建筑环境测试技术 第4版 课件 Chapter 5 湿度测量、Chapter 6 压力测量

第五章湿度测量1建筑环境测试技术BuiltEnvironmenttestingtechnology第五章湿度测量湿度测量概述干湿球湿度计露点湿度计电阻式湿度计电容式湿度计湿度传感器的选择湿度测量仪表的检定校验应用实例2了解湿度的常用表示方法和主要测量仪表掌握干湿球温度计的工作原理掌握氯化锂电阻湿度计、露点温度计的工作原理及使用方法了解常用湿度传感器及变送器的选用及特点

本章目标3

在通风与空调工程中，空气的湿度与温度是两个相关的热工参数，它们具有同样的重要意义。湿度控制有何应用呢？背景及意义4

在纺织行业的应用：对纺织纤维性能的影响

在相对湿度增大时，由于纤维吸湿后的分子间距离增大，故纤维的硬度和脆性随之降低，使纤维的柔软性大为改善。机械表面与纤维间的摩擦或纤维间的相互摩擦，不可避免的会引起纤维带电。提高空气的相对湿度，可以使纤维的比电阻降低，以增加电荷散逸的速度，从而消除静电。

5在空气调节的应用：提高人体舒适感在通信行业的应用：确保设备可靠性

为避免因空气干燥引起静电，烧坏电路板，造成线路瘫痪，从而引发事故，同时保持设备的最佳运转状态，延长设备的使用寿命，通信行业动力机房环境对湿度和温度有着严格的要求。

在环境湿度过低时，体表汗液蒸发量增加，皮肤会感觉过于干燥。而湿度过大时，体表出的汗不能及时、充分地蒸发掉，积于皮肤表面，使人体不舒适感觉加大。因此，为了提高人体热舒适性，应正确控制室内相对湿度值。6

在乘员舱大气中，航天员呼吸、蒸发和洗涤都会造成水蒸气增加，甚至达到饱和状态。早期的载人飞船，随处存在的冷凝水成为令人十分头疼的问题，“双子星座”飞船曾采用铺设吸水材料的办法简单处理。现代载人航天器使用一种带有孔板输出机构的冷凝热交换器，以5%通风气流把冷凝水引出排水细孔，再经动态水/气分离器把水和气体分开。在航天科技中的应用：将乘员舱大气湿度控制于乘员的舒适水平7其他场合的应用

受湿度影响较大的场合，还有如计算机房、印刷车间、洁净室、手术室、实验室、半导体生产车间、博物馆、档案馆等。8

大气是由干空气和一定量的水蒸气混合而成的，我们称其为湿空气。干空气的成分主要是氮（78％）、氧（21％）、氩（0.93％）、二氧化碳（0.03％）及其它微量气体。

在湿空气中水蒸汽的含量虽少，但其变化却会对空气环境的干燥和潮湿程度产生重要的影响，且使湿空气的物理性质随之发生改变。基础知识9

常温常压下干空气可视为理想气体，而湿空气中的水蒸汽一般处于过热状态，且含量很少，也可近似看作理想气体。

PwV=mwRwT

或Pwvw=RwT

PnV=mnRnT

或Pnvn=RnT

干空气用下标g表示，水蒸汽用下标n表示。根据道尔顿定律，湿空气的压力应等于干空气的压力与水蒸汽的压力之和。

B=Pg+Pn

海平面的标准大气压为101325Pa。基础知识10

湿度是表示空气中水蒸气含量多少的尺度。表示空气湿度的常用方法有：绝对湿度、相对湿度和含湿量三种。1．绝对湿度

绝对湿度定义为在每立方米湿空气（或其他气体），在标准状态下（0℃，760mmHg）所含水蒸气的重量，即湿空气中的水蒸气的密度，以字符ρ表示，单位为g/m3。

式中Pq，空气中水蒸气分压力，Pa；T，空气的干球绝对温度，K；

θw，空气的干球摄氏温度，℃；Rq，水蒸气的气体常数，Rq＝461J/(kg.K)。5.1湿度测量概述112．相对湿度

相对湿度就是空气中水蒸汽分压力Pq与同温度下饱和水蒸汽分压力Pqb之比值。5.1湿度测量概述

相对湿度越小，就表示是空气离饱和态越远，尚有吸收更多水蒸气的能力，即空气越干燥，吸收水蒸气能力越强；反之，相对湿度越大，吸收水蒸汽能力越弱，即空气越潮湿。相对湿度反映了湿空气中水蒸汽含量接近饱和的程度，故又称饱和度。

122．相对湿度5.1湿度测量概述饱和水蒸气压力

水蒸气压力干球温度湿球温度大气压力风速空气的相对湿度是干球温度、湿球温度、风速和大气压力的函数。绝对湿度只能说明湿空气中实际所含水蒸汽的质量;而不能说明湿空气干燥或潮湿的程度及吸湿能力的大小。

133．含湿量5.1湿度测量概述当大气压力B一定时，相应于每一个Pq有一个给定的

d值确定，即湿空气的含湿量与水蒸气的分压力互为函数。所以，和是同一性质的参数，再加上干球温度或湿球温度参数，就可以确定湿空气的状态。含湿量就是湿空气中，每千克干空气所含有的水蒸汽的质量。144．露点温度5.1湿度测量概述

