压力测量及其仪表课件.ppt

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1、2023/3/15,压力测量及其仪表,压力测量及其仪表,压力测量及其仪表,1 压力测量的目的,确定流体输送管路的阻力；为选择流体机械设备提供依据；测定压力容器内部压力，保证容器安全工作。,确定沿程阻力,如水泵，等,压力测量及其仪表,1.1 基本概念,压力：介质垂直而均匀的作用在单位面积(S)上的力(F)，称为压力(p)也即物理学的压强。p=F/S差压(p)：两个压力之差。在压力测量中，由于参照点的不同，在工程上压力有不同表示方法：（1）绝对压力(pa)：被测介质作用在物体表面上的全部压力。（2）大气压力：由地球表面空气质量所形成的压力。（3）表压力(pg)：绝对压力与当地大气压之差。压力计的显

2、示值都是表压力（即通入仪表的压力是绝对压力，显示的是表压力）。（4）真空度(pv)（负压）：当绝对压力小于大气压力时，表压力为负值（负压力），其绝对值为真空度。,与地理纬度、海拔高度、气象条件有关,压力测量及其仪表,（5）差压：任意两个压力之差称为差压。绝对压力=大气压力+表压力,1.2 压力的计量单位压力的单位是力和面积的导出单位，而各种单位制中力和面积的单位不同，则压力的单位也有多种。在国际单位中（System International，简称SI）：压力的单位是牛顿/米2（N/m2）称为帕斯卡（简称帕、Pa）1Pa=1N/m2 0.1mmH2O(毫米水柱)，工程上常用的单位有kPa，MP

3、a。在CGS(Centimeter-Gram-Second 厘米-克-秒单位制，通常在重力学科及相关力学科目中使用)中，压力的单位是达因/厘米2（dyn/cm2）简称为巴（bar），1bar=0.1MPa。标准大气压（atm）大概为101.325kPa。1atm=760mmHg。,压力测量及其仪表,1.3 压力的分类压力分为静态压力和动态压力。静态压力（缓变压力）：不随时间变化或者变化非常缓慢的压力。如大气压力、润滑油系统中的机油压力、冷却系统中冷却介质的压力、流量稳定时节流装置中的压力差等。动态压力（瞬变压力）：随时间变化很快或者波幅很大的压力。如气缸内气体的压力波、进排气压力波、高压燃油系

4、统中的压力波等。压力的测量方法：静态压力的测量仪表：一般采用压力表、压力变送器测量。动态压力的测量：（1）塑性变形测压法：利用铜柱或者铜球的塑性变形进行测量。（2）弹性变形测压法：将敏感元件感受压力而产生的弹性变形量转换为电量再进行测量。,压力测量及其仪表,1.4 压力的常用测量方法,根据工作原理的不同划分为又可分为机械式和电气式。,重力平衡方法：液柱式压力计、活塞式压力计弹性力平衡方法：弹簧管式压力计物性测量法：应变式、压电式、电容式压力传感器机械力平衡方法,机械式：液柱式、活塞式、弹性元件式；（结构简单，使用方便，价格低廉）,电气式：压电式、压阻式、压磁式。（动态性能好，灵敏度高，易于小型

5、化，便于远传）,压力测量及其仪表,我们毕业啦其实是答辩的标题地方,重力平衡法压力仪表,压力测量及其仪表,2.1 液柱式压力计,分类：U型管压力计；单管压力计；斜管式微压计。原理：流体静力学原理，流体内某一点的静压力，由这一点的高度，流体的密度和外加压力决定。应用：0.1MPa以下的压力、差压和负压，也常作为校验低压和微压仪表的标准仪器。优点：简单，使用方便，精度较高；缺点：体积大，读数不便，不能远方测量，易损坏。,压力测量及其仪表,2.2 U型管压力计,假设被测的介质为气体，可忽略被测介质的高度形成的静压值。根据流体静力学原理可得：U型管内径一般为5-20mm，为了减少毛细现象管子内径一般不少

6、于10mm,压力测量及其仪表,2.3 单管式压力计,因为A1、A2为常数，这样可通过一次读数进行压差测量。当A1A2时，A2/A10，此时h1可忽略，公式简化为：当A2/A10.01时，因只读h2引起的误差1%,Pd,Px,直管,h1,h2,压力测量及其仪表,2.4 斜管式压力计,主要用于测量微小的压力、负压和压差。为了减少读数的相对误差，拉长液柱，将测量管倾斜放置。注意：倾角 a不能小于15度，否则会引起读数困难。,压力测量及其仪表,2.5 液柱式压力计的测量误差,1环境温度变化的影响对于一般的工业测量，主要考虑工作液密度变化对压力测量的影响。2重力加速度变化的影响在不同的工作地点，重力加速

