化工仪表--压力检测

在工业生产过程中，特别是在化工，炼油等生产过程中，压力是重要的操作参数之一。经常会遇到压力和真空度的测量，其中包括比大气压力高很多的高压，超高压和比大气压力低很多的真空度的测量。如果压力不符合要求，不仅会影响生产效率，降低产品质量，有时还会造成严重的生产事故。此外，压力测量的意义还不局限于它自身，有些其他参数的测量，如物位，流量等往往是通过测量压力或差压来进行的，即测出了压力或差压，便可确定物位或流量。

一、 压力的概念

压力就是垂直而均匀地作用在单位面积上的作用力。表示如下：

P=F/S

式中 P：压力，Pa；

F：垂直作用力，N；

S：受力面积，cm2

压力也可以用相当的液柱高度来表示，即：

P=F/S=S•ρ•h/S=ρ•h

式中 h：液柱的高度，cm2；

ρ：液体的密度，g/cm2。

压力的单位有如下几种：

1、 物理大气压（又称标准大气压）

国际上规定：在纬度为45°的海平面上及温度为0℃，截面积为1cm2时的大气柱的重力压力为一个物理大气压，又叫一个标准大气压。

2、 工程大气压

一个工程大气压，就是1cm2的面积上有1kg均匀、垂直的压力。

3、 帕斯卡（Pa）

帕斯卡是国际制（SI）单位。1Pa就是1N的力垂直、均匀地作用在1 m2面积上的压力。

4、 毫米水柱，毫米汞柱

这两种压力单位常用来表示低压。它相当于高度为1mm的水或汞液体垂直作用在底面积上的重力压力。条件为重力加速度g=980。665cm/s2，温度为0℃（汞）或4℃（水）。

在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分，其关系如下：

绝对压力：以绝对压力零位为基准，高于绝对压力零位的压力。

正压：以大气压力为基准，高于大气压力的压力。

负压（真空）：以大气压力为基准，低于大气压力的压力。

差压：两个压力之间的差值。

表压：以大气压力为基准，大于或小于大气压力的压力。

二、 压力测量仪表

1、弹性式压力计

弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹件元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。

这种仪表具有结构简单、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。若增加附加装置，如记录机构、电气变换装置、控制元件等，则可以实现压力的记录、远传、信号报警、自动控制等。

弹性式压力计可以用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力，因此在工业上是应用最为广泛的一种测压仪表。

（1）弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。它不仅是弹性式压力计的测压元件，也经常用来作为气动单元组合仪表的基本组成元件。常用的弹性元件有弹簧管、膜片、膜盒、波纹管，结构如图：

① 弹簧管式弹性元件 弹簧管式弹性元件的测压范围较宽，可测量高达1000MPa的压力。单圈弹簧管是弯成圆弧形的金属管子，它的截面做成扁圆形或椭圆形，如图 (a)所示。为了增加自由端的位移，可以制成多圈弹簧管，如图 (b)所示。

② 薄膜式弹性元件 薄膜式弹性元件根据其结构不同还可以分为膜片与膜盒等。它的测压范围较弹簧管式的为低。图(c)为膜片式弹性元件，它是由金属或非金属材料做成的具有弹性的一张膜片(有平膜片与波纹膜片两种形式)，在压力作用下能产生变形。有时也可以由两张金属膜片沿周口对焊起来，成一薄壁盒子，内充液体(例如硅油)，称为膜盒，如图(d)所示。

③ 波纹管式弹性元件 波纹管式弹性元件是一个周围为波纹状的薄壁金属筒体，如图3—5(e)所示。这种弹性元件易于变形，而且位移很大，常用于微压与低压的测量(—般不超过1Mpa)。

（2）弹簧管压力表

① 结构：

② 工作原理：

当被测压力通入时，弹簧管的截面有从椭圆形膨胀为圆形的趋势，整个弹簧管因而稍稍挺直（对一般的压力表转动的角度为5～20°） 迫使自由端向右上方扩张。经过齿轮传递在刻度盘显示压力数值。

2、电气式压力计

电气式压力计是—种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。这种仪表的测量范围较广，分别可测7×10-5 Pa至5×102 MPa的压力，允许误差可至0。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。电气式压力计一般由压力传感器，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。

