常用壓力儀表工作原理

1、 壓力類儀表的工作原理 壓力是工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)之一。在許多生產(chǎn)過程中，要求系統(tǒng)只有在一定的壓力條件下工作，才能達到預期效果，同時，壓力也是監(jiān)控安全生產(chǎn)的保證。因此，壓力檢測與控制是保證工業(yè)生產(chǎn)過程經(jīng)濟性和安全性的重要環(huán)節(jié)。在物理學中，垂直作用在單位面積上的力稱為壓強，在工程上稱為壓力。如下式： 由于參照點不同，在工程技術中壓力分為以下幾種：1.大氣壓：地球表面上的空氣質量所產(chǎn)生的壓力。它和所處的海拔高度、緯度及氣象狀況有關。2.差壓（壓差）：兩個壓力之間的相對差值。3.絕對壓力：絕對壓力是相對零壓力（絕對真空）而言的壓力。4.表壓力（相對壓力）：如果絕對壓力和大氣壓的差值是一個正值，那

2、么這個正值就是表壓力，即表壓力=絕對壓力-大氣壓>0。5.負壓（真空表壓力）：和“表壓力“相對應，如果絕對壓力和大氣壓的差值是一個負值，那么這個負值就是負壓力，即負壓力=絕對壓力-大氣壓<0。在工程上，按壓力隨時間的變化關系分為以下兩類：1、靜態(tài)壓力：一般理解為“不隨時間變化的壓力，或者是隨時間變化較緩慢的壓力，即在流體中不受流速影響而測得的表壓力值”。2、.動態(tài)壓力：和“靜態(tài)壓力”相對應，“隨時間快速變化的壓力，即動壓是指單位體積的流體所具有的動能大小?！蓖ǔＳ?/22計算。式中為流體密度；v為流體運動速度?！?   壓力單位換算關系見下表：  牛頓

3、/米2(帕斯卡)(N/m2)(Pa)公斤力/米2(kgf/m2)公斤力/厘米2(kgf/cm2)巴(bar)標準大氣壓(atm)毫米水柱4oC(mmH2O) 毫米水銀柱0oC(mmHg)磅/英寸2(lb/in2,psi)牛頓/米2(帕斯卡)(N/m2)(Pa)10.10197210.1972×10-61×10-50.986923×10-50.1019727.50062×10-3145.038×10-6公斤力/米2(kgf/m2)9.8066511×10-49.80665×10-59.67841×10-51×

4、;10-80.07355590.00142233公斤力/厘米2(kgf/cm2)98.0665×1031×10410.9806650.96784110×103735.55914.2233巴(bar)1×10510197.21.0197210.98692310.1972×103750.06114.5038標準大氣壓(atm)1.01325×10510332.31.033231.01325110.3323×10376014.6959毫米水柱4oC(mmH2O)0.1019721×10-81×10-49.806

5、65×10-59.67841×10-5173.5559×10-31.42233×10-3毫米水銀柱0oC(mmHg)133.32213.59510.001359510.001333220.0013157913.595110.0193368磅/英寸2(lb/in2,psi)6.89476×103703.0720.07030720.06894760.0680462703.07251.71511壓力測量系統(tǒng)根據(jù)測量的原理，分為如下幾類：一、凈重式。凈重式壓力計包括液柱式壓力計和活塞式壓力計；1、1液柱式壓力計是基于液體靜力學的原理工作的，用于測量小于

6、200KPa以下的壓力、負壓或壓差。常用的液柱式壓力計有U型壓力計，單管壓力計和斜管壓力計。根據(jù)所測壓力的范圍及使用要求，液柱式壓力計一般采用水銀、水、酒精、四氯化碳、甘油等為工作液。液柱式壓力計既可用于工業(yè)測量、實驗室儀器，也可作為標準壓力計來檢驗其它壓力儀表。液柱高度和壓力的換算關系：P=gh N/m2式中 液體密度，kg/m3；h液體高度，m；g重力加速度，m/s2（標準重力加速度=980.665cm/s2）。液柱式壓力計計算標尺的最小分格一般為1mm，較精密的分格有0.5mm。U型管壓力計液柱高度誤差估計為±1mm，則其最大的絕對誤差可能達2mm，其原因在于用U型壓力計是要進

7、行2次讀數(shù)；單管壓力計則讀數(shù)誤差可以減小一半，其原因是使用單管壓力計時讀數(shù)只需讀一次。在液柱式壓力計中考慮封液在管內(nèi)的毛細現(xiàn)象，因此細管內(nèi)徑不要小于610mm。液柱式壓力計讀數(shù)時，為了減少視差，須正確讀取液面位置，如用浸潤液體（如水）時須讀其凹面的最低位，用非浸潤液體（如水銀）時須讀其凸面的最高位。U型管壓力計和單管壓力計的結構形式如下：使用單管壓力計測量壓力高于大氣壓的壓力時，被測壓力引入單管壓力計的盅型容器中；當被測壓力低于大氣壓時，壓力引入單管壓力計的單管中。在精密壓力測量時，一般采用直徑較小的玻璃U形管，工作液通常用酒精或甲苯，而不用水，因為水的毛細作用會造成大的測量誤差。1、2活塞式