7、度g是不同的。3毛细现象（表面张力）影响：为了减少该误差，通常要求测量管的内径一般不小于10mm。对于一定的结构的封液的压力计，毛细现象引起的读数误差是一定的。（水2mm,Hg1mm），不随液面的高低变化，属于系统误差，很易修正。4读数误差的影响正确读数方式：眼与液面的顶，底平。,压力测量及其仪表,我们毕业啦其实是答辩的标题地方,弹性式压力仪表,压力测量及其仪表,3.1 弹性式压力计,原理：弹性压力表是利用各种不同形状弹性感压元件在被测压力的作用下，产生弹性变形制成的测压仪表。弹性元件的形变大小是压力的函数，通过测量弹性元件的形变就可以间接得到被测压力的大小。优点：结构简单、牢固可靠、可在一些

8、恶劣环境下使用，测压范围广、使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远传。缺点：频率响应低，不宜用于测量动态压力。弹性元件材料：通常使用合金结构钢，如镍铬结构钢、镍铬钼结构钢等，也有使用碳钢、铜合金和铝合金等。常用弹性压力表：弹簧管式、膜片（盒）式、波纹管式,压力测量及其仪表,结构：按膜片的形状：平膜片（刚性、挠性）、波纹膜片（三角波、梯形波、正弦波）；按刚度分：弹性膜片、挠性膜片；膜盒式微压计通常用于测量炉膛和烟道尾部负压。精度等级为2.5，最高可达1.5级。,3.2 膜片类型,压力测量及其仪表,原理：开口端固定，封闭端的位移作为输出，位移与压力、有效面积和波纹数成正比。,3.3 波纹管类型,特

9、点：工作行程510mm；由于波纹管的位移相对较大，故灵敏度高，常用于测量较低的压力（1.0-106Pa）精度等级1.5级。,压力测量及其仪表,3.4 弹簧管（波登管）类型,C型弹簧管：一根弯成270圆弧的扁圆或椭圆形截面的空心金属管。管子封闭的一端称为自由端，即位移输出端，管子开口的一端称为固定端，被固定在接头上，作为被测压力的输入端。,弹簧管又名波登管，由于1852年E.波登取得波登管的专利权，而被命名的。根据形状和用途的不同，弹簧管可分为4种形式，如图。常见的为C型弹簧管。,压力测量及其仪表,3.4 弹簧管（波登管）类型,提高灵敏度的措施：1.增大中心角（可做成多圈、S形）；2.降低管壁厚

10、；3.增大长短轴比a/b值（越扁越灵敏）4.减小材料的刚度（单位变形所对应的弹性力）弹簧管在量程范围内自由端的位移一般为7-8，弹簧管作成多圈时，自由端的位移可达45o。弹簧管的自由端的位移可通过杠杆机构带动指针转动，这种机构的指针最大转角为180，通常作成90的回转角。最常用的传动机构为杠杆扇形齿轮机构，可使指针转动270。,压力测量及其仪表,3.5 弹簧管压力计,工作原理：弹簧管固定端输入压力，在压力的作用下，其自由端产生位移，并通过拉杆带动放大传动机构，使指针偏转并在刻度盘上指示出被测压力值。测量范围宽：0.2Pa10MPa,不同材料的弹簧管适用于不同的被测压力和被测流体介质。当压力低于

11、20MPa时，一般采用磷铜；压力高于20MPa时，可采用不锈钢或高强度合金钢。,压力测量及其仪表,压力表的其他特殊结构：表壳内装有带阻尼元件和阻尼液（一般为硅油或者甘油）的压力表即是耐震压力表，其主要特点是具有良好的抗震性，特别适宜于介质有剧烈脉动或瞬时冲击的流体压力的测量。此外，有些压力表还具有泄气孔，是为了减少压力表意外爆炸而导致表玻璃飞溅的力道而设计。,压力测量及其仪表,膜盒风压表1一膜盒；2一刻度盘；3一零位调整；4一弧形架；5一指针；6一弹簧片；7一曲柄；8一 调整螺丝；9一拉杆；10一拐臂；11一固定指针套；12一固定铀；13一形丝；14一引压管接头,3.6 膜片压力计,由于盒内抽

