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1、2022/11/20,1,第一篇 压力测量,概述第一章 非远传式压力测量仪表第二章 远传式压力测量仪表第三章 压力测量仪表的选择、 校验和安装小结,返回,2022/11/20,2,概述,压力:,返回,下一页,压力单位换算关系，参见表1-1-1,其它原工程常用单位： 工程大气压（kgf/cm2）、标准大气压（atm）： 毫米水柱（mmH2O）、毫米汞柱（mmHg）,垂直均匀地作用在单位面积上的力，即压强。,PFA F垂直作用力； A受力面积。,法定计量单位： N/m2 帕斯卡，以Pa表示。,2022/11/20,3,在压力测量中，有大气压力、绝对压力、表压和真空度之分。,各种压力关系：,返回,上
2、一页,P 表=P绝 - P大气P真= P大气 - P绝,若无特殊说明，仪表显示的测量结果均为表压或真空度。,绝压 大气压，称表压或正压；绝压 大气压，称真空度或负压,2022/11/20,4,按压力计的性能分类 （1）现场显示型 指示式压力计 带警报器压力计 带调节器压力计 记录式压力计 （2）远距离显示型电动压力变送器气动压力变送器按压力计的用途分类 普通型、耐热型、耐振型、耐热耐振型、密封型、安全型、蒸气型、禁油型、法兰连结型、带隔膜封入液型。按压力计的形状,精度分类外部形状：圆形、方形指示形状,同心,偏心型,单针型,双针型,多针 型,刻度形状,圆形刻度型,扇形刻度型,直线 刻度型。,20
3、22/11/20,5,第一章 非远传式压力测量仪表,返回,第一节液柱式压力计 第二节 应用弹性变形测量压力,2022/11/20,6,第一节 液柱式压力计,U形管压力计单管压力计斜管压力计,返回,2022/11/20,7,一、U型管压力计,A U形管内孔截面积； 工作液的密度； 被测介质的密度； g 重力加速度； h 左右两边液柱差，h=h1+h2 ; PA 相对较低的压力或大气压； P 相对较高的压力。,可得,返回,下一页,(1-2-2),2022/11/20,8,若PA为大气压，被测介质为气体， ， 可忽略不计。则上式可表示为：,上一页,浸润性工作液读取凹月面的最低点；非浸润性工作液读取凸
4、月面的最高点。,(1-2-3),U型管压力计第二页,返回,因工作液不同，液柱表面会出现弯月现象。,2022/11/20,9,二、单管压力计,h1 大容器中工作液下降的高度； h2 玻璃管中工作液上升的高度。,h1A1=h2A2,返回,A1 大容器截面； d 玻璃管直径； A2 玻璃管截面； D 大容器直径。,(1-2-4),若Dd,压力P作用下，大容器内工作液下降的体积等于玻璃管内工作液上升的体积 ，即,2022/11/20,10,三、斜管压力计,因 Dd ，则 h1+h2h2=Lsin ,L 斜管内液柱的长度； 斜管倾斜角。,精确测量时，应考虑下降高度h1,返回,因 Lh2 ，则灵敏度高于单
5、管。,常用于微小压力测量, 测量范围一般为02000Pa。,2022/11/20,11,第二节 应用弹性变形 测量压力,原理 弹性元件 弹簧管压力表 讨论,返回,2022/11/20,12,一、原理,基于弹性元件的弹性特性。当弹性元件在其轴向受到外力作用时，会产生拉伸或压缩位移，即,F 轴向外力; X 弹性元件的变形位移; C 弹性元件的刚度系数。,因为,Ae 弹性元件的有效面积; P 被测压力 。,返回,则,(1-2-9),(1-2-10),(1-2-11),若 Ae / C 为常数，则 X 与 P 为线性关系。,2022/11/20,13,二、弹性元件,返回,弹性后效与弹性滞后现象,下一页