8、壓力計活塞式壓力計是基于靜壓平衡的原理工作的，一般有單活塞和雙活塞兩種。活塞壓力計根據(jù)其精度分為一等、二等、三等，精度等級誤差分別為0.02級，0.05級，0.2級?；钊挠行娣e一般取1cm2、0.5cm2或0.1cm2。傳壓介質常用的有變壓器油和蓖麻油?；钊麎毫τ嫷墓ぷ髟?活塞壓力計的結構原理如圖所示，它由測量部份和壓力發(fā)生部分組成，工作時，手輪1向前轉動，使工作活塞2擠壓油液，并把壓力傳遞給測量活塞4。當活塞4下端因壓力P作用所產(chǎn)生的向上頂?shù)牧突钊旧怼⑼斜P及加在上面的砝碼的重力相平衡時，活塞4就穩(wěn)在某一平衡位置。此時的平衡關系式為：PA=mg+m0g由此得式中 A活塞4的截面積；m

9、、m0分別為砝碼盒測量活塞（含托盤）的質量；g重力加速度。如果針型閥6活8上面裝備校壓力表，則當平衡時有所加砝碼的數(shù)值上，便可知道被校表的誤差?；钊綑z驗壓力表的操作步驟：校驗前，先把壓力計上的水平泡的氣泡調(diào)到中心位置，然后檢查油路是否暢通，若無問題，便可裝上被校壓力，其操作步驟如下：（1）打開油杯閥門7，左旋手輪1，使壓力泵油缸充滿油液。（2）關閉閥門7，打開針型閥3、6。右旋手輪，產(chǎn)生初壓使托盤托起，直到與定位指示筒的墨線刻度相齊為止。（3)右旋手輪，同時增加砝碼數(shù)量，增加砝碼時需用手輕輕拔動砝碼（轉速在30120轉/分），借以克服摩擦阻力的影響，保證測量準確性。（4）校驗完畢，左旋手輪，

10、逐步卸去砝碼，最后打開油杯閥門，卸去全部砝碼。用活塞壓力計校驗標準彈簧管壓力表時，加取砝碼都應平取平放，并應上下對齊。讀數(shù)時，為減少測量活塞和活塞柱之間的靜摩擦而造成的誤差，必須使測量活塞和砝碼保持一定的旋轉度。壓力效驗儀只有壓力發(fā)生部分，沒有砝碼等測量部分。它是作為壓力泵用來校驗一般壓力表的，方法是在它上面裝二塊壓力表，一塊是標準表，一塊是被校表，利用標準表來校驗被校表的誤差。而活塞壓力計也是用來校驗壓力表的，但它校的不是一般壓力表，而主要是精密壓力表。它除了有壓力發(fā)生部分，還有活塞、托盤、水準泡等壓力測量部分。它是一砝碼的多少來校驗被校表的，所它不應裝標準壓力表?；钊麎毫τ嬌享来a標的是壓力

11、。在校驗氧氣壓力表前應首先檢查表內(nèi)有無油脂。檢查方法是先將純凈的溫水注入彈簧管內(nèi)，經(jīng)過搖蕩，再將水倒入盛有清水的器皿內(nèi)。如水面上沒有彩色的油影，即可以認為沒有油脂。校驗時應使用油水隔離裝置，用水將油分離開，防止油脂進入彈簧管內(nèi)，同時也要用專用校驗設備和工具。如果發(fā)現(xiàn)校驗設備或根據(jù)上有油污，可以用四氯化碳進行清洗。二、彈性式。彈性式壓力計有彈簧管式、膜片式、膜盒式和波紋管式等；工業(yè)上常用的彈性測壓元件有彈簧管、波紋管及膜片三類。彈性式壓力計是根據(jù)彈性元件的變形和所受壓力成比例的原理來工作的。當作用于彈性元件上的被測壓力越大時，彈性元件的變形也越大。常用的彈性式壓力表有彈簧管式壓力表、膜片式壓力表

