第二节　压 力 测 量

压力和温度一样,也是表征工质状态的基本参数。通过压力测量,可以监视锅炉、除氧器、加热器及管道等各种压力容器的承压情况,也可以监视汽轮机、水泵、风机等设备的润滑油压。此外,通过差压测量还可以了解各流道的阻力及泄漏情况。

压力是指物体单位面积上受到的垂直作用力。在国际单位制中,压力的计量单位是帕斯卡(Pascal),简称帕(Pa),其物理意义是1N的力垂直作用在1m2的面积上所产生的压力。压力的常用单位及其换算关系见表2⁃2。

一、液柱式压力计

液柱式压力计是用一定高度液柱产生的静压力平衡被测压力的方法来实现压力测量的。液柱式压力计一般用于105Pa以下的压力及真空测量,其特点是准确度高、结构简单、使用方便,但体积较大,不易实现指示值的远传及记录。

通常使用的液柱式压力计有U形管式、单管式、多管式及斜管式等几类。

1. U形管压力计

U形管液柱式压力计主要由U形玻璃管、封液及刻度尺组成,如图2⁃20所示。其内部封液可以用水、汞、四氯化碳或其他液体。一般使用时,U形管一端用胶管与被测对象连通,另一端通大气;如果另一端不通大气而是用胶管与另一对象连通,那么就可以测量两对象的差压。

由静压力平衡方程可以列出压力计压差与封液垂直液柱高差的关系:

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

式中　ρ1,ρ2,ρ——两肘管内传压介质密度及封液密度;

H——压力计接管口至刻度标尺零点处的高度;

g——重力加速度。

若ρ1=ρ2,则式(2⁃4)可简化为

Δp=g(ρ-ρ1)(h1+h2)(2⁃5)

若ρ1=ρ2<<ρ,则式(2⁃5)可简化为

Δp=gρ(h1+h2)(2⁃6)

若p2为大气压,则Δp即为表压力,用pg表示,即

pg=Δp=gρ(h1+h2)(2⁃7)

即被测压力与一定种类封液之液柱高度成正比。

2.单管压力计

为避免U形管压力计读两次数的麻烦,可将液柱式压力计做成单管压力计。单管压力计主要由测量管、宽口容器、封液及刻度尺等组成,如图2⁃21所示。

在压力pg作用下,h1下降所减少的封液体积等于h2上升所增加的封液体积,即

h1A1=h2A2(2⁃8)

式中　A1,A2——宽口容器及测量管的横截面积。于是

pg=ρg(h1+h2)=ρgh2(2⁃9)

当A1>>A2时,式(2⁃9)可近似为pg=ρgh2,即只需读一个数h2就可确定被测压力。其误差与比值A2 /A1有关,当A2 /A1≤0.01时,因只读h2而引起的测量误差小于1%。

3.多管压力计

当有很多测量管与大截面容器相连时就构成了多管压力计,如图2⁃22所示。

火电厂中可用它来测量锅炉各喷燃器一、二次风的风压及炉膛各处的负压,测负压时,宽口容器通大气,各肘管(测量管)与各被测对象相通。多管压力计显示很直观,便于运行人员监视、比较和操作。

4.斜管微压计

上述压力计在测量微小压力时,由于读数等引起的相对误差会较大,为提高测量准确度,可做成斜管式微压计,如图2⁃23所示。测量管的倾斜角为α,故h2=lsinα,因此表压力pg为:

pg=gρ(h1+h2)=gρl(2⁃10)

式中　A1,A2——大截面容器和测量管的横截面积。

测量管倾斜角α越小,读数放大倍数越大。但α过小,则因斜管内液面拉长,易冲散,反而影响读数准确性,因此α角一般不小于15°。

斜管微压计的测量范围一般为100~2000Pa,准确度等级为0.5~1.0级。

5.液柱式压力计的误差

由液柱式压力计的表达式pg=gρ(h1+h2)可知,压力值不仅与液柱高度有关,而且与封液密度及重力加速度有关。仪表使用时,若使用地点的温度、重力加速度与刻度条件不符,其指示值必然产生误差。此外,测量管的毛细管现象和仪表安装倾斜等也都会对测量准确性产生影响。下面简单介绍几种主要的影响因素。

