自动控制系统：第三章 压力测量

Xmin Xmax
1 零点调整(ZERO）
零点调整示意图
作用：使变送器输出的下限值与测量信号输入的下限值相对应。 当X=Xmin时，使Y = 4mA（0mA/20KPa）的调整，称作零点 调整。通常可通过在变送器外部的标有“Z”调整螺钉调整零点。
例2-2：对于测量范围为200-600KPa 的差压变送器，当输入 差压为X=200KPa时，输出信号Y应为4.3mA，输出信号不是 4mA，就需要对其进行零点调整，使输出信号Y = 4mA。
93.1Kpa）。
一、压力的定义
垂直而均匀地作用在单位面积上的力
P F A
国际单位: Pa KPa MPa ，其它单位在工程上仍有许多应用： 巴、毫米水拄、毫米汞拄、标准大气压、工程大气压等。
1kgf / cm2 98066.5Pa 0.1MPa 1bf / in2 (PSI) 6894.9Pa 6.8949KPa 1bar 0.1MPa
X X min X max X min
(Ymax
Ymin ) Ymin
测量值与变送器输出的换算：
X
Y Ymin Ymax Ymin
(
X max
X min
)
X min
各种输出与被测参数满足线性关系的变送器均可适用。
例2-1：一电Ⅲ型压力变送器，测量范围2～10MPa，在控制室测得信号
为12mA时，所测压力是多少MPa? 当所测压力为7.6MPa时，输出为多
3.2.1 液柱式压力计
被测介质 ρ´
一、U型管压力计
根据静力平衡原理可知，在U形管2-2截面上 左右压力平衡
P gh gh PA
教材是力平衡：PA ghA ghA PAA 有问题
g — 重力加速度； PA — 相对较低的压力或大气压； P — 相对较高的压力。
P P PA ( )gh=( )g(h1 h2 )
按压力的基准不同，压力的几种表示方式可分为： 绝压、表压、真空度（负压）。
大气压: 大气自重产生的压力
绝压: 以绝对真空作为它的基准 表压: 以大气压作为它的基准，
工程上最常用。 真空度: 低于大气压的压力
p表 p绝 p大气 （２－２） p真 p大气 p绝 （２－３）
图2-1 不同压力表示方法的关系
第三章 压力测量
基本概念 弹性式压力计（就地指示） 压力、差压变送器（远开始介绍石油、化工生产过程常用的四大参数：
压力、物位、流量、温度的测量仪表
在石油、化工、炼油、储运过程中，经常会遇到压力的测量 与控制，其中包括比大气压高很多的高压测量和比大气压低很 多的真空度测量。 例如： （1）油田开采晚期的注水工艺的压力为十几个MPa； （2）钻井的泥泵出口的压力在25MPa左右； （3）高压聚乙烯工艺压力高达280MPa； （4）而减压塔要低于大气压几百个mmHg（典型值为真空度
P
1
d2 D2
h2
g
若D＞＞d
P h2 g
h 2
h
P
两边读数 单边读数，灵敏度 、读数误差
三、斜管压力计
P P PA (h1 h2 ) g
因D＞＞d ，则 h1+h2≈h2=Lsin
P L g sin
L — 斜管内液柱的长度； α — 斜管倾斜角。
精确测量时，应考虑下降高度h1
第三节 远传式压力测量仪表
3.3.1 概述 3.3.2 电阻式压力计 3.3.3 电容式压力计 3.3.4 电感式压力计 3.3.5 其它压力计
3.3.1 概述
一、变送器与传感器的区别
传感器： 将各种非电量的工艺变量转换成为各种电量信号。
（R、C、L、I、V等）
变送器： 将各种非电量的工艺变量转换成便于远传的统一标准信号。
输出信号
气动变送器：
20～100kPa
电动变送器: 电Ⅱ型 0～10mA；
电Ⅲ型 4～20mA
能源 140kPa 70年代-80年代中 220VAC 80年代中-90年代初 24VDC 90年代初---
变送器的输入X和输出Y为线性关系。
3.3.1 概述
变送器输出与测量值的换算：
Y (Io或Po )
工作液 ρ
水或水银等液体
P h
读:h 、h 12
h
P
若PA为大气压，被测介质为气体， ρ´<< ρ， 可忽略不计。
则上式可表示为：
ΔP为表压、绝压、真空度? 表压
P P PA gh g(h1 h2 )
h 、h 12
h
P
两边读数，不便
二、单管压力计
P P PA (h1 h2 ) g
控制室
二线制变送器
3.3.1 概述
（3） 三线制
现在有一部分仪表，由于传感 器需要的供电电流较大，采用 二线制的电流不够，所以采用 三 线 制 --- 将 四 线 制 的 电 源 地 与 信号地共用一根线。
三线制变送器
3.3.1 概述
四、变送器的零点、量程调整
Y K1K2 X X 0 K2
Xmin Xmax
R r
OA x OB
k2 x