露点温度指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。形象地说，就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。露点温度本是个温度值，为什么用它来表示湿度呢？这是因为，当空气中水汽已达到饱和时，气温与露点温度相同；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。所以露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度，用Td表示。33.522.815.0155.2干湿球湿度计

目前常用的气体湿度测量方法有：干湿球法、露点温度法和吸湿法。

干湿球法：这是18世纪就发明的测湿方法。历史悠久，使用最普遍。干湿球法是一种间接方法，它用干湿球方程换算出湿度值，而此方程是有条件的：即在湿球附近的风速必需达到2.5m/s以上。普通用的干湿球温度计将此条件简化了。不能简单地认为只要提高两支温度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度。干湿球湿度检测是根据干湿球温度差效应原理进行湿度测量。165.2干湿球湿度计干湿球温度差效应是指在潮湿物体表面的水分蒸发而冷却的效应，冷却的程度取决于周围空气的相对湿度φ、大气压力B以及风速v。当大气压力B和风速v不变时，利用被测空气相应于湿球温度下饱和水蒸气压力和干球温度下的水蒸气分压力之差，与干湿球温度之差之间存在的数量关系确定空气湿度。

测量空气的干、湿球温度，就可以在i-d图中查出φ;根据干球温度和干、湿球温差从“通风干湿表用相对湿度表”中查出相对湿度φ。17

其数量关系的数学表达式为：

Pq=Pb,s－A(θw－θs)B

式中，Pb,s——湿球温度下饱和水蒸气压力；

Pn——空气中水蒸气分压力；

θw、θs——分别为空气的干、湿球温度；

B——大气压力。

A——与风速有关的系数；通风速度影响系数A。

湿球温度造成系数A的变化。辐射造成系数A的误差5.2干湿球湿度计18

将上式代入前式，可得相对湿度计算公式为：

根据θw、θs分别对应有确定的Pb、Pb,s值，所以根据干、湿球温度计的读数差，即可由上式确定被测空气的相对湿度。

5.2干湿球湿度计191.普通干湿球温度计湿球温度计的球部表面潮湿纱布中的水分不断进行蒸发，而水分的蒸发强度则仅据周围空气的气象条件而定。当空气的相对湿度愈低，湿球温度计上的水分蒸发愈强，湿球温度就愈低，干、湿球温差就愈大；反之，周围空气的相对湿度愈高，干、湿球温度差就愈小。

5.2干湿球湿度计20干球温度计湿球温度计刻度盘纱布水槽21特点：

无风速控制，无屏蔽辐射水易污染测量误差较大注意：①湿球温度计安装时，要求温度计的球部离开水杯上沿至少2～3cm，②应使湿球温度计周围空气流速保持在2.5m/s以上，使A为常数。5.2干湿球湿度计1.普通干湿球温度计225.2干湿球湿度计2.通风干湿球温度计构造温度计置于金属套管内微型风机特点湿球附近风速固定在2.5m/s金属套管屏蔽辐射蒸馏水随时滴入TwTs23干湿球温度/湿度换算表243.电动干湿球温度计

将湿度参数转换成电信号的仪表,也叫电动干湿球温度计。它和干湿球温度计的作用原理相同。主要差别是干球和湿球用两支微型套管式镍电阻所代替。增加一个微型轴流通风机，以便在镍电阻周围造成一恒定风速的气流，此恒定气流速度一般为2.5m/s以上，提高测量精度。5.2干湿球湿度计25通过调节可调电阻R的滑动触头，使检流计为0，可得UDE=UAB

根据这一关系计算出RDE和相对湿度的关系，在可调电阻上进行分度，实现相对湿度的测量。26露点法测湿度5.3露点式湿度计

露点法测量相对湿度的基本原理为：先测定露点温度θl，然后确定对应于θl的饱和蒸气压力Pl。显然，Pl即为被测空气的水蒸气分压力Pn。因此，可用下式求出空气的相对湿度。式中Pl——对应被测湿度空气露点温度的饱和水蒸气压力；Pb——饱和水蒸气压力。露点温度是指被测湿空气冷却到水蒸气达到饱和状态并开始凝结出水分的对应温度。275010203040-1001020304050温度/℃10%RH露点/℃90%RH80%RH70%RH60%RH50%RH40%RH20%RH30%RH28露点湿度计充满乙醚溶液主要缺点：当冷却表面上出现露珠的瞬间，需立即测定表面温度，但一般不易测准，而容易造成较大的测量误差。29氯化锂露点湿度计

通过测量氯化锂饱和溶液的饱和水蒸气压力与被测空气的水蒸气压力相等（即达到平衡）时，盐溶液的温度，即平衡温度来确定被测空气的露点温度；再根据空气的干球温度和露点温度求出空气的相对湿度。纯水饱和蒸汽曲线氯化锂饱和蒸汽3031氯化锂露点湿度计

