压力测量仪表原理及结构.docx
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压力测量仪表原理及结构
压力表工作原理及结构
用来测量气体或液体压力的工业自动化仪表，又称压力表或压力计。
垂直均匀地作用于单位面积上的力称为压力，又称压强。
压力表可以指示、记录压力值并可附加报警或控制装臵。
仪表所测压力包括绝对压力、大气压力、正压力〔习惯上称表压〕、负压〔习惯上称真空〕和差压。
正圧4盘压「一-庫箜」
-孤阪厂
亠+
氓f-tIE力
图1各种压力间的关系表示各种压力间的关系。
工程技术上所测量的多为表压。
压力的国际单位为帕〔Pa〕。
压力的其他单位还有：
工程大气压〔kgf/cm2〕、巴〔bar〕、毫米水柱〔mmH2O〕毫米汞柱〔mmHg〕即托〕等。
压I
一—乐力舟
大代压力线
低科负压践
曲压力钳
压力是工业生产中的重要参数。
如高压容器的压力超过额定值时便是不平安的，必须进行测量和控制。
在某些工业生产过程中，压力还直接影响产品的质量和生产效率，如生产合成氨时，氮和氢不仅须在一定的压力下合成，而且压力的大小直接影响产量高低。
此外，在一定的条件下，测量压力还可间接得出温度、流量和液位等参数。
弹性式压力测量仪表利用各种不同形状的弹性元件在压力下产生变形的原理制成的压力测量仪表。
弹性式压力测量仪表按采用的弹性元件不同分为弹簧管压力表、膜片压力表、膜盒压力表和波纹管压力表等；按功能不同分为指示式压力表、电接点压力表和远传压力表等。
这类仪表的特点是结构简单，结实耐用，测量范围宽〔〜1500兆帕〕，是压力测量仪表中应用最多的一种。
一、压力表
、压力表的工作原理
弹簧管压力表又称为波登管压力表。
压力表中的弹簧的自由端是封闭的，它通过拉杆带动扇形齿轮转动。
测压时，弹簧管在被测压力作用下产生变形，因而弹簧管自由端产生位移，位移量与被测压力的大小成正比，使指针偏转，在度盘上指示出压力值。
如果表壳内通有大气，压力表测出的压力为正压或负压；如果将表壳密封并抽真空，压力表
测出的压力就是绝对压力。
弹簧管压力表带有隔离装臵时，尚可测量温度较高或腐蚀性、粘稠状、易结晶和粉尘状介质的压力。
在精确度较高〔如级以上〕的弹性式压力测
量仪表中，弹性元件多用恒弹性合金以至石英玻璃制成。
传动机构的轴孔中镶嵌宝石轴承或滚动轴承。
度盘标尺长，有的还能进行数字显示。
、压力表的结构
弹簧管式压力表主要由带有螺纹接头的支持器、弹簧管、拉杆、调节螺钉、扇形齿轮、小齿轮、游丝、指针、上下夹板、表盘、表壳、罩壳等组成。
传动机构中的各零部件的作用：
拉杆的作用是将弹簧管自由端的位移传给扇形齿轮；扇形齿轮的作用是将线
位移转换成角位移，并传给小齿轮；小齿轮的作用是带动同轴的指针转动，在刻度盘上指示出被测压力值；游丝的作用是使扇形齿轮和小齿轮保持单向齿廓接触，消除两齿轮接触间隙，以减小来回差；调整螺钉即改变调整螺钉的位臵，用以改变扇形齿轮短臂的长度，到达改变传动比的目的；上下夹板即用以将上述部件固定在一起，组成一套传动机构。
、压力表的分类：
常用弹簧管仪表的型号、标准与精度如下表所示:
表1
类别
型号
精度等级
标准〔MPa
压力
真联
空成
普通型
Y
ZYZ
1,
2
压力：
0—、、
、、、
1、、、〔30〕、
精密型
YJ
Z/
J
16（0.
1）
0.25（
0.2）
、10、16、25、40、60等.
真空:
0--0.1、
联
成:
-1—0—、
、、、1、2.5等.