6、,弹簧管,膜片,膜盒,波纹管,2022/11/20,14,返回,上一页,2022/11/20,15,、E 弹簧管材料的泊松 系数和弹性模量； h 弹簧管壁厚； 弹簧管几何参数， 、 与a/b比值有关的参数。,返回,1、测压原理,下一页,三、弹簧管压力表,利用椭圆或扁圆特殊截面，受压后长轴变短、短轴变长，从而引起自由端位移。,2022/11/20,16,2、弹簧管压力表结构,（1）弹簧管 扁平、中空，横截面为椭圆，一端固定 ，另一端为自由端，弧度270。,返回,上一页,原理图,（2） 齿轮、杠杆传动机构,（3） 游丝：克服齿轮间的间隙, 减少变差。,（4） 指针、表盘 显示,2022/11/20
7、,17,第二章 远传式压力测量仪表,返回,概述第一节 力平衡式压力变送器 第二节 电阻式压力传感器 第三节 电容式压力传感器 第四节 电感式压力传感器 第五节 其它压力传感器,2022/11/20,18,概 述,0.14MPa压缩空气220V（交流）24V（直流）,返回,标准信号：气动 20100kPa 电动 0 10 mA 4 20 mA,变送器：将各种非电量的工艺参数（压力、流量、物位、温度等）转换成统一标准信号，传送到有关仪表进行显示或控制。,传感器：将各种非电量的工艺参数（压力、流量、物位、温度等） 转换成为各种便于远传的电量信号。,2022/11/20,19,第一节 力平衡式压力变送
8、器,测量部分（输入转换部分）转换部分工作原理,返回,2022/11/20,20,返回,一、测量部分（输入转换部分）,将被测压力通过弹性元件转换为作用在主杠杆上的力Fi ，经主杠杆传递到转换部分。,下一页,高压弹簧管；中压波纹管；低压膜片。,1. 压力变送器,2022/11/20,21,膜盒：基座、硬芯、膜片、硅油、密封圈。具有单向过载保护作用。,高、中、低差压变送器采用膜盒，微差压变送器采用金属或橡胶膜片。,2. 差压变送器,硅油：温度系数小，凝固点低(-40)。作 为力的传递媒质，并使膜片的运动受到阻尼作用。,返回,上一页,2022/11/20,22,二、转换部分,1. 低频位移检测放大器,
9、由低频位移检测放大器和电磁反馈机构组成。,下一页,返回,组成：差动变压器，低频振荡器， 整流滤波，功率放大器。,作用：将衔铁的微小位移 S 转换成直流输出电流 I0， 即 位移电流转换器。,2022/11/20,23,（1） 差动变压器 SUCD,衔铁（检测片） 上罐形磁芯：磁芯的中心柱截面积等于其 外环截面积 下罐形磁芯： 与上罐形磁芯结构相同，中 心柱人为地磨去一固定气隙 = 0.76mm 四组线圈： AB原边，同相连接； CD副边，反相连接。,VCD相位取决于检测片位移是大于还是小于/2 。,VAB一定，VCD=e2 e2,上一页,下一页,返回,S=/2时，e2e2，VCD=0,Se2，
10、VCD0，VCD与VAB同相；,S/2时，e2e2，VCD0，VCD与VAB反相。,2022/11/20,24,第二节 电阻式压力传感器,工作原理应变片压力传感器,返回,2022/11/20,25,一、工作原理, 电阻率； L 电阻的长度； A 电阻的截面。,返回,下一页,电阻受到拉力作用，电阻变化率为,对圆截面电阻A=D2/4，则：,轴向应变，=dL/L,据材料力学：,dD/D金属电阻丝的径向应变；dL/L金属电阻丝的轴向应变； 材料的泊松系数。 ,电阻应变灵敏系数。,2022/11/20,26, 半导体材料的压阻系数 纵向应力 , E 半导体材料的弹性模量； 纵向应变。,1. 金属导体,返
11、回,上一页,(1-2-16),(1-2-17),= E ，半导体灵敏系数。,2. 半导体,（1-3-7）,= 1+2 ，导体应变灵敏系数。,2022/11/20,27,二、应变片,应变片,返回,2022/11/20,28,三、压力传感器,返回,下一页,由图可得,（1-3-8）,应变筒,1. 应变式压力传感器,2022/11/20,29,桥路处于平衡时，应使Usc=0 ，即应满足,若四个桥臂电阻均为应变片，有压力作用时，设每个桥臂电阻变化Ri , 并且 Ri Ri ， 在桥路平衡的条件下，可得,（1-3-9）,（1-3-10）,返回,下一页,上一页,若R1 、R2 为应变片， R3 、R4 为固