光电式露点湿度计是使用光电原理直接测量气体露点温度的一种电测法湿度计。其测量准确度高，可靠性强，使用范围广，尤其适用于低温状态。影响测量精度的因素：高度光洁的露点镜；高精度的光学与热电制冷调节系统；采样气体需洁净。光电式湿度计321—显示器;2-—反射光敏电阻;3—散射光敏电阻;4—光源;5-—光电桥路;6—露点镜;7—铂电阻;8—半导体制冷器;9—放大器;10—直流电源;11—被测气体HNP-50型冷镜式露点仪技术指标：露点温度测量范围：-65～20℃最大制冷温差：Δ105℃露点温度测试准确度：DEW<±0.3PPM/V(换算精度0.1%)RH(换算精度0.1%)显示灵敏度：±0.1℃样气压力：

0.1MPa/cm2样气流量：0.4-1.0L∕min液晶屏显示器：

16x2额定工作电压：

220VAC50Hz外形尺寸：

（W）360x（D）350x

（H）135mm重量：

8.64Kg33便携式温湿度露点测量仪

只要计算机与测量仪相连，可随时将温湿度露点值通过串口存入计算机的数据库中。还可以定时自动导入数据。34

35工作原理：氯化锂（LiCl）是一种在大气中不分解、不挥发，也不变质而具有稳定的离子型无机盐类。其吸湿量与空气的相对湿度成一定函数关系，随着空气相对湿度的增减变化，氯化锂吸湿量也随之变化。属于吸湿法测量，根据氯化锂的吸湿特性和氯化锂吸湿后电阻变化特性5.4电阻式湿度计随着空气相对湿度的增加，氯化锂的吸湿量也随之增加，从而使氯化锂中导电的离子数也随之增加，导致它的电阻减小。当氯化锂的蒸汽压高于空气中的水蒸气分压力时,氯化锂放出水分,导致电阻增大。氯化锂的蒸汽压等于空气中的水蒸气分压力时，处于平衡状态。361.氯化锂电阻湿度传感器氯化锂电阻湿度传感器分梳状和柱状两种形式。5.4电阻式湿度计37为了避免氯化锂溶发生电解，电极两端应接交流电。量程窄，一般为15%～20%，例如，0.05%的浓度对应感湿范围为80%～100%，0.2%的浓度对应的感湿范围为60%～80%。环境温度对输出影响较大，因此要进行温度补偿。最高使用温度55℃，当大于55℃，氯化锂溶液容易蒸发。注意：5.4电阻式湿度计38在聚碳酸酯基片上制成一对梳状金电极，然后浸涂溶于聚乙烯醇的氯化锂胶状溶液。

氯化锂是潮解性盐，这种电解质溶液形成的薄膜能随着空气中水蒸汽的变化而吸湿或脱湿。

感湿膜的电阻随空气相对湿度变化而变化，当空气中湿度增加时，感湿膜中盐的浓度降低。梳状传感器使用交流电桥测量其阻值，不允许用直流电源，以防氯化锂溶液发生电解。最高使用温度55℃，当大于55℃时，氯化锂溶液将蒸发。使用环境应保持空气清洁，无粉尘、纤维等。5.4电阻式湿度计39

氯化锂传感器的测湿范围与所涂氯化锂浓度及其它成分有关。当湿度低于其有效的感湿范围时，其阻值迅速增加，趋于无限大；而当高于该范围时，其阻值变得非常小，乃至趋于零。

传感器的测量范围较窄，故应按照测量范围的要求，选用相应的量程。为扩大测量范围，可采用多片组合传感器。R1R2R3R4rrrrABRAB=f(

)75~95%55~75%35~55%15~35%40氯化锂传感器测量电桥合成、放大、检波电压电流转换器热敏电阻放大、检波电压电流转换器2.氯化锂电阻湿度变送器

0～10mA0～10mA温、湿度变送器输出的标准信号，便于远距离传送、记录和调节，测量和调节精度高，常用于高精度的温、湿度测量和调节系统。5.4电阻式湿度计41新型氯化锂湿度传感器优点：长期工作稳定性好，制作湿度测量仪时会有较高的精度，响应迅速。缺点：有结露时易失效。它特别适合空调系统使用。5.4电阻式湿度计423.高分子电阻型湿度传感器

采用微电子工艺制作的高分子电阻性湿度传感器具有灵敏度高、线性度好、响应时间快、易小型化以及制作简单方便、成本低等优点。5.4电阻式湿度计高分子电阻式湿度传感器电阻与相对湿度的关系434．金属氧化物膜湿度传感器原理：将调制好的金属氧化物的糊状物加工在陶瓷基片及电极上，采用烧结或烘干的方法使之固化成膜。这种膜的含湿量随着外界空气的含湿量的变化而变化，含湿量的变化又引起电阻阻值的变化，通过测量电阻之间的阻值即可测量相对湿度。特点：传感器电阻的对数值与湿度成线性关系，测湿范围、工作温度范围宽。5.4电阻式湿度计44金属氧化物膜湿度传感器结构图1—陶瓷基片;2一梳状电极;3—金属氧化物感湿膜;4—引线

由金属氧化物多孔性陶瓷烧结而成。烧结体上有微孔，可使湿敏层吸附或释放水分子，造成其电阻值的改变。

主要有：MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器、NiO陶瓷湿度传感器。特点：工作范围宽、稳定性好、寿命长、耐环境能力强5.4电阻式湿度计455．金属氧化物陶瓷湿度传感器主要特性与性能