12、成真空，当大气压力作用于盒面上时，盒面被压缩，并带动传动杠杆使指针转动，根据指针转动的幅度即可读得大气压力数值。适用于测量微小压力和真空，测量范围一般在-20004000Pa.,压力测量及其仪表,波纹管是外周沿轴向有深槽形状的波纹褶皱，可沿轴向伸缩的薄壁管子。它受压时的线性输出范围比受拉时的大，故常在压缩状态下使用。波纹管式压差计以波纹管为感压元件来测量压差信号，有单波纹管、双波纹管两种，主要用作流量和液位测量的显示仪表。,3.7 波纹管压力计,压力测量及其仪表,当其与设定指针上的触头（上限或下限）相接触（动断或动合）的瞬时，致使控制系统中的电路得以断开或接通，以达到自动控制和发信报警的目的,

13、3.8 电接点压力表,压力测量及其仪表,特殊的测压仪表，即测量某一过程的最高压力，比如内燃机气缸内的最高燃烧压力，包括机械式和气电式。,3.9 最高压力表,压力测量及其仪表,迟滞误差：同一压力正反行程变形量不一致、弹性衰退。温度误差：温度变化带来弹性模量的变化。间隙和摩擦误差、安装误差等。,3.10 弹性压力计的误差分析,压力测量及其仪表,我们毕业啦其实是答辩的标题地方,压力（差压）变送器,压力测量及其仪表,弹性元件检测压力的输出只是机械位移信号，该信号可以就地显示，也可以变换为电信号以供远传。这种变换一般称为电变送。电阻式、电感式、电容式、应变式、力平衡式、霍尔式、振弦式、光纤式等。目前工业

14、生产使用的电变送后的压力信号都是标准化的电流或电压信号，其变送器都是定型的产品。,压力测量及其仪表,组成：电阻栅、基底、覆盖层,工作原理：应变传感器变形时，由于电阻栅的几何尺寸和电阻率改变，导致其电阻值发生变化。,原理：电阻率变化引起电阻变化。,金属电阻应变片工作原理：压力引起尺寸变化，导致电阻变化。包括丝绕式和箔式。,4.1 电阻应变式,压力测量及其仪表,1、压阻效应：固体受力后电阻率发生变化的现象。2、压阻式压力传感器就是基于半导体材料（单晶硅）的压阻效应制成测量压力的传感器。3、结构：硅杯：敏感元件高弹薄膜、硅油：传递压力和隔热膜片：起隔离作用以保证硅杯面引线良好的绝缘性能,4.2 半导

15、体压阻式,压力测量及其仪表,压力测量及其仪表,其核心部分是一圆形的硅膜片，膜片厚度一般为0.1mm左右，材料通常是N型硅。膜片的四周用一圆环（硅环）固定。目前多采用圆形的硅杯一体结构。在膜片上有4个用集成电路工艺制成的等值P型硅电阻。在0.635r半径之内各分布两个电阻R2、R3，在半径之外各分布两个电阻R1、R4。膜片的两边有两个压力腔。一个是和被测系统相连接的高压腔，一个是低压腔，通常和大气相通。4 个电阻接到电桥电路的4个臂上。当膜片两边存在压力差时，膜片上各点存在应力。4个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压。此电压和膜片两边的压力差成正比，这样电桥的输出电压就

16、反应了压力的变化。,压力测量及其仪表,4、压阻式压力传感器的特点:(1)灵敏度高，频率响应高；(2)测量范围宽，可测低至10Pa的微压到高至60MPa的高压；(3)精度高，工作可靠，其精度可达0.20.02；(4)易于微小型化，目前国内生产出直径1.82mm的压阻式压力传感器。5、应变片的共性问题：工作温度影响需补偿；材料选择硅、锗加工工艺缠绕、箔片、印刷、扩散、溅射安装位置及方法应变大小。,压力测量及其仪表,某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。,优点：结

