压力测量仪表及变送器的安装、校验与维护

1、LOGO现场仪表的安装与维护现场仪表的安装与维护压力测量仪表及变送器的安装、校验与维护压力测量仪表及变送器的安装、校验与维护任务四任务四 ：压力测量仪表及变送器的安装、校验与维护：压力测量仪表及变送器的安装、校验与维护 压力的概念与压力单位压力的概念与压力单位12弹性式压力计弹性式压力计3电测式压力计电测式压力计4压力仪表的分类压力仪表的分类 压力计的选择、校验与安装压力计的选择、校验与安装5任务四任务四 ：压力测量仪表及变送器的安装、校验与维：压力测量仪表及变送器的安装、校验与维护护v 工业生产中许多工艺过程只有在一定的压力条件下进行，才能取得预期的效果。如高压聚乙烯要在150MPa或更高的

2、压力下才能完成聚合；炼油厂减压蒸馏，则要在比大气压力低很多的负压条件下才能进行。但所有工艺设备的承压能力都是有限的，超过设备的额定压力容易造成设备的损坏，甚至造成爆炸事故。在工业生产中使用较多有弹性式压力计，电感式、应变式、压电式、电容式等压力、差压变送器等。v4.1压力的概念与压力单位压力的概念与压力单位v（一）压力的概念（一）压力的概念v工程上统称介质垂直作用在单位面积上的力为压工程上统称介质垂直作用在单位面积上的力为压力。压力是由分子的重量和分子运动对器壁撞击力。压力是由分子的重量和分子运动对器壁撞击而产生的，它由受力面积和垂直作用力的大小决而产生的，它由受力面积和垂直作用力的大小决定，

3、方向则指向受压物体，其数学表达式为定，方向则指向受压物体，其数学表达式为vP=F/S (4.1) v式中式中 P压力；压力；F一垂直作用力；一垂直作用力；S一受力面积。一受力面积。v（二）压力的单位（二）压力的单位v在国际单位制中，定义在国际单位制中，定义1牛顿力垂直均匀地作用牛顿力垂直均匀地作用在在1平方米面积上所形成的压力为平方米面积上所形成的压力为1“帕斯卡帕斯卡”，简称简称“帕帕”，符号为，符号为Pa。我国规定帕斯卡为压力。我国规定帕斯卡为压力的法定单位。因帕斯卡的单位太小，工程上常用的法定单位。因帕斯卡的单位太小，工程上常用千帕（千帕（kPa）、兆帕（）、兆帕（MPa）等单位。）等单

4、位。v根据流体静力学原理，对于密度为根据流体静力学原理，对于密度为、高度为、高度为H的的流体由于其自身重力在底部所产生的压力为流体由于其自身重力在底部所产生的压力为v P=Hg (4.2)v式中，式中，g为重力加速度。所以，对于密度一定的为重力加速度。所以，对于密度一定的流体，可以用液柱高度表示压力的大小。实行国流体，可以用液柱高度表示压力的大小。实行国际单位制以前常用际单位制以前常用mmH2O、mmHg表示压力，表示压力，以前使用的压力单位还有工程大气压、物理大气以前使用的压力单位还有工程大气压、物理大气压、巴等。为了便于换算，下表给出了各压力单压、巴等。为了便于换算，下表给出了各压力单位之

5、间的换算关系。位之间的换算关系。注：mmH2O(毫米水柱)单位为温度为4时的值，重力加速度规定为9.80665m/s2；mmHg（毫米汞柱）单位为温度为0时的值，重力加速度规定为9.80665 m/s2； 磅力英寸2 (lbf/in2）单位可缩写为psi。v（三）压力的表示方法（三）压力的表示方法v压力测量中常有大气压力、表压力、绝对压力和压力测量中常有大气压力、表压力、绝对压力和负压力（或真空度）之分，如图所示。负压力（或真空度）之分，如图所示。v 绝对压力绝对压力P以绝对真空为零点计算的压力，为以绝对真空为零点计算的压力，为介质的真实压力。介质的真实压力。v 表压力表压力p表压力为绝对压力

6、与当地大气压力之表压力为绝对压力与当地大气压力之差，即超出大气压力的那部分压力。表压力、绝差，即超出大气压力的那部分压力。表压力、绝对压力和大气压力之间的关系也可用数学式表示对压力和大气压力之间的关系也可用数学式表示如下如下vp =P- Pa (4.3)v 负压力。由上式可见，当绝对压力低于当地大气压力负压力。由上式可见，当绝对压力低于当地大气压力时，表压将出现负值，此时，表压将出现负值，此v 时表压力称为负压力。负压力又称为真空，在数值上等于时表压力称为负压力。负压力又称为真空，在数值上等于表压力的绝对值，表示如下表压力的绝对值，表示如下v (4.4)v 因为各种工艺设备和测量仪表都处于大气

7、之中，为便于调因为各种工艺设备和测量仪表都处于大气之中，为便于调零，压力仪表指示的压力均为表压力或真空，所以工程上零，压力仪表指示的压力均为表压力或真空，所以工程上都用表压力或真空表示压力的大小。如不特别说明，一般都用表压力或真空表示压力的大小。如不特别说明，一般提到的压力均为表压力。需测量绝对压力时，可以将压力提到的压力均为表压力。需测量绝对压力时，可以将压力计表壳或差压变送器的低压室抽成真空来实现。计表壳或差压变送器的低压室抽成真空来实现。v 差压。两个压力之差，用表示。差压计和差压变送器差压。两个压力之差，用表示。差压计和差压变送器广泛应用于节流式流量计和静压式液位计中。广泛应用于节流式

8、流量计和静压式液位计中。 v4.2 压力仪表的分类压力仪表的分类v为了测量方便，习惯上会根据所测压力的高低不为了测量方便，习惯上会根据所测压力的高低不同，把压力划分成不同的区间。在不同的压力区同，把压力划分成不同的区间。在不同的压力区间压力的测量方法有所不同，下面所列压力范围间压力的测量方法有所不同，下面所列压力范围的划分不是绝对的。的划分不是绝对的。v（一）压力范围的划分（一）压力范围的划分v 微压微压 00.1MPa。v 低压低压 0.11.6MPa。v 中压中压 1.610MPa。v 高压高压 1032MPa。v 超高压超高压32MPa。v（二）压力仪表的分类（二）压力仪表的分类v按测量