（1）电阻一湿度特性

MgCr2O4-TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻—湿度特性，随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降。在单对数的坐标中，电阻—湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由0变为100％RH时，阻值从107Ω下降到104Ω，即变化了三个数量级。5．金属氧化物陶瓷湿度传感器5.4电阻式湿度计46

（2）响应时间响应时间特性如图。根据响应时间的规定，从图中可知，响应时间小于10s。5．金属氧化物陶瓷湿度传感器5.4电阻式湿度计47（3）稳定性

制成的MgCr2O4-TiO2系陶瓷类湿度传感器，需要实验：高温负荷实验(大气中，温度150℃，交流电压5V，时间104h)；高温高湿负荷试验(湿度大于95％RH，温度60℃，交流电压5V，时间104h)；常温常湿试验[湿度(10～90)％RH，温度(–10℃～＋40℃)]；油气循环试验(油蒸气↔加热清洗循环25万次，交流电压5V)。经过以上各种试验，大多数陶瓷湿度传感器仍能可靠地工作，说明稳定性比较好。5．金属氧化物陶瓷湿度传感器5.4电阻式湿度计485.5电容式湿度计

电容原理制成的湿度计开始使用于20世纪70年代，其变送器将相对湿度转换为0~10V直流标准信号，传送距离可达1000m，性能稳定，几乎不需要维护，安装方便。495.5电容式湿度计电容湿度传感器是通过化学方法在金属铝表面形成一层氧化膜，进而在膜上沉积一薄层金属。铝基体和金属构成一个电容器。氧化铝吸湿和放湿程度随着被测空气的相对湿度的变化而变化，因而其电容量是空气相对湿度的函数。高分子湿度传感器原理与之类似505.5电容式湿度计高分子电容式根据电容公式可知，在电容两个极板的面积和间距不变的情况下，当介电常数发生变化时将引起电容值的变化。介电常数水分子可通过两端的电极被高分子薄膜吸附或释放。随着这种水分子吸附或释放，高分子薄膜的介电系数将发生相应的变化。因为介电系数随空气中的相对湿度变化而变化，所以只要测定电容就可测得相对湿度。

515.5电容式湿度计

特点：迅速吸湿、脱湿，滞后小，响应快，不受气流速度影响，测量范围宽，抗污染能力强，稳定性好。525.6湿度传感器的选择1）一致性判定，把不同类型，不同厂家的湿度传感器放在一起通电比较检测输出值，观察测试的一致性。若进一步检测，可在24h内间隔一段时间记录，一天内一般都有高、中、低3种湿度和温度情况，可以较全面地观察传感器的一致性和稳定性，包括温度补偿特性。2）用嘴呵气或利用其它加湿手段对传感器加湿，观察其灵敏度、重复性、加湿脱湿性能，以及分辨率和最高量程等。3）对传感器作开盒和关盒两种情况的测试。比较是否一致，观察其热效应情况。4）对产品在高温状态和低温状态（根据说明书标准）进行测试，并恢复到正常状态下检测和实验前的记录作比较，考查它们的温度适应性和一致性等等。1.不同场合的选用原则53种类优点缺点测

量

范

围氯化锂电阻湿度传感器及变送器1.能连续指示，远距离测量与调节；2.精度高，反应快1.受环境气体的影响；2.互换性差；3.使用时间长了会老化5％～95％RH氯化锂露点湿度传感器及变送器1.能直接指示露点温度；2.能连续指示，远距离测量与调节；3.不受环境气体温度影响；4.使用范围广；5.元件可再生1.受环境气体流建的影响和加热电源电压波动的影响；2.有害的工业气体影响露点温度－45～70℃DP电容式湿度传感器与变送器1.能连续指示远距离测量与调节；2.精度高，反应快；3.不受环境条件影响，维护简单；4.使用范围广1.价格贵；2.对油质的污染比较敏感10%～95%RH电动干、球湿度计1.使用电阻测温能得到稳定特性；2.不受环境气体成分的影响1.需经常维护纱布上水井防止污染；2.微型轴流风机有噪声10%～100%RH10～（空调应用）毛发湿度计1.结构简单；2.价廉1.有滞后，有变差；2.灵敏度低10%～90%RH主要湿度传感器及变送器特点545.6湿度传感器的选择（1）国家级湿度基准（2）企业基准或实验室分析（3）现场检测（4）连续在线监测2.湿度传感器的选择555.7湿度测量仪表的检定校验湿度计的标定与校正需要一个维持恒定相对湿度的校正装置，并且用一种可作为基准的方法去测定其中的相对湿度，再将被校正仪表放入此装置进行标点。双温法校正装置饱和盐溶液湿度校正装置565.7湿度测量仪表的检定校验1.双温法校正装置

