压力和差压测量

压力和差压测量第一页，共五十八页，编辑于2023年，星期二3.1压力和差压的基本概念一、基本概念1.压力的定义2023/6/82垂直而均匀地作用在单位面积上的力，即物理学中常称的压强。第二页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/832.压力的表示方法由于参照点不同，在工程上有几种不同表示方法：(1)绝对压力(pi)

:被测介质作用在容器表面积上的全部压力(2)大气压力(pd):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(3)表压力(pb):

pb=pi-pd，压力测量仪表的指示值(4)真空度(负压，pz)：绝对压力小于大气压力时，表压力为负值，其绝对值为真空度。即：pz=pd–pi(5)差压(压差)：任意两处压力之差第三页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/84各种压力表示法之间的关系：绝对零压力绝对压力1大气压力表压力绝对压力2负压力(真空度)差压pb=pi-pdpz=pd–pi绝对压力3第四页，共五十八页，编辑于2023年，星期二温标的传递2023/6/853.压力的计量单位

压力是力和面积的导出量。国际单位制中，

力F的单位——牛顿(N)，

面积S的单位——米2(m2)，

压力p单位——牛顿/米2(N/m2)常用单位：帕斯卡或帕(Pa)（1Pa＝1N/m2）、工程大气压(kgf/cm2)、毫米水柱(mmH2O)、毫米汞柱(mmHg)

第五页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/86特点：原理：

基于重力平衡原理。将被测压力转换为液柱高度或平衡重物的重量来测量。(2)

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;如液柱式压力计、活塞式压力计。二、压力检测的常用方法1.重力平衡法(1)

适用于测量正压、负压和绝对压力，测压上限高，用作校验仪表；(3)

结构复杂，成本较高。第六页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/872.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)

可测压力、负压、绝对压力和压差；(2)

类型多，应用广。如弹簧管式压力计、波纹管差压计等。第七页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/883.物性测量法应变式、压电式、电容式压力传感器等原理:在压力作用下，测压元件的某些物理特性会发生与压力成确定关系的变化。被测压力直接转换为各种电参量测量。分类:第八页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/894.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)

可达较高的精度；(1)

多用于电动和气动组合仪表中；(3)

结构复杂，成本较高。第九页，共五十八页，编辑于2023年，星期二根据流体静力学原理，流体内的某一点的静压力，由这一点的高度、流体的密度和外加压力决定。一般是采用充有水或水银等液体的玻璃U形管、单管或斜管进行压力测量的，其结构形式如图所示。3.2液柱式压力计p=gh+pd第十页，共五十八页，编辑于2023年，星期二一、U型管压力计一般常由一支U型玻璃管构成。充液介质：水银、水、酒精等2023/6/811p0

p0

p1

p0

a）在U型管两端同时通大气，而未接被测压力时，U型管两边管内的液面高度相等。

b）当将U型管的一端接入被测压力p1后，如果p1大于p0，则U型管两边管内的液面就会产生高度差，这个液柱的高度差就反映了U型管两端所受压力的差值。第十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期二被测压力用表压p=p1-pd表达，则有：由于一旦U型管内的充入介质确定，则、g均为常数。所以h可以直接反映被测压力p的大小，此即为U型管测压的基本原理。应用范围:适用于低压、负压和压力差，读数误差可达1mm，测低压相对误差较大。第十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期二二、单管压力计1.原理：同U型管压力计2.结构：杯径较管径大得多

3.特点：由于杯径>>管径，所以h1>>h2,则hh1,即：杯内的液位变化可忽略不计。一次性读数，使用方便。而U型管压力计要两次读数。4.应用范围：测量低压、负压和差压5.读数误差：0.5mm，较U型管好，第十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期二三、斜管压力计1.结构：将单管压力计的玻璃管制成斜管2.表压：p=Lgsin3.特点：灵敏度高，误差较单管压力计小第十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期二四、液柱测压中应考虑的问题1、误差

a）主要的测量误差是读数误差。直接读：1mm左右，光学放大镜辅助读：

0.05mm左右

b）其它影响测量结果的因素：①充液密度（如充液不纯，实际密度与理论密度不符）②标尺刻度误差③毛细管的吸附作用（对微压有影响）④使用的地点及环境温度影响等（地点影响g，温度易影响工作液体的胀、缩而致使h变化），必要时应作修正。⑤应垂直安装，否则引入附加误差。第十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2、正确选择充液介质①测低压充低密度介质（可使h大）②测高压充高密度介质（否则冒顶）③要避免充液与被测介质有化学反应3、常用的标尺材料：

玻璃、钢、铜4、读数的位置（见右图）

1）眼与液柱面水平

2）水银柱读凸部

3）水读凹部第十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/8173.3弹性元件及弹性压力表利用弹性元件受压变形的原理。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表组成：被测压力第十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/818一、测压弹性元件1.常用弹性元件：弹簧管、弹性膜片、波纹管弹簧管单圈弹簧管多圈弹簧管原理：被测压力作用于弹性元件时，弹性元件产生变形，即弹性元件将压力转换成位移。可测量正、负压，但一般不测差压弹性特性是自由端的位移量与所加压力的关系。第十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/819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。第十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/820

