压力测量的原理及应用

压力测量的原理与应用讲课人：郑峰培训目标：通过本模块包的学习，学员能叙述压力测量的概念、分类（压力表、压力开关、压力变送器）；能正确进行设备安装调试。模块包：E19-E2-C-01模块E19E2C01：压力测量设备的结构、原理模块E19E2C02：压力测量设备的安装、调试目录一压力测量的基本概念和单位二压力测量设备的分类三压力测量设备的原理四压力设备的安装五垫片材料的选用一、压力测量的基本概念和单位压力是指垂直作用在单位面积上的力。压力的单位是帕斯卡，符号为Pa。压力P可以用公式表示为：1Pa就是1牛顿（N）的力作用在1平方米（m2）面积上所产生的压力，即一、压力测量的基本概念和单位在压力测量中，常有绝对压力、表压力、负压或真空度之分。绝对压力：是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力，它是以绝对零压为基准来表示的压力，用符号Pj表示。绝对真空下的压力称为绝对零压。用来测量绝对压力仪表称为绝对压力表。大气压：地面上空气柱所产生的平均压力称为大气压，用符号Pq表示。用来测量大气压力的表叫气压表。表压力：它是以大气压为基准来表示的压力。也就是绝对压力与大气压力之差，称为表压力，用符号Pb表示。即Pb=Pj-Pq。一、压力测量的基本概念和单位真空度：当绝对压力小于大气压力是，表压力为负值（即负压力），此负压力的绝对值，称为真空度，用符号Pz表示。用来测量真空度的仪表称为真空表。既能测量压力值又能测量真空度的仪表叫压力真空表。标准大气压：把纬度为45°的海平面上的大气压叫做标准大气压。它相当于0℃时760mm高的水银柱底部的压力，即760mmHg（101325Pa）。一、压力测量的基本概念和单位压力的法定计量单位是帕（Pa），常用表示压力的单位还有千帕（KPa）、兆帕（MPa）、毫米水柱（mmH2O）、毫米汞柱（mmHg）、巴（bar）、标准大气压（atm）、工程大气压（kgf/cm2）。它们的关系是：1MPa=1000KPa=106Pa1毫米水柱（mmH2O）=9.80665Pa1毫米汞柱（mmHg）=133.322Pa1工程大气压（kgf/cm2）=9.90665X104Pa1物理大气压（atm）=101325Pa1巴（bar）=1000mbar=105Pa二、压力测量的分类按设备类型测压仪表可分为：压力表，压力开关、压力变送器。测压仪表液柱式压力计依据重力与被测压力平衡的原理制成的，可将被测压力转换为液柱的高度差进行测量U型管压力计、单管压力计以及斜管压力计弹性式压力计依据弹性力与被测压力平衡的原理制成，弹性元件变形的多少反映了被测压力的大小。弹簧管压力计、波纹管压力计以及膜盒式压力计电气式压力计利用一些物质与压力有关的物理性质进行测压。电阻应变片式、电容式、压电式、电感式、霍尔式活塞式压力计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。它普遍地被作为标准仪器用来校验或刻度弹性式压力计。二、压力测量设备的分类三、压力测量设备的原理1、液柱式压力计液柱式测压仪表是根据流体静力学原理，利用液柱所产生的压力与被测压力平衡，并根据液柱高度来确定被测压力大小的压力计。所用液体叫作封液，常用的有水、酒精、水银等。液柱式压力计多用于测量低压、负压和压力差。常用的液注式压力计有U型管压力计、单管压力计和斜管微压计。三、压力测量设备的原理（1）U形管压力计p1、p2与封液液柱高度h间有如下关系式中：ρ1、ρ2、ρ

分别为左右两侧介质及封液密度；

H为右侧介质高度；

g为重力加速度。若ρ1=ρ2且远远小于ρ时，上式变为：

当U型管内封液密度一定并已知时，液柱高度差反映了压力的大小。这就是液柱式压力计测量压力的基本工作原理。三、压力测量设备的原理（1）U形管压力计注意事项：为减小毛细现象，U型管的内径一般为5-20mm,，内径最好不小于10mm使用时保持垂直减小两次读数误差，读数时眼睛与液面平齐，以封液弯月面顶部切线为准读取液面高度。应选择密度小的封液，以增大左右管液体的高度差，减小读数误差。（水，汞，四氯化碳）。当测量较大的压力时，可采用密度较大的封液；当测量较小的压力时，可采用密度较小的封液。温度变化会引起封液的密度变化，会引起测量误差。三、压力测量设备的原理（2）单管压力计其两侧压力差为