双温法的工作原理示意图下图所示，Ts、Tc分别为设定的饱和温度和试验腔温度，且Tc<Ts，通过气泵使气流在饱和腔与试验腔之间不断循环，经过一定时间之后，气流中的水汽达到饱和状态。假设气体为理想气体，并且饱和腔总压力Ps等于试验腔内气体总压力Pc，则在温度为Tc的试验腔内气体的相对湿度可用下式计算双温法湿度计标定工作原理572.饱和盐溶液法校正装置关键：①实现不同范围内维持恒定的相对湿度空间，②可作基准的高精度标定仪器，水的饱和蒸气压是温度的函数，温度愈高，饱和蒸气压也愈高。当向水中加入盐类，溶液中的水分蒸发受到限制，使其饱和蒸气压降低，降低的程度与盐类的种类有关。根据不同的盐类对应的饱和蒸气压不同，即对应的相对湿度不同实现湿度传感器的标定。5.7湿度测量仪表的检定校验58标定室盐液室小室595.7湿度测量仪表的检定校验温度范围湿度范围精度响应时间(s)阿斯曼5~505~95%2~5%很长氯化锂电阻式5~5015~95%2~5%10，50高分子电容式5~5015~95%2~5%<10金属陶瓷电阻式0~605~90%2~5%<=3露点计-40~1000~100%1较短几种湿度测量仪器的对比605.8应用实例实例1：某高温空气的湿度测量被测空气的干球温度为tg=140℃，冷空气及混风的干湿球温度分别为：tn=20℃，tns=15.76℃；tm=62℃，tms=43.31℃；各温度测试仪表的测量精度为±0.1℃。确定被测空气的含湿量。测量原理：61结果：由湿空气h-d图可得：冷空气及混风的含湿量与比焓分别为：dn=9.471g/kg，hn=44.2355kJ/kg；dm=51.107g/kg，hm=196.2689kJ/kg；因为，高温空气的焓可表示为：

其中，参数a，b与温度的关系是：则在本例中：a=141.4kJ/kg；b=2.7586kJ/kg。冷、热空气的混风比：高温空气的含湿量：则dg=147.552g/kg则r=2.3164热量、湿量平衡关系式5.8应用实例62实例2：常见测试方法的比较实验基础：

常见的湿度测量大体有3种方法（1）通风干、湿球温度计接到数字表上，直接显示湿度值；（2）由湿度传感器与数字表组成的湿度测量仪；（3）由两支特性一致的铂电阻温度计组成的干、湿球温度计，然后接到数字表上测量干球和湿球之间的温差，查相对湿度表而得到湿度值。5.8应用实例63实例2：常见测试方法的比较实验方法：

将3种不同的测湿传感器，尽可能的放在同一测试点上。实验温度由高到低，湿度是由低到高；再由低到高的实验过程。每个测试点稳定20分钟以上开始读数，共读10遍，求取平均值作为实验结果。实验用设备：（1）恒温恒湿箱：制造厂：Binder（德国）；湿度均匀度：2%RH；（2）精密数字温湿仪：型号：T&H99-2；经国家标物中心检定，其相对湿度不确定度优于1%RH；（3）湿度测量仪：型号：XSLV/A；相对湿度不确定度：2%RH；（4）Ptl00型A级铂电阻温度计组成的干湿球温度计（无通风），具有温度修正值。5.8应用实例64实例2：常见测试方法的比较实验结果：

温度为22℃时，湿度测试结果（实验过程由低湿到高湿）见表4-3；温度为30℃时，湿度测试结果（实验过程由高湿到低湿）见表4-4；温度为40℃时，湿度测试结果（实验过程由低湿到高湿）见表4-5。5.8应用实例65实例2：常见测试方法的比较5.8应用实例66综上所述，可得如下结论：在湿度测量中，最好用通风干湿球测湿仪，且风速在2.5m/s以上，测量准确度较高。带有湿度传感器的测湿仪最好用在稳定的湿度场测量，即温湿度不经常发生交变的情况下，且测量准确度较低。当湿度在90%RH以上时，铂电阻组成的干、湿球温度计，测量误差较小。当被测设备箱体内风速较均匀时，可用来测量湿度均匀度，因为它使用方便，价格低廉。5.8应用实例67第五章重点内容：湿度测量的基本原理、多种湿度计的主要技术参数，湿度传感器的选择及检定校验难点：电阻式及电容式湿度计的工作原理要求：了解湿度测量的主要方法及仪器，掌握干球湿度计、露点湿度计、电阻式湿度计、电容式湿度计的工作原理及使用方法，掌握湿度传感器的选择标准及检定校验的主要方法总结第六章压力测量69建筑环境测试技术BuiltEnvironmenttestingtechnology70第六章压力测量概述液柱式压力计弹性压力计电气式压力计压力检测仪表选用和校验应用实例了解压力的主要测量方法及常用仪表掌握液柱式压力计、弹性压力计的原理掌握霍尔式压力变送器的工作原理了解压力检测仪表的选用、安装和校验

