第五章-压力测量

热工仪表及测量技术孟献丰主讲第一节概述

压力是重要的热工参数之一,正确测量和控制压力对保证生产工艺过程的安全性和经济性有重要意义。压力及差压的测量还广泛地应用在流量和液位的测量中。垂直作用在单位面积上的力称压力。在国际单位制（SI）和我国法定计量单位中，压力的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为“Pa”。即1N力垂直均匀作用在1m2的面积上所形成的压力值为1Pa。

过去采用的压力单位“工程大气压力”（kgf/cm2）、“毫米汞柱”（mmHg）、“毫米水柱”（mmH2O）、“物理大气压”（atm）、“巴”（bar）、“PSI”等均应改成法定计量单位帕。1kgf/cm2=0.9807×105Pa1mmH2O=0.9807×10Pa1mmHg=1.332×102Pa1atm=1.01325×105Pa1bar=105Pa

1PSI=6.89×103Pa一、压力几种不同表示方法：

(1)绝对压力指作用于物体表面积上的全部压力,其零点以绝对真空为基准,又称总压力,一般用大写符号P表示。

(2)大气压力指地球表面上的空气柱重量所产生的压力,以P0表示。

(3)表压力绝对压力与大气压力之差,一般用p表示。测压仪表一般指示的压力都是表压力,表压力又称相对压力。

当绝对压力小于大气压力,则表压力为负压,负压又可用真空度表示,负压的绝对值称为真空度。如测炉膛和烟道气的压力均是负压。

(4)差压任意两个压力之差称为差压。如静压式液位计和差压式流量计就是利用测量差压的大小知道液位和流体流量的大小。二、压力检测方法1.平衡法：通过仪表使液柱高度的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理测量压力2.弹性法：利用各种形式的弹性元件，在被测介质的表压力或负压力作用下产生的弹性变形来反映被测压力的大小3.电气式：用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化三、压力测量仪表的分类压力传感器从其原理及结构可分为：液柱式、机械式及电气式测量压力的仪表，按信号原理不同，大致可分为四类：液柱式：根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度；机械式：根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移；电气式：将被测压力转换成各种电量，如电感、电容、电阻、电位差等，依据电量的大小实现压力的间接测量；活塞式：根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量。第二节液柱式压力计利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的原理，通过液柱高度来反映被测压力的大小。采用水银或水为工作液，用U形管或单管进行测量，常用于低压、负压或压力差的检测。被广泛用于实验室压力测量或现场锅炉烟、风道各段压力、通风空调系统各段压力的测量。优点：结构简单，使用方便，有相当高的准确度，在本专业中应用很广泛。缺点：量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管容易损坏及读数不方便。一、U形管压力计△P=P1－P2=ρg(h1+h2)提高工作液密度将增加压力的测量范围，但灵敏度要降低。

图所示的U形管内装有一定数量的液体,U形管一侧通压力p1,另一侧通压力p2。当p1=p2时,左右两管液体高度相等。当p1大于p2时,两边管内液面便会产生高度差。根据液体静力学原理可知:Δp=p1-p2=ρgh式中ρ为U形管内液体的密度。

当P2=B时，P1=B+ρghh反映了被测压力的大小。二、单管压力计由于U形管压力计需两次读取液面高度，为使用方便，设计出一次读取液面高度的单管压力计。因则故由于D>>d，所以P=ρgh2三、斜管微压计主要用于测量微小压力、负压和压差，它将单管液柱压力计的测量管倾斜放置，这样可以提高灵敏度，减少读数相对误差。倾斜角度越小，l越长，测量灵敏度就越高；但不可太小，否则液柱易冲散，读数较困难，误差增大，不能小于15°。这种倾斜管液柱式压力计可以测量到0.98Pa的微压。为了进一步提高微压计的精确度，应选用密度小的酒精作为工作液体。四、液柱式压力计的测量误差及其修正1.环境温度变化2.重力加速度变化3.毛细管现象第三节弹性式压力计

用弹性传感器（又称弹性元件）组成的压力测量仪表称为弹性式压力计。弹性元件受压后产生的形变输出（力或位移），可以通过传动机构直接带动指针指示压力（或压差），也可以通过某种电气元件组成变送器，实现压力（或压差）信号的远传。1．弹性元件