9、原理的不同，可以将压力仪表分为以下四按测量原理的不同，可以将压力仪表分为以下四类。类。v 液柱式压力计。根据流体静力学原理，将被测液柱式压力计。根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。液柱式压力计有压力转换成液柱高度进行测量。液柱式压力计有U型管压力计、单管压力计和斜管压力计三种。型管压力计、单管压力计和斜管压力计三种。这类压力计结构简单，使用方便，测量范围较窄，这类压力计结构简单，使用方便，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空或压力差。一般用来测量较低压力、真空或压力差。v 弹性式压力计。利用弹性元件受到压力作用时弹性式压力计。利用弹性元件受到压力作用时产生的弹性变形的大小

10、间接测量被测压力。弹性产生的弹性变形的大小间接测量被测压力。弹性元件有多种类型，覆盖了很宽的压力范围，所以元件有多种类型，覆盖了很宽的压力范围，所以此类压力计在压力测量中的应用非常普遍。此类压力计在压力测量中的应用非常普遍。 v 活塞式压力计。根据流体静力学原理，将被测压力转换成活塞上活塞式压力计。根据流体静力学原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡祛码的质量进行测量。活塞式压力计的测量精度很高，可以所加平衡祛码的质量进行测量。活塞式压力计的测量精度很高，可以达到达到0.050.02级。其结构复杂，价格较贵，一般作为标准仪表，级。其结构复杂，价格较贵，一般作为标准仪表，校验其他压力计。校验其他压

11、力计。v 电测式压力计。通过机械和电气元件将被测压力转换成电压、电电测式压力计。通过机械和电气元件将被测压力转换成电压、电流、频率等电量进行测量，实现压力信号的远传。电测式压力计一般流、频率等电量进行测量，实现压力信号的远传。电测式压力计一般由压力敏感元件、转换元件、测量电路等组成。压力敏感元件一般是由压力敏感元件、转换元件、测量电路等组成。压力敏感元件一般是弹性元件，被测压力通过压力敏感元件转换成一个与压力有确定关系弹性元件，被测压力通过压力敏感元件转换成一个与压力有确定关系的非电量（如弹性变形、应变力或机械位移），通过转换元件的某种的非电量（如弹性变形、应变力或机械位移），通过转换元件的某

12、种物理效应将这一非电量转换成电阻、电感、电容、电势等电量。测量物理效应将这一非电量转换成电阻、电感、电容、电势等电量。测量电路则将转换元件输出的电量进行放大与转换，变成易于传送的电压、电路则将转换元件输出的电量进行放大与转换，变成易于传送的电压、电流或频率信号输出。电流或频率信号输出。v 根据转换元件所基于的物理效应不同，电测式压力计有电阻式、电感根据转换元件所基于的物理效应不同，电测式压力计有电阻式、电感式、电容式、霍尔式、应变式、压阻式、压磁式压力计等多种。式、电容式、霍尔式、应变式、压阻式、压磁式压力计等多种。v 应当指出，有的电测式压力计的压力敏感元件和转换元件是同一个元应当指出，有的

13、电测式压力计的压力敏感元件和转换元件是同一个元件；有的则仅包含压力敏感元件和转换元件，而测量电路置于显示、件；有的则仅包含压力敏感元件和转换元件，而测量电路置于显示、控制仪表中。控制仪表中。v4.3 弹性式压力计弹性式压力计v弹性式压力计结构简单、价格低廉、使用方便、弹性式压力计结构简单、价格低廉、使用方便、测量范围宽，若增加附加装置，如记录机构、电测量范围宽，若增加附加装置，如记录机构、电气变换装置、控制元件等，可以实现压力的记录、气变换装置、控制元件等，可以实现压力的记录、远传、信号报警、自动控制等。弹性式压力计可远传、信号报警、自动控制等。弹性式压力计可以用来测量几百帕到数百兆帕范围内的

14、压力，是以用来测量几百帕到数百兆帕范围内的压力，是应用最为广泛的一种测压仪表。应用最为广泛的一种测压仪表。v一、弹性元件一、弹性元件v弹性元件是弹性式压力计的测压敏感元件，压力弹性元件是弹性式压力计的测压敏感元件，压力计的性能主要取决于弹性元件的弹性特性，与弹计的性能主要取决于弹性元件的弹性特性，与弹性元件的材料、形状、加工和热处理质量有关，性元件的材料、形状、加工和热处理质量有关，而且对温度敏感性较强。而且对温度敏感性较强。v不同形状的弹性元件所适用的测压范围不同。常不同形状的弹性元件所适用的测压范围不同。常用弹性压力计所使用的弹性元件有以下几种，如用弹性压力计所使用的弹性元件有以下几种，如

15、下图下图4-2所示。所示。v 弹簧管。由法国工程师波登发明，所以又称为波登管。它是一根弹簧管。由法国工程师波登发明，所以又称为波登管。它是一根弯曲成圆弧形的、扁圆截面的金属管子，固定端开口，自由端封闭。弯曲成圆弧形的、扁圆截面的金属管子，固定端开口，自由端封闭。当被测压力从固定端输入后，它的自由端会产生位移，通过位移大小当被测压力从固定端输入后，它的自由端会产生位移，通过位移大小测量压力。弹簧管式压力计结构简单，测量范围很广，最高可达测量压力。弹簧管式压力计结构简单，测量范围很广，最高可达 109Pa。弹簧管有单圈和多圈之分，多圈弹簧管自由端位移量较大，。弹簧管有单圈和多圈之分，多圈弹簧管自由

