動力工程及儀器-第3章

1、學(xué)習(xí)要求 掌握流體穩(wěn)態(tài)壓力測量的基本原理、彈性壓力計的測壓原理，幾種壓力信號變送方法;電容式壓力變送器的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)原理、調(diào)整及使用方法，智能型壓力變送器。,第三章 壓力測量及儀表,3.1 壓力的概念及單位一、壓力的定義1 、法向壓力,而靜止流體中某點(diǎn)壓力與在該點(diǎn)所取的面方向無關(guān)，即某點(diǎn)各方向上的壓力相等。 (各向同性,靜壓),表3-1 壓力單位換算表,二、壓力分類1. 從測量的角度分：靜定壓力 (穩(wěn)態(tài)壓力) 、

2、變動壓力、脈動壓力2. 按測量的方法分： 絕對壓力 (abs) ，表壓力 (G),差壓力,3.按信號轉(zhuǎn)換原理分,1．液柱式壓力測量:根據(jù)流體靜力學(xué)原理，把被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度差進(jìn)行測量。一般常用儀器是充有水或水銀等液體的玻璃U形管或單管等。2．彈性式壓力測量:根據(jù)彈性元件受力變形的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件的位移或力進(jìn)行測量。常用的彈性元件有彈簧管、彈性膜片、彈性膜盒和波紋管等。3．電氣式壓力測量:利用敏感元件將被測壓

3、力直接轉(zhuǎn)換成各種電參量進(jìn)行測量，例如電阻、電容、電流及電壓等。4．活塞式壓力測量:根據(jù)液壓機(jī)械中液體傳遞壓力的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞面積上所加平衡砝碼的重力進(jìn)行測量。它被普遍用作標(biāo)準(zhǔn)儀器對其它壓力測量儀表進(jìn)行檢定，例如壓力校驗臺等。,3.2.液柱式壓力計一、液柱式壓力計 應(yīng)用流體靜力學(xué)知識，通過液柱高與壓力的關(guān)系設(shè)計而成，基本原理比較簡單。,問題：與直管式比較，斜管式微壓計的優(yōu)點(diǎn)是什么？,3.3. 彈性式壓力計

4、 利用材料在彈性范圍內(nèi)變形與外力為線性關(guān)系的原理，制成不同形式及滿足不同要求的壓力計。,,,,,一、彈性元件,彈性膜片（膜盒）,波紋管,μ、Ｅ——彈簧管的泊松系數(shù)和彈性模量h ——彈簧管的壁厚Ｋ——彈簧管的幾何參數(shù)Ｒh／a2α、β——與a和b有關(guān)的參數(shù),彈簧管,二、常用彈性式壓力計,1．膜片式壓力計,可用于測量對銅和鋼及其合金有腐蝕作用或粘度較大介質(zhì)的壓力或真空度（采用不銹鋼膜片）。若采用敞開式法蘭結(jié)構(gòu)或隔膜式結(jié)構(gòu)，可用于測量

5、高粘度、易結(jié)晶或高溫介質(zhì)的壓力或真空度。膜片式壓力計的測量范圍一般為0~5.88×106Pa，精度為2.5級。,2、膜盒式壓力計,膜盒壓力表的彈性感壓元件為膜盒，適用于測量空氣或其他無腐蝕性氣體的微壓或負(fù)壓。例如電廠鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)中風(fēng)、煙壓力測量及鍋爐爐膛負(fù)壓等參數(shù)的測量。,膜盒式壓力計的測量范圍為150~40000Pa，精度一般為2.5級，較高的可達(dá)1.5級。,3．波紋管壓力計,雙波紋管差壓表就是一種機(jī)械位移變換就地顯示壓差的

6、波紋管壓力計，它主要作為流量和水位等測量的中間變換或顯示儀表。由于波紋管在軸向容易變形，所以靈敏度較高，在測量低壓時它比彈簧管和膜片靈敏得多。其缺點(diǎn)是遲滯值太大,4．彈簧管壓力計,彈簧管壓力計主要由感壓元件彈簧管、齒輪機(jī)械傳動放大機(jī)構(gòu)、指針標(biāo)尺等部分構(gòu)成 ，彈簧管壓力計分為普通型壓力計、精密壓力計、密封型壓力計、充油型壓力計、差壓計、雙針型壓力計等。,5 、電接點(diǎn)壓力計,電接點(diǎn)壓力計測量工作原理和彈簧壓力計相同。報警信號可以顯示、連接

