壓力和差壓測量

壓力和差壓測量第一頁，共五十八頁，2022年，8月28日3.1壓力和差壓的基本概念一、基本概念1.壓力的定義2023/2/232垂直而均勻地作用在單位面積上的力，即物理學(xué)中常稱的壓強。第二頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2332.壓力的表示方法由于參照點不同，在工程上有幾種不同表示方法：(1)絕對壓力(pi)

:被測介質(zhì)作用在容器表面積上的全部壓力(2)大氣壓力(pd):由于地球表面空氣柱重量形成的壓力，隨地理緯度、海拔高度及氣象條件而變化(3)表壓力(pb):

pb=pi-pd，壓力測量儀表的指示值(4)真空度(負(fù)壓，pz)：絕對壓力小于大氣壓力時，表壓力為負(fù)值，其絕對值為真空度。即：pz=pd–pi(5)差壓(壓差)：任意兩處壓力之差第三頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/234各種壓力表示法之間的關(guān)系：絕對零壓力絕對壓力1大氣壓力表壓力絕對壓力2負(fù)壓力(真空度)差壓pb=pi-pdpz=pd–pi絕對壓力3第四頁，共五十八頁，2022年，8月28日溫標(biāo)的傳遞2023/2/2353.壓力的計量單位

壓力是力和面積的導(dǎo)出量。國際單位制中，

力F的單位——牛頓(N)，

面積S的單位——米2(m2)，

壓力p單位——牛頓/米2(N/m2)常用單位：帕斯卡或帕(Pa)（1Pa＝1N/m2）、工程大氣壓(kgf/cm2)、毫米水柱(mmH2O)、毫米汞柱(mmHg)

第五頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/236特點：原理：

基于重力平衡原理。將被測壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度或平衡重物的重量來測量。(2)

測量范圍寬，如單活塞壓力計測量范圍達(dá)0.04～2500MPa、精度高(±0.01%)、性能穩(wěn)定可靠;如液柱式壓力計、活塞式壓力計。二、壓力檢測的常用方法1.重力平衡法(1)

適用于測量正壓、負(fù)壓和絕對壓力，測壓上限高，用作校驗儀表；(3)

結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。第六頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2372.彈性力平衡法原理：特點：利用彈性元件彈性變形的特性，變形產(chǎn)生的彈性力與被測壓力相平衡，測變形即可知壓力。(1)

可測壓力、負(fù)壓、絕對壓力和壓差；(2)

類型多，應(yīng)用廣。如彈簧管式壓力計、波紋管差壓計等。第七頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2383.物性測量法應(yīng)變式、壓電式、電容式壓力傳感器等原理:在壓力作用下，測壓元件的某些物理特性會發(fā)生與壓力成確定關(guān)系的變化。被測壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電參量測量。分類:第八頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2394.機械力平衡法原理：特點：將被測壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成一個集中力，用外力與之平衡，通過測量外力得到被測壓力。(2)

可達(dá)較高的精度；(1)

多用于電動和氣動組合儀表中；(3)

結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。第九頁，共五十八頁，2022年，8月28日根據(jù)流體靜力學(xué)原理，流體內(nèi)的某一點的靜壓力，由這一點的高度、流體的密度和外加壓力決定。一般是采用充有水或水銀等液體的玻璃U形管、單管或斜管進(jìn)行壓力測量的，其結(jié)構(gòu)形式如圖所示。3.2液柱式壓力計p=gh+pd第十頁，共五十八頁，2022年，8月28日一、U型管壓力計一般常由一支U型玻璃管構(gòu)成。充液介質(zhì)：水銀、水、酒精等2023/2/2311p0

p0

p1

p0

a）在U型管兩端同時通大氣，而未接被測壓力時，U型管兩邊管內(nèi)的液面高度相等。

b）當(dāng)將U型管的一端接入被測壓力p1后，如果p1大于p0，則U型管兩邊管內(nèi)的液面就會產(chǎn)生高度差，這個液柱的高度差就反映了U型管兩端所受壓力的差值。第十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日被測壓力用表壓p=p1-pd表達(dá)，則有：由于一旦U型管內(nèi)的充入介質(zhì)確定，則、g均為常數(shù)。所以h可以直接反映被測壓力p的大小，此即為U型管測壓的基本原理。應(yīng)用范圍:適用于低壓、負(fù)壓和壓力差，讀數(shù)誤差可達(dá)1mm，測低壓相對誤差較大。第十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、單管壓力計1.原理：同U型管壓力計2.結(jié)構(gòu)：杯徑較管徑大得多