本章目标71

工程技术上，压力对应于物理概念中的压强，即指均匀而垂直作用于单位面积上的力，符号P表示，单位Pa。压力测量：稳定压力测量、瞬态压力测量。测量范围：低压、中压、高压及负压或真空度。单位：帕（Pa）;巴（bar）;1Pa＝1N/m2＝10-5bar。工程大气压(kgf/m2)；标准大气压(atm)；毫米水柱高(mmH2O)；毫米汞柱高(mmHg)；726.1压力测量概述一、压力的单位72常用压力单位换算表73÷帕(Pa)巴(bar)工程大气压(kgf/cm2)标准大气压(atm)毫米水柱(mmH20)毫米汞柱(mmHg)磅力/平方英寸(1bf/in2)帕(Pa)11×10—51.019716×10—50.9869236x10—51.019716×10－10.75006x10—21.450442×10—4巴(bar)1x10511.0197160.98692361.019716×1040.75006×1031.450442×10工程大气压(kgf/cm2)0.980665×1050.98066510.967841×1040.73556×1031.4224×10标准大气压(atm)1.01325×1051.013251.0332311.03323×1040.76×1031.4696×10毫米水柱(mmH20)0.980665×100.980665×10-41×10-40.96784×10-410.73556×10-11.4224×10-3毫米汞柱(mmHg)1.333224×1021.333224×10-31.35951×10-31.3158×10-31.35951×1011.9338×10-2磅力/平方英寸(1bfAn2)0.68949×1040.68949×10-10.70307×10-10.6805×10-10.70307×1030.51715×102173绝对压力PJ：介质承受的实际压力。大气压力PD

：由地球表面空气柱重量形成的压力，称为大气压力。与海拔、地理位置、气象等因素有关。表压力PB：高于大气压的绝对压力与大气压力PD

之差。真空度或负压PZ：低于大气压的绝对压力与大气压力PD之差。74二、压力的表示方法746.1压力测量概述一般情况均以大气压的绝对压力为参考点较高真空度时，常使用绝对压力表示介质压力。二、压力的表示方法756.1压力测量概述液柱式压力检测法 利用液体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度差进行测量。弹性法压力测量 利用各种形式的弹性元件，在被测介质的压力作用下产生的弹性变型（位移）来测压。电气式压力检测 利用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷等电量的变化。活塞式压力检测（平衡法） 利用某标准重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理测量。三、压力的检测方法766.1压力测量概述（1）液柱式压力计：根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度。利用这种方法测量压力的仪表有U形管压力计，单管压力计和斜管压力计等。（2）弹性式压力计：根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移。四、压力测量仪表的分类776.1压力测量概述（3）电气式压力计：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。（4）活塞式压力计：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对弹性式压力计进行校验和刻度。四、压力测量仪表的分类786.1压力测量概述分类方式类

别按作用原理和准确度等级分作用原理液柱式压力计活塞式压力计弹性式压力计电气式压力计准确度等级一等标准二等标准三等标准0.5级1.0级1.5级2.5级国家基准工作基准一等标准二等标准三等标准精密压力计一般压力计0.01,0.02,0.05,0.10.2,0.5,1.0,1.52.5,4.0级0.25,0.4,0.6级1.0,1.5,2.5,4.0级按测量范围分微压：<10kPa；低压：10～250kPa；中压：0.5～100MPa高压：l0～1000MPa；超高压：>1000MPa按被测压力的特点和种类分气压计：检测大气压力的压力计；压力计：检测表压力的压力计真空计：检测负压力的压力计；压差计：检测两处压力差的压力计微压计：用于检测10kPa以下的压力计按显示方法和功能分现场显示型：如指针式压力计和记录式压力计远距离显示型：如远传压力计、电气式压力计报警或调节型：如电接点式压力计数字显示型：如数字式压力计按用途分普通型；耐热型；耐振型；密封型；禁油型；蒸汽型压力测量仪表的分类79原理： 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大小的仪表。特点： 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。其缺点是量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管易损及读数不方便等。应用： 常用于低压、负压或压力差的检测。6.2液柱式压力计80结构：由U形玻璃管、工作液及刻度尺组成。测量：两个管口分别接压力P1和P2。当P1＝P2时，左右两管的液体的高度相等。当P2≠P1时，U形管的两管内的液面便会产生高度差。式中：ρ－U形管内所充工作液的密度；

g－U形管所在地的重力加速度；

h1，h2－U形管左右两管的液面相对于0刻度的高度差。特点：测量差值；高度与

ρ有关81一、U管测压原理及结构816.2液柱式压力计82表5-3液柱式压力常用封液的性质封液名称化学符号有无毒性在20℃时的密度／(kg／m3)体膨胀系数／℃一1水银水酒精四氯化碳HgH2oC2H5OHCCL4有无无有13545.7998.2789.2159418.2×10-520.7×10-5112×10-5124×10-582一、U管测压原理及结构6.2液柱式压力计二、杯形（单管）测压原理及结构原理：式中：ｈ1，ｈ2－分别为宽口容器内液面的下降高度及测量管内液面的上升高度；

