热工测量仪表

1. 热工测量仪表 压力及差压测量

2. 压力测量的意义 • 压力是工质热力状态的主要参数之一。热力发电厂中需要测量压力和差压的地方很多，待测压力范围很宽，约从1KP a到24MPa。保证压力测量的准确性对于机组安全、经济运行具有重要意义。例如：给水压力、气包压力、主蒸汽压力、凝汽器真空、各处的油压和烟风道压力等，都是运行中需要经常监视的重要参数。此外，差压测量还用于液位和流量的测量中。

3. 电厂现状 • 目前，电厂用压力计和差压计主要是弹性式的，只有在测量低压（如炉膛压力等）时采用液柱式压力计。另由于压力和差压信号管路长度的限制和铺设不便，通常用压力、差压传感器将压力或差压信号转为电信号，以便于传送和处理。

4. 压力常用的基本单位 表中mmH2O值是按水温4摄氏度和重力加速度9.80665m/s^2为计算，mmHg值是按水银温度0摄氏度为和重力加速度为9.80665m/s^2计算

5. 压力测量中的常用概念 • 计示压力（表压力）：工程上压力计的指示值，是被测绝对压力与当地大气压力之差。 • 绝对压力：真实压力 • 相对压力（压差） • 正压：压力测量与差压测量 • 负压：压力测量与差压测量 • 真空：表压低于大气压力的表压力的绝对值。

6. 压力测量的分类 • 依据测压原理不同，分为： • 1利用重力与被测压力平衡测压力：如液柱式压力计和活塞式压力计 • 2利用弹性力和被测压力平衡测压力：如弹性式压力计 • 3利用物质其它与压力有关的物理性质测压力：如半导体压阻式传感器和压电式传感器。

7. 第一部分 常规测压方法和仪表

8. 一、液柱式压力计 • 液柱式压力计是用一定高度的液柱所产生的静压力平衡被测压力的方法来测量压力的。由于其价格低廉，而且在0.1MPa范围内测量值准确度比较高，所以常用于测量低压、负压和差压。例如锅炉烟、风道各段压力及热力实验中节流式流量计所产生的差压等。 • 所用液体叫做封液，常用的有水、酒精、水银和四氯化碳等。常用的液柱式压力计有U型管压力计、单管式压力计和斜管式压力计。

9. 常用封液在不同温度下的密度

10. 1.1 U型管压力计 图1 U型管液柱式压力计 1,2 肘管; 3 封液

11. 1.1 U型管压力计(续) 用Ｕ形管测压的原理如图８－１所示。根据流体静力学，通入Ｕ形管的差压或液柱高度差h有如下关系： 式中　　　　　　－－－Ｕ形管中所充封液密度和封液上面的介质密度 h －－－两肘管中封液的高度差，h=h1+h2 g －－－重力加速度 　　Ｕ形管内径一般为５－－２０mm，为了减少毛细现象对测量准确度的影响，内径最好不小于１０mm

12. 1.1 U型管压力计(续) • 当标尺分格值为1mm时，两次液面高度读数的总绝对误差可估计为2mm，因此当被测差值很低时，液柱高度差很小，读数的相对误差就很大，此时应选择密度更小的封液，以增大肘管中的液柱高度差，或者使用斜管式微压计。 • 在使用U型管压力计时应注意保持U型管垂直，否则会引起读数误差；读数时眼睛应与液面平齐，以封液弯月面顶部切线为准读取液面高度。

13. 1.2 单管式压力计 图2 单管式压力计

14. 1.2 单管式压力计（续） • U型管压力计需要读取两个液面高度，使用不便。常把U型管的一边肘管换成大截面容器，称为单管压力计。由于压力计中封液体积为常数，因此存在以下关系：h2*f=h1*A，式中f，A分别为肘管截面积和大容器截面积；h2，h1分别为封液在肘管中上升和大容器中下降的高度。 所测差压　　　可表示为 当f,A一定时，系数(1+f/A)为常数。选定封液后,封液密度　 和封液上面的介质密度　为定值，因此只要读取肘管中液面上升高度h2就可以测的差压值　　。一般将f/A值定的很小，使(1+f/A)值近于１。例如，当肘管直径为５mm，大容器内径为１５０mm时，f/A＝（５／１５０）＾２＝１／９００，此时h1可以忽略．被测介质为气体时 亦可忽略．

15. 1.2 单管式压力计（续） • 如将数根肘管连至同一个大截面容器，则连成多管式压力计。电厂常用它来测量炉膛和烟道各处的负压。大容器通大气，各肘管连至各段烟道测点，此时各肘管中的液柱高度即代表负压。