12、定精密电阻（R3=R4=0），且 R1 =R2 ，但R1 R2 ，据应变原理,R1 /R1应变筒的轴向应变； R2 /R2应变筒的径向应变。,2022/11/20,30,则,桥路输出电压Usc与应变 成正比，而 与应变筒的轴向应变成正比。,（1-3-11）,返回,上一页,Usc与被测压力 P成正比， 测得 Usc可知P。,2022/11/20,31,2. 压阻式压力传感器,返回,特点： 易于微小型化：,灵敏系数高：,测量范围宽：,精度高、工作可靠。,2022/11/20,32,返回,第三节 电容式压力传感器,工作原理压力（差压）变送器压力传感器变送器输出与被测参数的 换算关系,2022/11/
13、20,33,平行板电容器,极板间介质的介电常数； A两平行板覆盖面积； d两平行板之间距离。,改变d能够获得较高灵敏度，可测量微米数量级的位移；,改变介电常数常用于物位测量。,改变A只适用于测量厘米数量级的位移；,一、工作原理,返回,下一页,2022/11/20,34,无压力时，初始电容为,动极板平行位移x 时,线性，增加 b或减小d，可提高灵敏度。,改变a会如何呢？,有压力时，0,返回,下一页,上一页,初始电容为,1变面积式,2022/11/20,35,电容量C与极板间距d为非线性，,P=0时，动极板位移x=0，两极板间距为d，电容量为,P0时，动极板位移，间距减小x,当x d时，可近似为,
14、返回,上一页,2变间隙式（改变d）,2022/11/20,36,变面积式压力传感器,返回,2022/11/20,37,根据变送器的测量范围、工作能源、输出信号范围可由下式求得,I0 变送器的输出信号值； x 被测参数的测量值（单位量纲应与变送器量程一致）； I上 、I下 变送器输出的上限值、下限值 ; lmin 变送器测量范围的下限值。,各种输出与被测参数满足线性关系的变送器均可适用。,返回,四、 变送器输出与被测参数的换算关系,2022/11/20,38,第四节 电感式压力传感器,自感式传感器互感式传感器,返回,2022/11/20,39,一、自感式传感器,N线圈匝数； RM 磁路总磁阻。,
15、当空气隙较小时，总磁阻为, 导磁体导磁率； 0 空气导磁率； l 导磁体长度； 气隙长度 ； A1 导磁体截面积； A 气隙截面积。,返回,一般: 导磁体磁阻空气隙磁阻则前项可略，线圈电感可为：,下一页,1.工作原理,2022/11/20,40,2. 差动式自感传感器,返回,下一页,对高Q值差动式传感器（Q =L0/R0）,上一页,2022/11/20,41,差动式自感压力传感器,返回,上一页,2022/11/20,42,返回,二、互感式传感器,次级绕组通过互感系数的变化得到不同的输出电压。多采用差动形式，又称差动变压器。,LP、RP初级线圈电感 及损耗电阻；M1、M2互感系数；UP激励电压；
16、 激励电压角频率。,输出由互感M1和M2大小所决定。相位反映铁芯移动方向；幅值反映铁芯移动距离。,1. 工作原理,下一页,2022/11/20,43,2. 压力传感器,传感器的工作原理，如何实现压力测量？,将铁心与可产生位移（变形）的弹性元件连接。,返回,上一页,P弹性元件铁芯位移M变化U0变化,2022/11/20,44,第五节 其它压力传感器,压电式压力传感器霍尔式压力传感器谐振式压力传感器,返回,2022/11/20,45,一、压电式压力传感器,压电效应,返回,下一页,压电效应,某些物质沿一定方向施加外力（受压或受拉）发生机械变形时，它的两个表面上会产生异性电荷。当外力去掉后，会重新回到