标准型
Y
B
Z/
B
Y
X
ZYZ
XX
丫一压力表
Z—真空表
这些均为普通型，即径向无边结构
YZ—联成表
YX—电接点压力表ZX—电接点真空表YZX—电接点联成表
、精度要求：
仪表的等级以仪表允许的最大根本误差的百分数数字局部表示。
它表示仪表测量正确度和灵敏度的上下，所谓仪表的根本误差是指在被测量压力均匀变化时所测定的误差，并需满足以下条件：
装于正常的工作位臵，一般应处于垂直状态。
仪表的环境温度为：
级为20土2C
0.25-0.5级为20±3C
1.0—4.0级为20±5C
、技术要求：
压力表的部件应装配牢固，不得有影响计量性能的锈蚀、裂纹、孔洞等缺陷。
测量气体的压力表反面应有平安孔，孔上需有防尘装臵。
压力表的指针应伸入所有的分度线内，其指针指示宽度不小于最小分度PTW
1/5，指针与平面距离应在1-3mn范围内，外径200mr以上的仪表其指针与分度盘平面距离在2-4mn范围内。
压力表的封印装臵在不损坏封印情况下，应不能触到内部机件。
压力表处于工作位臵，在未加压力或未疏空时，在升压检定前和降压检定后，其指针指示应定在零值上。
压力表的准确度等级和最大允许误差应符合下表中规定：
压力表的回程误差不应超过最大允许根本误差的绝对值。
压力表在轻敲表壳后，其指针示值变动量不得超过最大允许根本误差绝对值的1/2。
压力表指针的移动，在全分度范围内应平稳，不得有跳动或卡住现象。
表2精密表的准确度等级和允许误差
准确度等级
允许误差%〔按测量上限的百分
数计算〕
i6
±）.1
±）.16
±
±）.4
±
表3—般弹簧管表的准确度等级和允许误差
量测（®差误许允
位零
勺％那么100）上~量O测2
带止销
不带止销
1
1
--土
£
土
--土
5）■6（11
£
1
£
土
5
2
土
£
土
5
2
5
2
5
2
土
4土
5
2
土
一
4-
、
*
4.
一
4,土一
一
/■
、4.土
Z
/■
一
4土
4
使用中的级压力表允许误差按级计算，准确度等级可不更改
、检修工程与质量要求
外观检查与检修
压力表表盘应平整清洁，玻璃完好，嵌装严密；分度线、数字以及符号等应完整、清晰。
测量特殊气体的压力表，应有明显的相应标记；
压力表接头螺纹无滑扣、错扣，紧固螺母无滑牙现象；
压力表指针平直完好，轴向嵌装端正，与铜套柳接牢固，与表盘或玻璃面不碰擦。
弹簧管压力主要机械部件的检查
游丝各圈间距均匀、同心平整，其外表应无斑点和损伤。
上下夹板中心齿轮
扇形轮拉杆锁眼等各部件应清洁，无明显的磨损。
弹性测量元件应无锈斑、变形和泄漏；
机械部件组装后，紧配合部件应无松劲；可动部件应动作灵活平稳。
各轴孔中加少量钟表油；
电接点压力〔真空〕表的报警接点无明显斑痕和烧损。
调校前校验在校准低量程压力表时，应注意消除液柱差影响；假设有水柱修正
的压力表，校准时应加上水柱的修正值；
检查过程中，观察仪表是否有泄漏、卡、指针跳动等现象，并作好记录；
压力表解体检修后，应作耐压试验，试验值应符合表14要求。
表4压力表耐压试验值
名称
压力表
真空表
压力真空表
耐压试验值
〔kPa〕
测量上限值
测量上限或下限
值
耐压时间〔min〕
5
3
3
质量要求
数值变化小于耐压试验值的19视为合格
1.6.12校验：
〔1〕校验所需仪器：
标准器、压力校验器、气体压力源、真空泵、兆欧表、隔离器、发迅设备以及适宜的活扳手、起针器、螺丝刀等。
〔2〕选定校验点读取仪表示值时，应先加信号按被试表读取示值，当到达校验点后再读取标准值。
当使用活塞压力计时，那么此砝码所示值为标准丁点校验。
〔3〕校验点的选定一般不少于5点，其中包括零点和最大点。
如使用中不能到达最大量程，可从实际出发，校验至足够使用的最大范围均可，但在校验报告中注明,对主要仪表，其使用范围加校一至二点。