17、构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，线性度高，测量精度高，量程范围大可测100MPa以下的压力。缺点：但是由于产生的电荷量少，因此后续需加高阻抗的直流放大器。由于晶体边缘上存在漏电现象，不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。,单晶体：如石英、酒石酸钾钠等；多晶体：压电陶瓷，有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）；其他还有：压电半导体，如硫化锌等；高分子压电材料如聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。,4.3 压电式,压力测量及其仪表,霍尔效应：把半导体单晶薄片置于磁场B中，如果在它的两个纵向面上通以一定大小的电流，则在晶体的

18、两个横向端面之间出现电势UH，叫霍尔效应，产生的电势称为霍尔电势。,霍尔常数,4.4 霍尔式,压力测量及其仪表,霍尔电势的产生：将固定在弹性元件上的霍尔片放置在一非均匀磁场中，在这区间，磁场强度具有均匀的梯度，当霍尔片在弹性元件的带动下偏离正中位置，通过霍尔片的磁场强度发生变化，霍尔片就有正比于位移的霍尔电势产生。,压力测量及其仪表,变气隙式：变气隙自感式传感器的输出特性是非线性的。适合测量较小位移形变量。,基本原理：利用自感和互感变化来测量压力的传感器。,4.5 电感式,压力测量及其仪表,变面积式：变气隙自感式传感器的输出特性是非线性的。适合测量较小位移形变量。,在忽略气隙磁通边缘效应的条件

19、下，其输出特性呈线性，因而具有较大的线性范围。与变气隙式相比较，其灵敏度较低。,压力测量及其仪表,螺管式：由螺管线圈、衔铁和磁性套管等组成。随着衔铁插入的深度的不同将引起线圈泄漏路径中磁阻的变化，从而使线圈的电感发生变化。,灵敏度较前两种低。具有较大的线性范围，适用于较大位移量。,压力测量及其仪表,压力测量及其仪表,基本原理：弹性敏感元件作为感受压力的元件，并作为活动板，与固定在传感器壳体上的定极板形成电容器，当压力通过工作介质传递到动极板上时，膜片产生位移，改变电容量，因此可以通过测量电容量来测定压力大小。,4.6 电容式,压力测量及其仪表,4.7 工程上的压力变送器,压力测量及其仪表,我们

20、毕业啦其实是答辩的标题地方,压力仪表选用及安装,压力测量及其仪表,仪表的类型应根据被测介质情况、现场环境及生产过程对仪表的要求。仪表的量程要根据被测压力的大小及其在测量过程中变化的情况来选取。仪表的精度应根据要求在规定的精度等级中选择确定。所选精度等级应小于或至少等于所要求的仪表允许最大引用误差,压力测量及其仪表,类型的选择，通常需要考虑以下因素：被测介质的物理化学性质，如温度高低、粘度大小、脏污程度、腐蚀性，是否易燃易爆、易结晶等。生产过程对压力测量的要求，如被测压力范围、精确度以及是否需要远传、记录或上下限报警等。现场环境条件，如高温、腐蚀、潮温、振动、电磁场等,压力测量及其仪表,测量范围

21、(量程):一般在被测压力比较平稳的情况下，最大工作压力应不超过仪表满量程的3/4；在被测压力波动较大的情况下，最大压力值不超过仪表满量程的2/3，一般示值应控制在量程的1/2左右；压力最小值应不低于全量程的1/3。,压力测量及其仪表,压力测量及其仪表,压力测量及其仪表,例求准确度等级为0.25级，测量范围为（0-1.6）Mpa的精密压力表的允许误差？解：允许误差=1.6（0.25%）=0.004（MPa）,精度等级：工业过程测量和控制用检测仪表和显示仪表精确度等级 有：0.01，0.02，（0.03），0.05，0.1，0.2，（0.25），（0.3），（0.4），0.5，1.0，1.5，（2

22、.0），2.5，4.0，5.0；共16个，其中括号里的5个不推荐使用。低于5.0级的仪表，其精确度等级可由各类仪表的标准予以规定。（以上内容来源于GBT 13283-2008 工业过程测量和控制用检测仪表和显示仪表精确度等级）,压力测量及其仪表,例若选用弹簧管压力表来测量某设备内的压力，已知被测压力为(0.71)106Pa，要求测量的绝对误差不得超过0.02106Pa，试确定该压力表的测量范围及精度等级。可供选用的测量范围有:00.6106Pa,01106Pa,01.6106Pa,02.5106Pa,压力测量及其仪表,选择量程为01.6106Pa的仪表，当压力变化时，正处于量程的1/32/3。

