第3章 压力测量

1、第三章第三章 压力测量压力测量 液柱式压力测量液柱式压力测量 弹性式压力弹性式压力测量测量 电气式压力测量电气式压力测量 压力测量仪表的使用压力测量仪表的使用概概 述述1 1、压力、压力 单位面积上垂直作用的力。单位面积上垂直作用的力。2 2、压力单位、压力单位 帕斯卡帕斯卡 1Pa1Pa1N/m1N/m2 2( (牛牛/ /米米2 2) )2022-5-343. 压力的表示方法压力的表示方法由于由于参照点参照点不同，在工程上有几种不同表示方法：不同，在工程上有几种不同表示方法：(1)绝对压力绝对压力(pi) :被测介质作用在容器表面积上的全部压力被测介质作用在容器表面积上的全部压力(2)大气

2、压力大气压力(pd):由于地球表面空气柱重量形成的压力，随地由于地球表面空气柱重量形成的压力，随地理纬度、海拔高度及气象条件而变化理纬度、海拔高度及气象条件而变化(3)表压力表压力(pb): pb= pi-pd，压力测量仪表的指示值压力测量仪表的指示值(4)真空度真空度(负压，负压，pz)：绝对压力小于大气压力时，表压力为负绝对压力小于大气压力时，表压力为负值，其绝对值为真空度。即：值，其绝对值为真空度。即：pz=pdpi(5)差压差压(压差压差)：任意任意两处压力之差两处压力之差概概 述述2022-5-35各种压力表示法之间的关系：各种压力表示法之间的关系：绝对零压力绝对零压力绝对压力绝对压

3、力1大气压力大气压力表压力表压力绝对压力绝对压力2负压力负压力(真空度真空度)差压差压pb= pi-pdpz=pdpi绝对压力绝对压力3注意：无特殊说明外，压力检测仪表所指示的压力均指表压或真空度概概 述述4、压力测量的主要方法和分类压力测量的主要方法和分类 1）液柱式）液柱式 Px 液柱高度差液柱高度差2）弹性式）弹性式 Px 弹性元件的位移或力弹性元件的位移或力3）电气式）电气式 Px 各种电量各种电量4）负荷式）负荷式 Px 平衡砝码的重力平衡砝码的重力3-1 3-1 液柱式压力测量液柱式压力测量 U形管压力计形管压力计 单管式压力计单管式压力计 斜管式微压计斜管式微压计 依靠液柱压头与

4、被测差压依靠液柱压头与被测差压(压力压力)相平衡来工作的相平衡来工作的 测量范围不大，主要用于正、负微压的测量，如测量范围不大，主要用于正、负微压的测量，如炉膛烟压，风道风压及测速装置的差压等等。炉膛烟压，风道风压及测速装置的差压等等。U形管压力计形管压力计ghhghp)(21单管式压力计单管式压力计1宽容器宽容器2带标尺的肘管带标尺的肘管3连通管连通管4水准泡水准泡单管式压力计单管式压力计gFFhP)1 (1221. 原理：原理：同同U型管压力计型管压力计2. 结构：结构：杯径较管径大得多杯径较管径大得多 3. 特点：特点：由于杯径由于杯径管径，所以管径，所以 h1h2 , 则则h h1,即

5、：杯内的液位即：杯内的液位变化可忽略不计。变化可忽略不计。一次性读数，一次性读数，使用方便。使用方便。而而U型管压力计要两型管压力计要两次读数次读数。4. 应用范围：应用范围：测量低压、负压和测量低压、负压和差压差压5. 读数误差：读数误差： 0.5mm，较，较U型管型管好，好，斜管式微压计斜管式微压计原理图：原理图：lKgDdlp)(sin22斜管式微压计斜管式微压计使用方法：使用方法： 测正压测正压：被测压力通入大容器被测压力通入大容器；测负压测负压：被测压力通入肘管被测压力通入肘管；测差压测差压：将较高的压力通入大容器而将将较高的压力通入大容器而将较低的压力通入肘管较低的压力通入肘管。

6、热力实验中用斜管式微压计测热力实验中用斜管式微压计测微小压力微小压力、负压、差压。负压、差压。斜管式微压计斜管式微压计实例图：实例图：1大容器；2斜管；3底座；4调斜管倾角支架；5水平仪。1）环境温度变化引起封液密度和标尺环境温度变化引起封液密度和标尺长度变化；长度变化； 2）重力加速度的变化引起的误差；重力加速度的变化引起的误差；3）毛细现象，使封液表面形成弯月面，毛细现象，使封液表面形成弯月面，导致读数误差。导致读数误差。 液柱式压力计的测量误差液柱式压力计的测量误差3-23-2 弹性弹性式压力测量式压力测量一、弹性元件的测量原理一、弹性元件的测量原理二、弹性元件的特性二、弹性元件的特性三

