第三章第三节压力检测仪表

3.3压力检测主要内容压力概念、单位及压力检测方法常用的压力检测仪表**测压仪表的使用及压力检测系统2023/2/6过程参数测量仪表23.3压力单位及压力检测方法一、压力(pressure)概念及单位定义单位压力单位还有工程大气压、物理大气压、标准大气压、毫米汞柱、毫米水柱、巴等。垂直均匀地作用于单位面积上的力，用p表示。“帕斯卡”简称“帕”，符号Pa，1Pa=1N/m2。2023/2/6过程参数测量仪表3工程大气压

(engineering

atmosphericpressure)

：标准大气压(normalatmosphericpressure)：0℃时，水银密度为13.5951g/cm3,在标准重力加速度980.665cm/s2下，高760mm水银柱对底面的压力。每平方厘米面积上垂直作用1kg力压力。3.3压力单位及压力检测方法一、压力概念及单位2023/2/6过程参数测量仪表4二、压力的几种表示方法绝对压力(Pi)大气压力(Pd)表压力(Pb)被测介质作用在容器表面积上的全部压力，用绝对压力表测量。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，用气压计（barometer）测定。pb=pi-pd压力测量仪表测得的压力值都是此值。2023/2/6过程参数测量仪表5二、压力的几种表示方法真空度(Pz)差压绝对压力小于大气压力时，表压力绝对值为真空度，即：pz=pd–pi用真空表（vacuummeter）测量。设备中两处的压力之差称为差压。2023/2/6过程参数测量仪表6图示各种压力表示法之间的关系：绝对零压力绝对压力大气压力表压力绝对压力负压力(真空度)差压pb=pi-pdpz=pd–pi绝对压力2023/2/6过程参数测量仪表7三、压力检测的主要方法及分类1.重力平衡法液柱式压力计特点：原理：基于液体静力学原理。(3)缺点：不易远传，填充液为水银，有毒，且玻璃管易碎。如U形管压力计。(1)基本特点：适用于低压、负压和压力差的测量，上限0.1～0.2MPa；精度达±0.02%～±0.15%，可用作标准仪器；(2)优点：结构简单，价格低；2023/2/6过程参数测量仪表8负荷式压力计特点：原理：

基于重力平衡原理。将被测压力转换为平衡重物的重量来测量。(2)优点：测量范围宽,如单活塞压力计测量范围达0.04～2500MPa、精度高(±0.01%)、性能稳定可靠;如活塞式压力计。三、压力检测的主要方法及分类1.重力平衡法(1)基本特点：适用于测量正压、负压和绝对压力，测压上限高,多用作校验仪表；(3)缺点：结构复杂，成本较高。2023/2/6过程参数测量仪表9三、压力检测的主要方法及分类2.机械力平衡法原理：特点：

将被测压力经变换元件转换成一个集中力，用外力与之平衡，通过测量外力得到被测压力。(2)优点：可达较高的精度；(1)基本特点：多用于电动和气动组合仪表中；(3)缺点：结构复杂，成本较高。2023/2/6过程参数测量仪表103.弹性力平衡法**原理：特点：

利用弹性元件弹性变形的特性，变形产生的弹性力与被测压力相平衡，测变形即可知压力。(1)基本特点：可测压力、负压、绝对压力和压差；三、压力检测的主要方法及分类(2)优点：类型多，应用广。弹簧管式压力计、波纹管差压计等。2023/2/6过程参数测量仪表11三、压力检测的主要方法及分类4.物性测量法

电测式压力计（利用压阻、压电或其它物理特性将压力转换为各种电量）；其它新型压力计（集成式压力计和光纤压力计）。原理:

在压力作用下，测压元件的某些物理特性会随之发生变化的特性。适用于测量压力变化快和高真空、超高压的场合。分类:2023/2/6过程参数测量仪表123.3.2常用压力检测仪表**————利用弹性元件受压变形的原理。一、弹性压力计用指针或刻度尺给出压力示值感受压力，产生变形(核心部分)调整仪表的零点和量程将弹性元件的变形进行变换和放大弹性元件变换放大机构指示机构调整机构弹性压力计组成：被测压力2023/2/6过程参数测量仪表131、测压弹性元件1)种类——弹性膜片、波纹管、弹簧管

