第三章 压力测量

1、 二、压力的单位 压力的单位是一个导出单位。由压力的定义可知压力的单位会有多种。 压力单位帕千克力/厘米2毫米水柱毫米汞柱毫巴标准大气压1帕11.0210-50.1027.50110-310-29.8710-2千克力/厘米29.8061041104735.56980.50.96781毫米水柱9.80610-417.355610-29.80610-20.967810-4毫米汞柱133.313.610-413.611.3331.31610-4毫巴1000.10210-210.20.750119.8710-4标准大气压10.131041.0331.03310476010131三、压力测量仪表 在生产

2、过程中和实验室里使用的压力仪表种类很多。对压力仪表可以从不同的角度进行分类。如按被测压力可分为：压力表、真空表、绝对压力表、真空压力表等。如按压力表使用的条件可分为：普通型、耐震型、耐热型、耐酸型、禁油型、防爆型等压力表。如按压力表的功能可分为；指示式压力表、压力变送器。如按压力表的工作原理可分为：液柱式压力计、弹性式压力计、物性式压力计、活塞式压力计等。 四、压力标准与量值传递 压力标准分为：基准、一等标准、二等标准、三等标准。能够实现基准和各级标准的仪器是基准器和标准器。基准器是国家最高的压力标准器，它又可以分为基准器和工作基准器。基准器用于进行国际比对，还将压力基准传递给工作基准器。工作

3、基准器可复制多套保存在全国各地的主要部门，由它将压力工作基准传递到一等标准器，再由一等标准器传递到二等标准器，然后由二等标准器传递到三等标准器，最后由三等标准器传递到工作压力仪表。 基准器、工作基准器及各级标准器目前多采用活塞式压力计和液柱式压力计。 根据流体静力学原理，当管内的工作液柱产生的压力与被测压力平衡时，则有实际测量中，如果封液上面的介质是气体，则可忽略封液上面的介质的影响，则有如果被测量的是差压 ，则有 2.使用与测量误差 U形管压力计的型号为YYU，测压范围可达0266kPa，其允许误差可达20.2。测量时要进行两次读数 ，读数时要注意液体表面的弯月面情况，要求读到弯月面顶部位置

4、处。 使用计算式计算被测压力或差压值时，要注意封液的密度是测量状态下的密度，重力加速度是当地重力加速度。如果测量要求较高，则要考虑封液的密度、毛细现象、重力加速度、U形管不竖直状态等对测量的影响。)()(21121hhgpp)(2121hhgpp21pp)(2121hhgppp22Dd22Dd三、斜管微压计 斜管微压计是一种测量微小压力的测量仪表。它可以测量微小正压、负压及差压。它的一支肘管可以倾斜，使用方便。 1.结构与工作原理 斜管微压计由杯形容器、肘管、弧形支架、标尺、封液等组成，如图所示。其工作原理与U形管压力计相同。当被测压力与封液液柱产生的压力平衡时，有 式中 由于所以得到： 肘管

5、的倾斜角是可调节的，为使用方便，弧形支架板上设计了一些固定肘管的孔。在每个孔处刻有一数字，使用时读出液柱长度(mm)，则 斜管微压计的分度条件是：标准重力加速度和20时确定密度(80838kgm3)的酒精溶液。显然刻在弧形支架板上的数字为 式中 4时纯水的密度。 不同的值对应着不同值。角度不宜太小，因为角太小时，读数困难且准确性差。一般角在2060之间。 2.使用及示值修正 斜管微压计的型号为KST。实际的斜管微压计还具有零位调整及水平调整机构。使用时通过零位调整机构可以调整杯形容器中封液液面，使之为零；通过水平调整螺丝和水平仪使仪表为水平。使用时要注意封液的密度是仪表标明的工作液密度。所以在

6、分度条件下，被测差压。实际的测量经常是偏离仪表分度条件，而经常发生的是测量时温度不是20，而其他某个温度，在测量要求高的时候，则要对温度时的示值进行修正，把值修正分度温度时的示值，再使用仪表上给出的值计算得到测量值，示值修正系数 式中 工作液(酒精)在20对的密度(确定值)； 工作液(酒精)在工作温度时的密度。20t 2.弹性元件的特性 弹性元件是弹性压力计中的敏感元件，它的特性直接关系到压力计性能的好坏。弹性元件工作在弹性范围内，而且弹性元件工作的安全系数(弹性极限压力，工作压力的上限)一般在2以上。尽管如此，由于弹性元件的不完全弹性方面的特性，如蠕变、弹性迟滞、弹性后效以及温度特性等都将直

