第三章 压力与真空度检测仪表

第三章压力检测与仪表3.1概述3.2弹性式压力计3.3压力(差压)传感器3.5压力检测仪表选用3.4真空计3.1.1压力的概念及单位1.压力:指均匀垂直地作用在单位面积上的力。2.单位(SI):帕斯卡,简称帕(Pa)。

3.1概述1Pa=1N/m21MPa=1X106Pa第三章压力检测与仪表单位PaatmmmHgmmH2Okgf/cm2(at)barPsi帕斯卡（Pa）19.869×10-67.5×10-30.1021.02×10-510-51.45×10-4标准大气压（atm）1.01325×10517601.033×1041.0331.03314.706毫米汞柱（mmHg）1.33322×1021.316×10-3113.601.36×10-31.333×10-31.933×10-2毫米水柱（mmH2O）9.8963750.968×10-47.36×10-210.9997×10-49.80×10-51.422×10-3千克力/厘米2(工程大气压)（kgf/cm2）9.80665×1040.96873610410.98066514.217巴（bar）1050.986657501.02×1041.02114.5磅/寸2（Psi）6.895×1026.8×10-251.7157.04×1027.03×10-26.895×10-21表3-1常用压力换算表注意:表中除单位Pa和bar之外均为非许用单位,只在旧仪器及某些国家尚沿用。P真空度P绝对压力P表压P绝对压力大气压力线绝对压力的零线绝对压力、表压、负压（真空度）的关系3.1.2压力的表示方法在压力测量中,常有绝对压力.表压.负压或真空度。真空度(负压):当被测压力低于大气压力时,大气压力和绝对压力之差,即

p真空度=p大气压力-p绝对压力表压:是绝对压力和大气压力之差,即:

p表压=p绝对压力-p大气压力

第三章压力与真空度检测仪表3.1概述绝对压力:以绝对零压为零点的压力。压力仪表测量的为表压或真空度。3.1.3压力检测的基本方法利用弹性元件受压力后发生弹性形变而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理。1)弹性力平衡法利用一定高度的液体产生的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理。2)重力平衡方法3.1概述将压力转换成位移,测出弹性元件变形的位移就可测出压力。例如弹簧管压力计、波纹管压力计及膜式压力计等。例如液柱式压力计、活塞式压力计。将被测压力经变换元件转移成一个集中力,用外力与之平衡,测得平衡时的外力就是被测压力。3)机械力平衡方法敏感元件在压力的作用下某些物理特性发生与压力成确定关系变化的原理。4)物性测量方法3.1.3压力检测的基本方法3.1概述主要用在压力或差压变送器,精度较高,但结构复杂。将被测压力直接转换成电量进行测量。如压电式.应变片式.电容式.压阻式压力传感器等。液柱式压力计原理:基于流体静力学原理,把被测压力转换成液柱高度进行测量。221hpop(a)U形管压力计（b）单管压力计（c）倾斜式压力计图3-2液柱式压力计221hpophpopPoLaph弹性元件是一种简单可靠的测压敏感元件。3.2弹性式压力计3.2.1弹性元件特点:测量范围宽,结构简单,价格便宜,使用方便等。将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测压的仪表。测量范围:几百帕到数千兆帕。是截面呈椭圆形或扁圆形的中空金属管,当通入压力p后,它的自由端就会产生位移。(1).弹簧管(单圈和多圈的)适合测高、中、低压。(2).弹性膜片适合测中、低压。由具有弹性的金属或非金属片构成,在压力作用下能产生变形。膜片膜盒硅油3.2.1弹性元件(3).波纹管外部存在波纹的弹性金属片构成金属筒体。弹性元件易于变形,且位移很大。适合测微压和低压(不超过1MPa)。3.2.1弹性元件p—压力,Pa；A—承受压力的有效面积,m2；C—弹性元件的刚度系数。3.2.2测量原理根据虎克定律,弹性元件在一定范围内变形与所受外力成正比,即:x=pA/C测量原理:弹性元件材料、尺寸等确定后,则弹性元件产生拉伸或压缩位移x与被测压力p成正比。3.2.3弹簧管压力计

(1).结构1—弹簧管;

2—拉杆;

3—扇形齿轮;

5--指针;

4—中心齿轮;

6—面板;7—游丝;

8—调节螺钉;