若F1>>F2，且ρ>>ρ1

，则三、压力测量设备的原理（3）斜管压力计斜管微压计两侧压力p1、p2和液柱长度l的关系可表示为斜管压力计的刻度比U型管压力计的刻度放大了1/sinα倍。若采用酒精作为封液，则更便于测量微压，一般这种斜管压力计适于测量2～2000Pa范围的压力。

三、压力测量设备的原理弹性式压力计是以各种形式的弹性元件受压后产生的弹性变形作为测量的基础。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管，相应的有弹簧管压力计、膜式压力计和波纹管式压力计。弹簧管式波纹管式弹性膜式单圈弹簧管多圈弹簧管波纹管平薄膜波纹膜挠性膜0～106kPa0～105kPa0～103kPa0～105kPa0～103kPa0～102kPa弹性元件的结构和压力测量范围二、压力测量设备的原理(1)弹簧管压力计弹簧管是弹簧管压力计的主要测压元件。弹簧管的横截面呈椭圆形或扁圆形，是一根空心的金属管，其一端封闭为自由端，另一端固定在仪表的外壳上，并与被测介质相通的管接头连接，当具有压力的介质进入管的内腔后，由于弹簧管的横截面是椭圆形或扁圆形的。所以在压力的作用下它会发生变形。短轴方向的内表面积比长轴方向的大，因而受力也大，当管内压力比管外大时，短轴要变长些，长轴要变短些，管子截面趋于更圆，产生弹性变形。使弯成圆弧状的弹簧管向外伸张，在自由端产生位移。此位移经杆系和齿轮机构带动指针，指出相应的压力值。1、中心轴，2、表盘，3、指针，4、弹簧管，5、连杆，6、扇形齿轮三、压力测量设备的原理(1)弹簧管压力计弹簧管压力计的测压范围较大，可测从真空到103MPa的压力。不同材料的弹簧管适用于不同的被测压力和被测流体介质。当压力低于20MPa时,一般采用磷铜；压力高于20MPa时，可采用不锈钢或高强度合金钢。三、压力测量设备的原理(1)弹簧管压力计单圈弹簧管自由端的位移量一般不超过2~5mm；为增加自由端位移量，提高弹簧管灵敏度，常采用螺旋形。弹簧管横截面的纵横直径比愈大，灵敏度愈高。通常C型灵敏度低；螺线形、螺旋形灵敏度高。弹簧管虽有较高测量精度，但因尺寸和质量较大，固有频率较低且有明显滞后，故不宜作动态压力测量。C型扭转型螺旋型三、压力测量设备的原理(2）膜式压力计膜式压力计分为膜片压力计和膜盒压力计两种。前者主要用于测量腐蚀性介质或非凝固、非结晶的粘性介质的压力；后者常用于测量气体的微压或负压。它们的敏感元件分别是膜片和膜盒。膜片膜盒三、压力测量设备的原理(2）膜片压力计膜片压力计的膜片可分为弹性膜片和挠性膜片两种。膜片呈圆形，一般由金属制成，常用的弹性波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄片，它的四周被固定起来。通入压力后，膜片将向压力低的一面弯曲，其中心产生一定的位移（即挠度），通过传动机构带动指针转动，指示出被测压力。（a）弹性膜片（b）挠性膜片三、压力测量设备的原理(2）膜片压力计