(1)毛细管现象的影响。由于毛细管现象,将使得液柱产生附加上升或下降,因而产生附加测量误差。对于单管压力计,若采用吸附性封液(如水、酒精等)会产生正误差;若采用非吸附性封液(如汞)会产生负误差。为减少该误差,通常要求液柱式压力计的测量管内径不小于10mm。当测量管内径不小于10mm时,用水作封液的单管压力计,常温下由于毛细管现象引起的误差一般不超过2mm;用汞作封液时,不超过1mm。毛细管现象引起的误差不随液柱高度变化而改变。

(2)环境温度变化的影响。当环境温度变化时,封液的密度和标尺的长度都会随之改变,从而产生测量误差。通常,固体线膨胀系数比液体体膨胀系数小得多,故一般也可以不考虑标尺伸缩的影响。

(3)重力加速度的影响。仪表使用地点的纬度与海拔高度不同,则重力加速度也不同;为此测量时应对重力加速度进行修正,其修正关系为

h1+h2=(h'1+h'2)(2⁃11)

式中　h1+h2——在标准重力加速度(gB=9.80665m/s2)下的示值;

h'1+h'2——在使用地点(重力加速度为gφ)仪表的示值。

二、常用弹性压力表

弹性压力表有多种类型,下面根据不同的弹性元件,介绍几种常用压力表。

1.弹簧管压力表

在弹簧管压力表中单圈弹簧管压力表应用最为广泛,它常用于测量对铜合金无腐蚀作用的液体、气体和蒸汽压力。

(1)原理。单圈弹簧管压力表的弹性元件是自由端封闭的特殊成型管。当管内和管外承受不同压力时,自由端产生一定的直线位移,如图2⁃24(a)所示;该位移通过连杆带动扇形齿轮转换为角位移,再由小齿轮带动指针在刻度盘上指示出相应的压力值,如图2⁃24(b)所示。也有的弹簧管压力表采用杠杆放大机构,如图2⁃25所示。常用压力表的外形见图2⁃26。

(2)型号。单圈弹簧管压力表的型号由四部分组成:

第一方格:Y——单圈弹簧管压力表;Z——单圈弹簧管真空表;YZ——单圈弹簧管压力、真空表。

第二方格:X——电接点;O——氧用、禁油;B——标准表;Q——氢用;A——氨用;C——耐酸。

第三方格:表示表壳直径,有40mm、60mm、100mm、120mm、150mm、160mm、200mm、250mm等几种。　　

第四方格:表示结构形式,空位——径向无边;T——径向有边;Z——轴向无边;ZT——轴向有边。

例如:YZ⁃60ZT,表示轴向有边的弹簧管压力、真空表。

注:适于特殊介质用的压力表,如YA型氨用压力表、YO型氧气压力表、YQ型氢气压力表和耐酸压力表等,其承受压力的部件由相应的特殊材料制成。测量氧和测量氢压力的仪表,在标度盘上的仪表名称下分别画一天蓝色或深绿色横线,测氧仪表还应标以红色禁油字样。

(3)压力表的色标颜色。

压力表的色标颜色见表2⁃3。

(4)检定用工作介质。测量上限不超过0.25MPa的压力表,检定用工作介质为清洁的空气,或无毒、无害和化学性能稳定的气体;

测量上限为0.25~250MPa的压力表,检定用工作介质为无腐蚀性的液体;

