第二節　壓?力?測?量

壓力和溫度一樣,也是表征工質狀態的基本參數。通過壓力測量,可以監視鍋爐、除氧器、加熱器及管道等各種壓力容器的承壓情況,也可以監視汽輪機、水泵、風機等設備的潤滑油壓。此外,通過差壓測量還可以了解各流道的阻力及泄漏情況。

壓力是指物體單位面積上受到的垂直作用力。在國際單位制中,壓力的計量單位是帕斯卡(Pascal),簡稱帕(Pa),其物理意義是1N的力垂直作用在1m2的面積上所產生的壓力。壓力的常用單位及其換算關系見表2?2。

一、液柱式壓力計

液柱式壓力計是用一定高度液柱產生的靜壓力平衡被測壓力的方法來實現壓力測量的。液柱式壓力計一般用于105Pa以下的壓力及真空測量,其特點是準確度高、結構簡單、使用方便,但體積較大,不易實現指示值的遠傳及記錄。

通常使用的液柱式壓力計有U形管式、單管式、多管式及斜管式等幾類。

1.?U形管壓力計

U形管液柱式壓力計主要由U形玻璃管、封液及刻度尺組成,如圖2?20所示。其內部封液可以用水、汞、四氯化碳或其他液體。一般使用時,U形管一端用膠管與被測對象連通,另一端通大氣;如果另一端不通大氣而是用膠管與另一對象連通,那么就可以測量兩對象的差壓。

由靜壓力平衡方程可以列出壓力計壓差與封液垂直液柱高差的關系:

Δp=p1-p2=g(ρ2-ρ1)(H-h2)+g(ρ-ρ1)(h1+h2)(2?4)

式中　ρ1,ρ2,ρ——兩肘管內傳壓介質密度及封液密度;

H——壓力計接管口至刻度標尺零點處的高度;

g——重力加速度。

若ρ1=ρ2,則式(2?4)可簡化為

Δp=g(ρ-ρ1)(h1+h2)(2?5)

若ρ1=ρ2<<ρ,則式(2?5)可簡化為

Δp=gρ(h1+h2)(2?6)

若p2為大氣壓,則Δp即為表壓力,用pg表示,即

pg=Δp=gρ(h1+h2)(2?7)

即被測壓力與一定種類封液之液柱高度成正比。

2.單管壓力計

為避免U形管壓力計讀兩次數的麻煩,可將液柱式壓力計做成單管壓力計。單管壓力計主要由測量管、寬口容器、封液及刻度尺等組成,如圖2?21所示。

在壓力pg作用下,h1下降所減少的封液體積等于h2上升所增加的封液體積,即

h1A1=h2A2(2?8)

式中　A1,A2——寬口容器及測量管的橫截面積。于是

pg=ρg(h1+h2)=ρgh2(2?9)

當A1>>A2時,式(2?9)可近似為pg=ρgh2,即只需讀一個數h2就可確定被測壓力。其誤差與比值A2 /A1有關,當A2 /A1≤0.01時,因只讀h2而引起的測量誤差小于1%。

3.多管壓力計

當有很多測量管與大截面容器相連時就構成了多管壓力計,如圖2?22所示。

火電廠中可用它來測量鍋爐各噴燃器一、二次風的風壓及爐膛各處的負壓,測負壓時,寬口容器通大氣,各肘管(測量管)與各被測對象相通。多管壓力計顯示很直觀,便于運行人員監視、比較和操作。

4.斜管微壓計

上述壓力計在測量微小壓力時,由于讀數等引起的相對誤差會較大,為提高測量準確度,可做成斜管式微壓計,如圖2?23所示。測量管的傾斜角為α,故h2=lsinα,因此表壓力pg為:

pg=gρ(h1+h2)=gρl(2?10)