膜片是用金属或者非金属制成的圆形薄片；按工作面形状分为：平膜片和波纹膜片。常用的材料：锡锌青铜、磷青铜、铍青铜、高弹性合金、恒弹性合金、碳素铜、不锈钢等。膜片的厚度一般在0.05～0.3mm。膜片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示，由于膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度也不高，一般为2.5级。注：平膜片测量压力时位移很小，常用来测量高压。波纹膜片常用来测量低压。三、压力测量设备的原理(2）膜盒压力计为了增大膜片的位移量以提高灵敏度，可以把两片金属膜片的周边焊接在一起，形成膜盒。1-调零螺杆；2-机座；3-刻度板；4-膜盒；5-指针；6-调零板；7-限位螺钉；8-弧形连杆；9-双金属片；10-轴；11-杠杆架；12-连杆；13-指针轴；14-杠杆；15-游丝；16-管接头；17-导压管三、压力测量设备的原理(3）波纹管压力计由于波纹管的位移相对较大，故一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。一般压缩使用。线性好特点：灵敏度高(特别是在低压区)，常用于检测较低的压力(1.0～106Pa)，但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级三、压力测量设备的原理3、电气式压力计电气式压力计通常是将压力的变化转换为电阻、电感或电势等电量的变化，构成各种压力传感器。由于它输出的是电量，便于信号远传，尤其是便于与计算机连接组成数据自动采集系统，所以得到了广泛的应用，极大地推进了试验技术的发展。电气式压力计的种类很多，分类方式也不尽相同。从压力转换成电量的途径来看，可分为电阻式、电容式、电感式等等；还有电磁效应、压阻效应、压电效应、光电效应等等。从压力对电量的控制方式来分可以分为主动式和被动式两大类，主动式是压力直接通过各种物理效应转化为电量的输出，而被动式则必须从外界输入电能，而这电能又被所测量的压力以某种方式所控制。三、压力测量设备的原理（1）、电阻应变片式压力计被测压力作用于弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受被测压力的变化，按这种原理设计的传感器称为电阻应变片式压力传感器。导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，它的电阻值也相应地发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。若电阻丝的长度为l，截面积为A，电阻率为ρ，电阻值为R，则有设在外力作用下，电阻丝各参数的变化相应为dl、dA、dρ、dR，把上式微分并除以R，可得电阻的相对变化：

三、压力测量设备的原理（1）、电阻应变片式压力计由材料力学知识可知，dl/l=ε叫轴向应变，简称应变；dA/A叫横向应变，两者的关系为K0称为单根电阻丝的灵敏度系数，其意义为单位应变所引起的电阻的相对变化。K0是通过实验获得的，在弹性极限以内，大多数金属的K0是常数。当金属丝制作成电阻应变片后，电阻应变片的灵敏系数K将不同于单根金属丝的灵敏系数K0

，需要重新通过实验测定。实验证明，应变片电阻的相对变化与应变的关系在很大范围内仍然是线性的，即则有：结论：在K是常数的情况下，只要测量出应变片电阻值的相对变化，就可以直接得知其应变量，进而求得被测压力。三、压力测量设备的原理（2）、电感式压力计电感式压力传感器以电磁感应原理为基础，利用磁性材料和空气的导磁率不同，把弹性元件的位移量转换为电路中电感量的变化或互感量的变化，再通过测量线路转变为相应的电流或电压信号。工作原理线圈的电感量W为线圈的匝数；μ0为空气的磁导率；S为气隙的截面积；δ为气隙的宽度。弹性元件与衔铁相连，弹性元件感受压力产生位移，使气隙宽度产生变化，从而使电感量发生变化。电感式压力传感器的特点是灵敏度高、输出功率大、结构简单、工作可靠，但不适合于测量高频脉动压力，且较笨重。精度一般为0.5～1级。1—衔铁2—线圈3—铁芯三、压力测量设备的原理（3）、霍尔式压力计霍尔式压力传感器是利用霍尔效应把压力引起的弹性元件的位移转换成电势输出的装置。霍尔效应把一半导体单晶薄片放在磁感应强度为B的磁场中，在它的两个端面上通以电流I，则在它的另两个端面上产生电势UH，这种物理现象称为霍尔效应。电势UH称为霍尔电势；电流I称为控制电流；能产生霍尔效应的片子称为霍尔元件。霍尔电势可表示为式中：RH为霍尔系数；d为霍尔元件厚度；KH为霍尔元件的灵敏度。三、压力测量设备的原理（3）、霍尔式压力计1-弹簧管；2-磁铁；3-霍尔元件磁极间磁感应强度的分布当被测压力为零时，霍尔元件处于非均匀磁场的正中，其输出电势为零；当被测压力不为零的时候，霍尔元件被弹性元件带动偏离中间位置，则有正比于位移的电势输出。若弹性元件的位移与被测压力成正比，则传感器的输出电势也与被测压力成正比。三、压力测量设备的原理（4）、电容式压力计工作原理电容器的电容量由它的两个极板的大小、形状、相对位置和电介质的介电常数决定。如果一个极板固定不动，另一个极板感受压力，并随着压力的变化而改变极板间的相对位置，电容量的变化就反映了被测压力的变化。平板电容器的电容量C为若电容的动极板感受压力产生位移Δδ，则电容量将随之改变，其变化量ΔC为当ε、S确定之后，可以通过测量电容量的变化得到动极板的位移量，进而求得被测压力的变化。

