压力测量及仪器

1、学习要求学习要求 掌握流体稳态压力测量的基本原理、掌握流体稳态压力测量的基本原理、弹性压力计的测压原理，几种压力信号变送弹性压力计的测压原理，几种压力信号变送方法方法; ;电容式压力变送器的特点、结构原理、电容式压力变送器的特点、结构原理、调整及使用方法，智能型压力变送器调整及使用方法，智能型压力变送器。第三章第三章 压力测量及仪表压力测量及仪表 3.1 压力的概念及单位压力的概念及单位一、压力的定义1 、法向压力 而静止流体中某点压力与在该点所取的面方向而静止流体中某点压力与在该点所取的面方向无关，即某点各方向上的压力相等。无关，即某点各方向上的压力相等。 (各向同性各向同性,静压静压)/(

2、lim0dAdFpdA单单 位位 名名 称称符符 号号与与Pa换算关系换算关系工程大气压工程大气压kgf/cm21 kgf/cm2=9.81104Pa毫米汞柱毫米汞柱mmHg1 mmHg=1.33102Pa毫米水柱毫米水柱mmH2O1 mmH2O=9.81Pa表3-1 压力单位换算表二、压力分类1. 从测量的角度分：静定压力 (稳态压力) 、变动压力、脉动压力2. 按测量的方法分： 绝对压力 (abs) ，表压力 (G),差压力3.按信号转换原理分1液柱式压力测量:根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度差进行测量。一般常用仪器是充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管等。2弹性式压力测量:根

3、据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成弹性元件的位移或力进行测量。常用的弹性元件有弹簧管、弹性膜片、弹性膜盒和波纹管等。3电气式压力测量:利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电参量进行测量，例如电阻、电容、电流及电压等。4活塞式压力测量:根据液压机械中液体传递压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的重力进行测量。它被普遍用作标准仪器对其它压力测量仪表进行检定，例如压力校验台等。3.2.液柱式压力计液柱式压力计一、液柱式压力计 应用流体静力学知识，通过液柱高与压力的关系设计而成，基本原理比较简单。121212)(ghphhghhhgpppamb%1 . 0,6 .311)(222

4、2222221误差dDghDdghhhDdghhgpppamb问题：与直管式问题：与直管式比较，斜管式微比较，斜管式微压计的优点是什压计的优点是什么？么？lKAApppAAlhlhhhgpppambamb21212121sinlg,sin)( 3.3. 弹性式压力计弹性式压力计 利用材料在弹性范围内变形与外力为线性关系的原理，制成不同形式及满足不同要求的压力计。MPa101 . 03xApF KxF xpKAKFx 一、弹性元件一、弹性元件弹性膜片（膜盒）弹性膜片（膜盒） 波纹管波纹管 2222211KabbhREP、弹簧管的泊松系数和弹性模量h 弹簧管的壁厚弹簧管的几何参数ha2、与a和b有

5、关的参数弹簧管弹簧管二、常用弹性式压力计二、常用弹性式压力计 1 1膜片式压力计膜片式压力计 可用于测量对铜和钢及其合金有腐蚀作用或粘度较大介质的压力或真空度（采用不锈钢膜片）。若采用敞开式法兰结构或隔膜式结构，可用于测量高粘度、易结晶或高温介质的压力或真空度。膜片式压力计的测量范围一般为05.88106Pa，精度为2.5级。2 2、膜盒式压力计、膜盒式压力计 膜盒压力表的弹性感压元件为膜盒，适用于测量空气或其他无腐蚀性气体的微压或负压。例如电厂锅炉风烟系统中风、烟压力测量及锅炉炉膛负压等参数的测量。 膜盒式压力计的测量范围为15040000Pa，精度一般为2.5级，较高的可达1.5级。 3波