式中　A1,A2——大截面容器和測量管的橫截面積。

測量管傾斜角α越小,讀數放大倍數越大。但α過小,則因斜管內液面拉長,易沖散,反而影響讀數準確性,因此α角一般不小于15°。

斜管微壓計的測量范圍一般為100~2000Pa,準確度等級為0.5~1.0級。

5.液柱式壓力計的誤差

由液柱式壓力計的表達式pg=gρ(h1+h2)可知,壓力值不僅與液柱高度有關,而且與封液密度及重力加速度有關。儀表使用時,若使用地點的溫度、重力加速度與刻度條件不符,其指示值必然產生誤差。此外,測量管的毛細管現象和儀表安裝傾斜等也都會對測量準確性產生影響。下面簡單介紹幾種主要的影響因素。

(1)毛細管現象的影響。由于毛細管現象,將使得液柱產生附加上升或下降,因而產生附加測量誤差。對于單管壓力計,若采用吸附性封液(如水、酒精等)會產生正誤差;若采用非吸附性封液(如汞)會產生負誤差。為減少該誤差,通常要求液柱式壓力計的測量管內徑不小于10mm。當測量管內徑不小于10mm時,用水作封液的單管壓力計,常溫下由于毛細管現象引起的誤差一般不超過2mm;用汞作封液時,不超過1mm。毛細管現象引起的誤差不隨液柱高度變化而改變。

(2)環境溫度變化的影響。當環境溫度變化時,封液的密度和標尺的長度都會隨之改變,從而產生測量誤差。通常,固體線膨脹系數比液體體膨脹系數小得多,故一般也可以不考慮標尺伸縮的影響。

(3)重力加速度的影響。儀表使用地點的緯度與海拔高度不同,則重力加速度也不同;為此測量時應對重力加速度進行修正,其修正關系為

h1+h2=(h'1+h'2)(2?11)

式中　h1+h2——在標準重力加速度(gB=9.80665m/s2)下的示值;

h'1+h'2——在使用地點(重力加速度為gφ)儀表的示值。

二、常用彈性壓力表

彈性壓力表有多種類型,下面根據不同的彈性元件,介紹幾種常用壓力表。

1.彈簧管壓力表

在彈簧管壓力表中單圈彈簧管壓力表應用最為廣泛,它常用于測量對銅合金無腐蝕作用的液體、氣體和蒸汽壓力。

(1)原理。單圈彈簧管壓力表的彈性元件是自由端封閉的特殊成型管。當管內和管外承受不同壓力時,自由端產生一定的直線位移,如圖2?24(a)所示;該位移通過連桿帶動扇形齒輪轉換為角位移,再由小齒輪帶動指針在刻度盤上指示出相應的壓力值,如圖2?24(b)所示。也有的彈簧管壓力表采用杠桿放大機構,如圖2?25所示。常用壓力表的外形見圖2?26。

(2)型號。單圈彈簧管壓力表的型號由四部分組成:

第一方格:Y——單圈彈簧管壓力表;Z——單圈彈簧管真空表;YZ——單圈彈簧管壓力、真空表。

第二方格:X——電接點;O——氧用、禁油;B——標準表;Q——氫用;A——氨用;C——耐酸。

第三方格:表示表殼直徑,有40mm、60mm、100mm、120mm、150mm、160mm、200mm、250mm等幾種。　　

第四方格:表示結構形式,空位——徑向無邊;T——徑向有邊;Z——軸向無邊;ZT——軸向有邊。

例如:YZ?60ZT,表示軸向有邊的彈簧管壓力、真空表。

注:適于特殊介質用的壓力表,如YA型氨用壓力表、YO型氧氣壓力表、YQ型氫氣壓力表和耐酸壓力表等,其承受壓力的部件由相應的特殊材料制成。測量氧和測量氫壓力的儀表,在標度盤上的儀表名稱下分別畫一天藍色或深綠色橫線,測氧儀表還應標以紅色禁油字樣。

(3)壓力表的色標顏色。

壓力表的色標顏色見表2?3。

(4)檢定用工作介質。測量上限不超過0.25MPa的壓力表,檢定用工作介質為清潔的空氣,或無毒、無害和化學性能穩定的氣體;

測量上限為0.25~250MPa的壓力表,檢定用工作介質為無腐蝕性的液體;