7、接影响到压力计的性能，使测量产生误差。 (1)蠕变和疲劳形变 弹性元件经过长时间的负荷作用，当负荷取消后，不能恢复原来的形态，这种特性称为弹性元件的蠕变。 (2)弹性迟滞 弹性元件在弹性范围内加负荷与减负荷时其弹性形变输出特性曲线不重合，这种特性称为弹性迟滞。 (3)弹性后效 当加在弹性元件上的负荷停止变化或被取消时，弹性元件的形变并不是立即就完成，而是要经过一定的时间才完成相应的形变，这种特性称为弹性后效。 （a）弹性迟滞；（b）弹性后效；（c）弹性滞环 (4)输出- 输入特性 目前只是通过实验和理论相结合的方法，得出弹性元件的输出输入关系。 对于膜片和膜盒，其输出-输入关系一般是非线性的。

8、实用的平面膜片位移不超过0.1mm时，可以使输出-输入的关系达到较好的线性程度，即 对于波纹膜片，其弹性位移与被测压力关系为 对于弹簧管，经过精心设计制造加工后，在一定压力范围内，其输出-输出关系一般为线性。对于截面是扁圆结构的弹簧管，其自由端弹性位移与被测压力的关系为 (5)温度的影响 由于温度的变化，弹性元件材料的弹性模量相应变化，所以弹性元件的刚度发生变化，这将影响弹性元件的输出特性。很容易理念，温度升高，刚度减小，灵敏度增大，压力表示值将会偏离。由于温度对弹性元件输出特性的影响，所以弹性压力表的使用要注意它的适用温度范围。 kpl)(224lblaREp5 . 022)cos1 ()s

9、in(RlpCxabbREp122222)1 (1 二、膜盒压力表 膜盒压力表是用于生产过程的工业仪表，它适用于测量微小压力和真空。测量范围一般在一20004000Pa，精确度等级一般为2.5级。目前在生产过程中使用的国产膜盒压力表的型号有MW系列、YE系列、YEJ系列等。 膜盒压力表的结构主要由膜盒、传动机构、调整机构、游丝指针、表盘等构成， 三、弹簧管压力表 弹簧管压力表是生产过程中和实验室应用非常普遍的测压仪表。它可以测量压力，也可以测量真空。按照使用的弹簧管的种类可分为单圈和多圈弹簧管压力表。按照适用的条件可分为耐振型、耐热型、耐腐蚀型、抗冲击防爆型以及专用压力表等。它们的工作原理是相

10、同的。 1.单圈弹分管压力表的结构及工作原理 结构组成如图所示，它主要由弹簧管、传动机构、游丝、指针、表盘等组成。扇形齿轮、中心齿轮、游丝安装在彼此平行的夹板之中。中心齿轮和扇形齿轮能以各自的轴转动并相互啮合；指针固定在中心齿轮上，夹板固定在仪表的支架上，从自由端到扇形齿轮的尾端由拉杆连接。 2.多圈(螺旋形)弹簧管压力表 单圈弹簧管的自由端位移一般不大，所能提供的转动力矩也不大，所以单圈弹簧管多适用于指示型压力表。如要实现记录指示，则需要有较大的弹性位移和较大的转动力矩，这就要使用多圈弹簧管。在一定的压力范围内，多圈弹簧管自由端输出的角位移与被测压力是线性关系。多圈弹簧管压力表的内部结构如图

11、所示。在测量状态下记录纸是随时间匀速运的，记录笔下的曲线代表压力随时间的变化。 多圈弹簧管压力表结构示意1一引压管，2一螺旋弹簧管，3一轴；4一可调臂；5调整螺丝；6一拉杆；7一记录笔；8一曲柄；9一弓形架；10一三角孔 四、双波纹管差压计 双波纹管差压计在火力发电厂中主要用于流量和水位测量指示记录的二次仪表。如果用于流量测量，差压计往往还带有积算装置。各种功能的双波纹管差压计测量部分的作用原理都是相同的。测量的差压值上限可达0.4MPa，耐工作压力上限可达40MPa，精确度可达1.01.5级。 双波纹管差压计主要由测量机构、传动机构、记录机构以及机械积算装置等部分组成。 1.测量机构及工作原

