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华北电力大学 可再生能源学院 能源工程及自动化教研室 华北电力大学 太阳能中心,授课教师：朱红路,化工仪表及过程控制 第三章检测仪表与传感器 压力检测及仪表,内容提要,压力单位及测压仪表 弹性式压力计 电气式压力计 智能式变送器 压力计的选用及安装,概述,在化工生产中, 压力是指由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。,在工业生产过程中,压力往往是重要的操作参数之一。,压力的检测与控制,对保证生产过程正常进行,达到高产、优质、低消耗和安全是十分重要的。,第一节 压力单位及测压仪表,压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。,压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）,第一节 压力单位及测压仪表,为了使大家了解国际单位制中的压力单位（Pa或MPa）与过去的单位之间的关系，下面给出几种单位之间的换算关系表。,在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。,当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。,一般来说，工程上的表压：,测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。,1.液柱式压力计,它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。,优点,这类压力计结构简单、使用方便,缺点,其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。,应用液柱测量压力的方法是以流体静力学原理为基础的。一般是采用充有水或水银等液体的玻璃U形管、单管或斜管进行压力测量的，其结构形式如图3-2所示。,图3-2 液柱式压力计,(1) U形管压力计 图3-2(a)所示的U形管是用来测量压力和压差的仪表。在U形管两端接入不同压力和时，根据流体静力平衡原理可知，U形管两边管内液柱差h与被测压力和的关系为: (3-2) 式中 A U形管内孔截面积； U形管内工作液的密度；g重力加速度。,由上式可求得两压力的差值或在己知一个压力的情况下（例如压力），求出另一压力值: (3-3) 可见U形管内的液柱差h与被测差压或压力成正比，因此被测压差或压力可以用工作液高度h的大小来表示。,(2)单管压力计 U形管压力计的读数误差较大。为了减小读数误差，可以采用单管压力计。 单管压力计如图3-2(b)所示，它相当于将U形管的一端换成一个大直径的容器，测压原理与U形管相同。当大容器一侧通入被测压力，管一侧通入大气压时，满足下列关系:,(3)斜管压力计 用U形管或单管压力计来测量微小的压力时，因为液柱高度变化很小，读数困难，为了提高灵敏度，减小误差，可将单管压力计的玻璃管制成斜管，如图3-2(c)所示。大容器通入被测压力p1，斜管通大气压力p2，则p1与液柱之间的关系仍然与式(3-5)相同: (3-6) 式中L斜管内液柱的长度； 斜管倾斜角。 由于Lh，所以斜管压力计比单管压力计更灵敏，可以提高测量精度。,液柱式压力计的测量误差及其修正,当环境温度偏离规定温度时，封液密度、标尺长度都会发生变化。一般工业测量主要考虑温度变化引起封液密度变化对压力测量的影响。 环境温度偏离规定温度20°C后，封液密度改变对压力计读数影响的修正公式为 h20-20°C封液液柱高度； h-温度为t时封液液柱高度； -封液的体膨胀系数； t-测量时的实际温度。,重力加速度变化的修正,第二节 弹性式压力计,定义,弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。,优点,一、弹性元件,弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。,图3-5弹性元件示意图,弹簧管式弹性元件如图(a)和(b)所示，波纹管式弹性元件如图(e)所示，薄膜式弹性元件如图(c)和(d)所示。,表3-2 弹性元件的结构和特性,二、弹簧管压力表,基本测量原理,单圈弹簧管是一根弯成270°圆弧的椭圆截面的空心金属管子。管子的自由端B封闭，另一端固定在接头上。当通入被测的压力p后，由于椭圆形截面在压力p的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生扩张变形。同时，使弹簧管的自由端B产生位移。输入压力p越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端B的位移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反映压力p的大小。,在化工生产过程中，常需要把压力控制在某一范围内，即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。将普通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。,警惕！,压力表指针上有动触点2，表盘上另有两根可调节指针，上面分别有静触点1和4。当压力超过上限给定数值时，2和4接触，红色信号灯5的电路被接通，红灯发亮。若压力低到下限给定数值时，2与1接触，接通了绿色信号灯3的电路。1、4的位置可根据需要灵活调节。,电气式压力计,定义,电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。,一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。常用的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。