化工仪表及自动化第2章71921.ppt

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1、化工仪表及自动化第二章第二章 压力检测压力检测 概述3 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。2内容提要n压力单位及测压仪表压力单位及测压仪表n弹性式压力计弹性式压力计q弹性元件q弹簧管压力表n电气式压力计电气式压力计q应变片式压力传感器q压阻式压力传感器q电容式压力传感器1n智能式变送器智能式变送器q智能变送器的特点q智能变送器的结构原理n压力计的选用及安装压力计的选用及安装q压力计的选用q压力计的安装3第一节第一节 压力单位及测压仪

2、表压力单位及测压仪表压力压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。压力压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）44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。5表2-1 各种压力单位换算表56压力单位帕/Pa兆帕/MPa工程大气压/(kgf/cm2)物理大气压/atm汞柱/mmHg水柱/mH2O（磅/英寸2）/（1b/in2）巴/bar帕111061.019710-59.86910-67.50110-31.019710-41.45010-4110-5兆帕1106110.1979.8697.5011031.01

3、971021.45010210工程大气压9.8071049.80710-210.9678735.610.0014.220.9807物理大气压1.01331050.101331.0332176010.3314.701.0133汞柱1.33321021.333210-41.359510-31.315810-310.01361.93410-21.333210-3水柱9.8061039.80610-30.10000.0967873.5511.4220.09806（磅/英寸2）6.8951036.89510-30.070310.0680551.710.703110.06895巴11050.11.0197

4、0.9869750.110.19714.5016第一节 压力单位及测压仪表7在压力测量中，常有在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度表压、绝对压力、负压或真空度之分。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。当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。p表P真P绝P绝大气压力线大气压力线 零线零线图2-1绝对压力、表压、负压（真空度）的关系7第一节 压力单位及测压仪表8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。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。1.1.1.1.液柱式压力计液柱式压力计液柱式压力计液柱式压力计 它根据流体静力学原理，

5、将被测压力转换成液柱高度进行测量。按其结构形式的不同按其结构形式的不同按其结构形式的不同按其结构形式的不同 有U形管压力计、单管压力计等 优点优点优点优点这类压力计结构简单、使用方便 缺点缺点缺点缺点 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。8液柱式压力计测量原理：P=hg 所以 h=P/g9液柱式压力计允许误差允许误差:0.02 0.15%0.02 0.15%测量范围测量范围:较窄较窄10第一节第一节 压力单位及测压仪表压力单位及测压仪表2.2.2.2.弹性式压力计弹性式压力计弹性式压力计弹性式压力计 它是将被测压力转换成弹性元

6、件变形的位移进行测量的。3.3.3.3.电气式压力计电气式压力计电气式压力计电气式压力计 它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表。911第一节 压力单位及测压仪表4.4.4.4.活塞式压力计活塞式压力计活塞式压力计活塞式压力计 它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。优点优点优点优点缺点缺点缺点缺点测量精度很高，允许误差可小到0.05%0.02%。结构较复杂，价格较贵。10测量范围:几千Pa几千MPa常用作标准仪表，

7、检验其它压力计12第二节第二节 弹性式压力计弹性式压力计11定义定义定义定义 弹性式压力计弹性式压力计弹性式压力计弹性式压力计是利用是利用各种形式各种形式的弹性元件，的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后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。产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。优点优点优点优点 具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。13第二节 弹性式压力计12n 一、一、弹性元件弹性元件 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

8、元件也不一样。图2-2弹性元件示意图 弹簧管式弹性元件如图如图(a)(a)和和(b)(b)所示，所示，波纹管式弹性元件如图如图(e)(e)所示，所示，薄膜式弹性元件如图如图(c)(c)和和(d)(d)所示。所示。14弹性元件弹性元件 弹簧管式弹性元件弹簧管式弹性元件 单圈弹簧管 多圈弹簧管 n n测量范围测量范围 几千几千Pa1000MPaPa1000MPa15薄膜式弹性元件薄膜式弹性元件 n n膜片膜片 膜合膜合n n测量低压测量低压 1600Pa2.50MPa1600Pa2.50MPan n100Pa60000Pa100Pa60000Pa16第二节第二节 弹性式压力计弹性式压力计n 二、弹

9、簧管压力表二、弹簧管压力表 用途用途-普通弹簧管压力表，普通弹簧管压力表，耐腐蚀的氨用压力表、耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。禁油的氧气压力表等。17第二节 弹性式压力计 在在化化工工生生产产过过程程中中，常常需需要要把把压压力力控控制制在在某某一一范范围围内内，即即当当压压力力低低于于或或高高于于给给定定范范围围时时，就就会会破破坏坏正正常常工工艺艺条条件件，甚甚至至可可能能发发生生危危险险。这这时时就就应应采采用用带带有有报报警警或或控控制制触触点点的的压压力力表表。将将普普通通弹弹簧簧管管压压力力表表稍稍加加变变化化，便便可可成成为为电电接接点点信信号号压压力力表表，它它能能在在