12、理第四节 压力（差压）变送器 弹性元件检测压力的输出只是机械位移信号，该信号可以就地显示，也可以变换为电信号以供远传。这种变换一般称为电变送，其方法很多，如电阻式、电感式、电容式、应变式、力平衡式、霍尔式、振弦式、光纤式等。目前工业生产使用的电变送后的压力信号都是标准化的电流或电压信号，其变送器都是定型的产品。 一、1151系列电容式压力(差压)变送器 1.概述 1151系列电容式压力(压差)变送器是我国引进美国罗斯蒙特公司技术并自己开发生产的一类新型压力(差压)变送器。 特点：它具有精确度高，性能稳定，单向过载保护性能好，调整方便，体积小，重量轻等一系列优点。 应用：使用在电力、石油、化工等

13、各领域的生产过程中。在火力发电厂使用1151电容式压力(差压)变送器几乎有一种替代其他种类压力(差压)变送器的趋势。 组成： 变送器由两部分组成：差动式压力(差压)电容转换和测量电路。 差动式压力(差压)电容转换是将被测压力(差压)转换成差动变化的电容CL、CH，其结构如图所示。 部分1151电容式压力（差压）变送器 2.结构 感压元件是膜片，它是能产生弹性变形的极板。两电容的固定极板为球面形结构。测量膜片位于两固定极板的中央，它与固定极板构成两个小室，称为室，两室结构对称。固定极板是将玻璃绝缘体磨成球形凹面，并在该表面镀上一层金属薄膜而成。金属薄膜和弹性膜片都接有输出引线。测量膜片与固定极板

14、形成的电容在30150pf范围内。室通孔与自己一侧隔离膜片腔室连通，室和隔离腔室内充有硅油。 4.测量电路及工作原理 测量电路的任务是将电容变化量转换成420mA，DC输出，输出特性是线性的。电路能实现仪表零点、量程、阻尼、线性等调整。 1151系列变送器有三种测量电路：E型(普通型)J型(有开平方功能)、F型(用于微差压测量)。现以E型电路为例分析其转换工作原理，电路组成原理框图如图所示。 测量电路的作用： 一是完成电容电流的转换，转换成的电流为直流并与成正比。这由解调器、振荡器、振荡控制放大器完成。 二是对转换成的直流电流信号进行控制放大使之成为420mA，DC输出，并能实现零点、量程、阻

15、尼调整等功能。这由调零电路、量程调整电路、电流控制放大器、电流转换电路(功率放大)、阻尼调整电路等完成。 三是输出电流限制和外接电压保护功能，这由电流限制电路和反极性保护电路完成。 四是线性调整功能，这由线性调整电路完成。 (1)电容电流转换 将一个载有信号的电容转换成电流信号，在此采用的方法是对电 容回路供以稳定的交流电压。当电容量变化时，流过电容的电流也随之发生变化，该电流即载有信号电流，显然这要求供电的交流电压应稳定。由于传感电容的电容量较小(30150pF)，只有供电电压频率较高时才可能获得大的信号电流。因此电容电流的转换采用高频振荡器供电。为保证振荡器的输出电压稳定，采用了振荡控制措

16、施。从控制角度看，这种控制是定值调节系统。在振荡控制放大器的输入端放置一定值电压，校调量是振荡器输出电压。输出电压反馈到振荡控制放大器的输入端作为控制信号，该信号是由解调器输出的共模电流在振荡控制放大器输出端的电阻网络上产生的，这是解调器完成的一个任务。完成的另一任务是输出差模信号电流，该电流代表，输出到电流控制电路进行控制放大，转换成420mA，DC。以下分析解调器输出及振荡控制的工作原理，电路如图所示。 LiHiLi Hi LCHCLCHC (2)电流控制放大及电流转换 电流控制放大器及电流转换电路一起构成输出420mA，DC电流的控制回路。它是深度负反馈的控制回路，如图3-25所示。电流