3.特點：由于杯徑>>管徑，所以h1>>h2,則hh1,即：杯內(nèi)的液位變化可忽略不計。一次性讀數(shù)，使用方便。而U型管壓力計要兩次讀數(shù)。4.應(yīng)用范圍：測量低壓、負(fù)壓和差壓5.讀數(shù)誤差：0.5mm，較U型管好，第十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日三、斜管壓力計1.結(jié)構(gòu)：將單管壓力計的玻璃管制成斜管2.表壓：p=Lgsin3.特點：靈敏度高，誤差較單管壓力計小第十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日四、液柱測壓中應(yīng)考慮的問題1、誤差

a）主要的測量誤差是讀數(shù)誤差。直接讀：1mm左右，光學(xué)放大鏡輔助讀：

0.05mm左右

b）其它影響測量結(jié)果的因素：①充液密度（如充液不純，實際密度與理論密度不符）②標(biāo)尺刻度誤差③毛細(xì)管的吸附作用（對微壓有影響）④使用的地點及環(huán)境溫度影響等（地點影響g，溫度易影響工作液體的脹、縮而致使h變化），必要時應(yīng)作修正。⑤應(yīng)垂直安裝，否則引入附加誤差。第十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日2、正確選擇充液介質(zhì)①測低壓充低密度介質(zhì)（可使h大）②測高壓充高密度介質(zhì)（否則冒頂）③要避免充液與被測介質(zhì)有化學(xué)反應(yīng)3、常用的標(biāo)尺材料：

玻璃、鋼、銅4、讀數(shù)的位置（見右圖）

1）眼與液柱面水平

2）水銀柱讀凸部

3）水讀凹部第十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/23173.3彈性元件及彈性壓力表利用彈性元件受壓變形的原理。用指針或刻度尺給出壓力示值感受壓力，產(chǎn)生變形(核心部分)調(diào)整儀表的零點和量程將彈性元件的變形進(jìn)行變換和放大彈性元件變換放大機構(gòu)指示機構(gòu)調(diào)整機構(gòu)彈性壓力表組成：被測壓力第十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2318一、測壓彈性元件1.常用彈性元件：彈簧管、彈性膜片、波紋管彈簧管單圈彈簧管多圈彈簧管原理：被測壓力作用于彈性元件時，彈性元件產(chǎn)生變形，即彈性元件將壓力轉(zhuǎn)換成位移?？蓽y量正、負(fù)壓，但一般不測差壓彈性特性是自由端的位移量與所加壓力的關(guān)系。第十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2319彈簧管放大圖當(dāng)被測壓力p增大時，彈簧管撐直，通過齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動電位器的電刷產(chǎn)生角位移。第十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2320

彈性膜片彈性特性是中心位移與壓力的關(guān)系。平膜片波紋膜片撓性膜片測力彈簧第二十頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2321波紋管彈性特性是封閉端位移與壓力的關(guān)系。（1）使用應(yīng)在線性段，可內(nèi)加螺旋彈簧改善特性（2）用波紋管作彈性元件的壓力計，一般用于測量較低壓力或壓差。注意第二十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/23222.材料彈性元件常用的材料有銅合金、彈性合金、不銹鋼等，不同的材料適用于不同的測壓范圍和被測介質(zhì)。近年來隨著新材料的出現(xiàn)和發(fā)展，半導(dǎo)體硅材料得到了更多的應(yīng)用。第二十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2323結(jié)構(gòu)工作過程接頭自由端拉桿扇形齒輪中心齒輪指針偏轉(zhuǎn)指示壓力消除兩嚙合齒輪間隙，減小儀表變差調(diào)整儀表機械零點改變機械傳動的放大系數(shù)，調(diào)整儀表量程被測壓力二、彈簧管壓力計（波登管）第二十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2324特點

結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低；測壓范圍寬，可測量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓，應(yīng)用廣泛；精確度可達(dá)±0.1級。優(yōu)點：缺點：只能就地指示，是現(xiàn)場直讀式儀表。第二十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2325三、波紋管差壓計

結(jié)構(gòu)

測量機構(gòu)：波紋管(1、10)、量程彈簧組(11)和扭力管(6)等第二十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/23自動檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)26工作過程

差壓信號低壓波紋管自由端帶動連桿右移擋板推動擺桿扭力管逆時針偏轉(zhuǎn)芯軸逆時針轉(zhuǎn)顯示機構(gòu)第二十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2327壓力傳感器的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)第二十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2328