6、纹管压力计波纹管压力计双波纹管差压表就是一种机械位移变换就地显示压差的波纹管压力计，它主要作为流量和水位等测量的中间变换或显示仪表。由于波纹管在轴向容易变形，所以灵敏度较高，在测量低压时它比弹簧管和膜片灵敏得多。其缺点是迟滞值太大 4 4弹簧管压力计弹簧管压力计弹簧管压力计主要弹簧管压力计主要由感压元件弹簧管、由感压元件弹簧管、齿轮机械传动放大齿轮机械传动放大机构、指针标尺等机构、指针标尺等部分构成部分构成 ，弹簧管，弹簧管压力计分为普通型压力计分为普通型压力计、精密压力压力计、精密压力计、密封型压力计、计、密封型压力计、充油型压力计、差充油型压力计、差压计、双针型压力压计、双针型压力计等。计

7、等。5 、电接点压力计电接点压力计电接点压力计测量工作原理和弹簧压力计相同。报警信号可以显示、连接继电器联锁，但不能远距离 传送。3.4 电气式压力测量电气式压力测量 电气式压力测量是利用压力敏感元件将被测电气式压力测量是利用压力敏感元件将被测压力信号直接转换成各种电参数量的测量方法，压力信号直接转换成各种电参数量的测量方法，在集中测量、自动控制等自动化场合得到广泛应在集中测量、自动控制等自动化场合得到广泛应用。电气式压力测量方法有用。电气式压力测量方法有电位器电位器式、式、应变式应变式、电感式电感式、电容式电容式、压电式压电式、压阻式压阻式、压磁式压磁式、霍霍尔效应式尔效应式、振弦式振弦式、

8、光纤式光纤式 。 3.4.1 电位器式压力测量电位器式压力测量 电位器式压力测量的原理是把被测电位器式压力测量的原理是把被测压力信号压力信号转换成转换成电位器电位器电阻电阻变化，通过测量电阻值达到测量压力目的的变化，通过测量电阻值达到测量压力目的的一种测量技术。适用于压力变化比较大的场合。一种测量技术。适用于压力变化比较大的场合。 电位器式压力传感器在测量过程中，弹性元件的电位器式压力传感器在测量过程中，弹性元件的形变端与电位器的滑动触点刚性相连，弹性元件承受形变端与电位器的滑动触点刚性相连，弹性元件承受压力，产生形变，从而带动滑动触点移动，把弹性元压力，产生形变，从而带动滑动触点移动，把弹性

9、元件的输出位移转换成电位器滑动触点的位移，从而把件的输出位移转换成电位器滑动触点的位移，从而把被测压力的变化变换成电位器电阻值的变化。通过测被测压力的变化变换成电位器电阻值的变化。通过测量电位器电阻值的变化，就可以得知被测压力的大小。量电位器电阻值的变化，就可以得知被测压力的大小。对于电位器电阻值的测量，常采用对于电位器电阻值的测量，常采用不平衡电桥不平衡电桥测量法测量法或或恒流源恒流源测量法测量法 一一. 应变式压力传感器应变式压力传感器1 、基本思路压力作用电阻材料与受力材料同时变形电阻阻值变化电桥失衡比较得压力值输出电压变化关键在于: 材料变形与压力的关系3.4.2 应变式压力测量应变式

10、压力测量 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形电阻值随着所受机械变形 ( (伸长或缩短伸长或缩短) ) 的变化而的变化而发生变化。发生变化。2 、基本原理： 应变片应用电桥电路，将微小的电阻变化转换为电压或电流的变化，通过放大进行测量，由测得的应变推算出应力值。LLRRddKRRd K 应变片的灵敏系数AlR dAAldlAdAldR2 全微分全微分相对变化量相对变化量AdAldldRdR ldlrdr ldl2SdS Fd ldlEEF l

11、dlEd kE21ldl2ldlldlERdR1 rdrrrdrAdA222 x2pk xxkppkkRR 21二、应变片结构及性能二、应变片结构及性能金属应变片金属应变片 半导体压阻片半导体压阻片 三应变片的温度误差及补偿三应变片的温度误差及补偿（1）线路补偿法线路补偿法（2）温度自补偿法温度自补偿法 应变片的温度补偿应变片的温度补偿四应变式压力传感器四应变式压力传感器 应变式压力传感器是将应变片粘贴在感压弹性元件应变式压力传感器是将应变片粘贴在感压弹性元件上构成的，它可将被测压力的变化转换成电阻的变化。上构成的，它可将被测压力的变化转换成电阻的变化。 五、固态压力传感器五、固态压力传感器