12、、波紋管式壓力表，其中彈簧管式壓力運用最廣。彈性元件的鋼度就是指彈性元件變形的難易程度。鋼度大的彈簧管受壓變形后形變小。用不銹鋼、合金鋼制作的鋼度大，一般用來測量大于20MPa以上壓力；磷銅、黃銅制作的鋼度小，一般測量小于20MPa以下的壓力。彈簧壓力表一般由彈簧管、連接桿、扇形齒輪、游絲、指針和刻度盤等幾部分組成。彈簧管壓力表中彈簧管都是由一根彎成270°圓弧狀、截面呈橢圓形的金屬管制成。因為橢圓形截面在介質壓力的作用下將趨向圓形，使彎成圓弧形的彈簧管隨之產(chǎn)生向外挺直擴張的變形，使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，并通過連接帶動扇形齒輪進行放大，帶動指針轉動，指針轉動的角度和壓力程線性關系，

13、這樣就通過刻度盤讀出被測壓力的大小。游絲的作用是產(chǎn)生一個反作用力。膜片式壓力表一般由測量膜片、傳動系統(tǒng)、指示系統(tǒng)和表殼接頭幾部分組成。在彈性式壓力表型號中，常用漢語拼音的第一個字母表示某種意義，如Y表示壓力，Z表示真空（阻尼），B表示標準（防爆），J表示精密（矩形），A表示氨壓力表，X表示信號（電接點），P表示膜片，E表示膜盒，后面的數(shù)字表示表面尺寸（mm），尺寸后的符號表示結構或配接儀表。如：Y100ZQ表示壓力表，表面尺寸為100mm，并且結構為軸向帶前邊；Y100T表示壓力表，表面尺寸為100mm，并且結構為徑向帶后邊；YB-160A（B、C）表示標準壓力表，表面尺寸為160mm，并且結

14、構為徑向，并且儀表零點克調(diào)（A表示儀表零點可調(diào)；B表示儀表帶有鏡面；C表示帶鏡面且零點克調(diào)）。壓力表的讀數(shù)方法（1）首先應確定儀表的有效數(shù)字位數(shù)。按儀表讀數(shù)的一般要求，應估讀到最小分度的1/10，即有效數(shù)字位數(shù)=最小分度值位數(shù)+1。（2）根據(jù)最小分度值的形式估讀其末位數(shù)。最小分度值A=X10n A=1，2，5N為正、負整數(shù)或零。當=1時，末位數(shù)可以是09中的任何一個數(shù)。=2時，末位數(shù)是2、4、6、8、0。=5時，末位數(shù)是5或0。如1塊01MPa，0.4級精密壓力表，分格總數(shù)200格讀數(shù)方法是：首先算出最小分度值為：1MPA÷200=0.005MPa/格；因此，其有效位數(shù)就為小數(shù)點后第

15、4位，末位數(shù)字應讀作5或零。讀數(shù)方法是當指針指示在最小分度值的1/10、3/10、5/10、7/10、9/10是，末位應讀5；而當指在2/10、4/10、6/10、8/10時，末位應讀零。又如一塊06MPa，0.4級精密壓力表，分格總數(shù)300格的讀數(shù)方法：首先算出最小分度值：6÷300=0.02MPa/格，因此，其有效位數(shù)就是小數(shù)點后第3位，末位數(shù)字讀作偶數(shù)，即2、4、6、8，不應出現(xiàn)奇數(shù)。選擇使用彈性式壓力表時，在測穩(wěn)定壓力時，最大壓力值不應超過滿量程的3/4；測波動壓力時，最大壓力值應不超過滿量程的2/3。最低測量壓力值應不低于全量程的1/3。三、電遠傳式。當需要遠傳壓力信號時，

16、為了安全、方便和減少延遲時，廣泛采用把就地壓力計彈性元件的位移或力變化量轉換為電信號，該儀表的測量范圍較廣，分別可測7×10-5Pa至5×102MPa的壓力，允許誤差可至0.2；由于可以遠距離傳送信號，所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中可以實現(xiàn)壓力自動控制和報警，并可與工業(yè)控制機聯(lián)用。由壓力傳感器、測量電路和信號處理裝置所組成。常用的信號處理裝置有指示儀、記錄儀以及控制器、微處理機等。1、 霍爾片式壓力傳感器 霍爾片式壓力傳感器是根據(jù)霍爾效應制成的，即利用霍爾元件將由壓力所引起的彈性元件的位移轉換成霍爾電勢，從而實現(xiàn)壓力的測量。 式中，UH為霍爾電勢；RH為霍爾常數(shù)，與霍爾片材料、幾何形