9—接头。分单圈和多圈;按用途分普通压力表.耐腐蚀氨用压力表.禁油氧气压力表。它们外形和结构相同,只是材料不同。弹簧管1是测量元件,是一根弯成270°的椭圆截面的空心金属管。管子的自由端B封闭,另一端固定在接头9上。(2).工作原理(单圈弹簧管)通入压力p后,椭圆形截面在p作用下将趋于圆形,使自由端B产生位移,且与p的大小成正比(具有线性刻度)。所以只要测得B点的位移量,就能反映压力p的大小。p3.2.3弹簧管压力计

放大过程:

自由端B的位移通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转,指针5通过同轴的中心齿轮4的带动作顺时针偏转,在面板6的刻度标尺上显示出被测压力p的数值。由于B的位移与p的大小成正比,则刻度标尺是线性的。p游丝7用来克服因扇形齿轮与中心齿轮间的传动间隙而产生的仪表变差。改变调节螺钉8的位置,可调整仪表的量程。(2).工作原理(单圈弹簧管)3.2.3弹簧管压力计

(3).弹簧管材料的选择当P<19.6MPa时,选用磷青铜或黄铜的材料。当P≥19.6MPa时,选用合金钢或不锈钢的材料。所测流体种类不同,所用弹簧管材料不同。弹簧管压力表的型号命名：3.2.3弹簧管压力计

普通弹簧管压力表上带有报警或控制触点的压力表。当压力偏离给定范围时,及时发出信号,提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力自动控制。(4).电接点信号压力表3.2.2.2弹簧管压力计

Y3.3.1

霍尔压力传感器依据:根据霍尔效应,即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势,从而实现压力的测量。霍尔电势:UH=RHBI

RH--霍尔常数,与霍尔片材料、几何形状有关。霍尔片由半导体材料制成的薄片。恒定磁场B外电场(直流稳压电源)1霍尔效应:电子逆Y轴运动时,受电磁力的作用,使其运动发生偏移,在X轴上出现电位差(霍尔电势)。这物理现象称为霍尔效应。3.3压力(差压)传感器定义:能检测压力信号,并转换成电信号进行输出的器件。分类:压电式.压阻式.应变式.电感式.电容式.霍尔式等。

应用:所测压力不高、压力波动小、信号需要远传的场合。2霍尔式压力传感器霍尔电势与位移关系:UH=RHBII为定值,B为非均匀霍尔片位置不同,B就不同位移与霍尔电势成正比例。实现位移－电势的线性转换。结构:霍尔元件.磁钢与弹簧管。工作原理:压力→弹性位移→霍尔片移动→霍尔电势。3.3.1霍尔压力传感器引入压力产生位移结构:1.隔离膜片;2,7固定电极;3.硅油;4.测量膜片;5.玻璃层;6.底座;8.引线。P1P2工作原理:在压力作用下,通过膜片的位移引起电容量变化来测出压力(或差压)的。ΔP=P1-P23.3.2电容式压力传感器平行极板电容器的电容量为:电容变换器有变间隙式、变面积式和变介电常数式三种。在ΔP=0时,d0d0d1d2ΔP≠0时,3.3.2电容式压力传感器设在压差ΔP的作用下移动距离Δd,可近似认为:Δd=K1ΔP平面线位移型3.3.2

电容式压力传感器A压电效应:压电材料在沿一定方向受到压力或拉力作用时发生变形,并在其表面上产生电荷;而在去掉外力后,又回到原来的不带电状态,这种现象就称为压电效应。压电元件:石英晶体、压电陶瓷、半导体材料。3.3.3

压电式压力传感器利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。

压电元件在弹性范围内其产生的电荷量与作用力之间呈线性关系。即:q=k·S·p

q为电荷量;k为压电常数;S为作用面积;p为被测压力。石英晶体的压电效应XYZ天然结构：六角棱柱体晶体学常用三根相互垂直的轴来表示3.3.3

压电式压力传感器B压电式压力传感器的结构更换压电元件可改变压力的测量范围,还可用多个压电元件叠加的方式提高仪表的灵敏度。特点:体积小,结构简单紧凑,全密封,工作可靠;固有频率高,不需外加电源;适于工作频率高的压力测量。3.3.3

压电式压力传感器1—绝缘体;2—压电元件;3—壳体;4--膜片;C工作原理:被测压力均匀作用在膜片上,使压电元件受力而产生电荷。电荷量经放大转换为电压或电流输出,其大小与输入压力成正比。测量范围:0～70MPa,测量精确度为1％,0.2％,0.06％。引线3.3.4