16、端位移量较大，灵敏度高。灵敏度高。v 波纹管。形状为周围有褶皱的圆柱形薄壁桶，用金属材料滚压或波纹管。形状为周围有褶皱的圆柱形薄壁桶，用金属材料滚压或叠焊制成。自由端封闭，另一端通入压力。在压力作用下，其自由端叠焊制成。自由端封闭，另一端通入压力。在压力作用下，其自由端受力产生伸缩变形。波纹管的变形主要是各层波纹的弯曲产生，其特受力产生伸缩变形。波纹管的变形主要是各层波纹的弯曲产生，其特点是刚度小，位移量大，压力灵敏度高，可以用来测量较低的压力。点是刚度小，位移量大，压力灵敏度高，可以用来测量较低的压力。v 膜片膜盒。膜片用金属薄片或橡胶膜制成，在现代固态传感器中，膜片膜盒。膜片用金属薄片或橡

17、胶膜制成，在现代固态传感器中，一般用硅材料制作膜片，其形式分为平膜片、波纹膜片和挠性膜片几一般用硅材料制作膜片，其形式分为平膜片、波纹膜片和挠性膜片几种。其中，平膜片可以承受较大的被测压力，变形量较小，灵敏度不种。其中，平膜片可以承受较大的被测压力，变形量较小，灵敏度不高，一般在测量较大的压力而且要求变形较小时使用；波纹膜片刚度高，一般在测量较大的压力而且要求变形较小时使用；波纹膜片刚度小，位移量大，灵敏度较高，常用在低压测量中；挠性膜片一般不单小，位移量大，灵敏度较高，常用在低压测量中；挠性膜片一般不单独作为弹性元件使用，而是与线性较好的弹簧相连，在测量较低压力独作为弹性元件使用，而是与线性

18、较好的弹簧相连，在测量较低压力时使用。时使用。v在差压计和差压变送器中，为提高弹性元件的稳在差压计和差压变送器中，为提高弹性元件的稳定性，提高抗过载能力，通常把两张相同的金属定性，提高抗过载能力，通常把两张相同的金属波纹膜片面对面焊接在圆形基座上，做成膜盒，波纹膜片面对面焊接在圆形基座上，做成膜盒，如图如图(g) 所示。膜盒内充液体（如硅油），用以所示。膜盒内充液体（如硅油），用以传递压力。当被测压力（差压）超过测量上限、传递压力。当被测压力（差压）超过测量上限、膜片位移过大时，膜片会贴紧在基座上，避免过膜片位移过大时，膜片会贴紧在基座上，避免过载而损坏。载而损坏。v为了保证仪表的精度、可靠性

19、及良好的线性特性，为了保证仪表的精度、可靠性及良好的线性特性，弹性元件必须工作在弹性限度范围内，且弹性元弹性元件必须工作在弹性限度范围内，且弹性元件的弹性后效和弹性滞后要小，温度系数也要低。件的弹性后效和弹性滞后要小，温度系数也要低。v 二、弹簧管压力表二、弹簧管压力表v 弹簧管式压力表是工业生产上应用非常广泛的一种测压弹簧管式压力表是工业生产上应用非常广泛的一种测压仪表，其中应用最多的是单圈弹簧管压力表。仪表，其中应用最多的是单圈弹簧管压力表。v （一）基本测量原理（一）基本测量原理v 单圈弹簧管是一根弯成单圈弹簧管是一根弯成270圆弧的椭圆截面的空心金属圆弧的椭圆截面的空心金属管子。管子的

20、自由端管子。管子的自由端B封闭，另一端固定在接头上。当封闭，另一端固定在接头上。当通入被测的压力通入被测的压力p后，由于椭圆形截面在压力后，由于椭圆形截面在压力p的作用下，的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生扩张变形。将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生扩张变形。同时，使弹簧管的自由端同时，使弹簧管的自由端B产生位移。输入压力产生位移。输入压力p越大，越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端B的位的位移成正比，所以只要测得移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反映压力点的位移量，就能反映压力p的大小。的大小。 v 注

21、意：弹簧管自由端注意：弹簧管自由端B的位移量一般很小，直接显示有困的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机构才能指示出来。难，所以必须通过放大机构才能指示出来。 v （二）弹簧管压力表的组成原理（二）弹簧管压力表的组成原理v 单圈弹簧管压力表主要由弹簧管、传动放大机构（包单圈弹簧管压力表主要由弹簧管、传动放大机构（包括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮等）、指示装置（指针括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮等）、指示装置（指针和表盘），以及外壳等几部分组成，如下图和表盘），以及外壳等几部分组成，如下图4-4所示。所示。 v被测压力由引压接头被测压力由引压接头9通入弹簧管内腔，使弹簧通入弹簧管内腔，使弹

22、簧管管1产生弹性变形，自由端向右上方位移。通过产生弹性变形，自由端向右上方位移。通过连杆连杆2使扇形齿轮使扇形齿轮3做逆时针偏转，进而带动中心做逆时针偏转，进而带动中心齿轮齿轮4做顺时针偏转，于是固定在中心齿轮上的做顺时针偏转，于是固定在中心齿轮上的指针指针5也做顺时针偏转，从而指出被测压力的数也做顺时针偏转，从而指出被测压力的数值。由于自由端的位移量与被测压力之间成正比值。由于自由端的位移量与被测压力之间成正比关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是均匀的。关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是均匀的。v调整螺钉调整螺钉8将连杆将连杆2的轴固定在扇形齿轮的长槽孔的轴固定在扇形齿轮的长槽孔中，其位置可变

23、，以改变传动放大机构的放大倍中，其位置可变，以改变传动放大机构的放大倍数，实现压力表量程的调整。向扇形齿轮轴数，实现压力表量程的调整。向扇形齿轮轴10处处移动调整螺钉，传动放大倍数增大，指针偏转角移动调整螺钉，传动放大倍数增大，指针偏转角越大，压力表量程范围减小。越大，压力表量程范围减小。v游丝游丝7是一种微型螺旋盘簧，一端固定在表壳支是一种微型螺旋盘簧，一端固定在表壳支架上，另一端固定在中心齿轮轴上，始终给中心架上，另一端固定在中心齿轮轴上，始终给中心齿轮施加一个微小的力矩，使中心齿轮和扇形齿齿轮施加一个微小的力矩，使中心齿轮和扇形齿轮不管向哪个方向转动，始终只有一侧齿面相啮轮不管向哪个方向