弹性膜片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第二十页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/821波纹管弹性特性是封闭端位移与压力的关系。（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。注意第二十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/8222.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。第二十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/823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二、弹簧管压力计（波登管）第二十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/824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。优点：缺点：只能就地指示，是现场直读式仪表。第二十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/825三、波纹管差压计

结构

测量机构：波纹管(1、10)、量程弹簧组(11)和扭力管(6)等第二十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/8自动检测技术及仪表控制系统26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第二十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/827压力传感器的外形及内部结构第二十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/828

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。四.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、霍尔元件式、电感式、差动变压器式。第二十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/829电位器式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。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。第二十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/830霍尔元件式原理：霍尔效应：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。第三十页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/831SN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。局部放大图见右图第三十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/8323.4压阻、压电式压力计压力传感器：能够检测压力值并能提供远传信号的装置。结构形式：压阻式、压电式、应变式、电容式、光电式、光纤式等许多种。第三十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/833二、压阻式压力传感器原理：基于半导体材料的“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密度的变化，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：其中，πe为压阻系数，σ为应力。第三十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/834测量电路-电桥：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，测量范围宽，可测低至10Pa的微压到高至60MPa的高压；精度高±0.2%～±0.02%。R1R2R3R4IS第三十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/835二、压电式压力传感器压电效应：压电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：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。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。动态压力检测中常用传感器，不适宜测量缓变化的压力和静态压力。第三十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/836结构：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；测量范围宽，可测100MPa以下的压力；测量精度较高。第三十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/837三、应变式压力传感器组成：应变元件+弹性元件应变元件的工作原理：导体和半导体的应变效应。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。实际的电阻应变片通常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。第三十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期二38应变元件与弹性元件的装配：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。2023/6/8弹性元件可根据被测介质和测量范围的不同而采用各种型式。常见有圆膜片、弹性梁、应变筒等。第三十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/839测量方法：

R1,R2是静态特性相同的应变元件，粘贴在弹性元件的适当位置上，R3,R4是另一对电阻，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。第三十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/840四、电容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。平行板电容器的电容量：

ε为电容极板间介质的介电常数；A为两平行板相对面积；d为两平行板间距。实际测量中，大多采用保持其中两个参数不变，而仅改变A

或d

一个参数的方法，把参数的变化转换为电容量的变化。故有变极距式电容压力传感器和变面积式电容压力传感器。第四十页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/841结构：变极距式变面积式第四十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/842五、振频式压力传感器工作原理：利用感压元件本身的谐振频率与压力的关系，通过测量频率信号的变化来检测压力。型式：振筒、振弦、振膜和石英晶体谐振。振筒式压力传感器由振筒组件和谐振电路组成。其感压元件本身具有一定的固有频率，当筒壁受压后，固有频率相应改变：特点：体积小，输出频率信号，重复性好，耐振；精确度高，为±0.1%和±0.01%；测量范围宽；适于气体测量。第四十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/843六、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)第四十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期二3.5压力表的选择、安装和校准一、压力表的选择

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。

应满足生产过程的要求，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。类型的选择第四十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/8451）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、1.6、2.5、4、6、10nkPa（n为整数）等。测量范围（量程）

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。第四十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期二应根据生产允许的最大测量误差来确定仪表的精度。一般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。考虑被测介质的性质，如温度、压力、粘度、腐蚀性、易燃易爆程度等；注意仪表安装使用时所处的现场环境条件，如环境温度、电磁场、振动等。测量精度其它第四十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/847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上限为L上，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。第四十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/848由题意，被测压力的最大绝对误差为：要求所选仪表的最大引用误差为：按照仪表的精度等级，可选择1.5级的压力表。第四十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/849二、压力检测系统包括测取压力的取压口、传递压力的引压管路和测量仪表设置取压口的原则：选择能反应被测压力真实情况的取压口。a）要选择被测介质直线流动的管段部分，不可选择管路拐弯、分叉、死角或其它易形成漩涡的地方；b）在保证加工方便和不堵塞的情况下，取压孔径尽可能小，使流体受到的扰动小，避免在孔内形成涡流；1、取压口的选择第四十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/850c）测量流动介质压力时，应使取压口与流动方向垂直；d）测量液体压力时，取压口应在管道下部，使导压管不积存气体，测量气体时，取压口应在管道上部，使导压管内不积存液体。第五十页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/8512、引压管路的铺设

铺设原则：a)引压管的内径一般为6～10mm，长度不得超过50～60m。更长距离时要使用远传式仪表。b)引压管路水平敷设时，要保持一定的倾斜度，以避免引压管中积存液体或气体，并有利于它们的排出。当被测介质为液体时，引压管向仪表方向倾斜；当被测介质为气体时，引压管向取压口方向倾斜。倾斜度一般大于3%～5%。c)当被测介质容易冷凝或冻结时，引压管路需保温措施。d)在取压口与仪表之间要装切断阀，以便设备检修时使用，切断阀应靠近取压口。第五十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/852第五十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/8533、测压仪表的安装

安装原则：①压力计应安装在易于观测和检修的地方，仪表安装处尽量避免振动和高温。②对于特殊介质应采取必要的防护措施。③压力计与引压管的连接处，要根据被测介质情况，选择适当的密封材料。④当仪表位置与取压点不在同一水平高度时，要考虑液体介质的液柱静压对仪表示值的影响。第五十三页，共