測量上限為400~1000MPa的壓力表,檢定用工作介質為藥用甘油和乙二醇混合液或根據標準器的要求選擇。

說明:標準器與壓力表使用液體作為工作介質時,它們的受壓點應在同一水平面上,否則應考慮由液柱高度差所產生的壓力誤差。

2.膜片壓力表

膜片壓力表的彈性元件是膜片,被測介質通過接頭或法蘭進入膜片室;由于壓力的作用,膜片中心產生位移,此位移再通過傳動部件使指針指示出被測壓力值(動作過程與彈簧管壓力表相似)。常用的膜片壓力表有YP普通型和YPF耐腐蝕型等,前者適用于測量對銅合金無腐蝕作用的黏性介質壓力,后者適用于測量腐蝕性較強、黏度較大的介質壓力。表殼外徑有100mm和150mm兩種。如圖2?27所示為螺紋接頭的膜片壓力表。

3.膜盒壓力表

膜盒壓力表又稱為膜盒微壓計,其彈性元件為膜盒,適用于測量空氣或其他無腐蝕性氣體的微壓或負壓。被測介質一般由內徑為8mm的橡皮軟管插到壓力表接頭上引入,其原理結構如圖2?28所示。膜盒壓力表常用于測量火電廠鍋爐風煙系統的壓力及爐膛負壓。

4.隔膜式壓力表

隔膜式壓力表由膜片隔離器、連接管和普通壓力表三部分組成,并且根據被測介質的要求,在其內腔填充適當的工作液,如圖2?29所示。被測介質的壓力作用于隔膜片上,使之產生變形,壓縮內部充填的工作液;借助于工作液的傳導,由壓力表顯示出被測壓力值。它適用于測量有腐蝕性、高黏度、易結晶、含有固體狀顆粒、溫度較高的液體介質的壓力或負壓。

螺紋接口的隔膜式壓力表測量范圍為0~60MPa;法蘭接口的隔膜式壓力表測量范圍為0~25MPa。

5.電接點壓力表

電接點壓力表以彈簧管作為測量元件,表殼直徑一般為150mm,具有指示及控制電氣信號通斷功能,有直接作用和磁助直接作用兩種方式。儀表外形如圖2?30所示,壓力測量范圍與單圈彈簧管壓力表相同。儀表接點功率為:直接作用式10VA(最高工作電壓380V,最大允許電流0.7A);磁助直接作用式30VA(最高工作電壓380V、最大允許電流1A)。

三、壓力變送器

壓力(或差壓)變送器是一種將壓力變量(包括正、負壓力,絕對壓力和差壓)轉換為可傳送的統一輸出信號的儀表,而且其輸出信號與壓力變量之間有一定的連續函數關系,通常為線性函數。

壓力變送器有電動式和氣動式兩大類。電動式的統一輸出信號為0~10mA、4~20mA或1~5V等直流電信號;氣動式的統一輸出信號為20~100Pa的氣體壓力。

壓力變送器按不同的轉換原理可分為力(力矩)平衡式、電容式、電感式、應變式和頻率式等。下面簡單介紹幾種壓力(差壓)變送器的原理、結構、使用、檢修和校驗等知識。

1.電位器式壓力變送器

電位器式壓力變送器可分為環形滑線電位器式和條形滑線電位器式兩種。環形滑線電位器式壓力變送器如圖2?31所示。變送器的感受件是彈性元件,彈性元件自由端的位移經過放大帶動電位器滑動臂移動或轉動,從而輸出相應的電阻信號。

電位器式壓力變送器的特點是結構簡單、維修方便、輸出信號大、抗電磁干擾及核輻射性能好;缺點是滑線電阻的滑臂有接觸不良現象,不耐振動與沖擊,準確度及動態特性較差。

2.電感式壓力變送器

電感式壓力變送器實質上是一種壓力?位移?電感轉換器,有氣隙式、變壓器式、電渦流式三種,它是一類發展較早的壓力變送器。

(1)氣隙式壓力變送器。氣隙式壓力變送器原理如圖2?32所示。鐵芯線圈通一交變電流,因而在鐵芯及銜鐵回路中產生磁通。銜鐵通過非磁性桿與彈性膜片相連。當膜片感受壓力或差壓信號產生中心位移時,通過連桿帶動銜鐵,從而改變銜鐵與鐵芯的氣隙寬度δ或氣隙面積A,使鐵芯線圈電感L產生變化,其關系為