17、控制放大器的输入端信号(不论是同相端还是反相端)均以G点为参考点。加到反相端的输人信号有：C点与G点之间的电压信号Up。Up是由分压电阻R14提供的，相对于G点Up是负值。加到同相端的输入情号有：解调器输出的差模电流Is(测量信号电流)形成的电压为RsIs，Rs是等效电阻。输入放大器同相端的信号电压为：- RsIs (相对于G点是负值)。调零电路在放大器同相端产生的电压为KUU0(KU为分压系数)，相对于G点为负值。以上三个电压是电流控制放大器的输入电压。整机输出电流I0通过量程电路反馈到电流控制放大器同相端的反馈电压为I0。 (3)电流限制电路 电流限制电路由晶体管V2电阻R18、R19组成

18、。电路的作用是限制功率放大器过大的输出。当功率放大器输出过大时，流过R34的电流变大，因此V2集电极电位下降，使V2达到饱和状态，从而增大了V2对功放的分流效果，使功率放大器的输出受到限制。电路设计使整机输出电流不会大于30mA，DC。另外，电流限制电路还提供直流电压输出作为放大器Al、A2、A3的电源电压。 (4)反极性保护电路 稳压二极管V8构成外接电源极性反接的保护电路。当外接电源E极性反接时，V8构成顺向通路，这样不致于损坏仪表电路。 (5)阻尼电路 阻尼电路由R31、R32、C18和电位器RP2构成，其作用是抑制被测介质信号脉动变化时而引起的输出电流过大的波动。该通路为信号交流负反馈

19、通道； 5.仪表的调整及使用 (1)测量电路 仪表的测量电路在结构上做成了插件板形式，有检测板、补偿板、调整板、放大电路板等。检测板装有解调电路的二极管，并接有检测变换电容CL、CH，一般情况下，它不可随意拆下。补偿板上是量程补偿电阻R1、R2以及稳压温度电阻R25、R26、R27。 调整板也是零点调整和量程调整电路。测量电路及其他电路均在放大电路板上。调整扳和放大电路板与其他型号的调整板子放大电路板可互换，互换后要对仪表进行全面的校验。 (2)零点与量程调整 调整电位器RP3可以调整仪表的零点电流。当需要进行零点迁移时，应先对插孔SZ或EZ进行短接(粗调)，之后再仔细调整RP3，使之达到要求

20、。量程的调整是通过电位器RP4的调整实现的，改变RP4的滑动端即改变了系统的反馈系数。零点与量程的调整要反复进行几次才能最后确定。 (3)线性调整 在放大电路板上有线性调整电位器，仪表出厂时已经按调整量程调到最佳状态，一般不需再进行调整。如果要求在某一特定的测量范围内有较好的线性特性时，则需要重新调整。 (4)阻尼调整 调整放大电路板上的RP2可以改变仪器的阻尼特性，调整范围为0.21.66s，仪表出厂时调到0.2s状态。阻尼时间的调整可在现场进行。如果仪表输出波动较大，应进行增加阻尼时间的调整。 (5)仪表负载特性 仪表运行的允许负载与使用的仪表电源电压有关， 6.变送器的特点 (1)变送器

21、无机械传动和机械反馈机构，与力平衡式压力(差压)变送器比较起来，它结构简单，使用维护方便，精确度高。 (2)变送器的测量敏感部件采用平面膜片，两侧球面形极板为固定极板，结构对称，利用膜片受压后产生弹性位移，差动式改变两侧电容的变化。球面形对称性结构和微位移使输出有较好的线性特性。 (3)测量电路众多采用线性集成元件，线路简单，性能好，整机的调整均通过测量电路，调整方便。 二、扩散硅压力(差压)变送器 扩散硅压力(差压)变送器是一种半导体应变式变送器，其感压元件是用半导体材料(单晶硅)制成的硅杯成膜片。它利用集成电路工艺使半导体材料在感压元件上扩散制成半导体应变电阻来检测感压元件应变的大小。 由于单品硅材料的弹性性能很高，其转换性能的滞后与蠕变很小，所以转换的精确度很高。我国80年代初研制成的集成式扩散硅压力变送器是将半导体应变电阻和测量电路集成在同一芯片上，或采用做成几个芯片再集成为一片的形式。所以变送器的体积小，而且轻便。扩散硅式压力(差压)变