7、、弹性式压力表三、弹性式压力表一、弹性一、弹性元件测量原理元件测量原理弹性元件在负荷（压力、力或力矩）作用弹性元件在负荷（压力、力或力矩）作用下，产生相应的变形（位移或转角），此下，产生相应的变形（位移或转角），此变形与负荷之间的有一定的函数关系。变形与负荷之间的有一定的函数关系。xpKAKFx二、弹性元件的特性二、弹性元件的特性1 1、输出特性（弹性特性）、输出特性（弹性特性）2 2、刚度和灵敏度、刚度和灵敏度3 3、不完全弹性、不完全弹性 （弹性迟滞和弹性后效）（弹性迟滞和弹性后效）二、弹性元件的特性二、弹性元件的特性1、输出特性：、输出特性：F= f (px) 或或 x = f (px)

8、 二、弹性元件的特性二、弹性元件的特性2、刚度和灵敏度：刚度和灵敏度： 刚度刚度( (K) )：使弹性元件产生单位变形所需要使弹性元件产生单位变形所需要的负荷。的负荷。灵敏度灵敏度( (S) )：在单位负荷作用下产生的变形。在单位负荷作用下产生的变形。 K=1/S K大大 S小小大量程压力；大量程压力； K小小 S大大微小波动压力微小波动压力二、弹性元件的特性二、弹性元件的特性3、弹性迟滞和弹性后效：、弹性迟滞和弹性后效：弹性迟滞弹性迟滞 弹性弹性元件在其弹性变形范元件在其弹性变形范围内，加负荷与减负围内，加负荷与减负荷时表现的输出特性荷时表现的输出特性不相重合的现象。不相重合的现象。 滞后误

9、差（滞后误差（）二、弹性元件的特性二、弹性元件的特性弹性后效弹性后效 弹性弹性元件元件加负荷或减负荷加负荷或减负荷到某一数值时到某一数值时，弹性，弹性变形不能同时达到相变形不能同时达到相应值，而是要经过一应值，而是要经过一段时间后才能达到应段时间后才能达到应有的应变量。有的应变量。三、弹性式压力表三、弹性式压力表 膜盒膜盒式式压力表压力表 波纹管式波纹管式压力表压力表 弹簧管式弹簧管式压力压力表表 膜盒式式压力表膜盒式式压力表 膜片膜片平薄膜平薄膜波纹膜波纹膜弹性特性弹性特性是中心位移与压力的关系。是中心位移与压力的关系。膜片膜盒 结构结构 工作过程工作过程膜盒式压力表膜盒式压力表膜盒式压力表

10、膜盒式压力表 膜盒压力表膜盒压力表l 适用于测量空气或其它无腐蚀性气体的适用于测量空气或其它无腐蚀性气体的微微压或负压压或负压。l 锅炉上常用于测量送风系统、制粉系统、锅炉上常用于测量送风系统、制粉系统、炉膛负压和尾部烟道的压力测量。炉膛负压和尾部烟道的压力测量。l 测量范围为测量范围为1504000Pa。l 精确度等级一般为精确度等级一般为2.5级。级。波纹管式压力表波纹管式压力表波纹管波纹管具有等间距同轴环状波纹，能沿轴向伸缩具有等间距同轴环状波纹，能沿轴向伸缩无缝波纹管无缝波纹管有缝波纹管有缝波纹管2022-5-331波纹管式压力表波纹管式压力表 结构结构 测量机构：测量机构：波纹管波纹

11、管(1、10)、量程弹簧组、量程弹簧组(11)和扭力管和扭力管(6)等等2022-5-3自动检测技术及仪表控制系统 32 工作过程工作过程差压信号差压信号低压波纹管自由低压波纹管自由端带动连杆右移端带动连杆右移挡板推挡板推动摆杆动摆杆扭力管逆扭力管逆时针偏转时针偏转芯轴逆芯轴逆时针转时针转显示显示机构机构波纹管式压力表波纹管式压力表 双波纹管差压表双波纹管差压表l 在电厂中主要作为在电厂中主要作为水位水位的显示仪表或变送的显示仪表或变送器使用，有时也作为器使用，有时也作为流量流量显示仪表；显示仪表；l 通入仪表的正、负压室的静压一般很高，通入仪表的正、负压室的静压一般很高，但测的静差压不大。测