〔4〕校验前做一般性检查，符合以下要求时，方可进行校验，否那么先做检修处理，一般性检查应到达的具体条件如下：
〔5〕仪表刻度盘平整清洁，分度、数字、符号完整清晰，表盘分度标尺均匀分布，中心角一般为270°,标有数字的分度线宽度不超过下表规定：
表5
表壳外径
表盘标示数字的分度线宽度
40
60
100
150〔160〕
200
250
〔6〕玻璃完好整洁，嵌装严密，无反光及影响读数的缺陷。
〔7〕仪表接头螺丝无滑扣，仪表六方接头平面完好，无严重滑方现象。
〔8〕仪表指针平直完好，嵌装标准，与铜套铆合牢固，与表盘或玻璃不蹭不刮。
〔9〕电接点装臵外观完好，接点无明显斑痕、缺陷，明显局部标有电压和接点电数值，拔针器好用，信号引出接线端子完好，螺丝齐全并有完好的外盖。
校验方法和步骤：
与标准表比拟法：
〔1〕将标准表和被校表垂直装在符合要求的实验台上，压力为零时，校准零点：
有零点限止钉的仪表，其指针应靠在限止钉上。
无零点限止钉的仪表，其指针应在零点分度线宽度范围内；
〔2〕观察仪表指针位臵，然后均匀升压，正确读取被校表与标准指示值〔指针与镜面指针影子成一条直线〕，依次类推校其他点，当校完测量上限后，继续加压略超上限，耐压3分钟，记录压力变化值。
〔3〕仪表的示值误差，轻敲前后均应不大于仪表的允许误差。
精密表的准确度等级和允许误差见表6，一般弹簧管表的准确度等级和允许误差见表7。
表6精密表的准确度等级和允许误差
准确度等级
允许误差％〔按测量上限的百分数计算〕
±6
±
±
6
±
±
±
表7—般弹簧管表的准确度等级和允许误差
准确度等级
允许误差%〔按测量上限的百分数计算〕
零位
测量上限的
其余局部
带止销
不带止销
（90〜100）%
1
1
±
1
±
±1
1.6（1.5）
1.
6
±
1.
6
±
±
2.
5
±
2.
5
±4
±
4
4
±
4
±4
±4
使用中的级压力表允许误差按级计算，准确度等级可不更改。
（4）仪表的回程误差轻敲前后均应不大于仪表的允许误差；
仪表的轻敲位移差，当轻敲表壳后，指针示值变动量应不大于仪表允许误差绝对值的1/2。
（5）逐步减压，依次校验下行程的各点。
（6）注意：
在被校表上加压（校验点），读取标准表指示值为实际测量值。
用活塞式压力计校验压力表（标准砝码的比拟法）。
带电接点信号装臵压力表的校验：
压力表的电气局部与表壳之间的绝缘电阻在环境温度5--35C,相对湿度不大于
85%寸，应小于20MQ。
将压力表安装在校验器上，用拨针器将两个信号接触指针分别拨到上限及下限以外，然后进行示值检定，示值检定合格后，进行信号误差检定，标准器的读数与信号指针示值间的误差不得超过最大允许根本误差绝对值的
倍。
结果处理：
经检定合格的压力表应予封印或发给合格证，必要时，封印的同时也发给合格证。
经检定不合格的压力表，允许降级使用，但必须更改准确度等级标志。
设备的常见故障的原因分析及处理：
（1）仪表在运行过程中常出现的故障现象有：
变差大或指示误差大，压力表跳跃转动，中心齿轮与扇形齿轮转动不灵活和游丝变形等现象。
（2）变差大的原因有：
（2.1）机构有磨损或上下夹板错位，引起轴的倾斜。
（2.2）锁子松晃，轴眼磨大，连接松动。
（2.3）传动机构不清洁。
（2.4）游丝紊乱或不清洁，使弹性改变。
（2.5）弹簧管弹性滞后大。
（2.6）指示误差大的主要原因有：
（2.7）指针与中心轴松脱。
（2.8）指针与铜套松脱，指针与表盘及玻璃碰蹭。
（2.9）刻度与轴不同心。
（3）压力表跳跃转动主要原因有：
〔3.1〕自由端与连杆结合过紧。
〔3.2〕连杆与扇形齿轮连接滑块压的过紧，使连杆转动卡涩。
〔3.3〕扇形齿轮与中心齿轮和夹板结合面不平行或有损伤，啮合太紧，以致卡住。