k2k1P
KP
指针位移（弧长）与压力成正比。
讨论：
y
RL r
R OA r
R OA x
r
OB
k2 x k2k1P
KP
(１) 零点调整
改变指针初始位置或表盘位置
（标准表可调整表盘位置）。
(２) 量程调整 量程由k1、R、r、OA、OB决定，其中k1、R、r、OA由厂家定， 用户可通过OB调整，改变B点调整螺钉的位置。
当材料、结构固定后，可通过调整OB，改变B点位置实现。
OB
（4） 游丝 克服因扇形齿轮和中心齿轮的间隙所产生的仪表变差。
三、电接点压力表 在普通弹簧管压力表的基础
上附加两个静触点1和2，触点 位置可根据要求的压力上、下 限数值设定。
指针3为测量值，是动触点， 在动、静触点之间接入电源。
压力超限时，动、静触点闭 合，报警回路接通，信号灯亮 （蜂鸣器响）发出报警信号。
P
(h2
h1)
g
( L sin
L
A2 A1
)
g
L(sin d 2 ) g KL
D2
因L＞h2 ，灵敏度高于单管。
常用于微小压力测量, 测量范围一般为0～2000Pa。
3.2.1 液柱式压力计
四、 液柱式压力计特点 （1） 就地指示，简单直观 （2） 测量低压（差压） （3）常用于实验室，因不能耐高温、易碎，现场很少用 （4）因工作液不同，液柱表面会出现弯月现象，正确的读数方法：
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。
在压力P作用下，大容器内工作液下降体积 等于玻璃管内工作液上升体积，即：
被测介质： 气体
h1A1=h2A2
h1
A2 A1
h2
d2 D2
h2
A1 — 大容器截面； d — 玻璃管直径； A2 — 玻璃管截面； D — 大容器直径。
电动Ⅱ
电动Ⅲ
电源： 220VAC
24VDC
信号： 0～10mA 4～20mA
缺点：电缆成本高、故障率高。
现场
控制室
四线制变送器
3.3.1 概述
（2） 二线制 两根导线与现场变送器相连。 既是电源线又是信号线，电源
与负载串联接入变送器。 电源：24VDC 信号：4～20mA
现场
控制室
四线制变送器
现场
OA>>r θ' θ 实现转角的放大(弧长不变)。
③第三次放大（指针） 转过的角度相等：
θ' y L y R L
Rr
r
R r y L
实现弧长的放大（转角不变）。 结论： P 弹 簧管自由端位移x 扇形 齿轮L 一次放大
中心 齿轮 二次放大 指 针 y 显示
y
R r
L
R r
OA
根据工艺 变量不同
压力变送器、传感器 差压变送器、传感器 液位变送器、传感器 流量变送器、传感器 温度变送器、传感器 成分变送器、传感器
………
3.3.1 概述
二、变送器的作用
将被测参数（P、L、T、F· · ·）转换成标准统一信号 （4～20mA、20～100kPa、0～10mA等）远传，供显示、 记录、控制、运算、报警等。
还可经中间继电器实现某种信号联锁控制或位式控制。
（四）常用压力表型号
YX-电接点压力表 YB-标准表
YO-氧用压力表
YY-乙炔压力表 YA-氨用压力表 YN-耐振压力表
优点：简单可靠；价格低廉；精度高， 测量范围宽 （-0.1～103MPa）；
缺点：只能就地显示或报警。
但很多情况需要将压力信号传送到控制室，作为记录、显示、 控制、报警等用。需要远传时，要采用电气式压力计， 下一节，主要介绍用于远传的电容式压力变送器。
弹性元件在其轴向受外力作用时，会产生拉伸或压缩位移。
F CX
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 F Ae p
Ae —— 弹性元件的有效面积； P —— 被测压力 。
则
X Ae p
C
若 Ae / C 为常数，则 X 与 P 为线性关系。
二、弹簧管压力计 原理示意
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 月面的最高点。
3.3.2 弹性式压力计
工作原理：利用各种弹性元件受压后产生弹性变形(位移) 测量压力。
一、弹性元件 材料: 铍青铜、磷青铜、不锈钢、 橡胶膜片等。 常用弹性元件: 弹簧管、膜片、膜盒、波纹管。
弹簧管
多圈弹簧管
膜片
膜盒
波纹管
零点调整，改变X0，不改变量程，改变测量范围。
（3）传动放大机构 第一次放大(杠杆) 第二次放大(中心齿轮)
第三次放大（指针）
自由端
自由端
① 第一次放大(杠杆) 转过的角度相等：
θ L x L OA x
OA OB
OB
OA > OB L > x 实现弧长的放大。
②第二次放大(中心齿轮) 两齿轮啮合，走过弧长相等：
L OAθ r θ' θ' OA θ r
少mA?
