热工第3章 压力测量

二、弹性元件的特性
2、刚度和灵敏度：
刚度(K)：使弹性元件产生单位变形所需要 的负荷。 灵敏度(S)：在单位负荷作用下产生的变形。
K=1/S
K大 S小→大量程压力； K小 S大→微小波动压力
二、弹性元件的特性
3、弹性迟滞和弹性后效：
弹性迟滞 ——弹性 元件在其弹性变形范 围内，加负荷与减负 荷时表现的输出特性 不相重合的现象。 滞后误差（Δ）
F1 = K1(P+-P-) F2 = K2 F1 F3 =F2 （ tgθ ） F4 = K3 F3 Ff = NLBI F4 = Ff
K1 K 2 K 3tgθ K I= ( P+ − P− ) = ΔP N NLB
力平衡式压力变送器的原理方框图：
Px
弹性元件
F1
杠杆系统
F4 Ff
副杠杆
S
差动 变压器
电容式压力（差压）变送器
特点：
• 具有最少的可动部分，结构简单； • 测量范围宽，精确度高(达0.2级)， 灵敏度高，体积小； • 能输出(4—20)mA的直流标准信号。
工作原理： px →弹性膜片s →极板间距d →电容C→I
A C = Kε d
ε— 介质的介电常数 A — 极板间相互覆盖的面积 d — 极板间的距离
霍尔压力传感器
霍尔效应：霍
尔效应
半导体单晶薄片置 于磁场(B)中，纵向 通控制电流I ，则横 向产生电势EH。
EH=KH I B
工作原理：
px →s →B → EH EH =Ks
恒流源
初始状态：霍尔片处于中间， EH =0
均匀梯度磁场
注意事项：
（减小温度误差）对霍尔元件进行恒温或 采用其它温度补偿措施； （减少不等位电势和零位误差）注意霍尔 元件各处的电阻率、厚度、材料性质等不 均匀性以及不对称焊接，采用补偿电路。
(C2 − C1 )] = K × p
现场接线:
振弦式压力变送器
工作原理：
px →弹性膜片s →振弦张力F →固有频率f
1 T 1 = f = 2l ρ 2l
k
ρ
px
820系列振弦式压力变送器工作原理：
特点：
输出为频率信号，因此具有较强的抗干 扰能力，而且零飘小，温度特性好、准 确度高，通常为0.2级，易于与计算机等 数字监控系统联接。
4、保证仪表与取压口要在同一水平上 对于未预先调整仪表机械零位的压力 表，在使用中其读值应注意安装高度的 液柱修正。
[例3-3] 已知如图(a)和(b)的测压系统中，脉冲水密度 为ρ=988kg/m3，高度差H=10m，仪表指示压力 pd=40bar，大气压力为patm=1atm,试求图(a)和图(b)中 容器内介质绝对压力各为多少MPa？ 解：高度差压头 Hρg = 10×988×9.80665= 96889.7 Pa 对于图（a）: pabs= pd+ Hρg+patm = 40×105＋96889.7＋101325 ≈ 4.2 MPa 对于图（b）: pabs= pd -Hρg+patm = 40×105-96889.7＋101325 ≈ 4.0 MPa
适用于测量空气或其它无腐蚀性气体的微 压或负压。 精度等级—般为2.5级，高的可达1.5级。 锅炉上常用于测量送风系统、制粉系统、 炉膛负压和尾部烟道的压力测量。 测量范围为150～4000Pa。
波纹管式压力表
波纹管——具有等间距同轴环状波纹，能沿轴向伸缩
无缝波纹管
有缝波纹管
波纹管式压力表
双波纹管差压表
在电厂中主要作为水位的显示仪表或变送 器使用，有时也作为流量显示仪表； 通入仪表的正、负压室的静压一般很高， 但测的静差压不大。
弹簧管式压力表
弹簧管
测量范围：真空到103MPa；不能测差压。 实物图：
弹性式压力表的特点
结构简单，使用方便和价格低廉 应用范围广、测量范围宽 只能测表压和负压 就地显示
§3-3 电气式压力测量
压力（差压）传感器（Pressure Senser）
能够感受压力（差压）并能按一定规律将其转 换成相同或不同性质的输出变量的仪表。
