感器第四节 真空计第五节 压力检测仪表的选用刘玉长刘玉长第一节第一节 概概 述述 一、压力定义与单位一、压力定义与单位 垂直作用在单位面积上的力称垂直作用在单位面积上的力称压力压力。在国际单位制在国际单位制(SI)和我国法定计量单位中，和我国法定计量单位中，压力的单位是压力的单位是“帕斯卡帕斯卡”，简称，简称“帕帕”，符，符号为号为“Pa”。由于历史原因，其它一些压力单位还在由于历史原因，其它一些压力单位还在使用，表使用，表1给出了各种压力单位之间的换算关给出了各种压力单位之间的换算关系。系。刘玉长刘玉长表1 常用压力换算表单位单位PaatmmmHgmmH2Okgf/cm2barPsi帕斯卡帕斯卡(Pa)19.86910-67.50110-30.1021.0210-510-51.45010-4标准大气压标准大气压(atm)10132517601.0331041.0331.01314.696毫米汞柱毫米汞柱(mmHg)133.31.31610-3113.5951.36010-31.33310-31.93410-2毫米水柱毫米水柱(mmH2O)9.8070.96810-47.3610-211.00010-49.80710-51.42210-3千克力千克力/厘米厘米2(工程大气压工程大气压)(kgf/cm2)98066.50.968735.561.00010410.98114.223巴巴(bar)1050.987750.0621.0201041.020114.504磅磅/寸寸2(Psi)689.56.80510-251.715703.0727.03110-26.89510-21刘玉长刘玉长二、压力的表示方法压力有三种表示方法，即绝对压力、表压压力有三种表示方法，即绝对压力、表压力、负压力或真空度，它们的关系如下图所示。力、负压力或真空度，它们的关系如下图所示。P真空度真空度P绝对压力绝对压力P表压表压P绝对压力绝对压力大气压力线大气压力线绝对压力的零线绝对压力的零线绝对压力、表压、负压绝对压力、表压、负压(真空度真空度)的关系的关系刘玉长刘玉长三、压力检测方法(1)弹性力平衡法：弹性力平衡法：利用弹性元件受压力作用发生弹性形变而产生的弹性利用弹性元件受压力作用发生弹性形变而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理。力与被测压力相平衡的原理。(2)重力平衡方法：重力平衡方法：利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量与利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理。被测压力相平衡的原理。(3)机械力平衡方法：机械力平衡方法：将被测压力经变换元件转移成一个集中力，用外力与将被测压力经变换元件转移成一个集中力，用外力与之平衡，通过测得平衡时的外力来得到被测压力。之平衡，通过测得平衡时的外力来得到被测压力。(4)物性测量方法：物性测量方法：基于敏感元件在压力的作用下某些物理特性发生与压基于敏感元件在压力的作用下某些物理特性发生与压力成确定关系变化的原理。力成确定关系变化的原理。刘玉长刘玉长第二节 弹性式压力计 用弹性传感器用弹性传感器(又称弹性元件又称弹性元件)组成的压力测组成的压力测量仪表称为量仪表称为弹性式压力计弹性式压力计。1.1.弹性元件受压后产生的形变输出弹性元件受压后产生的形变输出(力或位移力或位移)，可以通过传动机构直接带动指针指示压力可以通过传动机构直接带动指针指示压力(或压或压差差)，2.2.也可以通过某种电气元件组成变送器，实现压也可以通过某种电气元件组成变送器，实现压力力(或压差或压差)信号的远传。信号的远传。