Ａ1，Ａ2－分别为宽口容器及测量管的横截面积。

当Ａ2／Ａ1<<0.01时：且误差小于１％。

结构：U形管，两侧管子的直径相差很大，

只进行一次读数。836.2液柱式压力计结构：变形单管压力计，为了减小读数相对误差，拉长液柱，把测量管斜放一个角度测量范围：用于测量微压、负压和压差原理：带入上式：常数项液柱长度三、斜管微压计测压原理及结构846.2液柱式压力计特点：α角越小，L则越长，测量灵敏度就越高；但α角不能太小（一般不小于15°），否则读数困难，反而增加读数误差。856.2液柱式压力计U形管液柱式压力计杯形液柱式压力计倾斜式液柱压力计液柱式压力计的种类866.2液柱式压力计常用液柱式压力计的种类与比较871、环境温度变化的影响及修正 环境温度偏离规定温度t0后，工作液密度改变对压力计读数影响的修正公式为 一般情况下可不考虑标尺长度变化的影响。四、液柱式压力计的测量误差及其修正工作液体膨胀系数，1/℃886.2液柱式压力计2、重力加速度变化的修正 仪表使用地点的重力加速度由下式计算：式中：H，φ－使用地点的海拔（m）和纬度（°）；

gn——标准重力加速度，9.80665m/s2；

R——地球的公称半径，6356766m。四、液柱式压力计的测量误差及其修正压力读数的修正公式为

hn——标准重力加速度下的工作液液柱高度；hφ——使用地点（重力加速度为gφ）的液柱高度896.2液柱式压力计3、毛细管现象的影响

毛细管吸附性液体产生正误差；通常要求液柱式压力计测量管的内径不小于10mm。四、液柱式压力计的测量误差及其修正当管内工作液为吸附性液体时，液面呈凹面【水、酒精】当管内工作液为非吸附性液体时，液面呈凸面【汞】906.2液柱式压力计4、读数误差

液柱式压力计还存在刻度、读数、安装等方面的误差。四、液柱式压力计的测量误差及其修正916.2液柱式压力计用弹性元件作为压力敏感元件把压力转换成位移，位移的大小与被测压力成正比关系。目前，作压力检测的弹性元件主要有膜片、波纹管和弹簧管。6.3弹性压力计一、弹性压力计的原理92弹性元件受外部压力后其作用力的大小为：F＝AP式中：A—弹性元件承受压力的有效面积 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关系，即F＝CS

式中：C—弹性元件的刚度系数；

S—弹性元件在受到外力F作用下所产生的位移。 弹性元件受压力为P时。其位移量为：

S＝F/C＝P•A/C

比值A/C的大小决定了弹性元件的压力测量范围，一般地，A/C越小，可测压力越大.936.3弹性压力计弹性元件的结构和特性94(1)弹簧管。单圈弹簧管是弯成圆弧形的金属管子。当通入压力P后，它的自由端就会产生位移。单圈弹簧管位移量较小，为了增大自由端的位移量，以提高灵敏度，可以采用多圈弹簧管。(2)弹性膜片。它是由金属或非金属弹性材料做成的膜片，在压力作用下，膜片将弯向压力低的一侧，使其中心产生一定的位移。为了增加膜片的中心位移，提高灵敏度，可把两片膜片焊接在一起，成为一个薄盒子，称为膜盒。(3)波纹管。它是一个周围为波纹状的薄壁金属筒体，这种弹性元件易于变形，且位移可以很大。膜片、膜盒、波纹管多用于微压、低压或负压的测量；单圈弹簧管和多圈弹簧管可以作高、中、低压及负压的测量。二、弹性压力计的种类及性能956.3弹性压力计96序号分类方法类别名称1按用途分一般压力计、精密压力计、特殊压力计2按测压种类分压力计、真空计、压力真空计、绝压计、专用压力计3按弹性元件种类分弹簧管式、螺旋弹簧管式、膜片式、膜盒式、薄膜式4按耐抗振性能分普通型、抗振动型、耐振动型、抗颠震型、耐颠振型、抗冲击型5按防护性能分普通型、防水型、密封型、充油型、防尘型6按表壳公称直径分表壳公称直径／mm4060100200250接头螺纹M10×1M14×1.5M20x1.5M20×1.5M20～120×1.57按精度等级分名

称

精度等级表壳公称直径／mm精密压力计0.25级；0.4级；0.6级150；

200；

250普通压力计1.0级；1.5级；2.5级；4.0级40；

60；

100；

150；

200；

250。8按检测范围分

种类

微压

低压

中压

高压

超高压

范围<10kPalO～250kPaO．25～100MPa10～1000MPa>1000MPa弹性式压力计的种类96三、弹性压力计的结构1、普通型压力计工作原理:被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔，并使弹簧管的自由端产生位移，同时改变指针偏转。976.3弹性压力计三、弹性压力计的结构1、普通型压力计结构（弹簧管）：截面是非圆形（椭圆形或扁圆形），弯成圆弧状，管子一端封闭，另一端为开口。闭口端作为自由端，开口端作为固定端。特点：弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽。测量范围：负压、微压、低压、中压和高压，因此应用十分广泛。精度等级：