24、转动，始终只有一侧齿面相啮合，可以克服齿轮传动啮合间隙而产生的仪表变合，可以克服齿轮传动啮合间隙而产生的仪表变差。差。v （三）弹簧管压力表的形式（三）弹簧管压力表的形式v 弹簧管压力表的测压范围很广，品种规格繁多。按弹簧管弹簧管压力表的测压范围很广，品种规格繁多。按弹簧管结构，有单圈弹簧管压力表、多圈弹簧管压力表；按其测结构，有单圈弹簧管压力表、多圈弹簧管压力表；按其测量精度不同，有工业用普通压力表（量精度不同，有工业用普通压力表（0.5级以下）、校验级以下）、校验用精密压力表；按其用途不同，有耐腐蚀压力表、耐震压用精密压力表；按其用途不同，有耐腐蚀压力表、耐震压力表、隔膜压力表，氧气压力表

25、、氨用压力力表、隔膜压力表，氧气压力表、氨用压力v 表等专用压力表。它们的外形与结构基本相同，只是所用表等专用压力表。它们的外形与结构基本相同，只是所用的材料有所不同。的材料有所不同。v 例如，测量氨气压力时必须采用能耐腐蚀的不锈钢弹簧管；例如，测量氨气压力时必须采用能耐腐蚀的不锈钢弹簧管；测量乙炔压力时不得用铜制弹簧管；测量氧气压力时则严测量乙炔压力时不得用铜制弹簧管；测量氧气压力时则严禁沾有油脂，否则将有爆炸危险；测量危险气体的压力表，禁沾有油脂，否则将有爆炸危险；测量危险气体的压力表，一般用规定颜色涂刷外壳，并注明特殊介质名称，如测量一般用规定颜色涂刷外壳，并注明特殊介质名称，如测量氧气

26、（天蓝）、氢气（深绿）、氨（黄）、氯气（褐）、氧气（天蓝）、氢气（深绿）、氨（黄）、氯气（褐）、乙炔（白）、可燃气体（红）、惰性气体（黑）等。乙炔（白）、可燃气体（红）、惰性气体（黑）等。v （三）弹簧管压力表的形式（三）弹簧管压力表的形式v 弹簧管压力表的测压范围很广，品种规格繁多。按弹簧管弹簧管压力表的测压范围很广，品种规格繁多。按弹簧管结构，有单圈弹簧管压力表、多圈弹簧管压力表；按其测结构，有单圈弹簧管压力表、多圈弹簧管压力表；按其测量精度不同，有工业用普通压力表（量精度不同，有工业用普通压力表（0.5级以下）、校验级以下）、校验用精密压力表；按其用途不同，有耐腐蚀压力表、耐震压用精密压

27、力表；按其用途不同，有耐腐蚀压力表、耐震压力表、隔膜压力表，氧气压力表、氨用压力力表、隔膜压力表，氧气压力表、氨用压力v 表等专用压力表。它们的外形与结构基本相同，只是所用表等专用压力表。它们的外形与结构基本相同，只是所用的材料有所不同。的材料有所不同。v 例如，测量氨气压力时必须采用能耐腐蚀的不锈钢弹簧管；例如，测量氨气压力时必须采用能耐腐蚀的不锈钢弹簧管；测量乙炔压力时不得用铜制弹簧管；测量氧气压力时则严测量乙炔压力时不得用铜制弹簧管；测量氧气压力时则严禁沾有油脂，否则将有爆炸危险；测量危险气体的压力表，禁沾有油脂，否则将有爆炸危险；测量危险气体的压力表，一般用规定颜色涂刷外壳，并注明特殊

28、介质名称，如测量一般用规定颜色涂刷外壳，并注明特殊介质名称，如测量氧气（天蓝）、氢气（深绿）、氨（黄）、氯气（褐）、氧气（天蓝）、氢气（深绿）、氨（黄）、氯气（褐）、乙炔（白）、可燃气体（红）、惰性气体（黑）等。乙炔（白）、可燃气体（红）、惰性气体（黑）等。v耐震压力表常用于各类压缩机、柱塞泵等剧烈波耐震压力表常用于各类压缩机、柱塞泵等剧烈波动压力的测量，以利于提高压力表寿命，方便读动压力的测量，以利于提高压力表寿命，方便读数。耐震压力表一般采用密封表壳，表壳内灌充数。耐震压力表一般采用密封表壳，表壳内灌充液压油等阻尼液。弹簧管及齿轮机构浸没在阻尼液压油等阻尼液。弹簧管及齿轮机构浸没在阻尼液中

29、，除了传动机构得到润滑外，设备振动和压液中，除了传动机构得到润滑外，设备振动和压力波动造成的机件震动能量被阻尼液吸收。有的力波动造成的机件震动能量被阻尼液吸收。有的耐震压力表接头上装有阻尼器，被测介质通过阻耐震压力表接头上装有阻尼器，被测介质通过阻尼器细长通道时，流动阻力减缓了压力的急剧变尼器细长通道时，流动阻力减缓了压力的急剧变化，有效改善指针抖动现象。化，有效改善指针抖动现象。v耐腐蚀压力表，除了采用耐腐蚀弹性材料外，一耐腐蚀压力表，除了采用耐腐蚀弹性材料外，一般用耐腐蚀波纹膜片将弹簧管用隔离油密封，与般用耐腐蚀波纹膜片将弹簧管用隔离油密封，与腐蚀性被测介质隔开，结构如图腐蚀性被测介质隔开

30、，结构如图4-5(f）所示。）所示。v弹簧管压力表的外形依压力接头的方向与安装环弹簧管压力表的外形依压力接头的方向与安装环边不同，分为径向（压力表接头在表盘径向）、边不同，分为径向（压力表接头在表盘径向）、轴向（压力表接头在指针轴向）、直接安装式轴向（压力表接头在指针轴向）、直接安装式（没有安装环）、凸装式（指后部带有安袋环，（没有安装环）、凸装式（指后部带有安袋环，俗称带后边）、嵌装式（指前部带有安装环，俗俗称带后边）、嵌装式（指前部带有安装环，俗称带前边）等几种，如下图所示。图中型号首字称带前边）等几种，如下图所示。图中型号首字母母Y表示压力表（真空表为表示压力表（真空表为Z、压力真空表为