12、固态压力传感固态压力传感器采用半导体应变器采用半导体应变式压力测量原理，式压力测量原理，其敏感元件是用单其敏感元件是用单晶硅制成的硅杯。晶硅制成的硅杯。硅杯的结构有硅杯的结构有C型型和和E型等，其中型等，其中C型型适用于压力传感器，适用于压力传感器，E型适用于测量静型适用于测量静压力。压力。 六、应变测量中的电桥电路六、应变测量中的电桥电路 将应变片作为将应变片作为 R1 接在电路中，调整接在电路中，调整其他电阻阻值，使电桥平衡。其他电阻阻值，使电桥平衡。当应变片阻值变化时，电桥失衡。输当应变片阻值变化时，电桥失衡。输出出211RREI432RREIu 0432132413211 RRRRRR

13、RRRIRIEBD电桥平衡条件3241RRRR 1R uADABEEuERRRERRRRR43312111RRRRR 4321ERRRu1122 ERRRu1122 11RR KEERRu4141半桥接法半桥接法: :相邻的两个桥臂，一个受相邻的两个桥臂，一个受拉拉, ,一个受压一个受压u KE21全桥接法全桥接法: R1,R4增加，增加，R2 和和R3 减小减小uKE3.4.3. 电感式压力传感器电感式压力传感器1、结构和工作原理结构和工作原理MRWL2S2SlRRR0iiigFM2SWLRR02gF2自感式压力传感器自感式压力传感器图3-22 自感式压力传感器原自感式压力传感器原理结构图理

14、结构图1电感线圈 2衔铁 3测量膜片4隔离膜片 5温度传感器 6、7引线8非磁性套管 9测量室 10基座 按照传感器敏感元按照传感器敏感元件结构形式的不同，可件结构形式的不同，可分为分为变气隙、变截面和变气隙、变截面和螺管式螺管式三种，其中螺管三种，其中螺管式量程最大，虽然灵敏式量程最大，虽然灵敏度低，但结构简单、便度低，但结构简单、便于制作，因而应用比较于制作，因而应用比较广泛。下面以螺管式压广泛。下面以螺管式压差传感器为例，简要介差传感器为例，简要介绍自感式压力传感器的绍自感式压力传感器的工作原理。螺管式压差工作原理。螺管式压差测量原理结构如图测量原理结构如图 3互感式压力传感器互感式压力

15、传感器图图3-23 差动变压器式压力传感器原理结构图差动变压器式压力传感器原理结构图1初级线圈初级线圈 2、3次级线圈次级线圈 4衔铁衔铁 5骨架骨架变换原理变换原理: :将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电两平行极板组成的电容器容器, ,它的电容量为它的电容量为: :+dS S,d 或或发生变化发生变化时，都会引起电时，都会引起电容的变化。容的变化。S3.6Cd3.4.4. 电容式压力传感器电容式压力传感器一一) )极距极距变化型变化型+S3.6Cdb)b)面积变化型面积变化型1 1角位移型角位移型+S3.6Cd2 2 平面线位移型平面线位移型3 3

16、 柱面线位移型。柱面线位移型。S3.6Cdc) c) 介质变化型介质变化型S3.6Cd电容式压力传感器分析举例电容式压力传感器分析举例(1) (1) 改变两极板的距离改变两极板的距离02. 001. 0dd%30dd输出的非线性失真不超过1%,灵敏度提高一倍!当(2) (2) 改变两极板间有效工作面积改变两极板间有效工作面积当极板受被测机械量作用移动当极板受被测机械量作用移动 后，两极板间电后，两极板间电容量的变化为容量的变化为: :X0CCC? ?dXbdbadXabdbXCK(3) (3) 改变介电常数改变介电常数两极板的宽度为两极板的宽度为d1LC ? ?介电常数：空气介电常数：空气.0