弹性膜片(elasticityfilm)弹性特性是中心位移与压力的关系。平膜片波纹膜片挠性膜片测力弹簧2023/2/6过程参数测量仪表141.测压弹性元件波纹管(ripplepipe)弹性特性是封闭端位移与压力在一定的范围内成线性关系。1)种类

注意：（1）使用应在线性段，可内加螺旋弹簧改善特性（2）用波纹管作弹性元件的压力计，一般用于测量较低压力或压差。思考题1：一般用于测量较低压力或压差？2023/2/6过程参数测量仪表151.测压弹性元件1)种类

弹簧管(springpipe)弹性特性是自由端的位移量与所加压力的关系。单圈弹簧管多圈弹簧管2023/2/6过程参数测量仪表16弹性敏感元件（弹簧管）

敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。2023/2/6过程参数测量仪表17弹性敏感元件（弹簧管）

在下图中，弹簧管将压力转换为角位移α2023/2/6过程参数测量仪表18弹簧管放大图

当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。2023/2/6过程参数测量仪表19其他各种弹性敏感元件

在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线位移。2023/2/6过程参数测量仪表201.测压弹性元件2)材料

弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，不同的材料适用于不同的测压范围和被测介质。近年来随着新材料的出现和发展，半导体硅材料得到了更多的应用。2023/2/6过程参数测量仪表21结构工作过程接头自由端拉杆扇形齿轮中心齿轮指针偏转指示压力消除两啮合齿轮间隙，减小仪表变差调整仪表机械零点改变机械传动的放大系数，调整仪表量程被测压力2.弹簧管压力计（波登管）2023/2/6过程参数测量仪表22特点

结构简单，使用方便，价格低；测压范围宽，可测量负压、微压、低压、中压和高压，应用广泛；精确度可达±0.1级。2.弹簧管压力计优点：缺点：

只能测量表压和负压；只能就地指示，是现场直读式仪表。2023/2/6过程参数测量仪表233.波纹管差压计结构测量机构包括波纹管（1、10）、量程弹簧组（11）和扭力管（6）等。2023/2/6过程参数测量仪表243.波纹管差压计工作过程差压信号低压波纹管自由端带动连杆右移挡板推动摆杆扭力管逆时针偏转芯轴逆时针转显示机构2023/2/6过程参数测量仪表253.波纹管差压计原因：方法：装配平衡附件思考题2∶为什么波纹管要避免单侧压力过载？

差压计仪表所引入的差压信号中包含有测点处的工作压力，又称背景压力。所以尽管测量的差压值不高，但差压计要经受很高的工作压力。因此要避免单侧压力过载。截止阀平衡阀阻尼阀2023/2/6过程参数测量仪表26压力传感器的外形及内部结构2023/2/6过程参数测量仪表27弹性压力仪表小结

结构简单，价格便宜，便于携带，使用和维修方便；测压范围宽，可测量负压、低压、中压和高压。

基于弹性变形的测压在工业生产应用中占有重要地位，同时也是各种先进测压仪表的共同基础。

弹性测压仪表通常只能测表压和负压，通常为直读式测压仪表，只能就地指示；

在测量压力变化快和高真空、超高压时，其动态和静态性能不能适应。优点：缺点和局限：2023/2/6过程参数测量仪表28

在测压点附近的压力敏感件上面，附带有将位移变换为输出电信号的装置，通过电信号的传输，将压力指示和记录下来。4.弹性测压计信号的远传方式采用电远传方式常用的转换方式

电位器式(potentiometer)、霍尔(Hall)元件式、电感(inductance)式、差动变压器式(differencetransformer)。2023/2/6过程参数测量仪表291）电位器式(potentiometer)

弹性元件的输出位移变为电位器滑动触点的位移，被测压力的变化就转换成电位器阻值的变化。4.弹性测压计信号的远传方式特点：原理：

将电位器与其它电阻组成一个电桥，当电位器阻值变化时，电桥输出电压就变化。

简单、线性输出较好，但滑线电位器易磨损腐蚀，结构可靠性较差。2023/2/6过程参数测量仪表302）霍尔(Hall)元件式原理：霍尔效应：4.弹性测压计信号的远传方式霍尔元件图霍尔效应原理图B霍尔电势VH控制电流I-++-

基于半导体材料的霍尔效应，将自由端的位移通过霍尔元件转换成电压信号输出。2023/2/6过程参数测量仪表31SN霍尔元件输出的电势对应于自由端位移，给出被测压力值。特点：结构简单、灵敏度高，寿命长。对外部磁场敏感，耐振性差。局部放大图见右图2023/2/6过程参数测量仪表32二、力平衡式压力计