31、、压力真空表为YZ、标准表为标准表为YB、隔膜压力表为、隔膜压力表为YP、远传信号压力、远传信号压力表为表为YX等），后缀字母等），后缀字母T、Q、Z分别表示有后分别表示有后边、有前边、轴向接头，中间数字表示压力表公边、有前边、轴向接头，中间数字表示压力表公称直径（称直径（40、60、100、50、250）。）。 压力计的测量范围，常用的有 01.0、1.6、2.5、4.0、6.010n五个系列。精度等级一般有4.0、2.5、3 2、1.5、1.0、0.5、0.4、0.25、0.2、0.1级等。 v三、电接点压力表三、电接点压力表v在许多工业生产过程中，当压力低于或高于规定在许多工业生产过程中

32、，当压力低于或高于规定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险，因此常常需要把压力控制在某一范围内。危险，因此常常需要把压力控制在某一范围内。利用电接点压力表能简便地在压力超出设定范围利用电接点压力表能简便地在压力超出设定范围时发出报警信号，以便提醒操作人员注意，或通时发出报警信号，以便提醒操作人员注意，或通过中间继电器实现某种连锁控制，以防止发生严过中间继电器实现某种连锁控制，以防止发生严重的事故。重的事故。v如下图如下图4-6所示，电接点信号压力表是在普通弹所示，电接点信号压力表是在普通弹簧管压力表上附加触点机构而成的。压力表指针簧管压力表上

33、附加触点机构而成的。压力表指针2上有动触点上有动触点B，表盘上另有两个可调节的上、下，表盘上另有两个可调节的上、下限设定指针限设定指针1、3，上面分别有上限静触点，上面分别有上限静触点A和下和下限静触点限静触点C。当压力超过上限设定值时，动触点。当压力超过上限设定值时，动触点B和静触点和静触点A接触，红色信号灯接触，红色信号灯LH的电路被接通，的电路被接通，使红灯点亮；若压力低到下限设定值时，动触点使红灯点亮；若压力低到下限设定值时，动触点B与静触点与静触点C接触，绿色信号灯接触，绿色信号灯LL的电路接通，的电路接通，绿灯亮，依次警示压力超限。绿灯亮，依次警示压力超限。v为了防止压力超限时静触

34、点挡死指针为了防止压力超限时静触点挡死指针2，出现较，出现较大的指示误差。上、下限指针大的指示误差。上、下限指针1、3上的静触点上的静触点A、C是用游丝弹簧与转轴连接的。当压力超限时，是用游丝弹簧与转轴连接的。当压力超限时，指针指针2会推动静触点会推动静触点A、C一起偏转，并保持接触。一起偏转，并保持接触。而当压力回到上（下）限以内时，静触点被上而当压力回到上（下）限以内时，静触点被上（下）限指针（下）限指针1(3）挡住，动、静触点脱离接触。）挡住，动、静触点脱离接触。信号灯均不亮。上、下限指针的位置可根据需要信号灯均不亮。上、下限指针的位置可根据需要从表外调节。从表外调节。v实际应用时，可以

35、在指示灯上并联电铃、继电器，实际应用时，可以在指示灯上并联电铃、继电器，以便在压力超限时，实现声光报警或连锁控制。以便在压力超限时，实现声光报警或连锁控制。 v4.4电测式压力计电测式压力计v一、一、 霍尔式压力计霍尔式压力计v霍尔式压力计由霍尔式压力传感器和显示仪组成，霍尔式压力计由霍尔式压力传感器和显示仪组成，根据霍尔效应，利用霍尔元件将弹性元件产生的根据霍尔效应，利用霍尔元件将弹性元件产生的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。v（一）霍尔效应（一）霍尔效应v如图如图4-7所示，霍尔元件是置于磁场中的一个半所示，霍尔元件是置于磁场中的一个半导体材

36、料片。在磁场中，磁力线沿导体材料片。在磁场中，磁力线沿z方向垂直穿方向垂直穿过霍尔元件。在过霍尔元件。在y方向通入恒定电流方向通入恒定电流I以后，自由以后，自由电子要作与电流电子要作与电流I方向相反的运动。由于受洛伦磁方向相反的运动。由于受洛伦磁力力F的作用，自由电子的运动方向会发生偏移，的作用，自由电子的运动方向会发生偏移，从而造成霍尔片的从而造成霍尔片的-x方向端面上有电子积累，方向端面上有电子积累，+x方向端面上正电荷过剩，于是在霍尔片的方向端面上正电荷过剩，于是在霍尔片的x方方向出现电位差向出现电位差e，此电位差就是，此电位差就是“霍尔电势霍尔电势”。 v这种现象叫做霍尔效应，其霍尔电

37、势为这种现象叫做霍尔效应，其霍尔电势为v (4.5)v式中式中 霍尔系数，与半导体材料、尺寸和温霍尔系数，与半导体材料、尺寸和温度有关；度有关；v B磁感应强度；磁感应强度；v I电流；电流；v H霍尔片厚度；霍尔片厚度；v l霍尔片电势导出端宽度；霍尔片电势导出端宽度；v b霍尔片电流输入端宽度；霍尔片电流输入端宽度；v 灵敏度系数；灵敏度系数； v 霍尔片尺寸系数。霍尔片尺寸系数。当霍尔片确定以后，霍尔电势仅与磁感应强度B和电流I有关。在电流I恒定的情况下，若压力的变化改变了B的大小，霍尔电势随之改变，据此可以测出压力的大小。利用霍尔效应还可以制成测量电流、磁场、位移、转速、转角等物理量的

38、传感器。目前常用的霍尔材料有锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（Insb）、砷化铟（InAs）等，半导体片由陶瓷或环氧树脂封装。 v（二）霍尔片式压力传感器（二）霍尔片式压力传感器v将霍尔元件与弹簧管或其他弹性元件配合，就可将霍尔元件与弹簧管或其他弹性元件配合，就可以构成霍尔片式压力传感器，其结构及原理如下以构成霍尔片式压力传感器，其结构及原理如下图图4-8(a)所示。所示。v在霍尔元件的四个端面引出四条导线，其中与磁在霍尔元件的四个端面引出四条导线，其中与磁钢相平行的两条导线与直流恒流电源相连，另两钢相平行的两条导线与直流恒流电源相连，另两条导线用来输出信号。将弹簧管的自由端与霍尔条导线用来输出