变送器（Transducer）
输出为标准信号（电信号）的传感器。 如 4-20mA电流信号。
电位器式压力传感器 电感式压力（差压）传感器 霍尔压力传感器 电容式压力（差压）变送器 振弦式压力变送器 应变式压力变送器 力平衡式压力变送器
以测压弹性膜片作为可变电容器的活动极板。
px →弹性膜片s →极板间距d →电容c→I
C2 − C1 p = K1 C2 + C1
1151型电容式变送器
工作过程：
转换电路图：
I sig = K 2 I diff = K 2 [ fV p − p (C2 − C1 )] = K 2 [
I ref C2 + C1
单管式压力计
多管式压力计 ： 将数根肘管连至同 一个大截面容器。 电厂用它来测量炉 膛、烟道各处的负 压和凝汽器的真空 等。
斜管式微压计
原理图：
d2 Δp = l (sin α + 2 ) ρg = K ⋅ l D
斜管式微压计
使用方法： 测正压：被测压力通入大容器； 测负压：被测压力通入肘管； 测差压：将较高的压力通入大容器而将 较低的压力通入肘管。
斜管式微压计
实例图：
1－大容器；2－斜管；3－底座； 4－调斜管倾角支架；5－水平仪。
液柱式压力计的测量误差
1）环境温度变化引起封液密度和标尺 长度变化； 2）重力加速度的变化引起的误差； 3）毛细现象，使封液表面形成弯月 面，导致读数误差。
§3-2 弹性式压力测量
一、弹性元件的测量原理 二、弹性元件的特性 三、弹性式压力表
U
I
放大器
反馈动圈
特点：
结构复杂、 体积和重量大、动态特性差。 0.5 级
压力测量仪表的使用
测压仪表的选择 测压仪表的安装与使用要求
测压仪表的选择
1、仪表种类的选择 （1）被测介质的性质 （2）对仪表输出信号的要求 （3）仪表的使用环境
2、仪表量程的选取
量程上限的刻度值为 (1，1.6，2.5，4.0，6.0)×10n kPa 量程上限Pp与被测压力Px满足： 测平稳压力 1/3 Pp< Px < 2/3 Pp 测波动压力 1/3 Pp< Px ≈ 1/2 Pp
2.取压管路
取压管路的内径一般取7～13mm(对于水、 蒸汽)，其长度不宜过长(＜60m)。 取压管路不应有水平段敷设，以防聚集气 泡(测液体时)和水柱(测气体时)。
3. 附件
注意要保护仪表不受被测介质的损坏。 如测腐蚀性介质时，要加装隔离容器； 测含尘气体时，要在压力表前加装灰尘捕集器； 测量高温蒸汽时，要加装冷凝盘。
一、弹性元件测量原理
弹性元件在负荷（压力、力或力矩）作用 下，产生相应的变形（位移或转角），此 变形与负荷之间的有一定的函数关系。
F A x = = px K K
二、弹性元件的特性
1、输出特性（弹性特性） 2、刚度和灵敏度 3、不完全弹性 （弹性迟滞和弹性后效）
二、弹性元件的特性
1、输出特性：F= f (px) 或 x = f (px)
[例3-2] 已知扩散硅压力变送器输出电流为4~20mA， 原测量范围0~1MPa改为测量范围1~2.5MPa后，则原 来0.6MPa压力的电流表工作点对应于改测量范围后的 被测压力为多少？
测压仪表的安装和使用
安装、使用注意事项：
1、取压口 取压口应该与工质流速方向垂直。与设备 内壁平齐，并且不要有凸出物和毛刺。 测液体压力——引自管道截面的下部 测气体压力——引自管道截面的上部
E系列扩散硅变送器
1、3－隔离膜片 2－封入液 4－半导体传感器
力平衡式压力变送器
工作原理：
利用力平衡原理 px →弹性元件的集中力F →I
“力平衡”具有的优越性？
F2 F3 F5 S F4 Ff I P+ P-
F1
F2 F3 F5 S F4 Ff I NLBI=K1K2K3(tgθ)(P+-P-) P+ PF1
3、仪表精确度的选取
