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压力测试整理
压力测试
引言
压力是工业生产中的重要参数,在生产过程中,对液体、蒸气和气体压力的检测室保证工艺要求、设备和人身平安并使设备经济运行的必要条件。
例如氢气和氮气合成氨气的压力为32MPa;精馏过程中精馏塔内的压力必须稳定,才能保证精馏效果;而石油加工中的减压蒸馏,那么要在比大气压力低约93kPa的真空度下进行。
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。
所谓压力,就是指均匀而垂直地作用于单位面积上的力。
其数学表达式为:
(1)
式中P——压力;
F——均匀垂直作用力;
A——受力面积。
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,使弹性元件受压后产生弹性变形,通过测量该变形即可测得压力的大小。
这种仪表结构简单,牢固可靠,价格低廉,测量范围宽(10-2~103MPa),精度可达级,假设与适当的传感元件相配合,可将弹性变形所引起的位移量转换成电信号,便可实现压力的远传、记录、控制、报警等功能。
因此在工业上是应用最为广泛的一种测压仪表。
弹性元件
弹性元件不仅是弹性式压力计感测元件,也经常用来作为气动仪表的根本组成元件,应用较广。
当测压范围不同时,所用的弹性元件也不同,常用的几种弹性元件的结构如图3所示。
图3弹性元件示意图
弹性元件大多采用铍青铜、磷青铜、不锈钢等材料制成,也有采用非金属材料(如橡胶模片)制作。
弹簧管式弹性元件
单圈弹簧管式弯成圆弧形的金属管,它的截面积做成扁圆形或椭圆形,如图3(a)所示,当通入压力后,它的自由端会产生位移。
这种单圈弹簧管自由端位移量较小,测量压力较高,可测量高达1000MPa的压力。
为了增加自由端的位移,可以制成多圈弹簧管,如图3(b)所示。
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要低。
如图3(c)所示为膜片式弹性元件,它是由金属或非金属材料做成的具有弹性的一张膜片(平膜片或波纹膜片),在压力作用向下能产生变形。
有时也可以由两张金属膜片沿周口对焊起来,成一薄壁盒,内充液体(例如硅油),称为膜盒,如图3(d)所示。
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(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或气动仪表的根本元件。
弹簧管的测压原理
弹簧管式压力表示工业生产上应用广泛的一种测压仪表,并以单圈弹簧管的应用为最多。
单圈弹簧管是弯成圆弧形的空心管,如图4所示。
它的截面积成扁圆或椭圆形,椭圆形的长轴a与图面垂直、与弹簧管中心轴O平行。
A为弹簧管的固定端,即被测压力的输入端;B为弹簧管的自由端,即位移输出端;y为弹簧管中心角初始角;△y为中心角的变化量;R和r分别为弹簧管弯曲圆弧的外半径和内半径;a和b为弹簧管椭圆截面的长半轴和短半轴。
图4弹簧管的测压原理
作为压力-位移转换元件的弹簧管,当它的固定端通入被测压力后,由于椭圆形截面在压力p的作用下将趋向圆形,弯成圆弧形的弹簧管随之向外挺直扩张变形,由于变形其弹簧管的自由端由B移到B’,如图4虚线所示,输入压力p越大产生的变形也越大,由于输入压力与弹簧管自由端的位移成正比,所以只要测得B点的位移量,就能反映压力p的大小,这就是弹簧管压力表的根本测量原理。