优点：输入能量小而灵敏度高；电参量相对变化大；动态特性好；结构简单，适应性好。缺点：非线性大；电缆分布电容影响大。三、压力测量设备的原理（5）、压电式压力计工作原理压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应，将压力转换为相应的电信号，经放大器、记录仪而得到被测的压力参数。压电效应，一些物质在一定方向上受外力作用而产生变形时，在它们的表面上会产生电荷；当外力去掉后，它们又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。产生压电效应的材料可分为两类，一类是天然或人造的单晶体，如石英等。另一类是人造多晶体压电陶瓷，如钛酸钡等。三、压力测量设备的原理（5）、压电式压力计根据压电理论，压电晶体表面上的电荷密度即极化强度与晶体片的机械变形成正比，也就是说在弹性变形范围内，极化强度与压力成正比，其数学表达式如下式中：Π为极化强度，即在压电晶体表面上的电荷密度；K为压电系数；Fx为平行于轴方向的作用力；S为垂直于轴的晶片面积。因极化强度表示的是压电晶体表面的电荷密度，则面积为S的面积上的电荷总量等于结论：晶体受力后产生的电荷量与作用力成正比，而与晶体面积无关。思考题：1、名称解释：压力、真空度。2、使用U形管压力计时应注意的问题有哪些？3、1物理大气压（atm）=

Pa103254、判断题：使用U型管压力计测的表压值，与玻璃管断面面积的大小有关。（

）×四、压力测量设备的原理1、压力表的安装（1）压力表的选择根据被测介质选择合适的压力表，如选择氧气、氢气、乙炔等专用压力表，带腐蚀性的压力应选择隔膜防腐蚀压力表。根据工艺生产中对压力测量精度选择压力表的准确度等级。根据被测介质的压力，选择合适量程的压力表。在被测压力较稳定的情况下，最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3；在压力波动较大时，不应超过仪表满量程的1/2；为保证测量的准确度，最小工作压力不应小于满量程的1/3。四、压力测量设备的原理1、压力表的安装（2）测压点的选择所选择的测压点能反映被测压力的真实情况。要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其它易形成漩涡的地方。测量流动介质的压力时，应使取压力点与流动方向垂直，清除钻孔毛刺。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，测量气体时，取压点应在管道上方，使导压管内不积存液体。测量不同介质时取压点方位规定示意图

a-液体b-蒸汽c-气体四、压力测量设备的原理1、压力表的安装（3）压力表的安装要求压力表的安装位置应符合安装状态的要求，表盘一般不应水平放置，安装位置的高低应便于工作人员观测，安装地点应力求避免振动和高温影响。压力表安装处与测压点的距离应尽量短，要保证完好的密封性，不能出现泄漏现象。在安装的压力表前端应有缓冲器；为便于检验，在仪表下方应装有切断阀；当介质较脏或有脉冲压力时，可采用过滤器、缓冲器和稳压器等。测量蒸汽压力时应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接和测压元件接触；对于有腐蚀介质时，应加装充有中性介质的隔离罐等。压力表的连接处应加装密封垫片，一般低于80℃及2MPa压力用石棉纸板或铝片，温度及压力更高时（50MPa）用退火紫铜或铅垫。另外还要考虑介质的影响，例如测氧气的压力表不能用带油或有机化合物的垫片，测量乙炔压力时禁止用铜垫。四、压力测量设备的原理1、压力表的安装（4）压力表的管路安装要求导压管粗细合适，一般内径6～10mm，长度3～5m。当被测介质易冷凝或冻结时，必须加保温伴热管线。