〔3.4〕中心齿轮与扇形齿轮转动不灵活：
〔3.5〕齿轮咬合过紧。
〔3.6〕齿轮间污物太多。
〔3.7〕中心齿轮不同心。
〔3.8〕扇形齿轮平面与中心齿轮不互相垂直。
〔3.9〕轴孔太小。
1.6.17、游丝调整：
当游丝变形紊乱时，用夹嘴钳将其两端的销子拔下，取下游丝放在白纸上，用两把弹力较松的镊子调整，一把夹住游丝规矩的点，另一把夹住间距大或小的，向里或向外的平整游程，细心修整，使游丝均匀圆滑。
如果游丝由于受热或扭曲过度，而造成严重变形时，应予以更新。
当示值的增长不成正比例情况下，当压力为最大量程的一半时，弹簧管自由端所引拉杆与扇形齿轮的中心线成90°，此时螺丝应在滑槽的中部，假设大于或小于90°，就会使指示产生非线形误差，为此，必须调整拉杆与扇形齿轮的夹角。
旋转底板法：
假设仪表示值前大后小，旋松底板固定螺丝，将底板向反时针方向旋转；假设仪表示值前小后大，旋松底板固定螺丝，将底板向顺时针方向旋转。
对拉杆长度可调的仪表，增大拉杆长度时，使夹角变小，以调整仪表示值的前大后小的不均匀度，反之那么相反。
具有非线性误差的压力表，仅调一项往往不能满足要求，为此需要同时进行综合调整。
1.6.18、设备检修特别考前须知：
〔1〕在静载负荷时〔指被测压力每秒变化速度不大于仪表满刻度范围的1%〕，应
比被测对象额定参数〔或工作点〕高1/3量程。
动载负荷时〔即变化速度大于1%〕，应高1/2量程。
〔2〕测压点选取应合理，有代表性，不靠近阀门弯头处，以免对示值产生影响，仪表与测点之间一般不超过50米。
〔3〕选取仪表时，首先应考虑其型式和标准，其次是精度和性能。
对于0.5—仪表，当环境温度超过20±5°C的范围，使仪表精度下降，如需进行精确测定，那么应考虑温度附加误差的影响，温度附加误差对精度的影响程度由下式算得：
现仪表精度=原仪表精度等级%+0.04〔t环-25〕%
〔4〕当仪表或导压管的环境温度接近或低于零度时，应采取防冻措施。
〔5〕仪表垫圈的材料选用，取决于测量条件与介质，一般：
低压、低温〔80C以下〕用皮带、橡胶或尼龙类。
中压、温度在350C-420C时，用石棉橡胶或铝垫。
高温、高压工况，用退火紫铜座。
测压介质为氧气时，必须用除油脂铝垫或石棉垫，不可用有机材料。
测乙炔压力时，一般用石棉垫。
〔6〕投用和切断仪表时，截止门应缓慢开关。
截止门安装应注意导压的方向性，在关闭后，门盖及盘根不再承受压力。
〔7〕检修作业应做到工完料尽场地清。
电测式压力测量仪表
这类仪表利用金属或半导体的物理特性直接将压力转换为电压、电流信号或频率信号输出，或是通过电阻应变片等将弹性体的形变转换为电压、电流信号输出。
代表性产品有由压电式、压阻式、振频式、电容式和应变式等压力传感器所构成的电测式压力测量仪表。
精确度可达级，测量范围从数十帕至700兆帕不等。
H4屋匝丸压力传螺番的柬理永意谢
图4压阻式压力传感器的原理示意结构图。
它是利用半导体材料硅受压后电阻率改变与所受压力有一定关系的原理制做的。
用集成电路工艺在单晶硅膜片的特定晶向上扩散一组等值应变电阻，将电阻接成电桥形式。
当压力发生变化时，单晶硅产生应变，应变使电阻值发生与被测压力成比例的变化，电桥失去平衡，输出一电压信号至显示仪表显示。
三、压力变送器
1、压力变送器结构及工作原理
压力变送器被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在S元件〔即敏感元件〕的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。
测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。