测量上限为400~1000MPa的压力表,检定用工作介质为药用甘油和乙二醇混合液或根据标准器的要求选择。

说明:标准器与压力表使用液体作为工作介质时,它们的受压点应在同一水平面上,否则应考虑由液柱高度差所产生的压力误差。

2.膜片压力表

膜片压力表的弹性元件是膜片,被测介质通过接头或法兰进入膜片室;由于压力的作用,膜片中心产生位移,此位移再通过传动部件使指针指示出被测压力值(动作过程与弹簧管压力表相似)。常用的膜片压力表有YP普通型和YPF耐腐蚀型等,前者适用于测量对铜合金无腐蚀作用的黏性介质压力,后者适用于测量腐蚀性较强、黏度较大的介质压力。表壳外径有100mm和150mm两种。如图2⁃27所示为螺纹接头的膜片压力表。

3.膜盒压力表

膜盒压力表又称为膜盒微压计,其弹性元件为膜盒,适用于测量空气或其他无腐蚀性气体的微压或负压。被测介质一般由内径为8mm的橡皮软管插到压力表接头上引入,其原理结构如图2⁃28所示。膜盒压力表常用于测量火电厂锅炉风烟系统的压力及炉膛负压。

4.隔膜式压力表

隔膜式压力表由膜片隔离器、连接管和普通压力表三部分组成,并且根据被测介质的要求,在其内腔填充适当的工作液,如图2⁃29所示。被测介质的压力作用于隔膜片上,使之产生变形,压缩内部充填的工作液;借助于工作液的传导,由压力表显示出被测压力值。它适用于测量有腐蚀性、高黏度、易结晶、含有固体状颗粒、温度较高的液体介质的压力或负压。

螺纹接口的隔膜式压力表测量范围为0~60MPa;法兰接口的隔膜式压力表测量范围为0~25MPa。

5.电接点压力表

电接点压力表以弹簧管作为测量元件,表壳直径一般为150mm,具有指示及控制电气信号通断功能,有直接作用和磁助直接作用两种方式。仪表外形如图2⁃30所示,压力测量范围与单圈弹簧管压力表相同。仪表接点功率为:直接作用式10VA(最高工作电压380V,最大允许电流0.7A);磁助直接作用式30VA(最高工作电压380V、最大允许电流1A)。

三、压力变送器

压力(或差压)变送器是一种将压力变量(包括正、负压力,绝对压力和差压)转换为可传送的统一输出信号的仪表,而且其输出信号与压力变量之间有一定的连续函数关系,通常为线性函数。

压力变送器有电动式和气动式两大类。电动式的统一输出信号为0~10mA、4~20mA或1~5V等直流电信号;气动式的统一输出信号为20~100Pa的气体压力。

压力变送器按不同的转换原理可分为力(力矩)平衡式、电容式、电感式、应变式和频率式等。下面简单介绍几种压力(差压)变送器的原理、结构、使用、检修和校验等知识。

1.电位器式压力变送器

电位器式压力变送器可分为环形滑线电位器式和条形滑线电位器式两种。环形滑线电位器式压力变送器如图2⁃31所示。变送器的感受件是弹性元件,弹性元件自由端的位移经过放大带动电位器滑动臂移动或转动,从而输出相应的电阻信号。

电位器式压力变送器的特点是结构简单、维修方便、输出信号大、抗电磁干扰及核辐射性能好;缺点是滑线电阻的滑臂有接触不良现象,不耐振动与冲击,准确度及动态特性较差。

2.电感式压力变送器

电感式压力变送器实质上是一种压力⁃位移⁃电感转换器,有气隙式、变压器式、电涡流式三种,它是一类发展较早的压力变送器。

(1)气隙式压力变送器。气隙式压力变送器原理如图2⁃32所示。铁芯线圈通一交变电流,因而在铁芯及衔铁回路中产生磁通。衔铁通过非磁性杆与弹性膜片相连。当膜片感受压力或差压信号产生中心位移时,通过连杆带动衔铁,从而改变衔铁与铁芯的气隙宽度δ或气隙面积A,使铁芯线圈电感L产生变化,其关系为

L≈K(2⁃12)