应变式压力传感器材料的电阻变化取决于“应变效应”和“压阻效应”。应变片是基于应变效应工作的一种压力敏感元件。金属导体或半导体的电阻值为：μ为应变材料的泊松比;ε=dl/l为应变。A理论基础—由几何尺寸变化引起的。电阻丝在外力作用时发生机械变形,其电阻随之发生变化的现象,叫应变效应。3.3.4

应变式压力传感器—由电阻率变化引起的。受压力后,其晶格间距发生变化,电阻率随压力变化的现象,叫压阻效应。A理论基础导体阻值的变化只取决于电阻率和材料几何尺寸的变化。金属材料,以应变效应为主,称为金属电阻应变片,制成应变式压力传感器。半导体材料,以压阻效应为主,称为半导体应变片,制成压阻式压力传感器。电阻率的变化与电阻丝体积的变化成正比,即：3.3.4

应变式压力传感器K为电阻应变灵敏系数。A理论基础组成:弹性元件、应变片以及相应测量电路。3.3.4

应变式压力传感器B应变式压力传感器压力p→应变片产生应变→电阻发生变化→毫伏电势。测量片R1沿应变筒轴向贴放;温度补偿片R5沿径向贴放。圆筒形应变压力传感器及应变检测桥路R1R5R1R5应变片测量电路VER1R2R3R4金属应变片：V与应变成线形关系,可以用电桥测量电压测量应变。应变电阻片将一根电阻丝弯曲且并行地排列成栅形,贴附在基板上成为电阻栅;金属丝两端有引出线;线栅上盖绝缘的保护片。电阻丝一般为高阻金属细丝如康铜丝。直径Ф=0.02~0.04mm,长L=25~150mm,宽D=3~30mm,电阻值R0为60Ω,120Ω,200Ω,300Ω,500Ω,1000Ω。(a)丝式应变片(b)箔式应变片图6—2应变电阻片的结构应变计金属应变片案例：桥梁固有频率测量案例：冲床生产记数和生产过程监测压阻效应:单晶半导体受到外力作用时,其载流子的迁移率发生变化,而改变其电阻率ρ,从而引起电阻值的相对变化,这种现象称为半导体的压阻效应。Ke为压阻系数,σ为应力。3.3.5压阻式压力传感器工作原理:利用单晶硅的压阻效应而构成。用集成电路工艺,在单晶硅的特定方向上扩散一组等值电阻,并接成桥路。3.3.5压阻式压力传感器当p变化时,使膜片变形,膜片上的电阻值发生变化,使电桥输出相应压力变化的电信号。

结构:特点:精度高.工作可靠.频率响应高.迟滞小.尺寸小.重量轻.结构简单。适于恶劣环境下使用,便于实现显示数字化。可测差压.速度.高度.加速度等参数。MPM280OEM装配型压阻式压力传感器

通用型MPM380型压阻式压力传感器

3.4真空计真空计是检测真空度的仪表。按真空计刻度方法分类:绝对真空计和相对真空计。 分类:绝对真空计:U形管压力计、压缩式真空计等；相对真空计:热传导真空计和电离式真空计等。按真空计测量原理分类:直接测量和间接测量真空计。真空度较小时,采用直接测量真空计;真空度较大时,采用间接测量真空计。比较管3.4.1压缩式真空计(麦氏真空计)结构:工作原理:根据波义耳定律,即在温度不变的条件下,气体压力与体积成反比的关系来测量真空度。压缩前、后压强与体积变化关系为：