采用不同材料、不同形状的弹性元件作为感压元件,可以适用于不同场合、不同范围的压力测量。目前广泛使用的弹性元件有弹簧管、波纹管和膜片等。图给出了一些常用弹性元件的示意图。测压原理：弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形大小与被测压力成正比关系。

F：轴向外力；A:弹性元件承受压力的有效面积；P:被测压力；C：弹性元件的刚度系数；X:弹性元件的形变位移。

1）.膜片按剖面形状分为平膜片和波纹膜片可与其他转换元件合用电容式压力传感器光纤式压力传感器力矩平衡式压力变送器2）.波纹管优点：灵敏高，可测较低压力缺点：迟滞误差较大，精度一般只有1.5级3）.弹簧管

截面为非圆形（椭圆形或扁圆形），并弯成圆弧状的空心管子一端为封闭（自由端），

一端为开口（固定端）2.弹簧管压力表弹簧管压力表在弹性式压力表中历史悠久,应用广泛。

1）测压原理：当开口端通入被测压力后,非圆横截面在压力p作用下将趋向圆形,并使弹簧管有伸直的趋势而产生力矩,其结果使弹簧管的自由端产生位移,同时改变中心角。中心角的相对变化量与被测压力有如下的函数关系:式中θ-为弹簧管中心角的初始角;Δθ-为受压后中心角的改变量;R为弹簧管弯曲圆弧的外半径;h-为管壁厚度;a、b-为弹簧管椭圆形截面的长、短半轴;Κ为几何常数（=RH/a2）;α、β-为与比值a/b有关的参数;μ为弹簧管材料的泊松系数;E为弹性模数。由上式可知,如果a=b,则Δθ=0,这说明具有均匀壁厚的圆形弹簧管不能用作测压敏感元件。对于单圈弹簧管,中心角变化量Δθ比较小,要提高Δθ,可采用多圈弹簧管。2）

弹簧管压力表弹簧管压力表结构如图所示。被测压力由接头9通入,迫使弹簧管1的自由端产生位移,通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转,于是指针5通过同轴的中心齿轮4的带动而作顺时针偏转,在面板6的刻度标尺上显示出被测压力的数值。结构简单，使用方便，价格低廉，使用范围广，测量范围宽;可测负压、微压、低压、中压和高压;精度有0.5、1.0、1.5、2.5等。第四节电气式压力计

为适应集中检测、自动调节及使用计算机技术的需要，希望把弹性元件的输出——位移或压力转为统一信号，出现了电气式压力计。电气式压力检测方法一般是用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。