L≈K(2?12)

式中　K——比例系數,取決于線圈匝數和真空磁導率。

由上式可知,變氣隙面積A或氣隙寬度δ都可以使線圈電感L產生變化。實驗證明改變氣隙寬度的變送器靈敏度高,而改變氣隙面積的變送器輸出線性較好。

(2)變壓器式壓力變送器。差動變壓器式壓力變送器的結構、原理如圖2?33所示。

變壓器副邊繞組繞制成上、下對稱的兩組,兩繞組反向串聯輸出,即組成差動輸出形式。變壓器中間的活動鐵芯通過連桿與彈性元件自由端相連接。當差動變壓器結構及原邊所加交變電壓一定時,其副邊輸出電壓與鐵芯位移x呈線性關系。

(3)電渦流式壓力變送器。電渦流式壓力變送器主要由彈性元件、傳動系統帶動的檢測鋁片及固定的平面線圈組成。它的位移?電感轉換關系如圖2?34所示。

當平面線圈中通以高頻電流i時,線圈磁通將部分穿過鋁片(φ'),使鋁片產生電渦流i″。電渦流所產生的磁通又部分穿過線圈(φ″),使平面線圈的有效磁通φ減少。

平面線圈有效磁通φ的大小與檢測鋁片和平面線圈之間的距離x有關。x越小,鋁片感應的電渦流i″越大,φ″也越大,有效磁通φ則越小,因而平面線圈的有效電感L就越小。由于鋁片的位移Δx是由測壓彈性元件自由端通過傳動裝置帶動的,因此完成了壓力?電感的轉換。

電渦流變送器靈敏度高、動態特性好。

3.電容式壓力變送器

電容式壓力變送器是根據平板電容器的原理工作的,主要有變面積式、變距離式和變介電常數式三種類型。目前使用較多的是變距離式,該類型變送器主要由測量部分和轉換電路組成;被測介質壓力(或差壓)通過測量部分,轉換為差動電容,再經轉換電路轉換成4~20mA DC信號輸出,如圖2?35所示。電容式變送器的典型產品是羅斯蒙特公司的1151和3051變送器,它們是按變距離式原

理工作的。下面以1151變送器為例介紹電容式壓力變送器的結構、原理及使用注意事項等知識。

(1)測量部分

① 基本結構及工作原理。測量部分主要由隔離膜片、測量膜片、灌充液體、剛性絕緣體和電容固定極板構成,如圖2?36所示。這種結構對測量膜片具有較好的過載保護功能。當被測差壓過大時,測量膜片緊貼在一側的凹形球面上,以防因產生過大位移而損壞。過載消除后,測量膜片恢復到正常位置。灌充液(硅油或氟油)除用作傳遞壓力外,它的黏性對沖擊力具有一定緩沖(阻尼)作用,可消除被測介質高頻脈動壓差對變送器輸出準確度的影響。

在測量時,被測介質壓力直接作用在一側隔離膜片上,另一側可以是大氣基準壓力(用于測量壓力、真空)或其他比較壓力(用于測量差壓)。通過灌充液體將壓力傳遞到測量膜片上,當測量膜片兩側壓力不同時,其中心產生位移。測量膜片中心的位移相當于改變了其與固定極板間的距離,從而引起電容值變化。

② 轉換特性分析。測量部分將差壓(或壓力)信號轉換為差動電容的變化是經過兩個轉換過程實現的。

a.差壓?位移轉換特性。差壓?位移轉換原理如圖2?37所示。差壓與位移的轉換關系為

=×+×(2?13)

式中　Δp——被測差壓;

Δd0——膜片中心處的位移;

E——膜片材料的彈性模量;

R——膜片周邊半徑;

u——泊松比;

t——膜片厚度。

可見壓差?位移轉換特性是非線性的。但是,若Δd0<<t,可忽略該式中的高次項。此時位移Δd0與差壓Δp之間的關系為

Δd0=×Δp=K1Δp(2?14)