弹簧管压力表的结构
图5弹簧管压力表
1—弹簧管;2—拉杆;3—扇形齿轮;4—中心齿轮;
5—指针;6—面板;7—游丝;8—调整螺钉;9—接头
弹簧管压力表的结构原理如图5所示。
被测压力由接头9通入后,弹簧管由椭圆形截面胀大趋于圆形,由于变形,使弹簧管的自由端B产生位移,自由端的位移量一般很小,直接显示有困难,所以必须通过放大机构才能指示出来。
放大过程为:
自由端B的弹性变形位移通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针转动,于是指针通过同轴的中心齿轮4带动而顺时针偏转,从而在面板的刻度标尺上显示出被测压力p的数值。
由于自由端的位移与被测压力间有正比关系,因此弹簧管压力表的刻度标尺是线性的。
游丝7用来克服因扇形齿轮和中心齿轮的间隙所产生的仪表变差。
改变调整螺钉8的位置(即改变机械转动的放大系数),可以实现压力表一定范围量程的调整。
弹簧管的材料,一般在p<20MPa时采用磷铜,p>20MPa时那么采用不锈钢或合金钢。
但是使用压力表时,必须注意被测介质的化学性质。
例如:
测量氧气时,应严禁沾有油脂或有机物,以确保平安。
电接点压力表
在工业生产过程中,常常需要把压力控制在一定范围内,即当压力超出规定范围时,会破坏正常工艺操作条件,甚至造成严重生产事故,因此希望在压力超限时,能及时采取一定措施。
图6电接点压力表
1、4—静触点;2—动触点;3—绿灯;5—红灯
电接点压力表的结构如图6所示。
它是在普通弹簧管压力表的根底上附加了两个静触点1和4,静触点的位置可根据要求的压力上、下限数值来设定。
压力表指针2为一动触点,在动触点与静触点之间接入电源(220V交流或24V直流)。
正常测量时,工作原理与弹簧管压力表相同,动、静触点并不闭合,不形成报警回路,无报警信号产生。
当压力超过上限值时,动触点2与静触点4闭合,上限报警回路接通,红色信号灯亮(或蜂鸣器响)发出报警信号;当压力过低那么触点2与触点1闭合,下限报警回路接通,绿色信号灯亮(或蜂鸣器响)。
电接点压力表能简便地实现在压力超出给定范围时,及时发出报警信号,提醒操作人员注意,以便采取相应措施。
另外还可通过中间继电器实现某种连锁控制,以防止严重事故发生。
变送器的任务
变送器的任务是把各种非电量的工艺参数(如压力、流量、温度、液位等),变换成统一标准信号,然后根据系统的需要,传送到有关仪表进行控制、显示或记录。
根据被测变量的不同,可分为压力变送器和差压变送器。
变送器的输入输出关系
图7变送器X—Y关系曲线
如图7变送器X—Y关系曲线所示,我们可知:
输入:
Xmin~Xmax为变送器测量范围
L=Xmax-Xmin为变送器的量程
输出:
Ymin~Ymax为输出信号范围
输出信号为标准信号,不同类型的变送器输出范围不同。
输入X和输出Y一般为线性关系。
图8为几种变送器的输出信号范围。
表8变送器的输出信号范围
变送器输出与测量值的换算关系:
                  (4)
测量值与变送器输出的换算:
                  (5)
各种输出与被测参数满足线性关系的变送器均可适用。
变送器的连线方式
1.四线制
四根导线与变送器相连,其中两根为电源线,两根为信号线。
图9四线制变送器
DDZ—ⅡDDZ—Ⅲ
电源:
220VAC24VDC
信号:
0~10mA4~20mA
2.二线制
两根导线与现场变送器相连,既是电源线又是信号线。
电源与负载串联接入变送器。
图10二线制变送器
电源:
24VDC信号:
4~20mA