16. 1.3 斜管式压力计 图3 斜管式压力计实物图

17. 1.3 斜管式压力计（续） 图4 斜管式微压计原理图 1-宽容器; 2-倾斜肘管

18. 1.3 斜管式压力计（续） • 在热力试验中，常用斜管式微压计来测量微小的正压、负压和差压。图4为斜管式微压计原理图．测量正压时被测压力通入大容器，测量负压时，被测压力通入肘管．测量差压时将较高的压力通入大容器而将较低的压力通入肘管．在差压的作用下，倾斜角微a的斜管中的封液液面升高了h2,大容器内液面下降了h1,所以 • 由于微压计一般用于测量气体，故　　　可略去，另外考虑到封液在倾斜肘管中的长度l和h1的关系，以及表中封液体积一定，即

19. 1.3 斜管式压力计（续） • 式中f，d为斜管面积和内径；F，D为大截面容器截面积和内径。所以： • 式中K为系数， • 与单管式相比，因为l比h1放大了1/sinα，故读数的相对误差减小。改变α就能改变K值，以适应不同的测量范围。但α不得小于5度， α太小斜管内液面拉长，且易冲散，反而影响读数的准确性。斜管式微压计的使用范围一般为100到2500Pa。

20. 1.4 液柱式压力计的测量误差及修正 • 参看清华版 138－139页 • 1 环境温度变化的影响——修正 • 2 重力加速度变化的影响——修正 • 3 毛细现象造成的误差——加大管径 • 4 刻度、读数、安装等方面的误差——正确读数及安装

21. 二、弹性式压力计 • 弹性式压力计是根据弹性元件受压后产生的变形与压力大小有确定关系的原理制成的。它适用的压力范围广（0～1000MPa），结构简单，故获得广泛应用。 • 目前常见的测压弹性元件有金属膜片式（膜盒式）、波纹管式和弹簧管式。

22. 2.1 弹性元件的特性 • 1弹性特性：弹性元件在负荷（压力、力或力矩）的作用下，产生相应的变形（位移或转角），此变形与负荷之间的关系称为弹性元件的弹性特性。 图5 弹性元件的弹性特性

23. 2.1 弹性元件的特性（续） • 2刚度和灵敏度 • 刚度：使弹性元件产生单位变形所需要的负荷，称为弹性元件的刚度。 • 灵敏度：在单位负荷作用下产生的变形，称为弹性元件的灵敏度。 • 弹性元件的刚度和灵敏度互为倒数。

24. 2.1 弹性元件的特性（续） • 3弹性滞后和弹性后效 • 弹性滞后：弹性元件在其弹性变形范围内，加负荷与减负荷时表现的弹性特性不相重合的现象，称为弹性滞后。由此产生的误差，称为滞后误差。 图6 弹性元件的弹性滞后

25. 2.1 弹性元件的特性（续） • 弹性后效：当负荷（压力、力或力矩）停止变化或完成卸负荷后，弹性元件不是立刻完成相应的变形，而是在一段时间内继续变形，这种现象称为弹性后效。 图7 弹性元件的弹性后效现象

26. 2.1 弹性元件的特性（续） 弹性元件的弹性滞后和弹性后效现象在工作过程中是同时产生的，它是造成仪表指示误差（回差和零位误差）的主要因素。弹性滞后及弹性后效与材料的极限强度，弹性元件的结构设计、负荷大小、特性以及工作温度等因素有关。使用压力越接近材料的比例极限或强度系数越低，弹性后效就越大。为了减小弹性滞后和弹性后效值，在设计时应选用较大的强度系数，合理选择材料，采取适当的加工和热处理方法等。

27. 2.2 弹性元件的材料 • 1、高弹性合金——受温度变化影响大 • 2、恒弹性合金——受温度变化影响小 • 上述的各种金属弹性材料，总存在一定数值的弹性滞后和弹性后效，它们妨碍了传感器测量准确度的进一步提高。用石英材料制作弹性敏感元件最理想，它的弹性滞后只有最好弹性合金的最小滞后的1/100，线膨胀系数则为它的1/30。因而可以制造高准确度的弹性元件

28. 2.3 金属膜片、膜盒压力计 膜片是将两种压力不等的流体隔开而具有挠性的圆形薄板或薄膜。它的周边与壳体或基座相固接（夹紧、焊接等），如下图所示。当膜片两边的流体压力不等时，膜片产生位移、力或者频率信号；由此得到被测流体的压力。所以膜片是一种简单可靠的压力测量（或传感）元件。 • 图8 膜片 • 平膜片; (b) 波纹膜片 • 1-平膜片; 2-夹紧环; 3-壳体

29. 2.3 金属膜片、膜盒压力计（续） • 膜片按工作面形状可分为两类：平膜片和波纹膜片。多数波纹膜片上有一波形或复合波形的同心的周向波纹，也有少数的横向波纹。波纹膜片的最大特点是：对波纹的结构形式加以合理的选择，可以得到较大的位移并保持较好的线性度。将纹膜片成对地沿周边密封焊接成膜盒，或由单膜盒串联成膜盒组，可以获得更大的位移。 图9 膜盒 (a) 单模盒; (b) 膜盒组