压力传感器的作用是把压力信号检测出来，并转换成电信号进行输出，当输出的电信号能够被进一步变换为标准信号时，压力传感器又称为压力变送器。

标准信号是指物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。例如直流电流4—20mA，空气压力0。02一0。1Mpa都是当前通用的标准信号。

（1）霍尔片式压力传感器

霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。霍尔片为一半导体(如锗)材料制成的薄片，如图所示：

在霍尔片的Z轴方向加一磁感应强度为B的恒定磁场，在Y轴方向加一外电场(接入直流稳压电源)。便有恒定电流沿Y轴方向通过。电子在霍尔片中运动时，由于受电磁力的作用，而使电子的运动轨道发生偏移，造成霍尔片的一个端面上有电子积累，另一个端面上正电荷过剩，于是在霍尔片的X轴方向上出现电位差，这一电位差称为霍尔电势，这样一种物理现象就称为“霍尔效应”。

霍尔电势的大小与半导体材料，所通过的电流(一般称为控制电流)，磁感应强度以及霍尔片的几何尺寸等因素有关，可用下式表示:

UH=RHBI

式中 UH：霍尔电势；

RH：霍尔常数，与霍尔片材料，几何形状有关；

B：磁感应强度；

I：通过的电流。

由上式可知，霍尔电势与磁感应强度和电流成正比。提高B和I值可增大霍尔电势UH。但两者都有一定限度，一般I为3—20mA，B约为几千高斯，所得的霍尔电势UH约为几十毫伏数量级。

如果选定了霍尔元件，并使电流保持恒定，则在非均匀磁场中，霍尔元件所处的位置不同，所受到的磁感应强度也将不同，这样就可得到与位移成比例的霍尔电势，实现位移—电势的线性转换。

（2）应变片式压力传感器

应变片式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。电阻应变片有金属应变片(金属丝或金属箔)和半导体应变片两类。被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩应变时，其阻值减小；当应变片产生拉伸应变时，其阻值增加。应变片阻值的变化，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。

应变片r1和r2与两个固定电阻r3和r4组成桥式电路，如图所示：

由于r1和r2的阻值变化而使桥路失去平衡，从而获得不平衡电压ΔU作为传感器的输出信号，在桥路供给直流稳压电源最大为10V时，可得最大ΔU为5mV的输出。传感器的被测压力可达25Mpa。由于传感器的固有频率在25000Hz以上，故有较好的动态性能。适用于快速变化的压力测量。传感器的非线性及滞后误差小于额定压力的1%。

（3）压阻式压力传感器

压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应而构成，其工作原理如图所示：

采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单品硅的特定方向扩散—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，单品硅产生应变，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导。

压阻式压力传感器具有精度高，工作可靠，频率响应高，迟滞小，尺寸小，重量轻，结构简单等特点，可以适应恶劣的环境条件下工作，便于实现显示数字化。压阻式压力传感器不仅可以用来测量压力，稍加改变，就可以用来测量差压，高度，速度，加速度等参数。

（4）力矩平衡式压力变送器

力矩平衡式压力变送器是一种典型的自平衡检测仪表，它利用负反馈的工作原理克服元件材料，加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量精度(一般为0.5级)，工作稳定可靠，线性好，不灵敏区小等一系列优点。

下面以DDZ—Ⅲ型电动力矩平衡压力变送器为例加以介绍。

DDZ—Ⅲ型系列为直流24V供电，输出4—20mA(DC)，两线制，本质安全防爆。

通过推导，可以得到输出电流与被测压力之间的关系:

I0=Kpθ

其中，K为转换比例系数，当变送器的结构及电磁特性确定后，K为一常数。

上式说明，当矢量机构的角度θ确定后，变送器的输出电流I0与输入压力p成对应关系。如上图所示，调节量程调整螺5，可改变矢量机构的夹角θ，从而能连续改变两杠杆间的传动比，也就是能调整变送器的量程。通常，矢量角θ可以在4°一15°之间调整，tgθ变化约4倍，因而相应的量程也可以改变4倍，调节弹黄12的张力，可起到调整零点的作用。如果将以上压力变送器的测压弹性元件稍加改变，就可以用来连续测量差压或绝村压力，其工作原理基本上是一样的。