式中　K——比例系数,取决于线圈匝数和真空磁导率。

由上式可知,变气隙面积A或气隙宽度δ都可以使线圈电感L产生变化。实验证明改变气隙宽度的变送器灵敏度高,而改变气隙面积的变送器输出线性较好。

(2)变压器式压力变送器。差动变压器式压力变送器的结构、原理如图2⁃33所示。

变压器副边绕组绕制成上、下对称的两组,两绕组反向串联输出,即组成差动输出形式。变压器中间的活动铁芯通过连杆与弹性元件自由端相连接。当差动变压器结构及原边所加交变电压一定时,其副边输出电压与铁芯位移x呈线性关系。

(3)电涡流式压力变送器。电涡流式压力变送器主要由弹性元件、传动系统带动的检测铝片及固定的平面线圈组成。它的位移⁃电感转换关系如图2⁃34所示。

当平面线圈中通以高频电流i时,线圈磁通将部分穿过铝片(φ'),使铝片产生电涡流i″。电涡流所产生的磁通又部分穿过线圈(φ″),使平面线圈的有效磁通φ减少。

平面线圈有效磁通φ的大小与检测铝片和平面线圈之间的距离x有关。x越小,铝片感应的电涡流i″越大,φ″也越大,有效磁通φ则越小,因而平面线圈的有效电感L就越小。由于铝片的位移Δx是由测压弹性元件自由端通过传动装置带动的,因此完成了压力⁃电感的转换。

电涡流变送器灵敏度高、动态特性好。

3.电容式压力变送器

电容式压力变送器是根据平板电容器的原理工作的,主要有变面积式、变距离式和变介电常数式三种类型。目前使用较多的是变距离式,该类型变送器主要由测量部分和转换电路组成;被测介质压力(或差压)通过测量部分,转换为差动电容,再经转换电路转换成4~20mA DC信号输出,如图2⁃35所示。电容式变送器的典型产品是罗斯蒙特公司的1151和3051变送器,它们是按变距离式原

理工作的。下面以1151变送器为例介绍电容式压力变送器的结构、原理及使用注意事项等知识。

(1)测量部分

① 基本结构及工作原理。测量部分主要由隔离膜片、测量膜片、灌充液体、刚性绝缘体和电容固定极板构成,如图2⁃36所示。这种结构对测量膜片具有较好的过载保护功能。当被测差压过大时,测量膜片紧贴在一侧的凹形球面上,以防因产生过大位移而损坏。过载消除后,测量膜片恢复到正常位置。灌充液(硅油或氟油)除用作传递压力外,它的黏性对冲击力具有一定缓冲(阻尼)作用,可消除被测介质高频脉动压差对变送器输出准确度的影响。

在测量时,被测介质压力直接作用在一侧隔离膜片上,另一侧可以是大气基准压力(用于测量压力、真空)或其他比较压力(用于测量差压)。通过灌充液体将压力传递到测量膜片上,当测量膜片两侧压力不同时,其中心产生位移。测量膜片中心的位移相当于改变了其与固定极板间的距离,从而引起电容值变化。

② 转换特性分析。测量部分将差压(或压力)信号转换为差动电容的变化是经过两个转换过程实现的。

a.差压⁃位移转换特性。差压⁃位移转换原理如图2⁃37所示。差压与位移的转换关系为

=×+×(2⁃13)

式中　Δp——被测差压;

Δd0——膜片中心处的位移;

E——膜片材料的弹性模量;

R——膜片周边半径;

u——泊松比;

t——膜片厚度。

可见压差⁃位移转换特性是非线性的。但是,若Δd0<<t,可忽略该式中的高次项。此时位移Δd0与差压Δp之间的关系为

Δd0=×Δp=K1Δp(2⁃14)