能实现压力－电量转换的压敏元件主要有压电材料、应变片和压阻元件。1.压电式压力传感器压电效应原理：压电材料受压时会在其表面产生电荷，其电荷量与所受的压力成正比。压电材料：单晶体、多晶体特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，线性度好，频率响应高，量程范围广2.应变式压力传感器应变片是基于应变效应工作的一种压力敏感元件，当应变片受外力作用产生形变时，应变片的电阻值也将发生相应变化。应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及相应的桥路组成的，利用弹性敏感元件和应变计将被测压力转换为相应电阻值变化的压力传感器。缺点：输出信号小、线性范围窄,而且动态响应较差(见电阻应变计、半导体应变计)。优点：应变片的体积小,商品化的应变片有多种规格可供选择，而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合，所以用应变片制造的应变式压力传感器仍有广泛的应用。分类：按弹性敏感元件结构的不同,应变式压力传感器大致可分为应变管式、膜片式、应变梁式和组合式4种。3.压阻式压力传感器压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件，它指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。扩散电阻正常工作需依附弹性元件，常用的是单晶体硅膜片。优点：体积小，结构简单，能直接反映微小的压力变化，动态响应好；缺点：敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数的大小。图是压阻式压力传感器的结构示意图。在一块圆形的单晶硅膜片上,布置四个扩散电阻,组成一个全桥测量电路。膜片用一个圆形硅杯固定,将两个气腔隔开。一端接被测压力,另一端接参考压力。当存在压差时,膜片产生变形,使两对电阻的阻值发生变化,电桥失去平衡,其输出电压反映膜片承受的压差的大小。第五节压力检测仪表的选择与校验一、压力检测仪表的选择1.仪表量程的选择被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的3/4；被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3；为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的1/3；优先满足最大工作压力条件。2.仪表精度的选择压力检测仪表的精度主要根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。3.仪表类型的选择从被测介质压力大小来考虑被测介质的性质对仪表输出信号的要求使用的环境二、压力仪表的校验校验就是将被校验压力表和标准压力表通以相同压力，比较它们指示数值，如果被校表对于标准表的读数误差，不大于被校表规定最大准许绝对误差时，则认为被校表合格。常用的校验仪器是活塞式压力计，它由压力发生部分和测量部分组成，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，也可校准各种工业用压力表，被校压力的最高值为60MPa。校验方法：1.在测量范围内选取3-4个点，选在带有刻度数字的大刻度点上；2.均匀增至刻度上限，保持上限压力3min，将至0，观察指针的变动情况；3.单方向增至校验点后度数，轻敲表壳再读数，再单方向将至校验点校验，计算误差。三、压力表的安装1.取压口的选择测量液体：在管道下部取压测量气体：在管道上部取压测量蒸汽：在管道两侧偏上取压2.导压管的铺设导压管是传递压力、压差信号的，要有3%坡度，长度小于50m。3.取压口管与工质流速方向垂直，与设备内壁平齐，无凸起和毛刺。4.防止仪表传感器与高温和有害介质直接接触。5.取压口和压力表之间要有隔离阀，以备检修。6.压力、压差计的安装

差压变送器可以测量液体、气体和蒸汽的压力、压差及液位等参数,与节流装置配合可测量流量。差压变送器有气动差压变送器（输出20~100KPa压力信号）和电动差压变送器（输出4~20ma或0~10ma标准电流信号）,下面将重点介绍工业上常用的电动差压变送器。第六节差压变送器一、力平衡式差式变送器力平衡式差压变送器的构成方框图如图所示,它包括测量机构、杠杆力平衡机构、位移检测放大器及电磁反馈机构。

力平衡式差压变送器是基于力矩原理工作的,它是以电磁反馈力产生的力矩去平衡输入力产生的力矩。由于采用了深度负反馈,因而测量精度较高,而且保证了被测差压ΔPi和输出电流I0之间的线性关系。

压力、差压变送器结构都一样,只是弹性元件稍有差别。图为电动力平衡压力变送器结构简图。被测压力p作用在测量膜片1上,转换为输入力作用于主杠杆2的下端。主杠杆以支点膜片3为轴而偏转,并以力沿水平方向推动矢量机构4。矢量机构将水平向左的力变成连杆6向上的力,此力带动副杠杆7,绕其支点顺时针转动,因而使差动变压器8的衔铁下移,气隙变小,衔铁的位移变化量通过低频位移检测放大器9转换并放大为4-20mA的直流电流I0,作为变送器的输出信号。调节支点5的水平位置,可改变矢量机构的夹角θ,从而能连续改变两杠杆间的传动比,能细调量程。调节弹簧11的张力,可起调整零点的作用。低频位移检测放大器的作用是将副杠杆上衔铁的微小位移转换成直流输出电流I0,所以它实际上是一个位移-电流转换器。二、电容式差压变送器电容式差压变送器是没有杠杆机构的变送器,它采用差动电容作为检测元件,整个变送器没有传动机构,因而尺寸紧凑,抗振性好,性能稳定可靠,具有较高的精度。它可以测量压力、差压、绝对压力、带开方的差压（用于测量流量）。1．电容式差压变送器的组成

变送器包括差动电容传感器和变送器电路两部份,其构成方框图如图所示。输入差压Δpi作用于差动电容的动极板,使其产生位移,从而使差动电容器的电容量发生变化。此电容变化量由输入转换部份变换成直流电流信号,此信号与反馈信号进行比较,其差值送入放大电路,经放大得到整机的输出电流I0。2．电容式差压变送器测量原理