p—被测空间的真空度;V—测量管的容积;H—水银柱的高度差;VC=πd2H/4—测量管内气体容积。测前的位置3.4.1压缩式真空计

特点：

(1)刻度与气体种类无关,这是对永久性气体而言。

(2)测量范围较宽、精度较高。

(3)不能连续测量。由于每测量一次需升降水银一次，不能连续读数,操作费时。

(4)水银蒸气对人体有害。

(5)不能测量蒸汽的压强。可测量1Pa~133.3μPa的真空度。3.4.2热电偶式真空计工作原理:利用发热丝周围气体的导热率与气体的稀薄程度(真空度)间的关系。结构:玻璃管内封装两组金属丝。一组:加热丝,是铂丝或钨丝,通入恒定的加热电流；一组:热电偶热电极,工作端焊在加热丝上,测加热丝表面温度,一般用镍铬—康铜热电偶。工作过程:通被测真空度→p↓(真空度升高)→加热丝附近气体逐渐稀薄,导热率↓→散失的热量↓(I恒定加热丝产生的热量不变)→热丝的温度↑→热电偶输出热电势,在显示仪表上显示真空度。3.4.2热电偶式真空计测量上限通常为13.33mPa(即10-4mmHg)。特点:可测量气体和蒸汽的压力,把真空度变换为电信号,可实现自动检测和控制;但能够检测的真空度不太高,而且怕振动。3.4.3电离式真空计工作原理:带电粒子(电子)通过稀薄气体时,使气体分子电离;其它条件不变时,气体分子电离的离子数,正比于气体压强,测出离子数(即离子电流),就可知被测空间的真空度。按电离方式分类:热阴极电离真空计;

冷阴极电离真空计;放射性电离真空计。热阴极电离真空计结构:由密封于玻璃管内的三个电极组成。即阴极.加速极.收集极。1-灯丝;2-阴极;3-加速极;4-收集极加速极电位为100～300V,阴极电位为0V,收集极电位为-10V～-40V。

3.4.3电离式真空计灯丝加热阴极,发射电子使气体分子电离。过程:加速极加速空间的电子,到达加速极上,形成发射电流ie。1-灯丝;2-阴极;3-加速极;4-收集极0V+-收集极收集内部空间形成的正离子而形成的离子电流i+。被测真空度与离子电流i+和发射电流ie关系如下:S—真空计管常数。3.4.3电离式真空计特点:可测高真空,测量范围宽;不受振动影响;反应快,滞后小。但与气体的种类有关;在高气压时测量精度不高;特别是系统漏气时,灯丝立即烧毁。测量范围:0.1333Pa～1.333μPa。根据工艺生产过程的要求,结合各方面的情况,加以全面考虑和具体的分析。3.5压力检测仪表选用3.5.1压力检测仪表的选择(1).仪表量程的选择测稳定压力时,P上限≥

4/3

Pmax;测脉动压力时,P上限≥

3/2

Pmax;测高压时,P上限≥

5/3

Pmax;

最小值,Pmin≥N/3

。(2).仪表精度的选择在满足生产要求的情况下尽可能选用精度较低、价廉耐用的压力表。K%<|δ允|现

(3).仪表类型的选择必须满足工艺生产,考虑被测介质、现场条件和工艺要求。实际量程符合国家标准规定值。我国出厂的压力(差压)仪表的量程系列:(1.0,1.6,2.5,4.0,6.0)×10nPa。解：由于是往复式压缩机,则仪表的上限值为：P上限≥3/2Pmax＝3/2×28＝42MPa,根据就地观察及能高低报警,查表选电接点压力表,测量范围为0～60MPa。例:某台往复式压缩机的出口压力范围为25～28MPa,测量误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察,能高低报警,试正确选用一台压力表,指出型号、精度与测量范围。

下限值:因Pmin≥N/3=60/3=20,则Pmin=25﹥20MPa,满足要求。精度等级:选1.5级,0～60MPa,YX-150A型电接点压力表。压力计的安装正确与否,直接影响到测量的准确性和压力计的使用寿命。(1).取压点的选择：能反映被测压力的真实大小。(a).要选在被测介质直线流动的管道部分,不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。(b).测量流动介质的压力时,应使取压点与流动方向垂直,取压管内端面与生产设备连接处的内壁应保持齐平.不应有凸出物或毛刺。(c).测量液体压力时,取压点应在管道下部、使导压管内不积存气体;测量气体压力时,取压点应在管道上方,使管道内不积存液体。

3.5.2压力计的安装(2).导压管的铺设(a).导压管的粗细要合适,一般内径为6~8mm,长度尽可能短,一般为3~50m,超过50m选用电远传压力表。(b).导压管水平安装时,应保证有倾斜度(1:10~1:20),以利于积存于其中的液体或气体排出。(c).当被测介质易冷凝或冻结时,必须加保温装置。(d).取压口到压力表之间应有切断阀,以备检修压力计。应装设在靠近取压口的地方。(3).压力表的安装(a).安装在易观察和检修的地方,避免振动和高温。(b).仪表应垂直于水平面安装,并与取压口在同一高度,否则需考虑附加高度误差(△p=±Hρg)的修正。(c).仪表安装处与测量点的距离应尽量短,以免指示迟缓。3.5.2压力计的安装压力表位于生产