变送器的任务力平衡式压力变送器
压力变送器的作用是连续测量生产过程中各种液体、蒸汽和气体压力,并把这一压力成比例地转换成统一的标准信号,以实现压力的显示和控制。
力平衡式压力变送器可分为测量表压的压力变送器和测量绝对压力的绝对压力变送器。
测量局部
力平衡式压力变送器测量局部的测压敏感元件根据所产生测量力的范围而定。
常用的有以下几种:
1.波纹管式
波纹管是用来测量低压力(0~2.5MPa)的敏感元件,一般采用黄铜或不锈钢制成的波纹管,其结构原理如图11所示。
当被测压力通入测量室时,波纹管产生一轴向推力,经测量波纹管转换成测量力,通过推杆作用在主杠杆上,传递到转换局部。
图11波纹管式
1—测量波纹管;2—测量室;3—推杆;4—螺帽;5—主杠杆;6—出轴膜片
2.弹簧管式
测量中、高压(2.5~10MPa、10~60MPa)的敏感元件一般采用铬钒钢制成的弹簧管,其测量局部的结构原理如图12所示。
当被测压力p将进入弹簧管内时,弹簧管末端便产生一径向力,这个力经过推杆传递到转换局部的主杠杆上。
图12弹簧管式
1—弹簧管;2—推杆;3—主杠杆;4—出轴膜片;5—支架;6—螺帽;7—壳体
3.双波纹管真空补偿式
双波纹管真空补偿式,用来测量绝对压力,测量局部结构原理如图13所示。
图13双波纹管式
1—测量波纹管;2—补偿波纹管;3—推杆;4—主杠杆
它是由安装在同一轴线上有效面积相同的两个不锈钢波纹管组成,波纹管1为测量波纹管,波纹管2为补偿波纹管,预先抽成真空,然后密封。
其工作原理如下。
两个波纹管的有效面积相同,即A1=A2,当被测的绝对压力p1进入测量波纹管时,在被测压力p1与大气压力p2的差压作用下,测量波纹管底部产生一个推力F1,其值为:
(6)
由于补偿波纹管内部已抽成真空,所以它仅仅受到周围大气压力p2的作用,在它的底部产生轴向压缩力F2=p2A2。
因A1=A2,那么作用在主杠杆4上的合理(即测量力)为:
(7)
从式(7)可以看出,测量力F与被测绝对压力p1成正比,而与大气压力无关,故测得的压力为绝对压力。
不管大气压怎样变化,大气压力对两波纹管的作用,总是互相抵消的,这样补偿了由于大气压力变化而引起的测量误差。
从以上原理可以看出,测量局部不管采用哪种敏感元件,都是将被测压力转换成相应的测量力F,其值与被测压力成正比,即
(8)
式中K是与敏感元件特性有关的一个系数。
式(8)中的压力p,如果是某两个压力之差时,同样道理我们可以将差压转换成相应的测量力F,便可进行差压的测量。
无论是对压力p或差压的测量,都应转换为测量力F的测量。
工程上是用膜片互殴膜盒等作为敏感元件,利用膜片或膜盒等弹性元件把被测的压力或差压转换成立,根据力平衡原理进行测量力F的测量。
转换局部
无论是气动还是电动的力平衡式压力变送器,其转换局部结构原理均与差压变送器相同。
对于电动压力变送器的转换原理请参见下面“力平衡式电动差压变送器〞的内容。
力平衡式电动差压变送器
图14是力平衡电动差压变送器的结构原理图,采用了4~20mADC的信号制,可使电源及信号传递共用二根线,构成二线制变送器,同时24V直流电源供电提高了平安性。
变送器量程调整方便,采用更换动圈抽头和改变矢量角的方法进行。
由于采用了较先进的固定指点的矢量机构,提高了仪表的可靠性和稳定性。
图14差压变送器结构示意图
1—负压室;2—正压室;3—测量元件(膜盒、膜片);4—轴封膜片;5—主杠杆;
6—矢量机构;7—量程调整螺钉;8—检测片;9—差动变压器;10—副杠杆;
11—放大器;12—反响动圈;13—永久磁铁;14—电源;15—负载;16—调零弹簧