式中　K1——膜片的結構系數,一定結構的變送器,其K1值近似為一個常數。

由上式可以看出位移與壓差呈線性關系。為了保證壓差?位移為線性關系,要求膜片中心的位移僅為0.1mm。當測量較高壓差時,采用較厚的膜片,容易滿足Δd0<<t的條件;但在測量較低壓力時,不易滿足Δd0<<t的條件,此時需采用具有初始預緊應力的平膜片,這樣不僅可提高壓差?位移轉換的線性度,同時還可減小滯后效應。

b.位移?電容轉換特性。為分析簡便,將差動球面?平面型電容簡化成平板型差動電容,如圖2?38所示。

活動極板與兩固定極板之間的電容量分別為

C1=K(2?15)

C2=K(2?16)

式中　C1,C2——活動極板與上、下固定極板間的電容量;

K——量綱系數;

A——電容極板的有效面積;

ε——極板間介質的介電常數;

d0——被測壓差為零時測量膜片與兩固定極板間的初始距離;

Δd0——測量膜片在被測差壓作用下產生的位移。

差動電容ΔC為

ΔC=C1-C2=KεA=K'(2?17)

可見,差動電容ΔC與測量膜片的位移Δd0之間呈非線性關系。為了得到線性關系,可取兩電容之差與兩電容之和的比值作為輸出量,即

===K2Δd0=K1K2Δp(2?18)

上式即為電容式變送器測量部分輸入量與輸出量之間的線性特性表達式。由此式可得出如下結論:

當K1、K2為常數時,C1-C2/(C1+C2)與被測差壓成線性關系;

C1-C2/(C1+C2)之比值與介電常數無關,即從設計原理上消除了介電常數隨溫度變化給測量帶來的誤差;

若設計一種轉換電路,使其輸出電流I0=K3(C1-C2)/(C1+C2),那么I0就與被測壓差成正比關系;

如果電容極板的結構完全對稱,則可以得到良好的穩定性。

在上述分析中,沒有考慮分布電容的影響。若考慮分布電容CS的存在,則測量部分的電容比值為

=(2?19)

可見,分布電容的影響將造成非線性誤差。為了使變送器最終獲得高于0.25級的準確度等級,需在轉換電路中設置線性調整環節。

實測和計算表明,球面?平面型電容器有類似或接近平行板電容器的特性。測量部分大約有150pF的電容量輸出。

(2)轉換電路。轉換電路主要由振蕩器、解調器和振蕩控制放大器等部分組成。其作用是將測量部分的線性化輸出信號轉換成4~20mA DC統一信號,并送至負載。此外,它還實現整機的零點調整、量程調整、正負遷移、線性調整及阻尼調整等功能。

為了確保變送器的使用準確度及安全運行,在電路中設置了多種調整及保護環節,以滿足調試及運行、維修的需要。

① 零點調整。該電路用來校正變送器的工作零位,即在輸入差壓(或壓力)Δp=0時,調整調零電位器,使輸出I0=4mA DC。

② 零點遷移。為了滿足測量某些過程參數的需要,需將變送器的測量范圍起始點進行正向或負向遷移。所謂零點遷移,就是將變送器某一測量范圍的起始點由零遷至某一個不為零的數值。如果把測量范圍下限由零遷移至某一正值,則稱為正向遷移;反之,就稱為負向遷移。

在變送器的使用過程中,正確地采用正、負遷移,不僅可以擴大變送器的使用范圍,若同時恰當地選擇量程,還可提高變送器的使用準確度和靈敏度。

該變送器通過短接SW1和SW2插孔來實現零點遷移的粗調,用調零電位器W3實現零點遷移的細調。具體如下:

a. SW1和SW2遷移插孔均處于斷開狀態,即無遷移狀態;

b.正向遷移時,短接SW1插孔,實現零點壓縮,I0↓,達到變送器零點正向遷移的目的;