刘玉长刘玉长一、测量原理 当弹性元件在轴向受到外力作用当弹性元件在轴向受到外力作用 时，就时，就会产生拉伸或压缩位移会产生拉伸或压缩位移x，即，即x=pA/C虎克定律虎克定律式中，式中，p为压力，为压力，Pa；A承受压力的有效面积，承受压力的有效面积，m2；C弹性元件的刚度系数。弹性元件的刚度系数。当弹性元件材料、尺寸等确定后，则弹性当弹性元件材料、尺寸等确定后，则弹性元件产生拉伸或压缩位移元件产生拉伸或压缩位移x与被测压力与被测压力p成正比，成正比，这就是弹性式压力表的测量原理。这就是弹性式压力表的测量原理。刘玉长刘玉长二、弹性元件结构和特点刘玉长刘玉长三、弹性式压力计(一一)弹簧管压力计弹簧管压力计弹簧管压力表在弹簧管压力表在弹性式压力表中更是弹性式压力表中更是历史悠久，应用广泛。历史悠久，应用广泛。弹簧管压力表中压力弹簧管压力表中压力敏感元件是弹簧管。敏感元件是弹簧管。弹簧管的横截面呈非弹簧管的横截面呈非圆形圆形(椭圆形或扁形椭圆形或扁形)，弯成圆弧形的空心管弯成圆弧形的空心管子，如图所示。子，如图所示。刘玉长刘玉长 弹簧管压力表弹簧管压力表 弹簧管弹簧管拉杆拉杆指针指针中心齿轮中心齿轮扇形齿轮扇形齿轮接头接头游丝游丝刻度盘刻度盘调整螺钉调整螺钉螺旋弹簧管、盘簧管螺旋弹簧管、盘簧管刘玉长刘玉长(二)波纹管差压计波纹管的特点是灵敏度高波纹管的特点是灵敏度高(特别是在低压特别是在低压)，但是迟滞误差较大，波纹管压力表的测量，但是迟滞误差较大，波纹管压力表的测量范围较小，一般为范围较小，一般为00.4MPa，仪表的准确，仪表的准确度等级为度等级为1.52.5级。级。波纹管波纹管双波纹管差压表双波纹管差压表刘玉长刘玉长 膜盒压力表主要用于测量较低压力或负压的气体膜盒压力表主要用于测量较低压力或负压的气体压力，压力测量范围为压力，压力测量范围为-2040kPa，仪表的准确度等，仪表的准确度等级一般为级一般为1.52.5级。级。膜片压力表膜片压力表膜盒压力表膜盒压力表金属膜片金属膜片(三)膜盒压力表刘玉长刘玉长第三节 压力(差压)传感器 压力传感器结构型式多种多样，常见的压力传感器结构型式多种多样，常见的型式有压电式、压阻式、应变式、电感式、型式有压电式、压阻式、应变式、电感式、电容式、霍尔式及振弦式等。电容式、霍尔式及振弦式等。电气式压力检测方法一般是用压力敏感电气式压力检测方法一般是用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。能实现这种压力的变化。能实现这种压力-电量转换的压敏元电量转换的压敏元件有：压电材料、应变片和压阻元件。件有：压电材料、应变片和压阻元件。刘玉长刘玉长一、霍尔压力传感器霍尔压力传感器属于位移式压力霍尔压力传感器属于位移式压力(差压差压)传传感器。它是利用霍尔效应，把压力作用所产生感器。它是利用霍尔效应，把压力作用所产生的弹性元件的位移转变成电势信号，实现压力的弹性元件的位移转变成电势信号，实现压力信号的远传。信号的远传。(一一)霍尔效应霍尔效应 把半导体单晶薄片把半导体单晶薄片(霍尔片霍尔片)置于磁场置于磁场B中，中，当在晶片的当在晶片的y轴方向上通以一定大小的电流轴方向上通以一定大小的电流I时，时，在晶片的在晶片的x轴方向的两个端面上将出现电势，轴方向的两个端面上将出现电势，这种现象称霍尔效应，所产生的电势称为霍尔这种现象称霍尔效应，所产生的电势称为霍尔电势电势UH。刘玉长刘玉长霍尔效应原理 霍尔电势霍尔电势UH与电流与电流I以及磁场强度以及磁场强度B的关系的关系如下：如下：UH=RHIB式中，式中，RH为霍尔系数，与霍尔片材料、结构尺为霍尔系数，与霍尔片材料、结构尺寸有关。改变磁场强度寸有关。改变磁场强度B或电流或电流I都可使都可使UH发生发生变化。变化。刘玉长刘玉长(二)霍尔式压力传感器 它由压力它由压力-位移转换部分、位移位移转换部分、位移-电势转换部分和稳电势转换部分和稳压电源等三部分组成。压电源等三部分组成。