17、不带电的状态，此现象称“压电效应”。,2022/11/20,46,三、谐振式压力传感器,1. 基本原理,任意机械振动系统中振子的谐振频率可按下式计算 ：,f0 谐振元件的固有频率； C 谐振元件材料的刚度； 谐振元件的质量； 与量纲有关的常数。,返回,下一页,可采用间歇激振或连续激振方式使谐振元件产生振动。,常用谐振元件：振弦、振膜、振筒、振梁等。,2022/11/20,47,2. 压力传感器,返回,下一页,上一页,（1）振弦式压力传感器,2022/11/20,48,第三章 压力测量仪表的选择、校验和安装,返回,第一节 压力仪表的选择 第二节 压力仪表的校验 第三节 压力表的安装,2022/1
18、1/20,49,第一节 压力仪表的选择,测量范围选择准确度等级选择仪表类型选择,返回,2022/11/20,50,一、测量范围的选择,稳定压力： K = 3/2 脉动压力： K = 2 高压： K = 5/3,返回,根据被测压力的最大值和最小值计算求出仪表的上、下限。,P = K P测,P测 被测压力值,国家规定的压力仪表测量范围： - 0.10； - 0.10.06、 0.15 MPa; 01、1.6、2.5、4、6、1010n kPa（n为正、负自然整数）,即 Pmax P ，且 P测min1/3（Pmin Pmax）,根据计算值，在国家规定的测量范围中选择大于或等于P值，且应满足被测压力
19、最小值不应低于仪表测量范围的1/3。,2022/11/20,51,二、准确度等级的选择,国家规定的准确度等级： 0.01、0.02、0.05、0.1、0.16、 0.2、0.25、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5等。,根据工艺允许的最大绝对误差和选定的仪表量程，计算仪表的最大引用误差qmax，在国家规定的准确度等级中确定准确度。,三、仪表类型的选择,所选准确度等级加上“”、“”后应小于或至少等于工艺允许的仪表最大引用误差qmax 。,q允 qmax,根据被测介质的性质、是否提出特殊要求、是否需信号远传以及现场环境条件等对仪表类型进行选择。,返回,下一页,2022/11/20,52,环境与
20、被测对象的选择条件（a）环境的选择条件a.在受机械振动与冲击时,选用具有耐振结构的压力计。b.装设压力计的场所,如环境温度是高温时,要选用结构上耐高温, 功能上具有温度补偿的压力计。c.在腐蚀性环境或爆炸性环境中不得不装设压力计。要采用防腐措施, 防止损坏仪表。选用的压力计符合工厂防爆安全结构标准。（b）测量对象的选择a.测量高温或低温流体时,最好的方法,一般是对导压管采取散热, 冷却或加热等措施,使得被测流体的温度在到达感压元件之前就变成常温,尽可能选用标准规格的温度计。b.当被测对象是高粘度流体或固体细粒的流体时, 最好选用接触面积大的带隔膜的压力计。对于常温下粘度大的流体,要用蒸气进行保
21、温。c.当被测流体具有腐蚀性时, 可以选择采用耐腐蚀材料感压元件的压力计或选用带腐蚀材料隔膜的压力计。d.对于氧气或食品之类的被测对象,如果所用压力计内存有油,则可能发生危险或造成污染.因此必须使用禁油标记的压力计。e.当被测压力急剧变化时,不仅难以准确测量,而且由于指示机构磨损和感压元件疲劳,压力计的主要部分会受到损害。在这样场合,最好使用带有缓冲装置的压力计或感压元件,带有缓冲用阻尼阀的压力计。此外,压力计应做到安全防护,如加防护罩, 新购进的压力计仪器要很好地验收和保管。,2022/11/20,53,某测温仪表的测量范围为01000, 据工艺要求,温度测量误差不允许超过7, 应如何选择仪