,图2-5 电气式压力计组成方框图,1 霍尔式压力表,霍尔式压力表属于电气式压力表。 测压原理：利用霍尔片式传感器（根据半导体材料的霍尔效应的原理）实现压力-位移-霍尔电势的转换。 霍尔片：是一种半导体或化合物半导体转换元件。霍尔效应：把一块霍尔元件置于均匀磁场中，并使霍尔片与磁感应强度B的方向垂直，在沿着霍尔片的左右两个纵向端面上通入恒定的控制电流I，则会在霍尔片的两个横向端面之间形成电位差VH，此电位差称为霍尔电势。,线性非均匀磁场,弹簧管,霍尔片,K霍尔式压力传感器输出系数 自由端霍尔元件的位移量,磁钢,霍尔片 + 弹簧管,2 应变片压力传感器,应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属和半导体应变片两类，被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩（拉伸）应变时，其阻值减小（增加），再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。,3 压阻式压力传感器,压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。 采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。 当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。,工作原理,特点,精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单；,便于实现显示数字化；,可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。,电容式测压原理,采用变电容原理，利用弹性元件受压变形来改变可变电容器的电容量，然后通过测量电容量C便可以知道被测压力的大小，从而实现压力-电容转换的。,定极板,弹性元件,动极板,被测压力,测量原理,4 电容式压力变送器,压力检测仪表,微位移式变送器,压力检测方法及仪表,（1）测量部分,测量部分包括电容膜盒、高低压室及法兰组件等. 测量原理: 将被测压力的变化转换成电容量的变化。,电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏; 与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达0.2级。,电容式压力变送器，目前在工业生产中应用非常广泛，其输出信号是标准4 20mA DC电流信号。,第四节 智能式变送器,智能型压力或差压变送器是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。,一、智能变送器的特点,性能稳定,可靠性好,测量精度高,基本误差仅为±0.1%。 量程范围可达1001 ,时间常数可在036s内调整,有较宽的零点迁移范围。,具有温度、静压的自动补偿功能,在检测温度时,可对非线性进行自动校正。 具有数字、模拟两种输出方式,能够实现双向数据通讯,可以与现场总线网络和上位计算机相连。 可以进行远程通讯,通过现场通讯器,使变送器具有自修正、自补偿、自诊断及错误方式告警等多种功能,简化了调整、校准与维护过程,使维护和使用都十分方便。,智能式压力变送器,二、智能变送器的结构原理,从整体上来看,由硬件和软件两大部分组成。,从电路结构上来看,包括传感器部件和电子部件两部分。,图2-9 3051C型智能差压变送器（420mA）方框图,3051C型智能差压变送器所用的手持通信器为275型，带有键盘及液晶显示器。可以接在现场变送器的信号端子上，就地设定或检测，也可以在远离现场的控制室中，接在某个变送器的信号线上进行远程设定及检测。,第五节 压力计的选用及安装,一、压力计的选用,压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的分析， 一般考虑以下几个问题。,仪表类型的选用,仪表精度级的选取,仪表测量范围的确定,1.测压点的选择 应能反映被测压力的真实大小。, 要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。 测量流动介质的压力时，应使取压点与流动方向垂直，取压管内端面与生产设备连接处的内壁应保持平齐，不应有凸出物或毛刺。 测量液（气）体压力时，取压点应在管道下（上）部，使导压管内不积存气（液）体。,二、压力计的安装,2.导压管铺设, 导压管粗细要合适，一般内径为610mm，长度应尽可能短，最长不得超过50m，以减少压力指示的迟缓。如超过50m，应选用能远距离传送的压力计。 导压管水平安装时应保证有1:101:20的倾斜度，以利于积存于其中之液体（或气体）的排出。 当被测介质易冷凝或冻结时，必须加设保温伴热管线。 取压口到压力计之间应装有切断阀，以备检修压力计时使用。切断阀应装设在靠近取压口的地方。,3. 压力计的安装,压力计应安装在易观察和检修的地方。 安装地点应力求避免振动和高温影响。,测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接与测压元件接触图3-17（a）；对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐，右图（b）表示了被测介质密度2大于和小于隔离液密度1的两种情况。,压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封垫片，以防泄漏。 当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按p±Hg进行修正。式中H为高度差，为导压管中介质的密度，g为重力加速度。 为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外。,常见压力传感器外形,