霍尔片式压力传感器结构原理图霍尔片式压力传感器结构原理图1弹簧管；弹簧管；2磁钢；磁钢；3霍尔片霍尔片刘玉长刘玉长二、电容式压力传感器 电容式压力传感器是通过弹性膜片位移引起电容量电容式压力传感器是通过弹性膜片位移引起电容量的变化从而测出压力的变化从而测出压力(或差压或差压)的。平行极板电容器的电的。平行极板电容器的电容量容量C与极板间介质的介电常数与极板间介质的介电常数、极板面积、极板面积S以及极板以及极板间距间距d的关系为：的关系为：C=S/d 只要保持上式中任何两个参数为常数，电容就是另只要保持上式中任何两个参数为常数，电容就是另一个参数的函数。故电容变换器有变间隙式、变面积式一个参数的函数。故电容变换器有变间隙式、变面积式和变介电常数式三种。电容式压力和变介电常数式三种。电容式压力(差压差压)传感器器常采传感器器常采用变间隙式。用变间隙式。Sd刘玉长刘玉长电容式压力传感器结构与检测原理图电容式压力传感器结构与检测原理图 I0测量部分包括电容膜盒、高低压室及法兰组件等。测量部分包括电容膜盒、高低压室及法兰组件等。测量原理测量原理：将被测压力的变化转换成电容量的变化；再将电容：将被测压力的变化转换成电容量的变化；再将电容的变化通过电容的变化通过电容/电流转换电路，即可得到与压力成正比电流转换电路，即可得到与压力成正比的的420mADC输出信号。输出信号。填充液(硅油)固定电极可动电极P1转换放大单元 P2隔离膜片d=K1PC=C2-C1=K3P刘玉长刘玉长三、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为电信号。输出的大小与效应将被测压力转换为电信号。输出的大小与输入压力成正比例关系，按压力指示。输入压力成正比例关系，按压力指示。压电材料在沿一定方向受到压力或拉力作压电材料在沿一定方向受到压力或拉力作用时而发生变形，并在其表面上产生电荷；而用时而发生变形，并在其表面上产生电荷；而且在去掉外力后，它们又重新回到原来的不带且在去掉外力后，它们又重新回到原来的不带电状态，这种现象就称为电状态，这种现象就称为压电效应压电效应。刘玉长刘玉长压电式压力传感器结构示意图1绝缘体；绝缘体；2压电元件；压电元件；3壳体；壳体；4膜片膜片刘玉长刘玉长四、应变式压力检测 应变式压力传感器是基于应变式压力传感器是基于应变效应应变效应工作工作的一种压力敏感元件。的一种压力敏感元件。应变效应：应变效应：当金属导体受力当金属导体受力(拉伸或压缩拉伸或压缩)，导体的几何尺寸及其电阻率都会发生变化，导体的几何尺寸及其电阻率都会发生变化，从而引起电阻值的相对变化，且阻值变化与从而引起电阻值的相对变化，且阻值变化与应变成正比。应变成正比。刘玉长刘玉长应变压力传感器及检测电路 应变式压力传感器就是由弹性元件、应变片以及相应测量应变式压力传感器就是由弹性元件、应变片以及相应测量电路电路【通常采用桥式电路通常采用桥式电路】组成，应变片粘贴在弹性元件上，弹组成，应变片粘贴在弹性元件上，弹性元件可以是金属膜片、膜盒、弹簧管及其它弹性体；电路输出性元件可以是金属膜片、膜盒、弹簧管及其它弹性体；电路输出电压的大小，就反应了被测压力的变化。电压的大小，就反应了被测压力的变化。圆筒形应变压力传感器及应变检测桥路圆筒形应变压力传感器及应变检测桥路刘玉长刘玉长五、压阻式压力检测 压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件。压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件。它实际上就是在半导体材料的基片上利用集成电路工艺它实际上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。制成的扩散电阻。