17、狀有關；B為磁感應強度；I為控制電流的大小。霍爾電勢與磁感應強度和電流成正比。提高B和I值可增大霍爾電勢UH，但兩者都有一定限度，一般I為320mA，B約為幾千高斯，所得的霍爾電勢UH約為幾十毫伏數(shù)量級。導體也有霍爾效應，不過它們的霍爾電勢遠比半導體的霍爾電勢小得多。將霍爾元件與彈簧管配合，就組成了霍爾片式彈簧管壓力傳感器，如圖所示：當被測壓力引入后，在被測壓力作用下，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，因而改變了霍爾片在非均勻磁場中的位置，使所產(chǎn)生的霍爾電勢與被測壓力成比例。利用這一電勢即可實現(xiàn)遠距離顯示和自動控制2、 應變片壓力傳感器應變片壓力傳感器是把壓力的變化轉換成電阻值的變化進行測量的。應變片是金

18、屬導體或半導體制成的電阻體，其阻值隨壓力所產(chǎn)生的應變而變化對于金屬導體，電阻變化率的表達式為：式中：材料的泊松系數(shù)；應變量。應變式壓力傳感器的結構原理圖如圖所示：從圖中可以看出應變筒的上端與外殼2固在一起，下邊與密封膜片3緊密接觸，兩片康銅絲應變片R1和R2用特殊膠合劑貼在應變筒的外壁上。R1沿應變筒軸向粘貼作為測量片，R2沿應變筒徑向粘貼作為溫度補償片。應變片與筒體之間不能產(chǎn)生相對滑動，并且要保持電氣絕緣。當被測壓力P作用于膜片而使應變筒作軸向受壓時，沿軸向貼置的應變片R1也將產(chǎn)生軸向壓縮應變1，于是R1的阻值變小；而沿徑向貼放的應變片R2，由于應變筒的徑向產(chǎn)生了拉伸變形，也將產(chǎn)生拉伸應變2

19、，于是R2阻值變大。應變片R1、R2與另外兩個固定電阻R3、R4組成一個橋式電路（見圖b），由于R1和R2的阻值變化使橋路失去平衡，從而獲得不平衡電壓作為傳感器輸出信號。3、 壓阻式壓力傳感器 壓阻式壓力傳感器利用單晶硅的壓阻效應而構成。采用單晶硅片為彈性元件，在單晶硅膜片上利用集成電路的工藝，在單晶硅的特定方向擴散一組等值電阻，并將電阻接成橋路，單晶硅片置于傳感器腔內(nèi)。當壓力發(fā)生變化時，單晶硅產(chǎn)生應變，使直接擴散在上面的應變電阻產(chǎn)生與被測壓力成比例的變化，再由橋式電路獲得相應的電壓輸出信號。 4.力矩平衡式壓力變送器 力矩平衡式壓力變送器是一種典型的自平衡檢測儀表，它利用負反饋的工作原理克服

20、元件材料、加工工藝等不利因素的影響，使儀表具有較高的測量精度（一般為0.5級）、工作穩(wěn)定可靠、線性好、不靈敏區(qū)小等一系列優(yōu)點。以DDZ-型電動力矩平衡壓力變送器為例 DDZ-型系列為直流24V供電，輸出420mA（DC）,兩線制，安全防爆。被測壓力p作用在測量膜片1上，通過膜片的有效面積轉變成集中力Fi，即： f為膜片的有效面積。 1測量膜片；2軸封膜片；3主杠桿；4矢量機構 5量程調(diào)整螺釘；6連桿；7副杠桿；8檢測片（銜鐵）；9差動變壓器；10反饋動圈；11放大器；12調(diào)零彈簧；13永久磁鋼 該變送器是按力矩平衡原理工作的。根據(jù)主、副杠桿的平衡條件可以推導出被測壓力p與輸出信號I0的關系。

21、當主杠桿平衡時，應有 式中，、 分別為Fi、F1離支點O1的距離。將式（3-13）代入式（3-14），有 式中, 為一比例系數(shù)。 式中， 、 分別為F2及電磁反饋力 離支點O2的距離。 將式（3-18）代入式（3-17），得 聯(lián)立式（3-16）與（3-19），得 式中， 為轉換比例系數(shù)5、 電容式壓力變送器電容式壓力變送器是一種開環(huán)檢測儀表，具有結構簡單、過載能力強、可靠性好、測量精度高等優(yōu)點，其輸出信號是標準的420mA（DC）電流信號。原理圖如下： 1隔離膜片；2，7固定電極；3硅油；4測量膜片；5玻璃層；6底座；8引線電容式差壓變送器的結構可以有效地保護測量膜片，當差壓過大并超過允許測量范圍時，測量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上，因此不易損壞，過載后的恢復特性很好，這樣大大提高了過載承受能力。與力矩平衡式相比，電容式?jīng)]有杠桿傳動機構，因而尺寸緊湊，密封性與抗振性好，測量精度相應提高，可達0.2級。 壓力計的選用及安裝壓力計的選用應根據(jù)工藝生產(chǎn)過程對壓力測量的要求，結合其他各方面的情況，加以全面的考慮和具體的分析， 一般考慮以下幾個問題：儀表類型