式中　K1——膜片的结构系数,一定结构的变送器,其K1值近似为一个常数。

由上式可以看出位移与压差呈线性关系。为了保证压差⁃位移为线性关系,要求膜片中心的位移仅为0.1mm。当测量较高压差时,采用较厚的膜片,容易满足Δd0<<t的条件;但在测量较低压力时,不易满足Δd0<<t的条件,此时需采用具有初始预紧应力的平膜片,这样不仅可提高压差⁃位移转换的线性度,同时还可减小滞后效应。

b.位移⁃电容转换特性。为分析简便,将差动球面⁃平面型电容简化成平板型差动电容,如图2⁃38所示。

活动极板与两固定极板之间的电容量分别为

C1=K(2⁃15)

C2=K(2⁃16)

式中　C1,C2——活动极板与上、下固定极板间的电容量;

K——量纲系数;

A——电容极板的有效面积;

ε——极板间介质的介电常数;

d0——被测压差为零时测量膜片与两固定极板间的初始距离;

Δd0——测量膜片在被测差压作用下产生的位移。

差动电容ΔC为

ΔC=C1-C2=KεA=K'(2⁃17)

可见,差动电容ΔC与测量膜片的位移Δd0之间呈非线性关系。为了得到线性关系,可取两电容之差与两电容之和的比值作为输出量,即

===K2Δd0=K1K2Δp(2⁃18)

上式即为电容式变送器测量部分输入量与输出量之间的线性特性表达式。由此式可得出如下结论:

当K1、K2为常数时,C1-C2/(C1+C2)与被测差压成线性关系;

C1-C2/(C1+C2)之比值与介电常数无关,即从设计原理上消除了介电常数随温度变化给测量带来的误差;

若设计一种转换电路,使其输出电流I0=K3(C1-C2)/(C1+C2),那么I0就与被测压差成正比关系;

如果电容极板的结构完全对称,则可以得到良好的稳定性。

在上述分析中,没有考虑分布电容的影响。若考虑分布电容CS的存在,则测量部分的电容比值为

=(2⁃19)

可见,分布电容的影响将造成非线性误差。为了使变送器最终获得高于0.25级的准确度等级,需在转换电路中设置线性调整环节。

实测和计算表明,球面⁃平面型电容器有类似或接近平行板电容器的特性。测量部分大约有150pF的电容量输出。

(2)转换电路。转换电路主要由振荡器、解调器和振荡控制放大器等部分组成。其作用是将测量部分的线性化输出信号转换成4~20mA DC统一信号,并送至负载。此外,它还实现整机的零点调整、量程调整、正负迁移、线性调整及阻尼调整等功能。

为了确保变送器的使用准确度及安全运行,在电路中设置了多种调整及保护环节,以满足调试及运行、维修的需要。

① 零点调整。该电路用来校正变送器的工作零位,即在输入差压(或压力)Δp=0时,调整调零电位器,使输出I0=4mA DC。

② 零点迁移。为了满足测量某些过程参数的需要,需将变送器的测量范围起始点进行正向或负向迁移。所谓零点迁移,就是将变送器某一测量范围的起始点由零迁至某一个不为零的数值。如果把测量范围下限由零迁移至某一正值,则称为正向迁移;反之,就称为负向迁移。

在变送器的使用过程中,正确地采用正、负迁移,不仅可以扩大变送器的使用范围,若同时恰当地选择量程,还可提高变送器的使用准确度和灵敏度。

该变送器通过短接SW1和SW2插孔来实现零点迁移的粗调,用调零电位器W3实现零点迁移的细调。具体如下:

a. SW1和SW2迁移插孔均处于断开状态,即无迁移状态;

b.正向迁移时,短接SW1插孔,实现零点压缩,I0↓,达到变送器零点正向迁移的目的;