7、繼電器聯(lián)鎖，但不能遠(yuǎn)距離 傳送。,3.4 電氣式壓力測量,電氣式壓力測量是利用壓力敏感元件將被測壓力信號直接轉(zhuǎn)換成各種電參數(shù)量的測量方法，在集中測量、自動控制等自動化場合得到廣泛應(yīng)用。電氣式壓力測量方法有電位器式、應(yīng)變式、電感式、電容式、壓電式、壓阻式、壓磁式、霍爾效應(yīng)式、振弦式、光纖式 。,3.4.1 電位器式壓力測量,電位器式壓力測量的原理是把被測壓力信號轉(zhuǎn)換成電位器電阻變化，通過測量電阻值達(dá)到測量壓力目的的一種測量技術(shù)。適用于

8、壓力變化比較大的場合。,電位器式壓力傳感器在測量過程中，彈性元件的形變端與電位器的滑動觸點(diǎn)剛性相連，彈性元件承受壓力，產(chǎn)生形變，從而帶動滑動觸點(diǎn)移動，把彈性元件的輸出位移轉(zhuǎn)換成電位器滑動觸點(diǎn)的位移，從而把被測壓力的變化變換成電位器電阻值的變化。通過測量電位器電阻值的變化，就可以得知被測壓力的大小。對于電位器電阻值的測量，常采用不平衡電橋測量法或恒流源測量法,一. 應(yīng)變式壓力傳感器,1 、基本思路,壓力作用,,電阻材料與受力材料同時變形

9、,,電阻阻值變化,,電橋失衡,,比較得壓力值,輸出電壓變化,,關(guān)鍵在于: 材料變形與壓力的關(guān)系,3.4.2 應(yīng)變式壓力測量,電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值隨著所受機(jī)械變形 (伸長或縮短) 的變化而發(fā)生變化。,,2 、基本原理：,應(yīng)變片,應(yīng)用電橋電路，將微小的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，通過放大進(jìn)行測量，由測得的應(yīng)變推算出應(yīng)力值。,K —應(yīng)變片的靈敏系數(shù),,全微分,,相對變

10、化量,,,,,,二、應(yīng)變片結(jié)構(gòu)及性能,,,,金屬應(yīng)變片,半導(dǎo)體壓阻片,三．應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償,（1）線路補(bǔ)償法,（2）溫度自補(bǔ)償法,應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償,四．應(yīng)變式壓力傳感器,應(yīng)變式壓力傳感器是將應(yīng)變片粘貼在感壓彈性元件上構(gòu)成的，它可將被測壓力的變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化。,五、固態(tài)壓力傳感器,固態(tài)壓力傳感器采用半導(dǎo)體應(yīng)變式壓力測量原理，其敏感元件是用單晶硅制成的硅杯。硅杯的結(jié)構(gòu)有C型和E型等，其中C型適用于壓力傳感器，E型適用于測量靜壓力。

11、,六、應(yīng)變測量中的電橋電路,將應(yīng)變片作為 R1 接在電路中，調(diào)整其他電阻阻值，使電橋平衡。當(dāng)應(yīng)變片阻值變化時，電橋失衡。輸出,電橋平衡條件,,,,,半橋接法:相鄰的兩個橋臂，一個受拉,一個受壓,全橋接法: R1,R4增加，R2 和R3 減小,3.4.3. 電感式壓力傳感器,1、結(jié)構(gòu)和工作原理,2．自感式壓力傳感器,圖3-22 自感式壓力傳感器原理結(jié)構(gòu)圖1—電感線圈 2—銜鐵 3—測量膜片4—隔離膜片 5—溫度傳感器 6、

12、7—引線8—非磁性套管 9—測量室 10—基座,按照傳感器敏感元件結(jié)構(gòu)形式的不同，可分為變氣隙、變截面和螺管式三種，其中螺管式量程最大，雖然靈敏度低，但結(jié)構(gòu)簡單、便于制作，因而應(yīng)用比較廣泛。下面以螺管式壓差傳感器為例，簡要介紹自感式壓力傳感器的工作原理。螺管式壓差測量原理結(jié)構(gòu)如圖,3．互感式壓力傳感器,圖3-23 差動變壓器式壓力傳感器原理結(jié)構(gòu)圖1—初級線圈 2、3—次級線圈 4—銜鐵 5—骨架,變換原理:將被測量的變化