由于单晶硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特性，由于单晶硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特性，因此常作为弹性元件使用。因此常作为弹性元件使用。它具有精度高、工作可靠、动态响应好、迟滞小、它具有精度高、工作可靠、动态响应好、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单等特点，可在恶劣的环境条尺寸小、重量轻、结构简单等特点，可在恶劣的环境条件下工作，便于实现显示数字化。件下工作，便于实现显示数字化。当当单晶半导体单晶半导体受到应力作用，其载流子的迁移率受到应力作用，其载流子的迁移率发生变化，而改变其电阻率发生变化，而改变其电阻率，从而引起电阻值的相，从而引起电阻值的相对变化，这种现象称为对变化，这种现象称为半导体的压阻效应半导体的压阻效应。刘玉长刘玉长压阻式压力传感器结构示意图1-单晶硅平膜片；单晶硅平膜片；2-低压腔；低压腔；3-高压腔；高压腔；4-硅杯；硅杯；5-引线引线刘玉长刘玉长第四节 真空计 真空计真空计是检测真空度的仪表。是检测真空度的仪表。按按真空计刻度方法分类真空计刻度方法分类，可分为，可分为绝对真空计和相对绝对真空计和相对真空计真空计。常用的。常用的U形管压力计、压缩式真空计等属于绝形管压力计、压缩式真空计等属于绝对真空计；热传导真空计和电离式真空计等属于相对真对真空计；热传导真空计和电离式真空计等属于相对真空计。空计。按按真空计测量原理分类真空计测量原理分类，可分为，可分为直接测量真空计和直接测量真空计和间接测量真空计间接测量真空计。一、压缩式真空计 在温度不变的条件下，在温度不变的条件下，根据气体压缩前、后的压力根据气体压缩前、后的压力与体积的关系来测量真空度。与体积的关系来测量真空度。刘玉长刘玉长二、热电偶式真空计 利用发热丝周围气体的导热率与气体的稀薄程利用发热丝周围气体的导热率与气体的稀薄程度度(真空度真空度)间的关系。间的关系。一组是一组是加热丝加热丝，一般用，一般用铂丝铂丝或或钨丝钨丝，通入恒定的加热电流；，通入恒定的加热电流；另一组是另一组是热电偶热电偶的热电极，的热电极，其工作端焊在加热丝上，用来测其工作端焊在加热丝上，用来测量量加热丝表面温度加热丝表面温度的变化，一般的变化，一般用用镍铬镍铬康铜康铜热电偶。热电偶。可以测量气体和蒸汽的压强，可以测量气体和蒸汽的压强，测量上限通常为测量上限通常为13.33mPa(即即104 mmHg)。刘玉长刘玉长三、电离式真空计三、电离式真空计 在一定条件下，电子在单位距离上所形成的离在一定条件下，电子在单位距离上所形成的离子数，正比于气体的压强：子数，正比于气体的压强：1-灯丝灯丝;2-阴极阴极;3-加速极加速极;4-收集极收集极式中，式中，P真空度，真空度，Pa；i+离子电流，离子电流，A；ie发射电流，发射电流，mA；S规管常数。规管常数。由于有灼热的灯丝，在气压较高时会由于有灼热的灯丝，在气压较高时会吸收气体，影响被测真空度，但在吸收气体，影响被测真空度，但在0.13331.333Pa(即即10-310-8mmHg)的范围内能进的范围内能进行准确的测量。行准确的测量。可用热电偶式可用热电偶式真空计与真空计与电离式电离式真空计真空计组装组装成成复合真空计复合真空计。刘玉长刘玉长第五节压力检测仪表的选用一、压力计的选择一、压力计的选择 选择压力仪表应根据被测压力的种类选择压力仪表应根据被测压力的种类(压力、负压或压差压力、负压或压差)、被测介质性质、用途被测介质性质、用途(标准、指示、记录和远传等标准、指示、记录和远传等)以及生产过程以及生产过程所提的技术要求，同时应本着既满足测量准确度、又经济的原则，所提的技术要求，同时应本着既满足测量准确度、又经济的原则，合理地选择压力仪表的型号、量程和精度等。