30. 2.3 金属膜片、膜盒压力计（续） • 膜片可分为弹性膜片和挠性膜片。弹性膜片一般由金属制成，常用的弹性波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄片，其挠度与压力的关系，主要由波纹的形状、数目、深度和膜片的厚度、直径决定，而边缘部分的波纹情况则基本决定了膜片的特性，中部波纹的影响很小。挠性膜片只起隔离被测介质的作用，它本身几乎 没有弹性，是由固定在膜片上的弹簧的弹性力来平衡被测压力的。 • 图10 膜片和膜盒 • 弹性膜片; (b) 挠性膜片; (c) 膜盒

31. 2.3 金属膜片、膜盒压力计（续） 图11 膜盒式压力计 1调零螺杆； 2机座； 3刻度板； 4膜盒； 5 指针； 6凋零板 ；7限位螺丝；8弧形螺丝；9双金属片；10轴；11杠杆架；12连杆；13指针轴；14杠杆；15游丝；16管接头；17导压管 膜盒式压力计的精度一般为2.5级。膜片压力计适用于真空或0~6×106Pa的压力测量，膜盒压力计的测量范围0~±4×104Pa。

32. 2.4 波纹管压力计 • 波纹管是一种轴对称的管状波纹薄壳，当它受轴向力作用时，或者在其内腔与周围介质的压力差的作用下在其线性特性不变的情况下，能产生较大的位移；当它受横向力作用时，将在轴向平面内弯曲。利用上述特性，波纹管可作为把压力或力转换成位移的感压元件。也可作为特殊的联接或密封隔离元件。 • 波纹管种类很多，但大体可分为有缝和无缝两类。

33. 图12波纹管压力计 1高压引入口；2高压室波纹管；3冲液温度补偿波纹管；4阻尼环；5连接轴；6单向保护管；7填充液；8高压测量室；9阻尼旁路；10阻尼阀；11低压引入口； 12低压室波纹管；13单向保护阀；14微调量程螺母；15螺杆；16量程弹簧；17量程弹簧支承板；18中心基座；19低压测量室；20排液（气）针阀；21阻尼保护室；22低压室壳体；23挡板；24摆杆；25高压室壳体

34. 2.4 波纹管压力计（续） • 当被测差压进入高、低压测量室时，高压室的波纹管被压缩，其中的填充液通过环形空隙和阻尼旁路流向低压室波纹管，使其伸长。整个连接轴承系统就向低压侧方向移动，并拉伸量程弹簧，直至差压在波纹管地面上形成的力与量程弹簧力和波纹管的变形力平衡为止。

35. 2.5 弹簧管压力计 如图所示，弹簧管压力计由弹簧管、齿轮传动机构、刻度盘组成。 图13 单圈弹簧管压力计 1弹簧管； 2小齿； 3扇形齿轮； 4拉杆；5连杆调节螺钉；6放大调节螺钉；7接头； 8刻度盘；9指针；10游丝 图14 弹簧管及其横截面

36. 2.5 弹簧管压力计（续） • 单圈弹簧管自由端的位移量不能太大，一般不超过2～5mm。为了提高弹簧管的灵敏度，增加自由端的位移量，可采用回形（S形）弹簧管或螺旋形弹簧管。 • 单圈弹簧管压力表的精度，普通的是1～4级，精密的是0.1~0.5级。测量范围从真空到10的九次方帕斯卡。为了保证弹簧管压力表的指示正确和能长期使用，应使仪表工作在正常允许的压力范围内。对于波动较大的压力，仪表的示值应经常处在量程范围的1/2附近；被测压力波动小，仪表示值可在量程范围的2/3左右，但被测压力值一般不应低于量程范围的1/3。另外，还要注意仪表的防震、防爆、防腐等问题并定期校验。

37. 2.6 弹性压力计的误差及改善途径 由于环境的影响，仪表的结构，加工和弹性材料性能的不完善，会给压力测量带来各种误差。相同压力下，同一弹性元件正反行程的变形量会不一样，也因而存在迟滞误差。弹性元件变形落后于被测压力的变化，引起弹性后效误差。仪表的各种活动部件之间有间隙，示值与弹性元件的变形不完全对应，会引起间隙误差。仪表的活动部件运动时，相互间有摩擦力，会产生摩擦误差。环境温度改变会引起金属材料弹性模量的变化，会引起温度误差。由于这些误差的存在，一般的弹性压力计要达到0.1%的精度是极为困难的。