（5）电容式压力变送器

20世纪70午代初由美国最先投放市场的电容变送器，是一种开环检测仪表，具有结构简单，过载能力强，可靠性好，测量精度高，体积小，重量轻，使用方便等一系列优点，目前已成为最受欢迎的压力，差压变达器，其输出信号也是标准的4—20mA(DC)电流信号。电容式压力变送器是先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量的。

电容式差压变送器的原理图如左：

将左右对称的不锈钢底座的外侧加工成环状波纹沟槽，并焊上波纹隔离膜片。电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片， 当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，过载后的恢复特性很好，这样大大提高了过载承受能力。

与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达0。2级。

3、智能型压力变送器

智能型压力或差压变送器就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。例如，用带有温度补偿的电容传感器与微处理器相结合，构成精度为0。1级的压力或差压变送器，其量程范围为100:1。时间常数在0一36s间可调，通过手持通信器，可对1500m之内的现场变送器进行工作参数的设定，量程调整以及向变送器加入信息数据。

智能型变送器的特点是可进行远程通信。利用手持通信器，可对现场变送器进行各种运行参数的选择和标定；其精确度高，使用与维护方便。通过编制各种程序，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。因而提高了变送器的精确度，简化了调整，校准与维护过程。促使变送器与计算机，控制系统直接对话。

4、压力计的选用及安装

（1）压力计的选用

①仪表类型的选用：仪表类型的选用必须满足工艺生产的要求。例如是否需要远传，自动记录或报警；被测介质的物理化学性能(诸如腐蚀性，温度高低，粘度大小，脏污程度，易燃易爆性能等)是否对测量仪表提出特殊要求；现场环境条件(诸如高温，电磁场，振动及现场安装条件等)对仪表类型有否特殊要求等等。

②仪表测量范围的确定：仪表的测量范围是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围，它是根据操作中需要测量的参数的大小来确定的。

在测量压力时，为了延长仪表使用寿命，避免弹性元件因受力过大而损怀，压力计上限值应该高于工艺生产中可能的最大压力值。根据"化工自控设计技术规定":

在测量稳定压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的2/3；

在测量脉动压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的1/2；

在测最高压压力时，最大工作压力不应越过测量上限值的3/5。

为了保证测量值的准确度，所侧的压力值不能太接近于仪表的下限值，亦即仪表的量程不能选得太大，一般被测压力的最小值不低于仪表满量程的1/ 3为宜。

根据被测参数的最大值和最小值计算出仪表的上，下限后，应根据国家主管部门的规程或标淮规定进行园整。冈此，选用仪表的标尺极限值时，也只能采用相应的规程或标准中的数值(一般可在相应的产品目录中找到)。

③仪表精度级的选取：仪表精度是根据工艺生产上所允许的最大测量误差来确定的。例如：某台往复式压缩机的出口压力范围为25一28MPa，测量误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并能高低限报警。试正确选用—台压力表，指出型号，精度与测量范围。

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

P1=Pmax×2=28×2=56MPa

根据就地观察及能进行高低限报警的要求，已知选用Y-150型电接点压力表，测量范围为0一60MPa。由于25/60>1/3，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

1/60×100%=1。67%

所以，精度等级为1。5级的仪表完全司以满足误差要求。

至此，可以确定，选择的压力表为Y—150型电接点压力表，测量范围为0一60MPa。精度等级为1。5级。

（2）压力计的安装

压力计的安装正确与否，直接影响到测量结果的准确性和压力计的使用寿命。

①测压点的选择：所选择的测压点应能反映被测压力的真实大小。为此，必须注意以下几点：

a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。

b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。

c测量液体压力时，取压点应在管道下部，使导压管内不积存气体;测量气体压力时，取压点应在管道上方，使导压管内不积存液体。

②导压管铺设：

a管粗细要合适，一般内径力6—10mm，长度应尽可能短，最长不得超过50m，以减少压力指示的迟缓。

b导压管水平安装时应保证有1:10一1:20的倾斜度。以利于积存于其中之液体(或气体)的排出。

c当被洲介质易冷凝或冻结时，必须加设保温伴热管线。

d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。

③压力计的安装

a压力计应安装在易观察和检修的地方。

b安装地点应力求避免振动和高温影响。

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，见下图(a)；对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐，下图（b）表示了被测介质密度ρ2大于和小于隔离液密度ρ1的两种情况。

c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。

d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Δp=±Hρg进行修正。

e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。

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