c.负向迁移时,短接SW2插孔,实现零位升高,I0↑,达到变送器零点负向迁移的目的。

说明:小范围迁移量可直接用调零电位器进行调整。

③ 量程调整。量程调整的作用是扩大变送器的使用范围,实现一表多用。量程调整比例最大为1∶6。

零点及量程调整如图2⁃39所示。

④ 线性调整。为了使变送器最终获得高于0.25级的准确度,在转换电路中设置了线性调整电路。在变送器出厂校验时线性调整已调好,在使用过程中一般不再调整。

⑤ 阻尼调整。该变送器采用电气阻尼调节方式来改变变送器的响应时间常数,调整范围为0.2~1.67s。

⑥ 电流限制电路。该电路的作用是限制变送器过载时的输出电流不大于30mA,以保护电路中各元件不受损坏。

除此之外,该变送器还设置了反向极性保护电路、温度补偿电路和基准电压电路等。

该变送器在使用时,采用二线制接线方式,如图2⁃40所示。

4.应变式压力变送器

应变式压力变送器是通过测量弹性元件在压力或压差作用下产生的应变大小,来实现压力信号变换的。所谓应变,就是指物体在力作用下产生的相对变形。应变的测量元件通常采用电阻应变片。

电阻应变片是由基片、覆盖片、引线以及电阻丝盘绕的线栅等通过黏合剂粘贴而成的组合体,其结构如图2⁃41所示。

目前应用较多的是金属箔应变片,它是用0.003~0.010mm的金属箔涂上基底材料后,利用光刻、腐蚀工艺制成的。这种应变片测量准确度高,散热好,允许通过电阻栅的电流较大,因此灵敏度高。图2⁃42为金属箔应变片,其中图(a)为用金属箔制成的电阻栅;图(b)在一块应变片上制出了四个电阻并接成电桥;桥路如图(c)所示。该应变片粘贴在平膜片上,可以较好地反映膜片受压力作用后的应变情况,其桥路输出电压与被测压力成正比。

用应变片测量弹性元件变形的方法有两种。

(1)组合式变换。组合式变换如图2⁃43所示。电阻应变片不直接贴在弹性元件上,而是贴在由弹性元件所带动的悬臂梁上。

当弹性元件感受压力时,其自由端通过连杆带动悬臂梁,使梁产生弯曲变形,由电阻应变片将悬臂梁的应变转变为应变电阻的阻值变化。应变片应贴在最大应变位置,如悬臂梁的基部,以得到较高

的灵敏度。

(2)直接粘贴式变换。应变片直接粘贴在弹性元件上,反映弹性元件的变形。由于弹性元件受压时,各部位的应变大小各不相同,因此应找出弹性元件最大应变部位,以粘贴应变片。

应变式压力变送器动态特性好、耐冲击、测量准确度高,但其输出信号较小,较易受电磁干扰。

5.压阻式压力变送器

压阻式压力变送器是一种将感受压力的弹性元件及压阻效应元件组合于一体的半导体压阻式变送器,亦称固态有源变送器。其集成度较高,甚至也可将电源电路及输出线性放大器等部分制作在同一单晶片上。

半导体压阻式压力变送器的灵敏度及准确度高,但是受温度影响较大,应采取温度补偿措施。此外,由于工艺原因,阻值分散性大,仪表需单个进行刻度。

6.智能压力变送器

单片机与微位移式压力敏感元件相结合,就产生了智能压力变送器,实现了多功能的检测。

随着微处理器技术和数字通信技术的发展,陆续推出了采用数字处理方式、具有数字通信能力的新型变送器,即智能变送器。智能变送器内部使用了微处理器,从而可以通过软件实现一些模拟变送器无法实现的功能。

智能变送器在与采用相同通信协议的DCS相连时可进行直接双向数字通信。智能变送器与DCS的连接框图如图2⁃44所示。

与模拟变送器相比,智能变送器的优点主要体现在:具有通信能力;具有自诊断功能;具有PID控制功能;具有更大的量程比;一般都有可靠的温度补偿和静压补偿,使用稳定性好。

智能变送器的测量部分主要有电容式、扩散硅式和电感式三种类型,以前两种为主;它们的输出信号有模拟式和数字式两种,模拟信号除线性和平方根输出信号外,有的产品还可以输出PID运算信号,因此也称为智能变送控制器。