图15DDZ—Ⅱ型差压变送器
图16DDZ—Ⅲ型差压变送器
工作原理
差压变送器由两局部组成,下半局部为测量局部,上半局部为转换局部。
前者包括测量室、测量元件(膜盒)、主杠杆,后者包括主杠杆、矢量机构、副杠杆、反响机构、差动变压器、调零装置及放大器。
差压变送器是根据力平衡原理工作的,这种结构式一个具有深度负反响的有差系统。
根据上述工作原理画出的变送器方框图如图17所示。
下面分别介绍各组成局部的作用。
图17变送器方框图
弹性元件
力矩平衡式变送器中的弹性元件是用来将被测压力或差压信号转换为集中力。
根据被测压力或差压的不同范围可采用弹簧管、波纹管和金属膜盒等。
当弹性元件的位移很小时,弹性元件的有效面积可以认为是常数。
这时弹性元件对主杠杆下端的作用力F为:
(9)
式中K1—与弹性元件有关的系数
杠杆系统和矢量机构
杠杆系统用于力的传递和比拟,其上作用力之间的关系根据力平衡原理可为:
式中K2—系数,决定于F和F1到支点H的距离之比。
矢量机构上的各个力之间的关系为:
式中θ —矢量板上的矢量角;
K3—系数,它决定于副杠杆上的作用力F2和F4到支点M的距离之比。
电磁反响机构
电磁反响机构由反响动圈(固定在副杠杆上见图13)、永久磁钢组成,输出电流通过反响动圈与磁钢发生作用,产生反响力Ff。
在磁场中动圈受力为:
(10)
式中B—磁场的磁感应强度;
L—磁场中导线的长度;
Io—输出电流。
如果动圈平均直径为D,匝数为W,那么导线的有效长度L为:
(11)
(12)
Ff为整机的反响力,由于变送器基于力平衡原理,在平衡时可导出下式:
(13)
式中K—变送器的结构常数,K=K1K2K3/K4。
从上式可以看出,变送器在力平衡条件下,对应于一定的矢量角θ和反响动圈匝数W,这时变送器输出电流Io与被测差压Δp成线性关系。
假设改变矢量角θ和反响动圈匝数W那么可改变仪表的量程。
因为矢量角的变化对零点的影响很小,因此量程调整非常方便。
位移检测放大器
位移检测放大器,完成位移—电流转换的任务。
它是将差压变送器所测的差压信号Δp,经副杠杆转换成检测片的微小位移ΔS,此位移由差动变压器、低频振荡器、功率放大器再转换成变送器的整机输出4~20mA的直流电流。
位移检测放大器原理框图如图18所示。
:
(1)差动变压器。
差动变压器的结构如图19所示。
它是由衔铁(检测片)、罐形磁芯和四组线圈所构成。
预案百年两组线圈同相分别绕在上、下芯柱上,副边两组线圈反相绕在上、下芯柱上,而且下磁芯的中心柱人为地磨成一空隙δ=0.76cm,磁芯的中心柱截面积等于其外环的截面积,衔铁位置S随测量信号改变。
由以上结构可知,下磁芯磁路空气隙长度不变,而上磁芯磁路空气隙长度随测量信号改变。
图19差动变压器的结构
1—检测片;2—上罐形磁芯;3—下罐形磁芯
图20差动变压器的等效线路
为了便于分析差动变压器工作原理,我们把图19等效为图20。
图UAB为原边绕组的电压,e1、e2分别为副边两绕组的感应电势。
由于副边两个线圈的绕向是相反的,所以e1、e2的方向是相反的。
当差动变压器原边加一激磁电压UAB时,那么副边感应电势UCD=+。
当UAB一定时,是固定的,而那么随检测片与磁芯的距离S而变化。
即副边感应电势UCD随衔铁移动而变化。
UCD的大小及其与原边UAB的相位关系,取决于检测片的位移间隙时大于
,还是小于
。
(2)低频放大器。
低频放大器由振荡器、整流滤涉及功率放大器三局部组成。
低频放大器的作用是把差动变压器的输出信号进行整流、滤波、放大成4~20mADC输出。