采用反馈力平衡的原理，反馈力的平衡方式可以是弹性力平衡或电磁力平衡等。基本结构如图。原理：敏感元件力平衡系统偏差检测器放大器显示机构反馈力发生机构感受被测压力或差压，并将其转换为位移或力力平衡系统被破坏，偏离原有平衡状态检测平衡状态偏差值送入放大器将信号放大并输出电流或电压信号输出与被测压力或差压相对应的信号反馈力或力矩发生机构产生反馈力，使仪表处于新平衡2023/2/6过程参数测量仪表331.应变式压力传感器组成：应变元件与弹性元件配用应变元件的工作原理：导体和半导体的“应变效应”（straineffect）。三、压力传感器定义：能够检测压力值并能提供远传信号的装置。结构形式：应变式、压阻式、电容式、压电式、光电式、光纤式等许多种。应变效应：即导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化。实际的电阻应变片是一根电阻丝被弯曲而并行地排成栅形，贴在基板上成为电阻栅。2023/2/6过程参数测量仪表34应变元件的结构：根据被测介质和测量范围的不同而采用不同的型式，圆膜片(柱式压力传感器)、弹性梁和应变筒(筒式)。丝状、片状或体状。应变丝或应变片与弹性元件的装配：采用粘贴式或非粘贴式，在弹性元件受力变形时，应变元件也发生形变，其电阻值将有相应的改变。测量方法：

采用4个特性相同的应变元件，粘贴在弹性元件的适当位置上(两个受拉，两个受压)，并分别接入电桥的4个臂，则电桥的输出信号可以反映被测压力的大小。弹性元件的选择：2023/2/6过程参数测量仪表352.压阻(piezo-resistance)式压力传感器原理：基于半导体的“压阻效应”-当半导体的某一轴向受外力作用时，原子点阵排列规律发生变化导致载流子迁移率及浓度的变化，从而引起电阻率的变化。结构：用集成工艺直接在硅平膜片上按照一定晶向制成扩散压敏电阻。工作原理：硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特性，当硅片受压后，它的变形使扩散电阻的阻值发生变化。其相对电阻变化可表示为：式中πe为压阻系数，σ为应力。2023/2/6过程参数测量仪表36测量电路-电桥：简单的压阻式压力传感器结构如图。杯状硅膜片上用扩散工艺设有4个阻值相等的电阻，其配置位置按膜片上径向应力和切向应力分布情况确定（与晶体有关）还可以在电桥上接入一温度补偿电阻特点:灵敏度高，频率响应高；结构比较简单，可小型化；可用于静、动态压力测量；应用广泛，测量范围在0～0.0005MPa、0～0.002MPa、至0～210MPa；其精确度为±0.2%～±0.02%。2023/2/6过程参数测量仪表373.电容(capacitance)式压力传感器测量原理：将弹性元件的位移转换为电容量的变化。结构：图为一种两室结构。对于差动平板电容器，其电容与板间距变化的关系可表示为：特点:此电容量的变化经过适当的转换电路，可以输出标准信号（4～20mA）。这种传感器结构坚实，灵敏度高，过载能力大；精度高，其精确度可达±0.25%～±0.05%；可以测量压力和差压，仪表测量范围0～0.00001MPa至0～70MPa。2023/2/6过程参数测量仪表38电容式差压变送器

高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置2023/2/6过程参数测量仪表39电容式差压变送器内部结构

1—高压侧进气口

2—低压侧进气口

3—过滤片

4—空腔

5—柔性不锈钢波纹隔离膜片

6—导压硅油

7—

凹形玻璃圆片

8—镀金凹形电极

9—弹性平膜片

10—

腔2023/2/6过程参数测量仪表40各种电容式差压变送器外形

2023/2/6过程参数测量仪表41各种电容式压力变送器外形（续）

（参考丹东长隆自控有限公司资料）法兰2023/2/6过程参数测量仪表42各种电容式压力变送器外形（续）

2023/2/6过程参数测量仪表43利用电容差压变送器

测量液体的液位

差压变送器施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：

p=gh2023/2/6过程参数测量仪表44电容差压变送器用于测量液体的液位

投入式水位计2023/2/6过程参数测量仪表455.压电(piezoelectricity)式压力传感器工作原理：压电材料（石英、压电陶瓷、钛酸钡）的压电效应将被测压力转换为电信号的。它是动态压力检测中常用的传感器，不适宜测量缓变化的压力和静态压力。