12、量的差压值上限可但测的静差压不大。测量的差压值上限可达达0.4MPa，耐工作压力上限可达，耐工作压力上限可达40MPa;l 精确度可达精确度可达1.01.5级。级。弹簧管式压力表弹簧管式压力表 弹簧管弹簧管弹性特性弹性特性是自由端的位移量与所加压力的关系。是自由端的位移量与所加压力的关系。测量范围：真空到测量范围：真空到103MPa；不能测差压。；不能测差压。实物图：实物图：2022-5-339消除两啮合齿轮间消除两啮合齿轮间隙，减小仪表变差隙，减小仪表变差调整仪表机械零点调整仪表机械零点改变机械传动的放大改变机械传动的放大系数，调整仪表量程系数，调整仪表量程弹簧管式压力表（波登管）弹簧管式压

13、力表（波登管）弹性弹性式压力表的特点式压力表的特点l 结构简单，使用方便和价格低廉结构简单，使用方便和价格低廉l 应用范围广、测量范围宽应用范围广、测量范围宽l 只能测表压和负压只能测表压和负压l 就地显示就地显示3-3 3-3 电气式电气式压力测量压力测量 压力（差压）传感器（压力（差压）传感器（Pressure Senser） 能够感受压力（差压）并能按一定规律将其转能够感受压力（差压）并能按一定规律将其转换成相同或不同性质的输出变量的仪表。换成相同或不同性质的输出变量的仪表。 变送器（变送器（Transducer） 输出为标准信号（电信号）输出为标准信号（电信号）, 如如 4-20mA电

14、流信号。电流信号。电位器式压力传感器电位器式压力传感器 电感式压力（差压）传感器电感式压力（差压）传感器 霍尔压力传感器霍尔压力传感器电容式压力（差压）变送器电容式压力（差压）变送器振弦式压力变送器振弦式压力变送器应变式压力变送器应变式压力变送器力平衡式压力变送器力平衡式压力变送器电位器式压力传感器电位器式压力传感器 原理：原理： px 弹性元件弹性元件s1 电位器滑动触点电位器滑动触点s2 Rx U 使用注意事项：使用注意事项：l存在滑动摩擦阻力，电位器易磨损、存在滑动摩擦阻力，电位器易磨损、受污染。受污染。l不宜在有振动和有腐蚀性气氛的环境不宜在有振动和有腐蚀性气氛的环境中使用。中使用。电

15、感式压力传感器电感式压力传感器原理：原理： px 弹性元件弹性元件s 线圈的电感线圈的电感LUU改变铁芯与线圈之间的相对位置改变铁芯与线圈之间的相对位置 差动变压器式（互感式）压力测量差动变压器式（互感式）压力测量1：铁芯；：铁芯；2：初级线圈；：初级线圈；3：次级线圈；：次级线圈；4：骨架：骨架起始状态：铁芯处于中间起始状态：铁芯处于中间e e1 1=e=e2 2，u=0u=0；铁芯上移：铁芯上移： e e1 1ee2 2，u0u0；铁芯下移：铁芯下移： e e1 1ee2 2 ，u0u0。次级线圈头尾对接次级线圈头尾对接 u=e1-e2输出电压大小和符号反映了铁心位移的大小和方向。输出电压

16、大小和符号反映了铁心位移的大小和方向。注意事项注意事项：l 电源电源 i 、f 变大则灵敏度变大；但变大则灵敏度变大；但i 过大过大线线圈发热，圈发热，f 过高则铁芯涡流损失变大。过高则铁芯涡流损失变大。l 由于两次级线圈不完全对称，由于两次级线圈不完全对称，S=0S=0时有时有残存残存电势电势。变隙电感式压力传感器结构图 当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动， 从而使气隙发生变化， 流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。 应用应用 当被测压力进入C形弹簧管时， C形弹簧管产生变形， 其自由端发生位移，带

17、动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系， 所以只要用检测仪表测量出输出电压， 即可得知被测压力的大小。 线圈1C形弹簧管调机械零点螺钉线圈2衔铁输出P变隙式差动电感压力传感器 物理现象观察霍尔效应霍尔压力传感器霍尔压力传感器霍尔压力传感器霍尔压力传感器 霍尔效应：霍尔效应：霍霍尔效应尔效应 半导体单晶薄片置半导体单晶薄片置于磁场于磁场(B)中，纵向中，纵向通控制电流通控制电流I ，则横，则横向产生电势向产生电势EH。 EH=KH I