按国家标准化系列规定生产，有： 0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，4七个等级。 通常（0.5~4.0)％精度压力表用于工业现场； 0.2％精度用于企事业单位作三等标准表。
[例3-1] 己知某测点压力约10MPa，要求其测量误差不超过 0.1MPa。试确定该测点用的压力表量程范围及精度等级？
U 改变铁芯与线圈之间的相对位置
差动变压器式（互感式）压力测量
次级线圈头尾对接 1：铁芯；2：初级线圈； 3：次级线圈；4：骨架
u=e1-e2
起始状态：铁芯处于中间e1=e2，u=0； 铁芯上移： e1↑e2↓，u>0； 铁芯下移： e1↓e2↑ ，u<0。
注意事项：
电源 i 、f 变大则灵敏度变大；但i 过大线 圈发热，f 过高则铁芯涡流损失变大。 由于两次级线圈不完全对称，S=0时有残存 电势。
U形管压力计
Δp = hρg = (h1 + h2 )ρg
U形管压力计
使用注意事项： 保持U 形管垂直 ； 读数时眼睛应与封液弯月面顶部切线 平齐。
单管式压力计
1－宽容器 2－带标尺的肘管 3－连通管 4－水准泡
单管式压力计
原理图：
P2
F2 ΔP = h2 (1 + ) ρg F1
0
P1 h2 0 h1
电位器式压力传感器
原理：
px →弹性元件s1 →电位器滑动触点s2 →Rx →U
实例：电位器式压力变送器与XCZ-104组合使用
使用注意事项： 存在滑动摩擦阻力，电位器易磨损、 受污染。 不宜在有振动和有腐蚀性气氛的环境 中使用。
电感式压力传感器
原理： px →弹性元件s →线圈的电感L→U
热工测量仪表
教师： 朱红霞 Email： zhxia@njit.edu.cn
第三章
压力测量
液柱式压力测量 弹性式压力测量 电气式压力测量 压力测量仪表的使用
概
1、压力
述
——单位面积上垂直作用的力。
2、压力单位
——帕斯卡 1Pa＝1N/m2(牛/米2)
概
3、压力的表示方法
述
绝对压力(Pabs) 表压（正压）(Pmtr＝ Pabs－ Patm) 真空（负压）(Pvcm＝ Patm－Pabs ) 差压
二、弹性元件的特性
弹性后效 ——弹性 元件加负荷或减负荷 到某一数值时，弹性 变形不能同时达到相 应值，而是要经过一 段时间后才能达到应 有的应变量。
三、弹性式压力表
金属膜片式压力表 波纹管式压力表 弹簧管式压力表
金属膜片式压力表
Hale Waihona Puke Baidu膜片
平薄膜
波纹膜
金属膜片式压力表
实物图：
金属膜片式压力表
膜盒压力表
概
述
4、压力测量的主要方法和分类 1）液柱式 Px→ 液柱高度差 2）弹性式 Px→ 弹性元件的位移或力 3）电气式 Px→ 各种电量 4）活塞式 Px→ 活塞上所加平衡砝码
的重力
§3-1 液柱式压力测量
U形管压力计 单管式压力计 斜管式微压计
依靠液柱压头与被测差压(压力)相平衡来工作的 测量范围不大，主要用于正、负微压的测量，如 炉膛烟压，风道风压及测速装置的差压等等。
应变式压力变送器
工作原理：
px →弹性元件s →应变片电阻R→I
R=ρL/A dR/R=dL/L-dA/A+dρ/ρ μ=-(dD/D)/(dL/L) dA/A=2dD/D dR/R=(1+2μ)dL/L+dρ/ρ =(1+2μ+πE)ε 应变效应 压阻效应 金属应变片 半导体压阻片
扩散硅式压力传感器
1、已知某测点取压值约6MPa，当测量平稳变 化压力时，应选取多大测量范围的弹簧管压力 表?若要求|测压误差|不超过0.06MPa，应选多大 的精确度等级? 2、当测量某管道内液体压力时，压力计位于取 样点下方6m处，大气压力为1.02atm，信号管内 脉冲水密度为998kg/m3，压力计指示值为 1.2MPa。试求：被测液体的绝对压力为多少 MPa?不经高度校正指示相对误差是多少？ (1atm=101325Pa)