38. 提高弹性压力计精度的主要途径 • １－采用无迟滞误差或迟滞误差极小的“全弹性”材料和温度误差小的“恒弹性”材料制造弹性元件，如合金Ｎi42CrTi,Ni36CrTiA,这些是用的较广泛的恒弹性材料，熔凝石英是较理想的全弹性材料和恒弹性材料。 • ２－采用新的转换技术，减少或取消中间传动机构，以减少间隙误差和摩擦误差，如电阻应变转换技术。 • ３－限制弹性元件的位移量，采用无干摩擦的弹性支撑或悬浮支撑等。 • ４－采用合适的制造工艺，使材料的优良性能得到充分的发挥。

39. 三、其它形式测压仪表 • 3.1 压阻式压力传感器 • 原理：物体受压后会产生内应力和弹性形变，在弹性限度内，内应力与变形率成正比，因而可以通过测量物体应变来求得物体所受的压力。而应变式压力变送器就是通过测量胶合在弹性元件上，或者与弹性元件制成一体的应变电阻的阻值大小来测量受压弹性元件的应变，从而测得弹性元件所感受的压力的。

40. 工作原理 • 1金属丝的应变效应 • 2半导体的压阻效应 式中　　－－电阻的纵向应变， ， ：材料的泊松系数，因而

41. 　式中：Ｋ的物理意义为单位纵向所引起的电阻变化率，称为应变片的纵向灵敏度。对于金属材料来说，式中后面一项压阻效应很小，电阻变化主要是由几何应变效应引起的，即Ｋ＝１＋２v．所以金属应变片的灵敏度Ｋ值很小，一般在１．７－３．６之间。对于半导体来说，由于压阻效应很大（约６０－－１７０左右），几何应变效应可以忽略，因此 ，称为半导体的压阻效应。

42. 变送器的结构形式 • 1膜片式 • 由于单晶硅在500摄氏度以下几乎没有弹性滞后、漂移和蠕变，因此电阻与应变之间有较好的线性关系。另外还有压阻系数高，动态相应快，体积小等优点。用硅膜片制成各种测量范围的固体压力传感器，其测量精度可达（0.1~0.2）%。 • 2筒式：可测压力上限较高。 • 3组合式

43. 3.2压电式压力传感器 • 原理：利用物质的压电效应把压力信号转换为电信号，以达到测量压力的目的。 • 一些电介质材料在一定方向上受外力作用而产生变形时，在它们的表面上会产生电荷；当外力去掉后，它们重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。

44. 压电传感器特点 • 1产生的信号非常微弱，输出阻抗很高，必须经过前置放大，以放大信号，减小阻抗，被一般测量仪器接受。 • 2输出可以是电荷（价格高，电路复杂，调整困难，但可以用很长的连接电缆而不受电容的影响）、也可以是电压（电路简单，价格便宜，对输入电容敏感）。 • 3不能用于静态测量。被测压力变化频率太低或太高，温湿度的改变都会影响传感器灵敏度，造成误差。

45. 3.3* 振弦式压力变送器 拉紧的弦，其固有f0与拉紧的张力Ｔ之间有如下的平方根关系： 式中 -------振弦长度 -------振弦的线密度，即单位弦长的质量 -------振弦材料密度 ------振弦所受的应力，即单位面积的张力，　＝Ｔ／Ａ，Ａ为振弦的截面积 • 当弦的材料和尺寸确定后，就可通过测量弦的固有频率来测量弦的张力。通过膜片等元件就可把差压转换成作用在弦上的张力，这就是振弦式压力变送器的原理。

46. 振弦式压力变送器特点 • 振弦式变送器的输出位频率信号，因此具有较强的抗干扰能力，而且零漂小、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。

47. 第二部分 压力信号的电变送方法

48. 引言 • 目前，一般将能够感受压力（差压）并按一定规律将压力（差压）转换成同种或别种性质的输出变量的仪表，称为压力传感器。输出为标准信号的传感器也称为变送器。由于电信号传送方便，易于处理，大多数压力传感器以电量的形式输出。

49. 1电位器式压力传感器 • 电位器式压力传感器的原理是：把测压弹性元件的输出位移转换成微型电位器滑动触点的位移，从而把被测压力的变化转换成电阻值的变化，然后用动圈式仪表或电子自动平衡电桥来测量电阻值的变化。 • 由于存在滑动摩擦阻力（一般希望滑动触点在电位器上的滑动力矩小于0.25g*cm），以及电位器易磨损、污染等问题，因此这种电位器式压力变送器在有振动和有腐蚀性气氛的环境中不宜采用。

50. 2 电感式压力（差压）传感器 • 工作原理：弹性元件受压力作用后产生的位移可改变磁路中空气隙大小，或改变铁芯与线圈之间的相对位置，使得线圈的电感量发生改变，从而使压力变化的信号转换伟线圈电感量变化的信号。根据这种原理构成的压力传感器形式很多，其中以差动变压器式应用最广泛，如下页图所示。