仪表管路应检查其连接正确，各部件连接牢固。

管路沿水平敷设时应有一定的坡度，管路倾斜坡度及倾斜方向应能保证排除气体或凝结液，否则应在管路的最高或最低点装设排气或排水阀门。四、压力测量设备的原理2、压力开关的安装（1）压力开关的选择根据被测介质选择合适的测量类型压力开关，如选择弹簧管、波纹管类型等等。根据被测介质的压力大小以及动作值得大小，选择合适量程的压力表。根据选用压力开关的用途正确选用常开或常闭触电并进行校验。（2）压力开关取压测点的选择同压力表取压点选择四、压力测量设备的原理2、压力开关的安装（3）压力开关的安装要求将压力开关安装在振动、温度变动幅度最小的地方。合适的安装位置能有效的防止湿汽漫进外壳里。如果元件部件将被安装在恶劣工况下时，必须以垂直（压力连接器向下方）的方式安装。绝对不要将其安装在超过规定温度范围之外环境。不要尝试用外壳来将压力开关连接处绷紧。用扳手将压力连接器紧扣至导管上。在进行表面安装时，为防止损坏压力传感器。仪表运输及安装时要防止剧烈动作，是的压力开关设定值发生漂移。轴承润滑压力开关要与轴承中心线标高一致，否则整定时要考虑液柱高度的修正值。四、压力测量设备的原理2、压力开关的安装（4）压力开关的管路安装要求导压管粗细合适，一般内径6～10mm，长度3～5m。当被测介质易冷凝或冻结时，必须加保温伴热管线。

仪表管路应检查其连接正确，各部件连接牢固。

管路沿水平敷设时应有一定的坡度（压力测量管路坡度一般大于1:100，差压管路坡度应大于1:12

），管路倾斜坡度及倾斜方向应能保证排除气体或凝结液，否则应在管路的最高或最低点装设排气或排水阀门。压力开关安装后，一次门及二次门必须打开投入，防止阀门关闭导致压力开关不能正确指示及联锁动作。四、压力测量设备的原理3、压力变送器的安装（1）压力变送器的选择在压力/差压变送器的选用上主要依据：以被测介质的性质指标为准，以节约资金、便于安装和维护为参考。在选型时要考虑到被测介质的温度，如果温度高，达到200℃~400℃，要选用高温型，否则硅油会产生汽化膨胀，使测量不准确。在选型时要考虑设备的工作压力等级，变送器的压力等级必须与应用场合相符合。从经济角度上讲，外膜盒及插入部分材质比较重要，要选合适，但连接法兰可以降低材质要求，如选用碳钢、镀铬等，这样会节约很多资金。隔离型压力变送器最好选用螺纹连接形式，这样既节约资金，安装也方便。（2）压力变送器取压测点的选择同压力表取压点选择。四、压力测量设备的原理3、压力变送器的安装（3）压力变送器的安装要求变送器安装在光线充足、操作维护方便和振动影响不大、无腐蚀的地方。变送器安装在保温(护〉箱内时，导管引入处应密封，应在箱外配置排污阀，排污阀宜集中布置:露天安装的仪表保温箱，箱内的加热设备工作应正常。油及燃气管路不应装设排污阀，凝汽器真空和水位测量不得装设排污阀。测量蒸汽或液体微工作压力的压力变送器，安装位置与测点的标高差引起的水柱压力应小于变送器的零点迁移最大值。四、压力测量设备的原理2、压力变送器的安装（4）压力变送器的管路安装要求导压管粗细合适，一般内径6～10mm，长度3～5m。当被测介质易冷凝或冻结时，必须加保温伴热管线。

仪表管路应检查其连接正确，各部件连接牢固。

管路沿水平敷设时应有一定的坡度（

压力测量管路坡度一般大于1:100，差压管路坡度应大于1:12），管路倾斜坡度及倾斜方向应能保证排除气体或凝结液，否则应在管路的最高或最低点装设排气或排水阀门。管路敷设时，应考虑主设备的热膨胀，特别是大容量机组的锅炉。因此，管路应尽量避免敷设在膨胀体上。如必须在膨胀体上装设取源装置时，其引出管需加补偿装置。四、压力测量设备的原理3、压力变送器的安装图四、压力测量设备的原理3、压力变送器的安装调试差压变送器的投入过程：（１）检查差压变送器的正、负压门是否关闭，平衡门是否打开；（2）开启排污门。缓缓打开一次阀门冲洗导管，冲洗后关闭排污门，一般冲洗不少于两次；（3）待导管冷却后，才可启动仪表，若管路中装有空气门应先开启一下空气门，排除空气后方可启动仪表；（4）渐渐开启变送器正压门，当测量介质为蒸汽或液体时，待充满凝结水或液体时，松开变送器正、负测量室排污螺钉，待介质逸出并排净空气后拧紧螺钉，然后检查是否渗透漏并检查仪表零点；（5）关闭平衡门，逐渐打开负压门。差压变送器的停运过程：（1）先关闭负压侧二次门；（2）再打开平衡门；（3）最后关闭正压侧二次门。思考题