完成了将检测片的微小位移ΔS转换成输出电流的任务。
特点
电容式差压变送器的敏感元件为差动式电容。
将差压的变化转换为电容量的变化。
这个变化经传送局部运算放大后,变送器输出与被测差压成线性的4~20mA直流信号。
电容式差压变送器与其他差压变送器相比有以下优点:
当测量膜盒一侧承受单向过载压力时,具有单向保护机构;在变送器中因没有杠杆系统,所以静压误差的问题比拟容易解决,比拟耐振耐冲击,其可靠性、稳定性高。
整个差压变送器的精度较高,允许误差不超过量程的±0.25%;电容式差压变送器是二线制变送器,供电电压为24VDC,当负载电阻过大达1650Ω时,供电电压可提高到45VDC,在无负载时,变送器供电电压可降到12VDC,所以电容式差压、压力变送器被广泛用于生产过程中。
工作原理
电容式差压变送器的原理方框图如图21所示。
它由检测局部和传送局部组成,检测局部是将被测的差压经活动电极转换为静电容量变化。
传送局部是将静电容的变化量经测量电路转换为电压,再经将电压转换成电流的运算放大器,输出与被测差压成线性的直流电流信号。
图21变送器原理方框图
检测局部
检测局部的工作原理如图22所示。
测量磨合充以灌液(硅油),测量膜片(可动电极)和两边弧形固定电极分别形成电容C1和C2。
被测的差压通过导压管进入变送器的正、负压室,分别加于左右两个隔离膜片上,通过充灌液将压力传送到测量膜片上,在两边压力差的作用下,测量膜片的中心可左右移动0.1mm的距离,从而使C1和C2的电容量不再相等,这一静电容量变化经引出线送往传送局部放大,转换为4~20mADC信号输出。
图22检测局部结构原理图
1—导线;2—隔离膜片;3—充灌液;4—固定电极;
5—测量膜片(可动电极);6—刚性绝缘体(陶瓷);7—浮动膜片
在正常输入差压作用下,浮动膜片根本上是不动的。
当膜盒一侧承受单向过载压力时,浮动膜片产生位移,这样就使测量膜片的变形量减小,由于检测局部的核心体是随单向过载压力浮动的,因此,在承受单向压力时隔离膜片与基座波纹间挤出的充灌液被吸收,测量膜片不会紧贴到对面的球形固定电极上,而是隔离膜片紧贴在与其吻合的基座保护波纹上,因此便能顶住外加压力,起到了过载保护的作用。
传送局部
放大器是由运算放大器和晶体管组成的电流放大器;反响局部是由电阻和电位器组成的线性电阻网络。
其电容式差压变送器的结构方框图如图23所示。
图23电容式差压变送器的结构方框图
变送器输出与被测变量的对应关系
对于压力或差压变送器输出与变量之间的对应关系,可以根据变送器的测量范围、工作能源、输出信号范围由式(14)求得
(14)
式中Io—变送器的输出信号值;
x—被测变量的测量值(单位量纲应与变送器量程一致);
I上、I下—变送器输出的上限值、下限值(电动变送器一般为4~20mA,气动变送器为20~100kPa);
Lmax、Lmin—变送器测量范围的上限值、下限值。
对于工作能源的变送器,其输出的上、下限(I上、I下)是的,当变送器的测量范围选定,那么变送器的输出只与被测变量相对应,根据式(14)可以得到测量范围内任意测量值时的输出信号值;反之,一直输出信号值可由式(14)求出被测变量值。
此关系不仅适用于压力、差压变送器,而且对于各种被测变量与变送器输出满足线性关系时均可适用。
如液位变送器、温度变送器等。
应变式压力传感器
物体受压后会产生内应力和产生弹性变形,在弹性限度之内,内应力与变形率(即应变)成正比,因而可以通过测量物体应变来求物体所受的压力。
应变式压力变送器就是通过测量粘贴在弹性元件上或者与弹性元件制成一体的应变电阻值的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。