压电效应：压电材料（具有压电效应的材料）受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上还会有电荷出现，形成电场；当外力去除后，材料回复到原来的状态的现象。在弹性范围内，压电元件产生的电荷量与作用力之间呈现线性关系。电荷输出为：q=kSp式中，q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。通过测电荷量可知被测压力大小。2023/2/6过程参数测量仪表46结构：如图电荷量经放大可转为电压或电流输出。测量一般配有电荷放大器，以增加输出。可通过更改压电元件改变测量范围。可以通过叠加压电元件以提高灵敏度。特点:可作动态测量，不适合于静压力和慢变化的压力的测量,体积小，结构简单，工作可靠；频率响应高，不需外加电源；测量范围0～0.0007MPa至0～70MPa；测量精确度为±1%，±0.2%，±0.06%。但是其输出阻抗高，需要特殊信号传输导线。2023/2/6过程参数测量仪表476.集成式压力传感器

集成化传感器。如以压阻式压力传感器为基础的集成传感器可同时检测差压、静压和温度。(通过多路转换开关和模/数转换后由微处理器进行相应的处理和显示)2023/2/6过程参数测量仪表483.3测压仪表的使用及压力检测系统一、测压仪表的使用测量仪表的使用，包括选择合适的测压仪表及仪表的校验等方面。

1、测压仪表的选择

应满足生产过程的要求，需要了解被测介质情况、现场环境及生产过程对仪表的要求，如信号是否需要远传、控制、记录或报警等。

选择选择合适的仪表主要根据生产过程提出的要求，结合各类压力表的特点综合考虑。一般涉及类型、测量范围和测量精度等方面。类型的选择2023/2/6过程参数测量仪表49

（1）在测稳压时，最大被测压力不超过测量上限值的2/3；（2）在测脉动压力时，最大被测压力不超过上限值的1/2；（3）在测量高压时，最大被测压力不超过上限值的3/5。（4）一般压力的最小值，应不低于被测量上限值的1/3。根据被测压力的最大值和最小值计算出仪表的上下限后，要按压力仪表的标准系列选定量程。我国压力仪表测量范围的标准系列是：-0.1～0.06、0.15kPa和0～1、1.6、2.5、4、6、10×10nkPa（n为整数）。测量范围（量程主要由敏感元件决定）

根据被测压力的大小及在测量过程中被测压力变化的情况来选取，选取仪表量程要留有余地。2023/2/6过程参数测量仪表50

生产过程允许的被测压力最大绝对误差应小于仪表的基本误差，可在规定的精度等级中确定仪表的精度。同时要注意经济性，不必追求高精度。工业用测压仪表的精度通常在0.5级以下。测量精度

测压仪表出厂前需进行检定，使之符合精度等级要求。使用中的仪表则应定期进行校验，以保证测量结果有足够的准确度。2、测压仪表的校验常用的压力校验仪器有液柱式压力计、活塞式压力计或配有高精度标准表的压力校验泵。标准仪表的选择原则

其允许绝对误差要小于仪表允许绝对误差的1/3～1/5。被校仪表的读数误差小于规定误差，则其是合格的。2023/2/6过程参数测量仪表51例题：

有一压力容器在正常工作时压力范围为0.4～0.6MPa，要求使用弹簧管压力表进行检测，并使测量误差不大于被测压力的4%，试确定该表的量程和精度等级。解：由题意可知，被测对象的压力比较稳定，设弹簧管压力表的量程为A，则根据最大工作压力有：根据最小工作压力有：

根据仪表的量程系列，可选用量程范围为0～1.0MPa的弹簧管压力表。2023/2/6过程参数测量仪表52由题意，被测压力的允许最大绝对误差为：要求所选仪表的相对百分误差为：按照仪表的精度等级，可选择1.5级的压力表。2023/2/6过程参数测量仪表53二、压力检测系统

包括取压口的选取、传递压力的引压管路和测量仪表，是准确测量的保证。1、取压口的选择

取压点位置和取压口形式为真实反映被测压力的大小，要合理选取测压点，注意取压口形式。设置取压点的原则：①取压点要避开各种局部阻力如管路弯