39、信号。将弹簧管的自由端与霍尔元件相连，在霍尔元件的上、下端垂直安放两对元件相连，在霍尔元件的上、下端垂直安放两对磁极，使霍尔元件处于两对磁极形成的非均匀磁磁极，使霍尔元件处于两对磁极形成的非均匀磁场中。场中。v 两个完全相同的磁铁相对安装，磁钢两对极靴形状特殊，两个完全相同的磁铁相对安装，磁钢两对极靴形状特殊，使磁极间形成的磁场成线性分布，两侧方向相反，磁感应使磁极间形成的磁场成线性分布，两侧方向相反，磁感应强度分布如图强度分布如图4-8 (b）所示。）所示。v 引入被测压力后，在被测压力的作用下，弹簧管的自由端引入被测压力后，在被测压力的作用下，弹簧管的自由端带动霍尔片位移，从而改变了霍尔元

40、件在非均匀磁场中的带动霍尔片位移，从而改变了霍尔元件在非均匀磁场中的位置。当被测压力为零时，霍尔片处于极靴中央位置，左位置。当被测压力为零时，霍尔片处于极靴中央位置，左右两半磁场方向相反、互相对称，霍尔片总电势之和为零。右两半磁场方向相反、互相对称，霍尔片总电势之和为零。当被测压力大于零时，弹簧管带动霍尔片左移，两边产生当被测压力大于零时，弹簧管带动霍尔片左移，两边产生极性相反的电势大小不等，霍尔片总电势大于零。当输入极性相反的电势大小不等，霍尔片总电势大于零。当输入压力是负压时，霍尔元件向右移动，霍尔电势为负，并且压力是负压时，霍尔元件向右移动，霍尔电势为负，并且压力越大，霍尔片偏移越大，输

41、出电势也越大。此霍尔电压力越大，霍尔片偏移越大，输出电势也越大。此霍尔电势与被测压力成比例，利用该电势即可实现压力信号的远势与被测压力成比例，利用该电势即可实现压力信号的远传。传。v霍尔式压力传感器采用非接触方式实现转换作用，霍尔式压力传感器采用非接触方式实现转换作用，输出输出m级电压信号，便于远传。测量精度受弹性级电压信号，便于远传。测量精度受弹性元件和霍尔元件的限制，一般不高于元件和霍尔元件的限制，一般不高于1.0级。级。v国产国产YSH型霍尔式压力传感器采用弹簧管作压力型霍尔式压力传感器采用弹簧管作压力敏感元件，所测压力范围较宽。敏感元件，所测压力范围较宽。HWY型霍尔式型霍尔式压力传感

42、器以膜盒作为压力敏感元件，用于测量压力传感器以膜盒作为压力敏感元件，用于测量-0.02 0.02MPa的压力。的压力。v 二、电感式压力传感器二、电感式压力传感器v 电感式压力传感器，将压力弹性元件的变形位移，通过电感式压力传感器，将压力弹性元件的变形位移，通过电感器件转换为电感量的变化，进而转换为输出电压来进电感器件转换为电感量的变化，进而转换为输出电压来进行测量。行测量。v 如下图如下图4-9所示为由膜盒所示为由膜盒2与差动变压器与差动变压器5结合组成的电结合组成的电感式远传微压力计的结构图，被测压力感式远传微压力计的结构图，被测压力p由接头由接头l送入膜盒送入膜盒2。在无压力时，膜盒处于

43、初始状态，与膜盒中心处连接。在无压力时，膜盒处于初始状态，与膜盒中心处连接的铁芯的铁芯6位于差动变压器的电气零点处，因而输出电压为位于差动变压器的电气零点处，因而输出电压为零。当被测压力零。当被测压力p增加时，膜盒产生变形，产生轴向位移，增加时，膜盒产生变形，产生轴向位移，带动铁芯在差动变压器线圈中移动，从而使差动变压器产带动铁芯在差动变压器线圈中移动，从而使差动变压器产生正比于被测压力的电压输出。如图所示测量电路框图。生正比于被测压力的电压输出。如图所示测量电路框图。由于差动变压器输出信号较大，所以线路中可不用放大器。由于差动变压器输出信号较大，所以线路中可不用放大器。这种微压力计的测量范围

44、为这种微压力计的测量范围为06104Pa，可测正负压力。，可测正负压力。输出电压满量程为输出电压满量程为050mV。 v如图如图4-10所示是一种差动变压器式差压传感器。所示是一种差动变压器式差压传感器。它的弹性敏感元件是膜片它的弹性敏感元件是膜片11。当。当pl、p2经高、经高、低压导管低压导管1、2分别进入高、低压室分别进入高、低压室12、17时，时，推动膜片向低压侧移动（最大行程推动膜片向低压侧移动（最大行程1mm）。膜）。膜片通过连杆片通过连杆19带动铁芯带动铁芯20在差动变压器绕组在差动变压器绕组6内内右移，差动变压器有电压信号输出，此输出电压右移，差动变压器有电压信号输出，此输出电

45、压的大小与所测的差压成比例关系。的大小与所测的差压成比例关系。v当差压太大或操作失误时，膜片有可能承受过大当差压太大或操作失误时，膜片有可能承受过大的单向压力，所以必须有保护装置。为此，在高、的单向压力，所以必须有保护装置。为此，在高、低压室的两侧分别装保护环低压室的两侧分别装保护环13和保护挡板和保护挡板14、15，当膜片单向受压时，保护挡，当膜片单向受压时，保护挡v板压紧在保护环上，封闭高、低压室，利用工作板压紧在保护环上，封闭高、低压室，利用工作液的不可压缩性，防止膜片继续变形损坏。液的不可压缩性，防止膜片继续变形损坏。v三、应变式压力计三、应变式压力计v应变式压力计利用导体或半导体的应