17、0054，硅油，硅油2.7, ,水水80, ,陶瓷陶瓷1034. 1151系列电容式压力传感器系列电容式压力传感器 %30dd3.4.5 压电式压力传感器压电式压力传感器1 1 、基本原理、基本原理压力作用压力作用晶体产生电荷晶体产生电荷产生电压或电流产生电压或电流特点：频率响应特性好，电荷不持久特点：频率响应特性好，电荷不持久xxxApkq 切片产生的电菏与尺寸无关切片产生的电菏与尺寸无关yxyApbakq切片产生的电菏与尺寸有关切片产生的电菏与尺寸有关压电陶瓷的压电特性及测压原理压电陶瓷的压电特性及测压原理 xzxApkq 感压弹性膜片、支持片、压电感压弹性膜片、支持片、压电晶体及引出线、

18、绝缘套管等组晶体及引出线、绝缘套管等组成。成。2、压电式压力传感压电式压力传感器结构器结构3 、压电式压力传感器测量电路压电式压力传感器测量电路输出电荷的充要条件：输出电荷的充要条件：外电路负载无穷大外电路负载无穷大内部无漏电内部无漏电电压放大器或电荷放大器电路电压放大器或电荷放大器电路什么是电荷放大器？什么是电荷放大器？一种具有电容负反馈的输一种具有电容负反馈的输入阻抗非常高的高增益运入阻抗非常高的高增益运算放大器算放大器0ufCKiuQCacabpzCCCCfC反馈电容反馈电容0uuCQifffcQQQiKuu000uCKCCuuCuQffii)(510KfCQu03.4.6 压阻式压力传

19、测量压阻式压力传测量1.基本原理:材料的电阻值随压力变化而变化。如:半导体、铂、锰、康铜和钨等材料。KRPxR 2. 优点:结构简单、体积小、稳定性好、动态响应快、耐振耐冲击、精度高、线性度好，是传感器的主流产品。MPM380 型压阻式压力传感器型压阻式压力传感器压阻式压力变送器接流体接输出信接输出信号号可显示的压可显示的压阻式压力变阻式压力变送器送器微型压阻式压力变送器微型压阻式压力变送器3.4.7. 压磁式压力传感器压磁式压力传感器图图3-30 压磁式压力传感器结构示意图压磁式压力传感器结构示意图1外壳外壳 2弹性膜弹性膜 3线圈线圈 4铁芯铁芯 被测压力通过感压弹性膜被测压力通过感压弹性

20、膜片片2传递给由坡莫合金制成的传递给由坡莫合金制成的铁芯铁芯4，铁芯在压力作用下，铁芯在压力作用下，其其磁导率磁导率发生改变，从而引起发生改变，从而引起线圈线圈3阻抗阻抗变化。显然，线圈变化。显然，线圈阻抗变化与被测压力有关。阻抗变化与被测压力有关。 3.4.8 霍尔效应压力传感器霍尔效应压力传感器1.基本原理基本原理: :某些金属或半导体片两端通以电流某些金属或半导体片两端通以电流, ,并在并在薄片的垂直方向加上磁场薄片的垂直方向加上磁场B, ,则会在垂直于电流和则会在垂直于电流和磁场平面的方向产生一个电动势。磁场平面的方向产生一个电动势。IBKdBIRUHHHHR霍尔系数，由载流材料的物理

21、性质所决定。 HK霍尔元件的灵敏度系数，它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关 KxUH 为了保证霍尔传感器输出的为了保证霍尔传感器输出的霍尔电势与位移成单值函数关霍尔电势与位移成单值函数关系，必须满足两个条件。系，必须满足两个条件。A.供给霍尔元件以恒定的工作电流。一般采用桥式整流、稳压的晶体管恒流源供电。B.磁感应强度应线性变化，即磁场梯度均匀。常采用将磁钢的磁极片设计成特殊形状的方法。 2. 优点优点: :结构简单、灵敏度高、可用动圈仪表显结构简单、灵敏度高、可用动圈仪表显示结果、可以远距离输送。示结果、可以远距离输送。3. 缺点缺点: :控制电流必须恒定控制电流必须恒定, ,容易受温度影