13、轉(zhuǎn)化為電容量變化,兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:,S,d 或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。,3.4.4. 電容式壓力傳感器,一)極距δ變化型,b)面積變化型,2 平面線位移型,3 柱面線位移型。,,,c) 介質(zhì)變化型,電容式壓力傳感器分析舉例,(1) 改變兩極板的距離,輸出的非線性失真不超過1%,靈敏度提高一倍!,當(dāng),(2) 改變兩極板間有效工作面積,當(dāng)極板受被測機(jī)械量作用移動 后，兩極板間電容量的變化為:,?,(3)

14、 改變介電常數(shù),兩極板的寬度為d,?,介電常數(shù)：空氣１.00054，硅油2.7,水80,陶瓷103～４,4. 1151系列電容式壓力傳感器,3.4.5 壓電式壓力傳感器,1 、基本原理,壓力作用,,晶體產(chǎn)生電荷,,產(chǎn)生電壓或電流,特點(diǎn)：頻率響應(yīng)特性好，電荷不持久,切片產(chǎn)生的電菏與尺寸無關(guān),切片產(chǎn)生的電菏與尺寸有關(guān),壓電陶瓷的壓電特性及測壓原理,,感壓彈性膜片、支持片、壓電晶體及引出線、絕緣套管等組成。,2、壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu),3 、壓

15、電式壓力傳感器測量電路,輸出電荷的充要條件：,,外電路負(fù)載無窮大,內(nèi)部無漏電,,電壓放大器或電荷放大器電路,什么是電荷放大器？,一種具有電容負(fù)反饋的輸入阻抗非常高的高增益運(yùn)算放大器,,,～,,,,,,,,,,,,,,,,,,,反饋電容,,,,,活塞式壓電壓力傳感器,3.4.6 壓阻式壓力傳測量,1.基本原理:材料的電阻值隨壓力變化而變化。如:半導(dǎo)體、鉑、錳、康銅和鎢等材料。,2. 優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單、體積小、穩(wěn)定性好、動態(tài)響應(yīng)快、耐振耐沖擊

16、、精度高、線性度好，是傳感器的主流產(chǎn)品。,MPM380 型壓阻式壓力傳感器,壓阻式壓力變送器,,,接流體,接輸出信號,,,可顯示的壓阻式壓力變送器,微型壓阻式壓力變送器,3.4.7. 壓磁式壓力傳感器,圖3-30 壓磁式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1—外殼 2—彈性膜 3—線圈 4—鐵芯,被測壓力通過感壓彈性膜片2傳遞給由坡莫合金制成的鐵芯4，鐵芯在壓力作用下，其磁導(dǎo)率發(fā)生改變，從而引起線圈3阻抗變化。顯然，線圈阻抗變化與被測壓力有關(guān)

17、。,3.4.8 霍爾效應(yīng)壓力傳感器,1.基本原理:某些金屬或半導(dǎo)體片兩端通以電流,并在薄片的垂直方向加上磁場B,則會在垂直于電流和磁場平面的方向產(chǎn)生一個電動勢。,,——霍爾系數(shù)，由載流材料的物理性質(zhì)所決定。,,霍爾元件的靈敏度系數(shù)，它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān),——,,為了保證霍爾傳感器輸出的霍爾電勢與位移成單值函數(shù)關(guān)系，必須滿足兩個條件。,供給霍爾元件以恒定的工作電流。一般采用橋式整流、穩(wěn)壓的晶體管恒流源供電。磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)線

18、性變化，即磁場梯度均勻。常采用將磁鋼的磁極片設(shè)計成特殊形狀的方法。,2. 優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、可用動圈儀表顯示結(jié)果、可以遠(yuǎn)距離輸送。,3. 缺點(diǎn):控制電流必須恒定,容易受溫度影響。,3 .5 壓力測量與壓力儀表校驗,3.5.1 活塞式壓力計,活塞式壓力計能達(dá)到的準(zhǔn)確度等級有0.02、0.05和0.2級三種，可分別用來校驗0.25級精密壓力表、各種工業(yè)級壓力計和傳感器等，校驗壓力最高值有0.6、6、60MPa三種?；钊綁毫τ嬍抢?/p>