10、压压力力偏偏离离给给定定范范围围时时，及及时时发发出出信信号号，以以提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。醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。注意！注意！注意！注意！1518第二节 弹性式压力计图2-4 电接点信号压力表1，4 静触点；2 动触点；3 绿灯；5 红灯 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。1619第三节第三节 电气式压力计电气式压力计定义定义定义

11、定义电电气气式式压压力力计计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。17优点优点优点优点1.该仪表的测量范围较广测量范围较广，分别可测710-5Pa至5102MPa的压力，允许误差可至0.2；2.由于可以远距离传送信号，所以在工业生产过程中可以实现压力自动控制和报警，并可与工业控制机联用。20第三节 电气式压力计组成组成组成组成 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1821电气式压力计分两大类n弹簧管式电气压力计（电远传弹性压力计）n电气式压力计22霍尔片式压力传感器23常见压力传感器

12、外形 工业压力变送器数字压力变送器通用压力变送器隔离压力变送器高温压力变送器隔离压差变送器隔离液位变送器微压变送器电容压力变送器隔膜压力变送器绝压变送器双膜压差变送器微型探针压力计暖风空调压力计湿式压力变送器本安压力变送器OEM血压计OEM压力芯片2419第三节 电气式压力计n 一、应变片压力传感器一、应变片压力传感器 应应变变片片式式压压力力传传感感器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。图

13、2-6 应变片压力传感器示意图1应变筒；2外 壳；3密封膜片251.应变式电气压力传感器应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测量转换为电量输出的一种传感器。补补充充261 1）电阻应变效应及）电阻应变效应及工作原理工作原理当金属或半导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化-这种现象称电阻应变效应取一根长度为L，截面积为S，电阻率为 的金属丝，未受力时其电阻R为（3-1）补补充充27 当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长L,横截面积相应减小S,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变,故引起电阻值相对变化量为式中L/L是长度相对变化量,用应变表示S/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即（3-

14、2）（3-3）（3-4）在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为（3-5）补补充充28式中:电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。将式（3-3）,式（3-5）代入式（3-2）,可得 或（3-6）（3-7）C由材料及加工 方法决定代入式（3-6）对于金属材料电阻应变效应补补充充29对于半导体材料半导体材料在受力方向的压阻系数压阻效应代入式（3-6）通式 通常把单位应变引起的电阻值变化称为应变灵敏度系数。k0-应变灵敏度系数补补充充30灵敏度系数受两个因素影响:受力后材料几何尺寸的变化,即（1+2）;受力后材料的电阻率发生的变化,即/。补补充充

15、31金属应变片 丝式 箔式 薄膜式2)应变片的基本结构 金属应变片 半导体应变片补补充充32金属丝式应变片电阻丝直径0.0150.05mm补补充充33金属箔式应变片箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制版或光刻技术，制成各种需要的形状。优点：可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；与被测件粘结面积大；散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；横向效应小；蠕变和机械滞后小，寿命长。缺点：电阻值的分散性大补补充充34金属薄膜应变片 采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1微米以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。优点：应变灵敏系数大

16、，允许电流密度大。存在问题：温度稳定性差补补充充35半导体应变片用单晶硅、锗制成。P型单晶硅结构如图。在直角坐标系中它有许多晶轴方向，实验发现沿不同晶轴方向压阻系数相差很大（电阻率变化相差很大）。由硅、锗单晶沿特定晶轴方向切片而成补补充充36电桥放大器R1R3R2R4ADCB+-+-EU0只有R1为工作片，P对于半等臂电桥R1、R2为工作片，P补充补充R1、R2、R3、R4为工作片，P37第三节 电气式压力计n 二、压阻式压力传感器二、压阻式压力传感器二、压阻式压力传感器二、压阻式压力传感器 压阻式压力传感器压阻式压力传感器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

17、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。工作原理工作原理工作原理工作原理2038第三节 电气式压力计特点特点特点特点 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。2 21 1图3-12 压阻式压力传感器1基座；2单晶硅片；3导环；4螺母；5密封垫圈；6等效电阻39第三节 电气式压力计

18、n 三、电容式压力变送器三、电容式压力变送器三、电容式压力变送器三、电容式压力变送器 工作原理工作原理工作原理工作原理22先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。图2-8 电容式测量膜盒1中心感应膜片(可动电极)；2固定电极；3测量侧；4隔离膜片40第四节第四节 智能式变送器智能式变送器 智智智智能能能能型型型型压压压压力力力力或或或或差差差差压压压压变变变变送送送送器器器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。23n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

19、移范围。41第四节 智能式变送器具有温度、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。2442第四节 智能式变送器n二、智能变送器的结构原理从整体上整体上来看,由硬件和软件两大部分组成。从电路结构电路结构上来看,包括传感器部件和电子部件两部分。2543第四节 智能式变送器举例举例举例举例以美国费希尔以美国费希尔以美国费希尔以美国费希尔-罗斯蒙特公司的罗