46、变式压力计利用导体或半导体的“应变效应应变效应”，由由“应变片应变片”将被测压力转换成电阻值的变化，将被测压力转换成电阻值的变化，通过桥式测量电路，获得相应的毫伏级电压信号通过桥式测量电路，获得相应的毫伏级电压信号输出，如果配上相应的显示仪表就可显示被测介输出，如果配上相应的显示仪表就可显示被测介质的压力。应变式压力传感器适用于测量快速变质的压力。应变式压力传感器适用于测量快速变化的压力和高压力。化的压力和高压力。 v（一）应变效应（一）应变效应v应变式压力传感器的检测元件是应变片，它是由应变式压力传感器的检测元件是应变片，它是由金属导体或半导体材料制成的电阻体。金属导体或半导体材料制成的电阻

47、体。v应变是一个物体在压力的作用下产生的相对变形。应变是一个物体在压力的作用下产生的相对变形。导体在产生机械变形时，电阻要发生变化，如当导体在产生机械变形时，电阻要发生变化，如当金属材料拉伸时，电阻值增大；金属材料受到压金属材料拉伸时，电阻值增大；金属材料受到压缩时，电阻减小。这种现象就是所谓的应变效应。缩时，电阻减小。这种现象就是所谓的应变效应。v设应变片电阻丝为圆形截面导体，长度为设应变片电阻丝为圆形截面导体，长度为L，截，截面积为面积为A，材料电阻率为。在未受力时，原始电，材料电阻率为。在未受力时，原始电阻为阻为v （4.6）LR=A v当电阻丝受到轴向拉力作用时，尺寸发生变化：当电阻丝

48、受到轴向拉力作用时，尺寸发生变化：长度增加，横截面积减小，并且也会变化，因而长度增加，横截面积减小，并且也会变化，因而引起电阻值的变化。对上式两边取对数，得引起电阻值的变化。对上式两边取对数，得v （4.7）v再取微分得再取微分得 v （4.8）lnR=ln +lnL-lnA dRddLdARLA v而而(r为金属丝半径），则为金属丝半径），则 v （4.9）v式中，式中， 为电阻丝的轴向应变，为电阻丝的轴向应变， 为电阻丝的径为电阻丝的径向应变。根据材料力学原理，在弹性变形时，电向应变。根据材料力学原理，在弹性变形时，电阻丝的径向应变等于轴向应变与泊松系数的乘积，阻丝的径向应变等于轴向应变与

49、泊松系数的乘积，即即 （4.10） 2dAdrAr r2rdRddLdRL dL=L dr=r =- v式中，负号表示径向应变与轴向应变方向相反。式中，负号表示径向应变与轴向应变方向相反。泊松系数小于泊松系数小于1，一般为，一般为00.5。v根据式（根据式（4.9）、式（）、式（4.10）得到）得到v （4.11）v式中，式中， 项是由于材料变形，其尺寸项是由于材料变形，其尺寸L、r变变化，产生的电阻变化，为电阻的几何效应。化，产生的电阻变化，为电阻的几何效应。v 项是由于材料内部晶格结构改变，使电阻率项是由于材料内部晶格结构改变，使电阻率改变引起的电阻变化，称为压阻效应。改变引起的电阻变化，

50、称为压阻效应。 dRd= 1+2+R 1+2 d v对于金属材料，电阻率的相对变化很小，即对于金属材料，电阻率的相对变化很小，即 v 1，可略去不计。，可略去不计。v v （4.12）vK为其灵敏度系数。说明金属电阻相对变化率与为其灵敏度系数。说明金属电阻相对变化率与应变成正比，它们之间呈线性关系。用于制造电应变成正比，它们之间呈线性关系。用于制造电阻应变片金属丝的灵敏度阻应变片金属丝的灵敏度K多在多在1.73.6之间。之间。 d dR1+2=KR v对于半导体材料，对于半导体材料， 。根据理论分析，半。根据理论分析，半导体材料电阻率相对变化正比于其应变，即导体材料电阻率相对变化正比于其应变，

51、即v （4.13）v式中，为纵向压阻系数，式中，为纵向压阻系数，E为材料弹性模量，为材料弹性模量，K为为灵敏度系数。常用硅、锗半导体材料灵敏度灵敏度系数。常用硅、锗半导体材料灵敏度K多多在在100170之间，但依半导体变形的晶向不同，之间，但依半导体变形的晶向不同，K有正有负。有正有负。 d1+2 1dRd=E=KR v（二）（二） 应变片应变片 v1、金属应变片、金属应变片v金属电阻应变片主要有丝式应变片和箔式应变片金属电阻应变片主要有丝式应变片和箔式应变片两种结构，如图两种结构，如图4-11所示。所示。v丝式应变片由往复回绕成栅状的金属丝（称为敏丝式应变片由往复回绕成栅状的金属丝（称为敏感

52、栅）、基底、引线、保护膜等组成。敏感栅一感栅）、基底、引线、保护膜等组成。敏感栅一般采用直径为般采用直径为0.0150.05mm的金属丝，用的金属丝，用黏合剂固定在厚黏合剂固定在厚0.020.04mm的纸或胶膜基的纸或胶膜基底上。敏感栅电阻丝常用材料有康铜底上。敏感栅电阻丝常用材料有康铜（Ni45Cu55）、镍铬合金（）、镍铬合金（Ni80Cr20）、）、铁铬铝合金（铁铬铝合金（Fe70Cr25Ai5）等。引线是由直）等。引线是由直径为径为0.10.2mm的低阻镀锡铜线或银线制成，的低阻镀锡铜线或银线制成，用于与测量电路相连。用于与测量电路相连。 v箔式应变片的敏感栅是用预先粘贴在绝缘基片上箔

53、式应变片的敏感栅是用预先粘贴在绝缘基片上的厚度为的厚度为0.0030.01mm的金属箔经光刻、的金属箔经光刻、腐蚀等工艺制成。其优点是表面积与截面积之比腐蚀等工艺制成。其优点是表面积与截面积之比大，散热条件好，能承受较大电流和较高电压，大，散热条件好，能承受较大电流和较高电压，因而输出灵敏度高，并可制成各种需要的形状，因而输出灵敏度高，并可制成各种需要的形状，便于大批量生产。由于上述优点，它已逐渐取代便于大批量生产。由于上述优点，它已逐渐取代丝式应变片。丝式应变片。 v2、半导体应变片、半导体应变片v半导体应变片由硅或锗等半导体材料制成，有体半导体应变片由硅或锗等半导体材料制成，有体型半导体应