合理地选择压力仪表的型号、量程和精度等。(一)仪表量程的选择选择原则：安全、可靠：选择原则：安全、可靠：(1)被测压力较稳定场合：最大工作压力不应超过仪表满量程的被测压力较稳定场合：最大工作压力不应超过仪表满量程的3/4；(2)被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过仪表被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过仪表满量程的满量程的2/3；(3)为保证测量准确度，最小工作压力不应低于满量程的为保证测量准确度，最小工作压力不应低于满量程的1/3；(4)优先满足最大工作压力条件；优先满足最大工作压力条件；(5)实际量程符合国家标准规定值。我国出厂的压力实际量程符合国家标准规定值。我国出厂的压力(差压差压)仪表的仪表的量程系列：量程系列：(1.0、1.6、2.5、4.0、6.0)10nPa。刘玉长刘玉长(二)仪表精度的选择-即选表原则 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，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。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。(三)仪表类型的选择 满足工艺生产的要求(1)从被测介质压力大小来考虑：从被测介质压力大小来考虑：稳定、波动；稳定、波动；(2)被测介质的性质：如腐蚀性、温度、黏度、易燃易爆等；被测介质的性质：如腐蚀性、温度、黏度、易燃易爆等；(3)对仪表输出信号的要求：对仪表输出信号的要求：直接显示或远传、记录、报警等；直接显示或远传、记录、报警等；(4)使用的环境：使用的环境：爆炸性、高温、低温场所。爆炸性、高温、低温场所。压力计的安装正确是否，直接影响到测量结果的正确性压力计的安装正确是否，直接影响到测量结果的正确性与仪表的寿命，一般要注意以下事项：与仪表的寿命，一般要注意以下事项：二、压力计的安装(一一)取压点的选择取压点的选择 选择原则：选择原则：取压点必须真正反映被测介质的压力，应该取在被测介质流动的取压点必须真正反映被测介质的压力，应该取在被测介质流动的直线管道上，而不应取在管路急弯、阀门、死角、分叉及流束形成涡流的区域。直线管道上，而不应取在管路急弯、阀门、死角、分叉及流束形成涡流的区域。刘玉长刘玉长取压点选择(1)当管路中有突出物体当管路中有突出物体(如测温元件如测温元件)时，取时，取压口应取在其前面；压口应取在其前面；(2)当必须在控制阀门附近取压时，若取压当必须在控制阀门附近取压时，若取压口在其前，则与阀门距离应不小于口在其前，则与阀门距离应不小于2倍管倍管径，若取压口在其后，则与阀门距离应径，若取压口在其后，则与阀门距离应不小于不小于3倍管径；倍管径；(3)测量流动介质压力时，取压管与流动方测量流动介质压力时，取压管与流动方向应垂直；向应垂直；(4)在测量液体介质的管道上取压时，宜在在测量液体介质的管道上取压时，宜在水平及其以下水平及其以下45间取压，可使导压管内间取压，可使导压管内不积存气体；在测量气体介质的管道上不积存气体；在测量气体介质的管道上取压时，宜在水平及其以上取压时，宜在水平及其以上45间取压，间取压，可使导压管内不积存液体，如右图。可使导压管内不积存液体，如右图。刘玉长刘玉长(二)导压管的铺设 导压管的长度一般为导压管的长度一般为350m，内径为，内径为68mm，连接导管的水平段应保持连接导管的水平段应保持1:101:20的坡度，以利于的坡度，以利于排除冷凝液体或气体，测液体介质时下坡，测气体排除冷凝液体或气体，测液体介质时下坡，测气体介质时上坡。