第四章 压力测量

1、第四章压力测量第四章压力测量 这里的压力即物理学中的压强，正确地测量和控制压力是保证生产过程良好地运行，达到优质高产、低消耗和安全生产的重要环节。国际单位制(SI)中定义1N的力垂直均匀地作用在1m2面积上所形成的压力为一个帕斯卡，简称帕，符号为Pa。工程技术界广泛使用的压力单位主要有工程大气压、标准大气压、毫米汞柱、毫米水柱等。常用的几种压力单位与帕之间的换算关系为：1kgfcm2 = 9.807104Pa1atm= 1.013105Pa1mmHg= 1.332102Pa1mmH2O= 9.807Pa1MPa= 106Pa绝对压力：以绝对真空为计值零点的压力称为绝对压力 。相对压力：以环境大

2、气压力为计值零点所得的 压力称为相对压力。各种普通压力表 的指示值都是相对压力，所以相对压 力也称为表压力，简称表压。 真空度：如果容器或管道里的流体比外界环境 大气压力低，表压就为负值，这种情 况下的表压称为真空度，意即接近真 空的程度。 大 气 压绝 对 真 空相 对 压 力真 空 度绝 对 压 力相 对 压 力第一节液柱式压力表第一节液柱式压力表 一、液柱式压力表测压原理一、液柱式压力表测压原理 液柱式压力表是利用液柱所产生的压力与被测压力平衡，并根据液柱高度来确定被测压力大小的压力计。所用液体叫做封液，常用的有水、酒精、水银等。常用的液柱式压力计有U型管压力计、单管压力计和斜管微压计。

3、它们的结构形式如图4-1所示。 U型管压力计)()(12121gHghpp当 时，式(5-2)可简化为 21)(121ghpp若 ，且 ，则有 211ghpp21单管压力计两侧压力 212121)/1 ()(hFFgpp若 ，且 则 21FF 1221hgpp斜管微压计两侧压力和液柱长度的关系可表示为sin21lgpp二、液柱式压力计的测量误差及其修正二、液柱式压力计的测量误差及其修正 .环境温度变化的影响 环境温度偏离规定温度20后，封液密度改变对压力计读数影响的修正公式为.毛细管现象造成的误差 一般要求，封液为酒精时管子内径d3mm；封液为水或水银时d8mm。 读数时，眼睛应与封液弯月面的

4、最高点或最低点持平，并沿切线方向读数。U型管压力计和单管压力计都要求垂直安装，否则将会带来较大误差。 )20(1 20thh第二节第二节 弹性式压力表弹性式压力表 以压力与弹力相平衡为基础的压力测量方法与弹性式压力计。常用的弹性元件有弹簧管、膜片、膜盒和波纹管，相应的压力测量工具有弹簧管压力计、膜片式压力计、膜盒式压力计和波纹管式压力计及膜片式、膜盒式、波纹管式压差计。弹性元件变形产生的位移较小，往往需要把它变换为指针的角位移或电信号指示压力的大小。一、弹簧管压力计一、弹簧管压力计 图4-2所示单圈弹簧管压力计，由弹簧管、齿轮传动机构指针、刻度盘等部分组成。 图图4-24-2单圈弹簧管压力计单

5、圈弹簧管压力计1-弹簧管；2-固定端；3-接头；4-拉杆；5-扇形齿轮；6-中心齿轮；7-指针；8-游丝 弹簧管是弹簧管压力计的主要元件。各种形式的弹簧管如图4-3所示。 单圈弹簧管自由端的位移量不能太大，一般不超过25mm。为了提高弹簧管的灵敏度，增加自由端的位移量，可采用S形弹簧管或螺旋形弹簧管。 图图4-34-3弹簧管及其横截面弹簧管及其横截面(a)单圈弹簧管；(b)盘旋多圈弹簧管；(c)S形弹簧管；(d)螺旋多圈弹簧管 单圈弹簧管压力表的精度，普通的是14级，精密的是0.10.5级。测量范围从真空到109Pa。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

6、内。对于波动较大的压力，仪表的示值应经常处于量程范围的12附近；被测压力波动小，仪表示值可在量程范围的23左右，但被测压力值一般不应低于量程范围的13。另外，还要注意仪表的防振、防爆、防腐等问题，并要定期校验。 二、膜片式压力计与膜盒式压力计二、膜片式压力计与膜盒式压力计 膜片式压力计主要用于测量腐蚀性介质或非凝固、非结晶的粘性介质的压力，膜盒式压力计常用于测量气体的微压和负压。它们的敏感元件分别是膜片和膜盒，膜片和膜盒的形状如图4-4所示。图图4-44-4膜片和膜盒膜片和膜盒(a)波纹膜片；(b)波纹膜盒；(c)波纹管图图4-54-5膜片式压力计工作原理膜片式压力计工作原理1-弹性膜片；2-