22、响。容易受温度影响。3 .5 压力测量与压力仪表校验压力测量与压力仪表校验3.5.1 活塞式压力计活塞式压力计 活塞式压力计能达到的准确度等级有0.02、0.05和和0.2级级三种，可分别用来校验0.25级精密压力表、各种工业级压力计和传感器等，校验压力最高值有0.6、6、60MPa三种。活塞式压力计是利用静力平衡原理工作的，由压力发生系统和活塞测量系统两部分组成， 3.5.2 静态标定静态标定 在被测压力稳定时，确定测量系统的输出输入量之间的关系。 液柱式压力计的标定3.5.3. 压力仪表校验压力仪表校验按图按图3 33333安装好仪表。安装好仪表。关闭切断阀关闭切断阀a a、b b、c c

23、，开启进油阀，开启进油阀d d，并将手摇泵丝杆全部旋出泵，并将手摇泵丝杆全部旋出泵外，使手摇泵中充满工作液；然后关闭进油阀外，使手摇泵中充满工作液；然后关闭进油阀d d，开启切断阀，开启切断阀a a、b b、c c，此时若将手摇泵丝杆向泵内旋入，即可实现系统增压。此时若将手摇泵丝杆向泵内旋入，即可实现系统增压。在被校压力表测量范围内均匀选取在被校压力表测量范围内均匀选取45个检验点，一般应选在带个检验点，一般应选在带有刻度数字的大刻度点上。有刻度数字的大刻度点上。均匀增压至量程上限，保持上限压力均匀增压至量程上限，保持上限压力3 3分钟；然后均匀降至零压，分钟；然后均匀降至零压，观察整个操作过

24、程中，被校压力表指针有无跳动、停止、卡塞现象。观察整个操作过程中，被校压力表指针有无跳动、停止、卡塞现象。单方向增压至校验点后读数，轻敲表壳再读数。用同样的方法依单方向增压至校验点后读数，轻敲表壳再读数。用同样的方法依次增压至每一个校验点进行校验；然后再单方向缓慢依次降压至每一次增压至每一个校验点进行校验；然后再单方向缓慢依次降压至每一校验点进行校验。校验点进行校验。计算被校表的基本误差、变差、零位和轻敲位移等。计算被校表的基本误差、变差、零位和轻敲位移等。 校验真空表时，其操作方法与校验正压仪表略有不同，可参考校验真空表时，其操作方法与校验正压仪表略有不同，可参考下列步骤进行：下列步骤进行：

25、清除活塞式压力计内部传压工作液。清除活塞式压力计内部传压工作液。关闭切断阀关闭切断阀a a、b b、c c，开启进油阀，开启进油阀d d，并将手摇泵丝杆全部旋入，并将手摇泵丝杆全部旋入泵内。泵内。关闭进油阀关闭进油阀d d，开启切断阀，开启切断阀b b、c c（b b阀上接标准真空计或阀上接标准真空计或U U型管水型管水银压力计），此时若将手摇泵丝杆向泵外旋出，即可使系统内产生银压力计），此时若将手摇泵丝杆向泵外旋出，即可使系统内产生真空。若旋出一次尚未达到所需真空时，可重复（真空。若旋出一次尚未达到所需真空时，可重复（2 2）、（）、（3 3）直至）直至所需的真空度为止。所需的真空度为止。其

26、它要求与校验正压仪表相同。其它要求与校验正压仪表相同。 用活塞式压力计校验真空仪表，设备简单、操作方便。但活塞用活塞式压力计校验真空仪表，设备简单、操作方便。但活塞式压力计能产生的真空度只能达到式压力计能产生的真空度只能达到-8.6104Pa。若需校验更高的真。若需校验更高的真空度，应采用真空泵作为真空源进行校验。空度，应采用真空泵作为真空源进行校验。3.6 测压仪表的选择安装与故障分析测压仪表的选择安装与故障分析3.6.1 测压仪表的选择测压仪表的选择（1 1）从被测介质的性质考虑）从被测介质的性质考虑（2 2）从被测介质压力大小考虑）从被测介质压力大小考虑（3 3）从工艺要求来考虑）从工艺要求来考虑（4 4）从仪表的使用环境考虑）从仪表的使用环境考虑1仪表种类的选择仪表种类的选择2仪表量程的选择仪表量程的选择 l测量稳定压力时，最大工作压力不应超过量程的测量稳定压力时，最大工作压力不应超过量程的2/3；l测量