介质时上坡。(1)当被测介质为易冷凝或冻结时，应加伴热管当被测介质为易冷凝或冻结时，应加伴热管再行保温。再行保温。(2)在取压口与测压仪表之间，应靠近取压口装在取压口与测压仪表之间，应靠近取压口装切断阀。切断阀。(3)对液体测压管道，应靠近压力表处装排污。对液体测压管道，应靠近压力表处装排污。刘玉长刘玉长(三)压力计的安装测压仪表安装时应注意：测压仪表安装时应注意：(1)仪表应垂直于水平面安装，且仪表应安装在取压口同一水平仪表应垂直于水平面安装，且仪表应安装在取压口同一水平位置，否则需考虑附加高度误差的修正；位置，否则需考虑附加高度误差的修正；(2)仪表安装处与测定点之间的距离应尽量短，以免指示迟缓；仪表安装处与测定点之间的距离应尽量短，以免指示迟缓；(3)保证密封性，不应有泄漏现象出现，尤其是易燃易爆气体介保证密封性，不应有泄漏现象出现，尤其是易燃易爆气体介质和有毒有害介质；质和有毒有害介质；(4)当测量蒸汽压力时，应加装冷凝管，以避高温蒸汽与测温元当测量蒸汽压力时，应加装冷凝管，以避高温蒸汽与测温元件接触；件接触；(5)对于有腐蚀性或粘度较大、有结晶、沉淀等介质，可安装适对于有腐蚀性或粘度较大、有结晶、沉淀等介质，可安装适当的隔离罐，罐中充以中性的隔离液，以防腐蚀或堵塞导压当的隔离罐，罐中充以中性的隔离液，以防腐蚀或堵塞导压管和压力表；管和压力表；(6)为了保证仪表不受被测介质的急剧变化或脉动压力的影响，为了保证仪表不受被测介质的急剧变化或脉动压力的影响，加装缓冲器、减振装置及固定装置。加装缓冲器、减振装置及固定装置。刘玉长刘玉长压力表安装示意图(a)压力表位于生产设备之下压力表位于生产设备之下;(b)测量蒸汽测量蒸汽;(c)测量腐蚀性介质测量腐蚀性介质1压力表；压力表；2切断阀；切断阀；3冷凝管；冷凝管；4生产设备；生产设备；5隔离罐；隔离罐；2、1被测介质和隔离液的密度被测介质和隔离液的密度 刘玉长刘玉长三、压力仪表的校验校验校验就是将被校验压力表和标准压力表就是将被校验压力表和标准压力表通以相同压力，比较它们的指示数值，如果通以相同压力，比较它们的指示数值，如果被校表对于标准表的读数误差，不大于被校被校表对于标准表的读数误差，不大于被校表规定的最大准许绝对误差时，则认为被校表规定的最大准许绝对误差时，则认为被校表合格。表合格。常用的校验仪器常用的校验仪器是活塞式压力计，它由是活塞式压力计，它由压力发生部分和测量部分组成，它的精度等压力发生部分和测量部分组成，它的精度等级有级有0.02、0.05和和0.2级，可用来校准级，可用来校准0.25级精级精密压力表，也可校准各种工业用压力表，被密压力表，也可校准各种工业用压力表，被校压力的最高值为校压力的最高值为60MPa。刘玉长刘玉长活塞式压力计1手轮；手轮；2丝杠；丝杠；3加压泵活塞；加压泵活塞；4工作液体；工作液体；5活塞缸；活塞缸；6托盘；托盘；7砝码；砝码；8活塞；活塞；9标准压力表；标准压力表；10被校压力表；被校压力表；11进油阀；进油阀；12油杯油杯刘玉长刘玉长校验方法(1)检验点应在测量范围内均匀选取检验点应在测量范围内均匀选取34个点，一个点，一般应选在带有刻度数字的大刻度点上。般应选在带有刻度数字的大刻度点上。(2)均匀增压至刻度上限，保持上限压力均匀增压至刻度上限，保持上限压力3min，然，然后均匀降至零压，主要观察指示有无跳动、停后均匀降至零压，主要观察指示有无跳动、停止、卡塞现象。止、卡塞现象。(3)单方向增压至校验点后读数，轻敲表壳再读数。单方向增压至校验点后读数，轻敲表壳再读数。用同样的方法增压至每一校验点进行校验。然用同样的方法增压至每一校验点进行校验。然后再单方向缓慢降压至每一校验点进行校验。后再单方向缓慢降压至每一校验点进行校验。计算出被校表的基本误差、变差、零位和轻敲计算出被校表的基本误差、变差、零位和轻敲位移等。位移等。