54、变片、薄膜型半导体应变片、扩散型型半导体应变片、薄膜型半导体应变片、扩散型半导体应变片三种，半导体应变片灵敏系数大、半导体应变片三种，半导体应变片灵敏系数大、频率响应快、机械滞后小、阻值范围宽，体积小。频率响应快、机械滞后小、阻值范围宽，体积小。但此类应变片的热稳定性能较差，需要进行温度但此类应变片的热稳定性能较差，需要进行温度补偿。补偿。 v应变片与弹性元件的装配可以采用粘贴或压贴方应变片与弹性元件的装配可以采用粘贴或压贴方式。在弹性元件受压变形的同时应变片也发生应式。在弹性元件受压变形的同时应变片也发生应变，其电阻值随之改变。变，其电阻值随之改变。 v （三）（三） 应变电阻测量桥路应变电

55、阻测量桥路v 电阻应变片工作时，其电阻变化微小，需要用电桥电路将电阻应变片工作时，其电阻变化微小，需要用电桥电路将应变应变v 片电阻转换成电压或电流输出。如图片电阻转换成电压或电流输出。如图4-12所示，电桥由所示，电桥由四个电阻相四个电阻相v 互连接而成，电源和输出电压分别从电桥的相对节点引出。互连接而成，电源和输出电压分别从电桥的相对节点引出。根据电根据电v 源性质，电桥有直流、交流之分。源性质，电桥有直流、交流之分。v 一般情况下，电桥负载为放大器，具有较高的输入阻抗。一般情况下，电桥负载为放大器，具有较高的输入阻抗。为分为分v 析方便，设电桥输出开路。负载为无穷大时，电桥输出电析方便，

56、设电桥输出开路。负载为无穷大时，电桥输出电压为压为v （4.14） v 当电桥满足条件时，电桥平衡，输出电压为零。当电桥满足条件时，电桥平衡，输出电压为零。)(42413142RRRRRRRREVSv如果电桥中仅有一个桥臂为应变片电阻如果电桥中仅有一个桥臂为应变片电阻R4，其余，其余三个桥臂电阻为固定电阻，且满足。当应变电阻三个桥臂电阻为固定电阻，且满足。当应变电阻R4产生电阻变化时，电桥失去平衡，输出电压产生电阻变化时，电桥失去平衡，输出电压v （4.15）v对于等臂电桥，对于等臂电桥，Rl=R3=R2=R4=R，并考虑，并考虑时，桥路输出电压时，桥路输出电压v （4.16）v根据应变效应根

57、据应变效应 v （4.17） 2S1423RRV=ER +R + RR +R SSEERRV=2 2R+ R4R SEV=K4 v 同理可以推出，当等臂电桥的四个桥臂均为应变电阻时，同理可以推出，当等臂电桥的四个桥臂均为应变电阻时，输出电压输出电压v v （4.18）v 由上式可以看出，当各桥臂应变片电阻应变极性一致（同由上式可以看出，当各桥臂应变片电阻应变极性一致（同为拉应变或同为压应变）时，为拉应变或同为压应变）时，v 电桥输出电压为相邻桥臂应变电压之差，相对桥臂应变电电桥输出电压为相邻桥臂应变电压之差，相对桥臂应变电压之和。利用此原理，就可以将相邻桥臂应变片分别置于压之和。利用此原理，就

58、可以将相邻桥臂应变片分别置于弹性元件的拉、压应变区，以成倍提高电桥灵敏度。另外弹性元件的拉、压应变区，以成倍提高电桥灵敏度。另外将相同的应变片置于相邻的桥臂上，当测量环境温度变化将相同的应变片置于相邻的桥臂上，当测量环境温度变化使应变电阻产生电阻变化时，对输出电压的影响相互抵消，使应变电阻产生电阻变化时，对输出电压的影响相互抵消，可以实现温度补偿作用。可以实现温度补偿作用。 S31241234S1234ERRRRV=-+-+4RRRRE =K -+-+4 v （四）（四） 应变片式压力传感器应变片式压力传感器v 应变片式压力传感器由弹性元件、应变片、外壳和引线接应变片式压力传感器由弹性元件、应

59、变片、外壳和引线接头组成，结构形式多样，其常用形式有膜片式和应变筒式头组成，结构形式多样，其常用形式有膜片式和应变筒式两种。以应变筒式压力传感器为例介绍。两种。以应变筒式压力传感器为例介绍。v 国产国产BPR型应变式压力传感器是典型的应变筒式压力传型应变式压力传感器是典型的应变筒式压力传感器，如下图所示，有多种型号，测量范围有感器，如下图所示，有多种型号，测量范围有 01MPa、010MPa直到直到0500MPa多种。应变筒式压力传感多种。应变筒式压力传感器有较好的动态特性，适用于快速变化的压力测量。传感器有较好的动态特性，适用于快速变化的压力测量。传感器的非线性及滞后误差较小，测量精度优于器

60、的非线性及滞后误差较小，测量精度优于1。v 如图如图 4-13(a）所示为）所示为BPR-3型压力传感器，弹性应变型压力传感器，弹性应变筒筒3的上端与外壳固定在一起，下端与不锈钢密封膜片的上端与外壳固定在一起，下端与不锈钢密封膜片1紧密地接触。两片紧密地接触。两片PJ-320型康铜丝应变片型康铜丝应变片Rl、R4用胶用胶合剂粘贴在应变筒的外壁上。合剂粘贴在应变筒的外壁上。 v 测量应变片测量应变片Rl沿应变筒轴向粘贴，补偿应变片沿应变筒轴向粘贴，补偿应变片R2沿应变筒圆周方向沿应变筒圆周方向粘贴。采用特殊胶合剂，保证应变片与筒体之间不发生相对滑动现象，粘贴。采用特殊胶合剂，保证应变片与筒体之间