当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移
量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。
压力变送器和绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空。
信。
A/D转换器将解调器的电流转换成数字信号，其值被微处理器用来判定输入压力值。
微处理器控制变送器的工作。
另外，它进行传感器线性化。
重臵测量范围。
工程单位换算、阻尼、开方，，传感器微调等运算，以及诊断和数字通信。
本微处理器中有16字节程序的RAM，并有三个16位计数器，其中之一执行A/D转换。
D/A转换器把微处理器来的并经校正过的数字信号微调数据，这些数据可用变送器软件修改。
数据贮存在EEPROM内，即使断电也保存完整。
数字通信线路为变送器提供一个与外部设备〔如275型智能通信器或采用HART协议的控制系统〕的连接接口。
此线路检测叠加在4-20mA信号的数字信号，并通过回路传送所需信息。
通信的类型为移频键控FSK技术并依据Bell202标准
压力变送器是种将压力变量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给定的连续函数关系，通常为线性函数。
压力变量包括正、负压力，差压和绝对压力
2压力变送器的分类
压力变送器有电动和气动两大类，电动的统一输出信号为0~10mA，4~20mA〔
或1~5V〕的直流电信号，气动的统一输出信号为20~100kpa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，等等。
四、差压变送器1差压变送器工作原理
电容式压力、差压变送器的原理电容式变送器有一个可变电容的传感组件•该传感
器是一个完全封闭的组件过程压力、差压通过隔离膜片和灌充液硅油传到传感膜片引起位移•传感膜片和两电容极板之间的电容差由电子部件转换成〔4-20〕mA的两线制输
出的电信号。
2电容式差压变送器的工作原理及结构简图如图2所示。
Li
图2
1-正压室；2-弹性测量膜片；3-连接轴；4-固定电极；
5-可动电极；6-负压室；7-电极引线；8-环形弹簧极
差动电容式差压变送器的工作原理如以下图所示，图中可动电极5固定在连接轴3中
间，在可动电极两侧各装一固定电极4，组成两差动电容。
当差压为零时，可动电极与两固定电极间的间隙相等，L1=L2=L0，两差动电容量相等，C1=C2。
当差压p+—p—分别加到正负压室弹性测量膜片上时，引起膜片位移，连接轴3带动其上的可动电极
产生相应的微小位移，使可动电极与两固定电极的间隙L1和L2不相等，相应的电容C1和C2电容量也不相等。
这样将两弹性测量膜片上检出的压差信号变为电容量的变化。
通过电路的检测和转换放大，转变为二线制输出的4〜20mA直流信号
五、差压式液位测量法
1.液位测量
液位测量：
是一门测量液一液、气一液和液一固分界面的技术。
从原理上讲，液位测量主要基于相界面两侧物质的物性差异或液位改变时引起有关物理参数的变化。
在工
程应用中，它包括对液位、液位差、相界面的连续监测，定点信号报警、控制等。
2.分类：
主要的有沉浮式液位测量法〔浮子液位计〕、差压式液位测量法〔差压式液位计〕、电容式液位测量法〔电容式液位计〕、电阻式液位测量法〔电阻式液位计〕等。
3.测量方法的选择：
选择适宜的测量方法不仅要求能够获得最大信号量，同时还应该考虑信号传送过程对被测液体平安性等方面的影响〔如电源、光辐射可能加热低温液体或引爆易燃液体等〕，考虑被测液体对敏感元件的污染、腐蚀以及所需仪表的本钱、用户的使用条件