应变原理
对于一根圆截面的金属电阻丝,当受到轴向拉伸作用力时,金属丝会沿轴向伸长dL,沿径向缩短dD,使金属丝的电阻率发生变化(增大),从而导致电阻值改变。
dL/L称为金属电阻丝的轴向应变,dD/D称为径向应变。
将电阻丝用粘合剂固定在绝缘的基片上便构成了应变片。
作为干呀元件的应变片是由金属导体或半导体材料制成的电阻体,它的电阻值R随压力p所产生的应变而变化。
应变式压力传感器利用应变片作为转换元件,把被测压力p转换成应变片的电阻值变化,然后经桥式电路得到毫伏级电量输出给显示仪表。
必须指出半导体应变片虽然具有远比金属导体应变片要高的灵敏度,但其温度影响却比金属要大,因此,必须采取相应的温度补偿措施或采用温度特性较好的半导体材料。
应变式压力传感器
图24压力传感器示意图
压力传感器如图24(a)所示。
应变筒1的上端与外壳2固定在一起,它的下端与不锈钢密封膜片紧密接触。
两片应变片r1和r2用特殊胶粘剂紧贴在应变筒的外壁。
r1沿应变筒的轴向贴放,作为测量片;r2沿径向贴放,作为温度补偿片。
应变片与筒体间不应有相对滑动现象,并保持电气绝缘。
当被测压力p作用于不锈钢膜片而使应变筒产生轴向受压变形时,沿轴向贴放的应变片r1也将产生轴向压缩应变,应变量为ε1,于是r1的阻值变小;而沿径向贴放的应变片r2由于本身受到横向压缩将引起纵向拉伸应变,应变量为ε1,于是r2阻值变大。
r1和r2与另外两个固定电阻r3和r4组成桥式电路如图24(b)所示。
当被测压力为零时,r1=r2,r1=r2,电桥处于平衡状态,桥路输出电压ΔU=0。
当被测压力作用于不锈钢密封膜片时,r1将减小,r2将增大,电桥失去平衡,从而获得不平衡电压ΔU并作为压力传感器的输出信号,通过显示仪、记录仪显示被测压力值。
应变片压力传感器的测压范围同弹簧管压力表,有:
,,直到0~25MPa,传感器的固有频率在25kHz以上。
因此,具有较好的动态性能,适用于快速变化的压力测量。
压阻式压力传感器
图25压阻式压力传感器
1—基座;2—单晶硅片;3—导环;4—螺母;5—密封垫圈
压阻式压力传感器是利用压阻效应的原理(半导体材料受压时电阻率发生变化)直接将压力转换为电信号。
其工作原理如图25所示。
半导体材料具有较大电阻率的变化率,原因在于它远比金属导体有显著的压电电阻效应。
当在半导体(例如单晶硅)的晶体结构上加以压力,会暂时改变晶体结构的对称性,因而改变了半导体的导电结构,表现为它的电阻率p的变化,这一物理现象称为压电电阻p效应。
并且,根据半导体材料的情况和所加压力的方向,可使电阻率增加或减小。
在杯状单晶硅膜片的外表上,沿一定的晶轴方向扩散着一些长条形电阻。
当硅膜片上、下两侧出现压差时,膜片内部产生应力,使扩散电阻的阻值产生变化。
阻值的变化与压力是成比例的。
这里扩散电阻的变化与普通金属丝受力变形产生阻值变化是不一样的,而半导体扩散电阻在收到一定方向的应力作用时,材料内部晶格之间的距离发生变化,禁带宽度及载流子之间的相互作用都发生变化,使载流子浓度和迁移率改变,导致半导体材料的电阻率发生强烈的变化。
其灵敏度约比金属应变电阻高100倍左右。
为了减小半导体电阻随温度变化引起的误差,在硅膜片上常扩散4个阻值相等的电阻,以便接成桥式输出电路获得温度补偿。
压阻式压力传感器的主要优点是具有精度高、工作可靠、结构简单、响应速度快。
当被测
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