22、表准确度才能满足要求?,返回,上一页,结论:,q允 qmax,q允 qmax 且 q允 hmax,根据工艺要求选择仪表准确度等级:,将仪表的允许误差去掉“”号与“”号，此值介于0.5级和1.0级之间若选择等级为1.0级的仪表，其允许误差为1.0，超过了工艺要求的允许误差，故应选择 0.5 级的准确度才能满足要求。,仪表允许的最大引用误差应为:,例2,根据仪表校验数据确定准确度等级:,2022/11/20,54,第二节 压力仪表的校验,校验方法活塞式压力计校验注意的问题,返回,2022/11/20,55,一、校验方法,（1） 标准表允许绝对误差应小于或等于被校表允许绝对误差的1/3。,1 、将被
23、校表的示值与标准压力比较。,标准仪表的选择原则：,返回,（2） 要求标准表的测量上限应比被校表大一档。,Y标允（1/3）Y 被允,2 、将被校表的示值与标准表的示值在相同条件下进行比较。,2022/11/20,56,二、活塞式压力计,力平衡关系为,A 测量活塞1的截面积；W、W0 砝码和测量活塞 （包括托盘）的重量；P 被测压力。,返回,活塞式压力计,2022/11/20,57,三、校验注意的问题,1. 在被校仪表的测量范围内均匀选择5点以上;,2. 确保得到正、反行程误差;,3. 为减小读数误差, 误差值应在标准表上读取;,4. 根据校验数据处理, 最终按准确度等级要求得出结论。,返回,20
24、22/11/20,58,第三节 压力仪表的安装,取压位置的选择导压管的安装压力仪表的安装,返回,2022/11/20,59,一、取压位置的选择,1. 对管路压力的测量，应避开死角、拐角及旋涡区。,返回,气体取于管道截面上半部分，液体取于管道截面下半部分。,3. 对水平管路取压点位置：,2. 管路中不应有突出物，若存在时，取压点应在其之前。,2022/11/20,60,二、导压管的安装,返回,1. 导压管不要超过50m，一般内径为610mm。2.水平敷设的导压管应有1：101：20的倾斜度。液体引压管下倾， 气体引压管上倾。测液体在引压管最高点装排气阀，测气体在引 压管最低点装排液阀。3. 易冻
25、易凝介质加装保温伴热。4. 在靠近取压点的引压管上装切断阀，便于维修。,2022/11/20,61,三、压力仪表的安装,1、压力表应装于易观察和检修的地方，尽可能避免振动、高温。,2、测量蒸汽压力时加装凝液管，防止高温蒸汽直接与测压元件接触， 测腐蚀介质时加隔离罐。,3、压力表的连接处加装密封垫片，材料视耐压、耐温情况而定，注意 介质特性要求。乙炔气、氨气不能用铜垫，氧 不能沾油或有机物。,4、若压力表与取压位置不在同一高度时，要考虑修正。,压力仪表安装示意图,返回,2022/11/20,62,返回,压力表安装示意图,2022/11/20,63,本篇小结,一、压力的概念,压力的定义；表压、绝压
26、、负压（真空度）之间的关系；单位。,二、非远传测压仪表,1. 液柱式压力计 流体静力平衡 P(P)h,2. 弹簧管压力表 弹性元件弹性变形 P(P) x,三、远传式测压仪表,1. 力平衡式变送器 力(矩)平衡 P(P)F(M),位移检测放大(差动变压器 低频放大器 ),电磁反馈机构,应变式(金属应变片),返回,下一页,压阻式(硅杯),2. 电阻式传感器 应变效应 P(P),2022/11/20,64,3. 电容式变送器 差动电容 P(P)C,电容-电流转换(高频振荡器 解调器 振荡控制电路),4. 电感式传感器 电磁感应 P(P)L(M),自感式 减小非线性的方法,互感式 差动变压器,5. 其他压力传感器,压电式 压电效应 P(P)qx,谐振式 弹性元件的谐振 P(P)f,返回,四、压力仪表的选择、校验、安装,1. 选择,据测量值选量程; 据误差要求选精度; 据介质性质及使用要求选类型。,2. 校验,标准压力法,标准表法（标准表的选择原则 ）,3. 安装,取压点的选择; 导压管的敷设; 仪表的安装.,校验注意问题,上一页,