7、推杆；3-连杆；4-扇形齿轮；5-中心齿轮；6-指针 图图4-64-6膜盒式压力计工作原理膜盒式压力计工作原理1-调零螺钉；2-架体；3-刻度盘；4-膜盒；5-指针；6-调零板；7-限位螺钉；8-弧形连杆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-接口；17-导压管 三、波纹管式压差计三、波纹管式压差计波纹管是外周沿轴向有深槽形波纹状皱褶，而可沿轴向伸缩的薄壁管子。它受压时的线性输出范围比受拉时的大，故常在压缩状态下使用。为了改善仪表性能，提高测量精度，便于改变仪表量程，实际应用时波纹管常和刚度比它大几倍的弹簧结合起来使用。这时，性能主要由弹簧

8、决定。波纹管式压差计以波纹管为感压元件来测量压差信号，有单波纹管和双波纹管两种，主要用作流量和液位测量的显示仪表。 图4-7是单波纹管式压差计结构原理图。高压端与波纹管外部的容器相通，低压端接入波纹管内部。由于波纹管外部压力大于内部压力，波纹管将压缩并带动磁棒下移。磁棒的移动使电磁传感器输出相应电信号，并经放大器放大后输出。这种压差计最大工作压力为0.025MPa，压差测量范围为10004000Pa。测量精确度为1.5级。 图图4-74-7单波纹管式压差计结构原理图单波纹管式压差计结构原理图1-波纹管；2-弹簧；3-支架；4-磁棒；5-套管；6-电磁传感器；7-放大器 图4-8是一种双波纹管压

9、差计的结构原理图。这种压差计的最大工作压力可达32MPa，压差测量范围为0.040.16MPa。测量精确度为11.5级。由图可见，压差的高压端引入仪表左面容器，低压端引入右面容器。左右两个波纹管内均充满工作液体(67%水和33%甘油)，并有小孔相通。左面波纹管上连有一个作为温度补偿器的波纹短管，管内也充有工作液体，并有小孔与左面波纹管相通。当环境温度变化时，工作液体能经小孔流入或流出波纹短管。 四、弹性压力计的误差及改善途径四、弹性压力计的误差及改善途径 1)采用无迟滞误差或迟滞误差极小的“全弹性”材料和温度误差很小的“恒弹性”材料制造弹性元件，如合金Ni42CrTi、Ni36CrTiA是用得

10、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承或磁悬浮支承等.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。 第三节电气式压力计及变送器第三节电气式压力计及变送器一、压阻式压力传感器一、压阻式压力传感器 电阻丝在外力作用下发生机械变形，它的几何尺寸和电阻率都会发生变化，从而引起电阻值变化。 对式(4-8)求微分并除以R，可得电阻的相对变化：AlRAdAldldRdR压阻效应：物质受外力作用，其电阻率发生变化的现象叫压阻效应。压阻式

11、压力传感器：利用压阻效应测量压力的传感器。一般意义上说的压阻式压力传感器可分两种类型，一类是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式的应变片，作为测量中的变换元件，与弹性敏感元件一起组成粘贴型压阻式压力传感器，或叫应变式压力传感器；另一类是在单晶硅基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，此基片既是压力敏感元件，又是变换元件，这类传感器叫做扩散型压阻式压力传感器，通常也简称作压阻式压力传感器或固态压力传感器。 扩散电阻在基片上的位置应使得基片感受压力时，一组相对臂的电阻增加，而另一组相对臂的电阻减小。根据薄板弯曲理论，四周固定的圆形平膜片受压弯曲时，各点的径向应力如图4-9所示。一般应沿压阻系数最大的晶向扩散

12、电阻，以提高传感器的灵敏度。 为了把电阻的变化方便地转变为电压或电流的变化，通常在基片上扩散4个电阻,如图4-10所示，组成一个不平衡电桥。 如图4-11所示，电桥的电源为恒流源I0，R为各扩散电阻的初值，R 为它们在压力作用下电阻的变化量。电桥的输出为压阻式压力传感器的灵敏度高，比金属丝式应变片的灵敏度大50100倍；精度高，可达0.10.02；频率响应好，可测量300500kHz以下的脉动压力，工作可靠，耐冲击，耐振动，抗干扰；可微型化、智能化，功耗小，寿命长，易批量生产。但电桥供电电源的精度和稳定性对其输出电压有较大影响。 RIU0二、电容式压力传感器二、电容式压力传感器电容器的电容量由

13、它的两个极板的大小、形状、相对电容器的电容量由它的两个极板的大小、形状、相对位置和电介质的介电常数决定。位置和电介质的介电常数决定。 如果一个极板固如果一个极板固定不动，另一个极板感受压力，并随着压力的变化定不动，另一个极板感受压力，并随着压力的变化而改变极板间的相对位置，电容量的变化就反映了而改变极板间的相对位置，电容量的变化就反映了被测压力的变化。图被测压力的变化。图4-124-12为电容式压力传感器的原为电容式压力传感器的原理示意图。理示意图。 平板电容器的电容量为若电容的动极板感受压力产生位移，则电容量将随之改变，其变化量为当时，电容量的变化量与位移增量成近似的线性关系dACddCC1