20、斯蒙特公司的罗斯蒙特公司的罗斯蒙特公司的3051C3051C型智能差压变型智能差压变型智能差压变型智能差压变送器为例介绍其工作原理。送器为例介绍其工作原理。送器为例介绍其工作原理。送器为例介绍其工作原理。图2-9 3051C型智能差压变送器（420mA）方框图2644第四节 智能式变送器 3051C3051C3051C3051C型型型型智智智智能能能能差差差差压压压压变变变变送送送送器器器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。实现的功能实现的功能图2-10 手持

21、通信器的连接示意图（1）组态（2）测量范围的变更（3）变送器的校准（4）自诊断2745第四节 智能式变送器 要对智能型差压变送器每五年校验一次，智能型差压变送器与手持通信器结合使用，可远离生产现场，尤其是危险或不易到达的地方，给变送器的运行和维护带来了极大的方便。注意注意注意注意2846第五节第五节 压力计的选用及安装压力计的选用及安装n一、压力计的选用 压压力力计计的的选选用用应应根根据据工工艺艺生生产产过过程程对对压压力力测测量量的的要要求求，结结合合其其他他各各方方面面的的情情况况，加加以以全全面面的的考考虑虑和和具具体体的的分析，分析，一般考虑以下几个问题。一般考虑以下几个问题。仪表类

22、型的选用仪表类型的选用仪表类型的选用仪表类型的选用 仪表精度级的选取仪表精度级的选取仪表精度级的选取仪表精度级的选取 仪表测量范围的确定仪表测量范围的确定仪表测量范围的确定仪表测量范围的确定2947n一.压力仪表的选用：q类型选择n功能：显示、报警、记录、传送（数字、模拟）n介质条件：温度、腐蚀性、粘度、脏污程度、易燃易爆；如：氨气表防腐，氧气表禁油。n现场环境条件：温度、震动、电磁场等。q量程与盘面大小n测量稳定压力Pmax 2/3量程(上限),Pmin1/3量程;n测量脉动压力Pmax 1/2量程;测高压Pmax 3/5量程.n盘面大小应方便安装和观察。q精度等级 根据工艺要求所允许的最大

23、测量误差确定。第五节 压力计的选用及安装48第五节 压力计的选用及安装1.1.1.1.测压点的选择测压点的选择测压点的选择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。30n二、压力计的安装49第五节 压力计的选用及安装2.2.2.2.导压管铺设导压管铺设导压管铺设导压管铺设 导压管粗细要合适，一般内径为610mm，长度应尽可能

24、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。3150第五节 压力计的选用及安装3.3.压力计的安装压力计的安装压力计的安装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。3251第五节 压力计的选用及安装测量蒸汽压力时，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

25、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。图2-11 压力计安装示意图压力计；切断阀门；凝液管；取压容器3352第五节 压力计的选用及安装压力计的连接处，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pHg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。3453例题分析举例举例举例举例1.1.某某台台往往复复式式压压缩缩

26、机机的的出出口口压压力力范范围围为为25252828MPa，测测量量误误差差不不得得大大于于1 1MPa。工工艺艺上上要要求求就就地地观观察察，并并能能高高低低限限报报警警，试试正正确确选选用用一一台台压压力力表，指出型号、精度与测量范围。表，指出型号、精度与测量范围。解解由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选择仪表的上限值为 根据就地观察及能进行高低限报警的要求，由本章附录，可查得选用YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa。3554例题分析 由于 ，故被测压力的最小值不低于满量程的 1/3，这是允许的。另外，根据测量误差的要求，可算得允许误差为 所以，精度等级为1.5级的仪表

27、完全可以满足误差要求。至此，可以确定，选择的压力表为YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa，精度等级为1.5级。3655例题分析2.2.如果某反应器最大压力为如果某反应器最大压力为0.60.6MPa，允许最大绝对误差，允许最大绝对误差为为0.020.02MPa。现用一台测量范围为。现用一台测量范围为0 01.61.6MPa，准确度，准确度为为1.51.5级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？若采用一台测量范围为要求？若采用一台测量范围为0 01.01.0MPa，准确度为，准确度为1.51.5级的压力表，问能符合误差要求吗？试说明其理由。级的压力表，问能符合误差要求吗？试说明其理由。解：解：对于测量范围为01.6MPa，准确度为1.5级的压力表，允许的最大绝对误差为 1.61.5%=0.024(MPa)3756例题分析 因为此数值超过了工艺上允许的最大绝对误差数值,所以是不合格的。对于测量范围为01.0MPa，准确度亦为1.5级的压力表,允许的最大绝对误差为 1.01.5%=0.015(MPa)因为此数值小于工艺上允许的最大绝对误差,故符合对测量准确度的要求,可以采用。该例说明了选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值是不适宜的。385758