0.5、1.0、1.5、2.5级。986.3弹性压力计2、真空计和压力真空计弹簧管式真空计和压力真空计也属于一般压力计，它的结构原理基本上与上述普通的压力计相同，所不同的只是仪表的指针指示的移动方向和表盘的刻度方向与普通型压力计不同。压力真空表：以大气压力为基准，用于测量大于和小于大气压力的仪表。真空压力表：以大气压力为基准，用于测量小于大气压力的仪表996.3弹性压力计3、膜片式和膜盒式压力计形状：膜片是一种沿外缘固定的片状形测压弹性元件，按剖面形状分为平膜片和波纹膜片；特性：一般用中心的位移和被测压力的关系来表征。当膜片的位移很小时，它们之间有良好的线性关系；波纹膜片：压有环状同心波纹的圆形薄膜，其波纹的数目、形状、尺寸和分布情况与压力测量范围有关；膜盒：将两块膜片沿周边对焊起来，成一盒子，将膜盒内部抽成真空、密封，则当膜盒外压力变化时，膜盒中心将产生位移。常用来测量大气的绝对压力。1006.3弹性压力计1013、膜片式和膜盒式压力计PxPxPxPx平薄片波纹片膜盒Px波纹管1016.3弹性压力计常用材料：

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。直接应用：

膜片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是，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。结合应用： 膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号。常用的有电容式压力传感器、光纤式压力传感器及力矩平衡式压力变送器等。1026.3弹性压力计6.4电气式压力计1、电气压力计的种类(1)压阻式：金属导体或半导体材料受到被测压力作用时，根据压阻效应，将压力变换成电阻的变化，通过对电阻变化的测量，而实现压力测量。

(2)压磁式：某些铁磁材料的导磁系数随所受压力而变化，用它作为线圈的铁芯，压力变化时线圈的电感或互感就发生变化，通过对电感或互感的测量，可以实现对压力的测量。

(3)压电式：某些电介质受到压力后，其表面产生束缚电荷，通过对此电荷变化的测量，可以实现对压力的测量。1031、电气压力计的种类

(4)光纤式：通过压力对光或光纤的调制作用，使光的强度、相位或偏振态发生变化，通过对它们的测量，实现压力测量。

(5)振动式：被测压力作用到弦丝或振筒上，使其产生应变，它的振动频率随之发生变化，通过测量此频率变化，实现对压力的测量。1046.4电气式压力计6.4电气式压力计2、电气式压力传感器电阻式压力传感器电阻丝长电阻丝截面电阻率由于，所以令导线变形应变电阻相对变化率105应变式传感器的灵敏度系数，它表示单位应变所引起的电阻相对变化；主要由几何尺寸变化所引起的电阻变化和材料电阻率变化引起的电阻变化两部分组成。，对于金属材料的应变式传感器，前一部分是主要的；而对于半导体材料，后一部分是主要的。1066.4电气式压力计，①灵敏度系数值要大，并且在较大应变范围内保持常数；②电阻温度系数小；③电阻率大；④机械强度高且易于拉丝或辗薄；⑤与铜丝的焊接性好，与其他金属的接触电势小。

目前常用的材料有康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铂、铂钨合金等。基本要求：1076.4电气式压力计，金属电阻应变片组成：金属丝式应变片的基本结构1-粘合层;2—基底;3一盖片;4一敏感栅;5—引线1086.4电气式压力计6.4电气式压力计霍尔效应：将矩形半导体薄片（锗、锑化铟、砷化铟等）置于磁场中，磁感应强度B与薄片的Z轴相同。沿着薄片的Y轴方向通入恒定的控制电流，在逆Y轴方向就会产生电子流运动，这些带电粒子在洛伦兹力的作用下会偏离运动轨迹。使得薄片的左侧经过电子的累计带正电荷，薄片的右侧带负电荷。这时沿着薄片X轴的两侧就会产生电位差，这电位差就是霍尔电势。这一物理效应叫做霍尔效应。这个矩形半导体薄片就叫做霍尔元件或霍尔片。②霍尔式压力传感器109霍尔电势可表示为：

其中，式中，—霍尔常数，与霍尔片材料、结构有关；

—霍尔系数，霍尔元件的灵敏度；

L—霍尔片电势导出端长度；

b—霍尔片的电流输入端宽度；

d—霍尔片厚度。霍尔电势：UH与L成正比，与b成反比1106.4电气式压力计结构：霍尔片与弹簧管的自由端相连，处于两对磁极所形成的非均匀磁场之中。霍尔片的四个端面引出四根导线，其中与磁钢2平行的两根导线和直流稳压电源相连接，另两根导线用来输出信号。霍尔压力传感器：输出信号连接电源1116.4电气式压力计原理：在被测压力作用下，弹簧管的自由端产生位移，改变了霍尔片处于非均匀磁场之中的位置，从而将机械位移量转换成霍尔电势VH进行远传。特点：霍尔片对温度变化非常敏感，需要进行温度补偿；霍尔片连接的外部直流电源应具有恒流特性；以保证流过霍尔片的电流恒定。应用：目前霍尔压力变送器是应用较多的一种压力远传仪表。霍尔压力传感器：1126.4电气式压力计原理：基于压电效应原理，即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。压电材料分类：单晶体，如石英、酒石酸钾钠、铌酸锂等多晶体，如压电陶瓷，包括钛酸钡、锆钛酸铅等多晶体的压电陶瓷，经极化处理后压电陶瓷具有非常高的压电系数，为石英晶体的几百倍压电式压力传感器1136.4电气式压力计压电式压力传感器结构示意图压电元件被夹在