19、用靜力平衡原理工作的，由壓力發(fā)生系統(tǒng)和活塞測量系統(tǒng)兩部分組成，,3.5.2 靜態(tài)標(biāo)定 在被測壓力穩(wěn)定時，確定測量系統(tǒng)的輸出輸入量之間的關(guān)系。 液柱式壓力計的標(biāo)定,3.5.3. 壓力儀表校驗,1．正壓儀表校驗,①按圖3－33安裝好儀表。②關(guān)閉切斷閥a、b、c，開啟進(jìn)油閥d，并將手搖泵絲桿全部旋出泵外，使手搖泵中充滿工作液；然后關(guān)閉進(jìn)油閥d，開啟切斷閥a、b、c，此時若將手搖泵絲桿向泵內(nèi)旋入，即可實現(xiàn)系統(tǒng)增壓。③在被校壓力表

20、測量范圍內(nèi)均勻選取4~5個檢驗點(diǎn)，一般應(yīng)選在帶有刻度數(shù)字的大刻度點(diǎn)上。④均勻增壓至量程上限，保持上限壓力3分鐘；然后均勻降至零壓，觀察整個操作過程中，被校壓力表指針有無跳動、停止、卡塞現(xiàn)象。⑤單方向增壓至校驗點(diǎn)后讀數(shù)，輕敲表殼再讀數(shù)。用同樣的方法依次增壓至每一個校驗點(diǎn)進(jìn)行校驗；然后再單方向緩慢依次降壓至每一校驗點(diǎn)進(jìn)行校驗。⑥計算被校表的基本誤差、變差、零位和輕敲位移等。,2．真空儀表校驗,校驗真空表時，其操作方法與校驗正壓儀表略有

21、不同，可參考下列步驟進(jìn)行：①清除活塞式壓力計內(nèi)部傳壓工作液。②關(guān)閉切斷閥a、b、c，開啟進(jìn)油閥d，并將手搖泵絲桿全部旋入泵內(nèi)。③關(guān)閉進(jìn)油閥d，開啟切斷閥b、c（b閥上接標(biāo)準(zhǔn)真空計或U型管水銀壓力計），此時若將手搖泵絲桿向泵外旋出，即可使系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生真空。若旋出一次尚未達(dá)到所需真空時，可重復(fù)（2）、（3）直至所需的真空度為止。④其它要求與校驗正壓儀表相同。 用活塞式壓力計校驗真空儀表，設(shè)備簡單、操作方便。但活塞式壓力計能產(chǎn)生的真

22、空度只能達(dá)到-8.6×104Pa。若需校驗更高的真空度，應(yīng)采用真空泵作為真空源進(jìn)行校驗。,3.6 測壓儀表的選擇安裝與故障分析,3.6.1 測壓儀表的選擇,（1）從被測介質(zhì)的性質(zhì)考慮,（2）從被測介質(zhì)壓力大小考慮,（3）從工藝要求來考慮,（4）從儀表的使用環(huán)境考慮,1．儀表種類的選擇,2．儀表量程的選擇,測量穩(wěn)定壓力時，最大工作壓力不應(yīng)超過量程的2/3；測量脈動壓力時，最大工作壓力則不應(yīng)超過量程的1/2；測高壓時則不應(yīng)

23、超過量程的3/5。為了保證測量準(zhǔn)確度，最小工作壓力應(yīng)不低于量程的1/3。測壓力變化范圍較大，超過了上述要求，則應(yīng)使儀表量程上限滿足最大工作壓力條件。,用0~1.6MPa量程的壓力表測量容器的壓力，若要求測量值的絕對誤差不大于±30kPa，試確定壓力表的精度。解：儀表精度,1.5級精度的壓力表足以滿足生產(chǎn)需要。,3.6.2. 測壓儀表的安裝,一、壓力測點(diǎn)位置的選擇,,1、水平或傾斜管道上壓力測點(diǎn)的安裝：氣體介質(zhì),取壓口管道

24、上部(防止凝結(jié)液體)；液體介質(zhì),取壓口管道下部(防止含有氣體)；蒸汽介質(zhì),以上兩點(diǎn)綜合.,2、測點(diǎn)低于1個大氣壓的測點(diǎn),標(biāo)高應(yīng)盡量接近測量儀表。,3、4、5、6、7電廠鍋爐的具體參考點(diǎn)。,二、取壓裝置的形式和安裝：,蒸汽、水、油等介質(zhì)的取壓裝置：插座、引壓管、取源閥門；含有微塵的氣體壓力測量：取壓管傾斜30度向上；氣粉混合物壓力測量：沉淀器；帶疏水裝置的凝汽器真空測量：擴(kuò)容管、疏水容器、回水管等部分。,三、引壓管路敷設(shè),1、水