18、B 工作原理：工作原理： px s B EH初始状态：霍尔片处于中间，初始状态：霍尔片处于中间， EH =0恒流源恒流源EH =Ks均匀梯度磁场均匀梯度磁场 注意事项：注意事项： l （减小温度误差）（减小温度误差）对霍尔元件进行恒温或对霍尔元件进行恒温或采用其它温度补偿措施；采用其它温度补偿措施；l （减少不等位电势和零位误差）（减少不等位电势和零位误差）注意霍尔注意霍尔元件各处的电阻率、厚度、材料性质等不元件各处的电阻率、厚度、材料性质等不均匀性以及不对称焊接，采用补偿电路。均匀性以及不对称焊接，采用补偿电路。 电容式压力（差压）变送器电容式压力（差压）变送器 特点：特点： 具有最少的可动

19、部分，结构简单；具有最少的可动部分，结构简单； 测量范围宽，精确度高测量范围宽，精确度高(达达0.2级级)，灵敏度高，体积小；灵敏度高，体积小； 能输出能输出(420)mA的直流标准信号。的直流标准信号。1151系列电容式压力系列电容式压力(压差压差)变送器变送器 工作原理：工作原理：以以测压弹性膜片测压弹性膜片作为作为可变电容器可变电容器的活动极板。的活动极板。ACKdpx 弹性膜片弹性膜片s 极板间距极板间距d 电容电容CI 介质的介电常数介质的介电常数 A 极板间相互覆盖的面积极板间相互覆盖的面积 d 极板间的距离极板间的距离 工作过程：工作过程： px 弹性膜片弹性膜片s 极板间距极板

20、间距d 电容电容c 1151型电容式变送器型电容式变送器21121CCpKCC差动式压力差动式压力( (差压差压)电容转换电容转换 转换电路：转换电路：222122121()()refsigdiffppIIK IKfVCCKCCKpCC现场接线现场接线: 振弦式压力变送器振弦式压力变送器 工作原理：工作原理： px 弹性膜片弹性膜片s 振弦张力振弦张力F 固有频率固有频率fxpklTlf2121 820系列振弦式压力变送器工作原理：系列振弦式压力变送器工作原理： 特点：特点：l 输出为频率信号，因此输出为频率信号，因此具有较强的抗干具有较强的抗干扰能力扰能力，而且零飘小，温度特性好；，而且零飘

21、小，温度特性好；l 准确度高，通常为准确度高，通常为0.2级；级；l 易于与计算机等数字监控系统联接。易于与计算机等数字监控系统联接。 应变式压力变送器应变式压力变送器工作原理：工作原理： px 弹性元件弹性元件s 应变片应变片电阻电阻RI应变效应应变效应压阻效应压阻效应金属应变片金属应变片 半导体压阻片半导体压阻片 R= L/A dR/R=dL/L-dA/A+d / =-(dD/D)/(dL/L) dA/A=2dD/D dR/R=(1+2)dL/L+d / =(1+2+E) 扩散硅式压力传感器扩散硅式压力传感器利用集成电路工艺使半导体材料在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

22、体应变电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阻来检测感压元件应变的大小.扩散硅式压力传感器扩散硅式压力传感器半导体应变电阻对温度很敏感，当被测压力不变，其温度变半导体应变电阻对温度很敏感，当被测压力不变，其温度变化时，将引起阻值的变化，从而产生桥路零点漂移和灵敏度化时，将引起阻值的变化，从而产生桥路零点漂移和灵敏度漂移，使测量产生误差。需要进行温度补偿漂移，使测量产生误差。需要进行温度补偿 。C形硅杯适用于较高压力的测量，形硅杯适用于较高压力的测量，E形硅杯则适用于微压测量。形硅杯则适用于微压测量。在硅杯的底面扩散形成的应变电阻数目可根据测量电路的设计要在硅杯的底面扩散形成

23、的应变电阻数目可根据测量电路的设计要求而定，一般是制成四只应变电阻，组成全桥差动测量桥路。求而定，一般是制成四只应变电阻，组成全桥差动测量桥路。l体积小，轻便。体积小，轻便。l精确度达到精确度达到0.5级。级。C形硅杯适用于较高压力的测量，形硅杯适用于较高压力的测量，E形硅杯则适用于微压测量。形硅杯则适用于微压测量。在硅杯的底面扩散形成的应变电在硅杯的底面扩散形成的应变电阻数目可根据测量电路的设计要阻数目可根据测量电路的设计要求而定，一般是制成四只应变电求而定，一般是制成四只应变电阻，组成全桥差动测量桥路。阻，组成全桥差动测量桥路。半导体应变电阻对温度很敏感，半导体应变电阻对温度很敏感，当被测