等具体情况。
二.差压式液位测量法
1.根本原理
其原理是运用流体静力学平衡方程，即液体中任一点的静压力与其自由外表上
的压力，原理图如下
图1墓压法注■克也原理
对于开口容器，其平衡方程如下：
△P=P1-P2=p1gH
由此可得:
H=△P/p1g
2差压变送器用于流量测量：
差压式流量测量系统是基于流体流动的节流原理。
在流体管道内，当流体流过孔板、喷嘴等节流件时，产生局部收缩，局部位能转化为动能，收缩截面处流体的平均流速增加，静压力减小，在节流件前后产生静压差。
流体的流量愈大，这个静压差也愈大，两者之间成对应的关系，测出节流件前后的压差△P，就可间接地测
出流体的流量。
节流件前后的压差△P与流量q的关系是q=K*〔△P〕1/2〔K——与被测流体性质、参数及节流件有关的参数〕。
差压式流量测量系统主要由标准节流装臵、差压信号管路、管路上的一次阀、二次阀、平衡阀、差压变送器和显示仪表组成。
要想使差压流量测量系统能准确测量，应保证标准节流装臵正确安装、仪表管路及阀门正常投用、差压变送器正常工作及显示仪表正常工作。
3、保证标准节流装臵的正确安装
标准节流装臵能否正确安装，决定能否得到正确的差压△P信号，从而影响
能否准确显示流量的大小。
标准节流装臵的安装应符合以下条件：
〔1〕节流件开孔
应与管道中心同心，在两个互相垂直的对角线方向上，测量环室边缘与法兰边缘距离之差不应大于1mm〔2〕节流装臵端面应与管道轴线垂直。
〔3〕节流装臵只能安装在直管段内，其前方最小直管段长度根据管道的局部阻力、有无截门等情况而不同，其值可从专门的图表中查得；而其后部的直管段长度一般应大于5D〔D为管道内
径〕。
〔4〕节流装臵前的管道内径应在靠近节流装臵和距节流装臵2D的两个截面上
分别进行四次测量，其算术平均值与设计值之差为：
当me0.3〔m为开孔面积〕时
，不超过3%当时，不超过1%当时，不超过0.5%。
每次单独测量的结果与上述四次测量的平均值比拟：
当时，偏差不超过土0.5%;
当时，偏差不超过土2%〔5〕由于节流件取压口装设在夹紧环或环室上，因此在安装节流件时，如被测介质为液体时应考虑到防止气体进入导压管，如被测介质为气体时应考虑到防止不和脏物进入导压管。
〔6〕假设安装节流装臵的管道处于水平或倾斜位臵，那么取压口位臵的选择如下：
当被测介质为液体时，取压口应在管道下方；当被测介质为气体时，取压口应在管道上方。
如安装节流装臵的管道处于垂直位臵时，那么取压口位臵可任意选择。
（7）对于测量蒸汽流量的节流装臵，在节流件取压口装设有冷凝器，其作用是使节流件与差压计之间导压管中的被测蒸汽冷凝，并使正负压导管中的冷凝液面有相等的恒定高度。
为此，节流件取压口位臵的选择，对于水平或倾斜管道，应在管道中心以上。
对于垂直管道，那么取压口位臵可以任意选择，而下面的冷凝器应向上移，以使正负压的冷凝液面处于相同的高度。
（8）对于新安装的管道，节流件必须在管道冲洁净后才能进行安装。
冲洗时可用与节流件夹紧环或相同厚度的临进垫圈代替。
（9）在节流装臵前后长度为2D20的一段管道内壁上，不得有任何凹坑和肉眼可见的突出物，如旱缝，温度计套管等。
（10）当节流装臵前后装有温度计套管时，二者之间必须有一定的距离，其大小可
根据温度计套管直径d决：
当d<时，距离应大于5D;当4、保证仪表管路及阀门正常投用
仪表管路安装应符合以下条件：
（1）仪表导管管路应能抗腐蚀，一般采用钢
管或铜管，其内径应在12mmr15mm之间。
（2）管路总长度一般不超过50m和不小于3m假设被测介质温度高于100C时，那么长度不应小于6m（3）应根据被测介质的压力采用耐
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