c.負向遷移時,短接SW2插孔,實現零位升高,I0↑,達到變送器零點負向遷移的目的。

說明:小范圍遷移量可直接用調零電位器進行調整。

③ 量程調整。量程調整的作用是擴大變送器的使用范圍,實現一表多用。量程調整比例最大為1∶6。

零點及量程調整如圖2?39所示。

④ 線性調整。為了使變送器最終獲得高于0.25級的準確度,在轉換電路中設置了線性調整電路。在變送器出廠校驗時線性調整已調好,在使用過程中一般不再調整。

⑤ 阻尼調整。該變送器采用電氣阻尼調節方式來改變變送器的響應時間常數,調整范圍為0.2~1.67s。

⑥ 電流限制電路。該電路的作用是限制變送器過載時的輸出電流不大于30mA,以保護電路中各元件不受損壞。

除此之外,該變送器還設置了反向極性保護電路、溫度補償電路和基準電壓電路等。

該變送器在使用時,采用二線制接線方式,如圖2?40所示。

4.應變式壓力變送器

應變式壓力變送器是通過測量彈性元件在壓力或壓差作用下產生的應變大小,來實現壓力信號變換的。所謂應變,就是指物體在力作用下產生的相對變形。應變的測量元件通常采用電阻應變片。

電阻應變片是由基片、覆蓋片、引線以及電阻絲盤繞的線柵等通過黏合劑粘貼而成的組合體,其結構如圖2?41所示。

目前應用較多的是金屬箔應變片,它是用0.003~0.010mm的金屬箔涂上基底材料后,利用光刻、腐蝕工藝制成的。這種應變片測量準確度高,散熱好,允許通過電阻柵的電流較大,因此靈敏度高。圖2?42為金屬箔應變片,其中圖(a)為用金屬箔制成的電阻柵;圖(b)在一塊應變片上制出了四個電阻并接成電橋;橋路如圖(c)所示。該應變片粘貼在平膜片上,可以較好地反映膜片受壓力作用后的應變情況,其橋路輸出電壓與被測壓力成正比。

用應變片測量彈性元件變形的方法有兩種。

(1)組合式變換。組合式變換如圖2?43所示。電阻應變片不直接貼在彈性元件上,而是貼在由彈性元件所帶動的懸臂梁上。

當彈性元件感受壓力時,其自由端通過連桿帶動懸臂梁,使梁產生彎曲變形,由電阻應變片將懸臂梁的應變轉變為應變電阻的阻值變化。應變片應貼在最大應變位置,如懸臂梁的基部,以得到較高

的靈敏度。

(2)直接粘貼式變換。應變片直接粘貼在彈性元件上,反映彈性元件的變形。由于彈性元件受壓時,各部位的應變大小各不相同,因此應找出彈性元件最大應變部位,以粘貼應變片。

應變式壓力變送器動態特性好、耐沖擊、測量準確度高,但其輸出信號較小,較易受電磁干擾。

5.壓阻式壓力變送器

壓阻式壓力變送器是一種將感受壓力的彈性元件及壓阻效應元件組合于一體的半導體壓阻式變送器,亦稱固態有源變送器。其集成度較高,甚至也可將電源電路及輸出線性放大器等部分制作在同一單晶片上。

半導體壓阻式壓力變送器的靈敏度及準確度高,但是受溫度影響較大,應采取溫度補償措施。此外,由于工藝原因,阻值分散性大,儀表需單個進行刻度。

6.智能壓力變送器

單片機與微位移式壓力敏感元件相結合,就產生了智能壓力變送器,實現了多功能的檢測。

隨著微處理器技術和數字通信技術的發展,陸續推出了采用數字處理方式、具有數字通信能力的新型變送器,即智能變送器。智能變送器內部使用了微處理器,從而可以通過軟件實現一些模擬變送器無法實現的功能。

智能變送器在與采用相同通信協議的DCS相連時可進行直接雙向數字通信。智能變送器與DCS的連接框圖如圖2?44所示。

與模擬變送器相比,智能變送器的優點主要體現在:具有通信能力;具有自診斷功能;具有PID控制功能;具有更大的量程比;一般都有可靠的溫度補償和靜壓補償,使用穩定性好。

智能變送器的測量部分主要有電容式、擴散硅式和電感式三種類型,以前兩種為主;它們的輸出信號有模擬式和數字式兩種,模擬信號除線性和平方根輸出信號外,有的產品還可以輸出PID運算信號,因此也稱為智能變送控制器。