X 12 4 ( 10 2 ) 2 6( MPa ) 20 4
I 7.6 2 (20 4) 4 15.2(mA) 10 2
只要知道测量范围，就可对输入、输出进行换算。
3.3.1 概述
四、变送器的连线方式 （1） 四线制
四根导线与变送器相连。
两根为电源线，两根为信号线。
和弹性模量； h — 弹簧管壁厚；
κ — 弹簧管几何参数，
α、β — 与a/b比值有关的参数。
x R k1P 自由端的x与所测压力P成正比。
P 截面椭圆趋于圆自由端 x
结论： x k1 P k1 ↑ →量程↓
K1由若弹簧管横截面几何形状、刚度等决定，则 P↑→ x↑ 可据位移x变化测量压力P。 刚度↑→ k1↓→量程↑ 弹簧管长度↑→ k1 ↑ →量程↓ 用于小量程（多圈弹簧管） 弹簧管将被测压力换成自由端位移 x（太小） ，但灵 敏度低，需要对其进行放大。
当绝对压力大于大气压时，一般用表压表示； 绝对压力小于大气压时，一般用真空度表示。
基本概念
三、压力仪表分类：根据信号传输方式 1. 就地指示式：液柱式、弹管压力表 2. 远传信号式：电阻式、电容式、霍尔式、电感式等
第二节 就地指示压力测量仪表
3.2.1 液柱式压力计 3.2.2 弹性式压力计
测氧气时，不得沾有油脂或有机物。 作用：感受压力信号，并转换为位
移信号。
测量端
自由端
（2） 测压原理
利用弹簧管的椭圆或扁圆特殊截面，受压后长轴变短、 短轴变长，趋向于圆形，从而引起自由端B位移。
P 1 2 R2 (1 b2 ) kp
E bh
a2 2
μ、E — 弹簧管材料的泊松系数
二、压力的几种表示方式
大气压: 大气自重产生的压力
地球上面的空气层密度不是相等的，靠近地表层的空气密度 较大，高层的空气稀薄，密度较小。 海拔越高，大气压强越小．
在海拔3000m之内，每上升1m大气压强约减小10Pa。
标准大气压强: 1.01325×10^5 Pa=101.325KPa，1个大气压
压力
转换成标准
差压
统一信号
远传到控制室
液位
显示
温度
工艺参数 变 送 器 记录
流量
电流
控制
含水率 …….
现场
控制室
3.3.1 概述
三、变送器的输入输出关系 输入：Xmin～Xmax变送器测量范围 L =Xmax―Xmin 变送器量程 输出：Ymin～Ymax 输出信号范围 不同类型的变送器，其能源及 输出的标准信号范围不同。
仪表由测量系统、指示部分和表壳部分等组成。 测量系统——接头、弹簧管和齿轮传动机构等组成。 指示部分——分度盘、指针组成。 表壳部分——表盖、玻璃和罩壳等组成。
（1） 测量元件（弹簧管） 结构：扁平、中空，截面为扁圆或椭圆形。
一端固定(测量端)一端封闭(自由端), 弧度270º。 材料：一般为铜或铜合金。测量氨介质须用氨用压力表；