23、,在被测压力波动较大的情况下，最大压力值不超过仪表满量程的2/3；压力最小值应不低于全量程的1/3,可供选用的测量范围有:00.6106Pa,01106Pa，01.6106Pa，02.5106Pa,压力测量及其仪表,所以应选 1.0级精度的压力表,要求仪表的允许误差为,压力测量及其仪表,1.选用的压力表，必须与压力容器内的介质相适应。（氨介质不能采用铜制压力表）2.低压容器（设计压力小于1.6MPa)使用的压力表精度不应低于2.5级；中压及高压容器使用的压力表精度不应低于1.6级。（GB/T1226-2001）3.压力表的量程 应与承压设备的工作压力相适应，表盘刻度极限值应为工作压力的1.53

24、.0倍，最好选用2倍。如果选用量程过大，将会影响压力读数的准确性；过小，压力表刻度的极限值接近或等于承压设备的工作压力，又会使弹簧弯管经常处于很大的变形状态下，因而容易引起永久变形，引起压力表的误差增大。,压力表的选用方法,压力测量及其仪表,4、压力表的表盘直径选用原则：大小应保证操作人员能清楚地看到压力表指示值距离位置 1）距操作平台不超过2m时，表盘直径不应小于100mm；2）当其距离为24m时表盘直径应不小于150mm 3）当其间距超过4m时，表盘直径应不小于200mm5、压力表低于 1/3 量程部分准确度较低,不宜使用。选择测量上限时，为了保证压力表安全可靠地工作，维持其使用寿命，一般

25、应大于最高使用压力的 1/3。,压力表的选用方法,压力测量及其仪表,6、选择使用范围时，按负荷状况的通用性，应选用全量程的 1/3 2/3 为宜，因为这一使用范围准确度较高，且在平稳、波动两种负荷下均可使用。使用范围最高不得超过度盘满刻度的 3/4。7、我国一般工业用压力表共分为 4 个准确度等级，符合 JJG52-1999 弹簧管式一般压力表、压力真空表和真空表检定规程对压力表拟定的允许误差。这 4 个准确度等级是:1 级、1.6 级、2.5 级、4 级。允许误差(按测量上限的百分数计算)分别为 1%、1.6%、2.5%、4%。,压力表的选用方法,2010-12-14,压力测量及其仪表,1.

26、压力表的装设位置应便于观察和冲洗，并应防止受到高温、冰冻和震动的影响2.用于水蒸气介质的压力表，在压力表与承压设备之间应装有存水弯管，使蒸汽在这一段弯管内冷凝，以避免高温蒸汽直接进入压力表的弹簧管内，致使表内元件过热变形而影响压力表的精度,压力表的安装要求,压力测量及其仪表,附件,压力表缓冲管用途说明：冷却被测介质，平缓压力波动 规格：M141.5 M201.5,压力测量及其仪表,附件,压力表散热器 用途说明：主要用于冷却被测介质温度，平缓压力波动。规格：M141.5 M201.5,压力测量及其仪表,3.为了便于冲洗管路，卸换和校验压力表，在压力表和存水弯管之间应装设三通阀门。三通阀门通向位置

27、及作用的示意图如下,压力表的安装要求,2010-12-14,压力测量及其仪表,1有限止钉的压力表，在无压力时，指针不能回到限止钉处；无限止钉的压力表，在无压力时，指针距零位的数值超过压力表的允许误差2表盘封面玻璃破裂或表盘刻度模糊不清3铅封损坏或超过校验有效期限4表内弹簧管泄漏或压力表指针松动5指针断裂或外壳腐蚀严重6其他影响压力表准确指示的缺陷,压力表停止使用情况,压力测量及其仪表,1.压力表的校验和维护应符合国家计量部门的有关规定。压力表安装前应进行校验，为了使操作人员随时警惕容器发生超压事故，在刻度盘上应划出指示最高工作压力的红线（不能画在玻璃上），注明下次校验日期。压力表校验后应加铅封。2.压力表的定期校验：依据中华人民共和国计量法第九条之规定，用于安全防护的压力表属于强制检定的计量器具。根据JJG52检定规程规定，一般压力表检定周期一般不超过6个月。根据JJG49检定规程规定，精密压力表检定周期一般不超过12个月。（医用氧舱压力表校验周期为1年）。,压力表的定期校验,2023/3/15,压力测量及其仪表,演讲完毕，谢谢听讲!,再见，see you again,