14、/ddddddCdAddAC/1/为了保证电容式压力传感器近似线性的工作特性，测量时必须限制动极板的位移量。为了提高传感器的灵敏度和改善其输出的非线性，实际应用的电容式压力传感器常采用差动形式，使感压动极板在两个静极板之间，当压力改变时，一个电容的电容量增加，另一个的电容量减少，灵敏度可提高一倍，而非线性也可大为降低。常见的电容式压差传感器的结构型式如图4-13所示。 图图4-134-13电容式压差传感器电容式压差传感器 电容式压力压差传感器具有结构简单，所需输入能量小，没有摩擦，灵敏度高，动态响应好，过载能力强，自热影响极小，能在恶劣环境下工作等优点，近年来受到了重视。影响电容式压力传感器测

15、量精度的主要因素是线路寄生电容、电缆电容和温度、湿度等外界干扰。 三、霍尔压力变送器三、霍尔压力变送器霍尔压力变送器是利用霍尔效应，把压力作用下所产生的弹性元件的位移信号转变成电势信号，通过测量电势测量压力。如图4-14所示，把半导体单晶薄片置于磁场中，当在晶片的横向上通以一定大小的电流时，在晶片的纵向的两个端面上将出现电势，这种现象称霍尔效应，所产生的电势称霍尔电势，这个半导体薄片称霍尔片。稳定的霍尔电势 IBKVHH图4-15为一种霍尔压力变送器工作原理图。被测压力等于0时，霍尔元件平衡，当输入压力是正压时，霍尔元件向上运动；当输入压力是负压时，霍尔元件向下运动，此时输出的霍尔电势正负也随

16、之发生变化。图图4-15 4-15 霍尔压力变送器霍尔压力变送器1-管接头；2-基座；3-膜盒；4-推杆；5-杠杆；6-霍尔元件；7-磁铁第四节压力表的校验选择及安装第四节压力表的校验选择及安装一、压力表的选择一、压力表的选择 选择压力表应根据被测压力的种类(压力、负压或压差)、被测介质的物理、化学性质和用途(标准、指示、记录和远传等)以及生产过程所提出的技术要求，同时应本着既满足测量精确度、又经济的原则，合理地选择压力表的型号、量程和精度等级。被测压力较稳定的情况下，其最高压力值不应超过仪表量程的23；若被测压力波动较大，其最高压力值应低于仪表量程的l2。为了保证实际测量的精度，被测压力最小

17、值不低于仪表量程的l3。 对某些特殊的介质，如氧气、氨气等则有专用的压力表。 二、压力表的安装二、压力表的安装1)取压管口应与工质流速方向垂直，与设备内壁平齐，无凸出物和毛刺。前后有足够长直管段，保证所测的是介质的静压力。 2)防止仪表传感器与高温或有害的被测介质直接接触，测量高温蒸汽压力时，应加装冷凝盘管；测量含尘气体压力时，应装设灰尘捕集器；对于有腐蚀性的介质，加装充有中性介质的隔离容器；对测量高于60的介质，一般加环形圈(又称冷凝圈)。 3)取压口的位置，对于气体介质，一般位于工艺管道上部；对于蒸汽，位于工艺管道的两侧偏上，这样可保持测量管路内有稳定的冷凝液，同时防止工艺管道底部的固体介

18、质进入测量管路和仪表；对于测量液体的，应位于工艺管道的下部。 4)取压口与压力表之间应加装隔离阀，以备检修压力表用。 5)对水平敷设的压力信号导管应有3的坡度，以便排除导管内积水(当被测介质为气体时)或积汽(当被测介质为水时)。信号导管长度一般不超过50m，内径为610mm，可以减少测量滞后。图图4-164-16弹性式压力计压差计在安装图弹性式压力计压差计在安装图(a)低压测压管路布置：1-管道；2-取压管；3-三通截断阀；4-法兰接口；5-压力计(b)中压测压管路布置：1-压力计；2-管道；3-螺旋管；4-三通截断阀(c)高压测压管路布置：1-压力计；2-三通截断阀；3-螺旋管；4-截至阀三、压力表的校验三、压力表的校验 常用校验压力表的标准仪器为活塞式压力计，它的精度等级有0.02、0.05和0.2级，可用来校准0.25级精密压力表，亦可校准各种工业用压力表，被校压力的最高值有0.6、6、60MPa三种。图图4-174-17活塞式压力计活塞式压力计1-油杯；2-针阀；3-进油阀；4-油