24、压力不变，其温度变化当被测压力不变，其温度变化时，将引起阻值的变化，从而时，将引起阻值的变化，从而产生桥路零点漂移和灵敏度漂产生桥路零点漂移和灵敏度漂移，使测量产生误差。需要进移，使测量产生误差。需要进行温度补偿行温度补偿 。2llRAr金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。等截面圆柱应变式荷重传感器的原理演示悬臂梁应变式电子秤的原理演示力平衡式压力传感器力平衡式压力传感器 工作原理：工作原理： 利用力平衡原理利用力平衡原理 px 弹性元件的集中力弹性元件的集中力F I “力平衡力平衡”具有的优越性？具有的优越性？P+P-F1F2F3F5F4FfSIP-P+F1F2F3F5F4FfSIF

25、4 = Ff Ff = NLBIF4 = K3 F3F3 =F2 （ tg ） F2 = K2 F1F1 = K1(P+-P-) NLBI=K1K2K3(tg)(P+-P-)PNKPPNLBtgKKKI)(321副杠杆副杠杆 差动差动 变压器变压器放大器放大器反馈动圈反馈动圈F4SUIF1杠杆系统杠杆系统FfPx弹性元件弹性元件力平衡式压力变送器的原理方框图：力平衡式压力变送器的原理方框图：特点：特点：l 结构复杂、结构复杂、 体积和重量大、动态特性差。体积和重量大、动态特性差。l 精确度精确度0.5级。级。 压力测量仪表的使用压力测量仪表的使用 测压仪表的选择测压仪表的选择 测压仪表的安装与

26、使用要求测压仪表的安装与使用要求测压仪表的选择测压仪表的选择1、仪表种类的选择、仪表种类的选择（1）被测介质的性质）被测介质的性质（2）对仪表输出信号的要求）对仪表输出信号的要求（3）仪表的使用环境）仪表的使用环境2、仪表量程的选取、仪表量程的选取量程上限的刻度值为量程上限的刻度值为 (1，1.6，2.5，4.0，6.0)10n kPa量程上限量程上限Pp与被测压力与被测压力Px满足满足： 测平稳压力测平稳压力 1/3 Pp Px 2/3 Pp 测波动压力测波动压力 1/3 Pp Px 1/2 Pp3、仪表精确度的选取、仪表精确度的选取 按国家标准化系列规定生产，有：按国家标准化系列规定生产，

27、有： 0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，4七个等级。七个等级。通常（通常（0.54.0)精度压力表用于工业现场；精度压力表用于工业现场；0.2精度用于企事业单位作三等标准表。精度用于企事业单位作三等标准表。 例例3-1 己知某测点压力约己知某测点压力约10MPa，要求其测量误差不超过，要求其测量误差不超过0.1MPa。试确定该测点用的压力表量程范围。试确定该测点用的压力表量程范围及精度等级？及精度等级？ 例例3-2 已知扩散硅压力变送器输出电流为已知扩散硅压力变送器输出电流为420mA，原测量范围原测量范围01MPa改为测量范围改为测量范围12.5MPa后，则原后，则原来来0.6

28、MPa压力的电流表工作点对应于改测量范围后压力的电流表工作点对应于改测量范围后的被测压力为多少？的被测压力为多少？ 测压仪表的安装和使用测压仪表的安装和使用 安装、使用注意事项：安装、使用注意事项： 1、取压口、取压口l 取压口应该与工质流速方向垂直。与设备取压口应该与工质流速方向垂直。与设备内壁平齐，并且不要有凸出物和毛刺。内壁平齐，并且不要有凸出物和毛刺。l 测液体压力测液体压力引自管道截面的下部引自管道截面的下部 测气体压力测气体压力引自管道截面的上部引自管道截面的上部2.2.取压管路取压管路l 取压管路的内径一般取取压管路的内径一般取7 713mm(13mm(对于水、对于水、蒸汽蒸汽) )，其长度不宜过长，其长度不宜过长( (60m)60m)。l 取压管路不应有水平段敷设，以防聚集气取压管路不应有水平段敷设，以防聚集气泡泡( (测液体时测液体时) )和水柱和水柱(