在測壓點附近的壓力敏感件上面，附帶有將位移變換為輸出電信號的裝置，通過電信號的傳輸，將壓力指示和記錄下來。四.彈性測壓計信號的遠(yuǎn)傳方式采用電遠(yuǎn)傳方式常用的轉(zhuǎn)換方式：電位器式、霍爾元件式、電感式、差動變壓器式。第二十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2329電位器式彈性元件的輸出位移變?yōu)殡娢黄骰瑒佑|點的位移，被測壓力的變化就轉(zhuǎn)換成電位器阻值的變化。特點：原理：將電位器與其它電阻組成一個電橋，當(dāng)電位器阻值變化時，電橋輸出電壓就變化。簡單、線性輸出較好，但滑線電位器易磨損腐蝕，結(jié)構(gòu)可靠性較差。第二十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2330霍爾元件式原理：霍爾效應(yīng)：霍爾元件圖霍爾效應(yīng)原理圖B霍爾電勢VH控制電流I-++-基于半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)，將自由端的位移通過霍爾元件轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。第三十頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2331SN霍爾元件輸出的電勢對應(yīng)于自由端位移，給出被測壓力值。特點：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高，壽命長。對外部磁場敏感，耐振性差。局部放大圖見右圖第三十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/23323.4壓阻、壓電式壓力計壓力傳感器：能夠檢測壓力值并能提供遠(yuǎn)傳信號的裝置。結(jié)構(gòu)形式：壓阻式、壓電式、應(yīng)變式、電容式、光電式、光纖式等許多種。第三十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2333二、壓阻式壓力傳感器原理：基于半導(dǎo)體材料的“壓阻效應(yīng)”——當(dāng)半導(dǎo)體的某一軸向受外力作用時，原子點陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率及密度的變化，從而引起電阻率的變化。結(jié)構(gòu)：用集成工藝直接在硅平膜片上按照一定晶向制成擴散壓敏電阻。工作原理：硅平膜片在微小變形時有良好的彈性特性，當(dāng)硅片受壓后，它的變形使擴散電阻的阻值發(fā)生變化。其相對電阻變化可表示為：其中，πe為壓阻系數(shù)，σ為應(yīng)力。第三十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2334測量電路-電橋：特點:靈敏度高，頻率響應(yīng)高；結(jié)構(gòu)比較簡單，可小型化；可用于靜、動態(tài)壓力測量；應(yīng)用廣泛，測量范圍寬，可測低至10Pa的微壓到高至60MPa的高壓；精度高±0.2%～±0.02%。R1R2R3R4IS第三十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2335二、壓電式壓力傳感器壓電效應(yīng)：壓電材料受到外力作用時，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，表面上還會有電荷出現(xiàn)，形成電場；當(dāng)外力去除后，材料回復(fù)到原來的狀態(tài)的現(xiàn)象。在彈性范圍內(nèi)，壓電元件產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈現(xiàn)線性關(guān)系：Q=kSp

式中，Q為電荷量；k為壓電常數(shù)；S為作用面積；p為壓力。工作原理：壓電材料（石英、壓電陶瓷、鈦酸鋇）的壓電效應(yīng)將被測壓力轉(zhuǎn)換為電信號。動態(tài)壓力檢測中常用傳感器，不適宜測量緩變化的壓力和靜態(tài)壓力。第三十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2336結(jié)構(gòu)：電荷量經(jīng)放大可轉(zhuǎn)為電壓或電流輸出。測量一般配有電荷放大器，以增加輸出?？赏ㄟ^更改壓電元件改變測量范圍?？梢酝ㄟ^疊加壓電元件以提高靈敏度。特點:可作動態(tài)測量，不適合于靜壓力和慢變化的壓力的測量,體積小，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠；頻率響應(yīng)高，不需外加電源；測量范圍寬，可測100MPa以下的壓力；測量精度較高。第三十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2337三、應(yīng)變式壓力傳感器組成：應(yīng)變元件+彈性元件應(yīng)變元件的工作原理：導(dǎo)體和半導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變效應(yīng)：即導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化。實際的電阻應(yīng)變片通常是一根電阻絲被彎曲而并行地排成柵形，貼在基板上成為電阻柵。第三十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日38應(yīng)變元件與彈性元件的裝配：采用粘貼式或非粘貼式，在彈性元件受力變形時，應(yīng)變元件也發(fā)生形變，其電阻值將有相應(yīng)的改變。2023/2/23彈性元件可根據(jù)被測介質(zhì)和測量范圍的不同而采用各種型式。常見有圓膜片、彈性梁、應(yīng)變筒等。第三十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2339測量方法：

R1,R2是靜態(tài)特性相同的應(yīng)變元件，粘貼在彈性元件的適當(dāng)位置上，R3,R4是另一對電阻，分別接入電橋的4個臂，則電橋的輸出信號可以反映被測壓力的大小。第三十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2340四、電容式壓力傳感器測量原理：將彈性元件的位移轉(zhuǎn)換為電容量的變化。平行板電容器的電容量：

ε為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；A為兩平行板相對面積；d為兩平行板間距。實際測量中，大多采用保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變A

或d

一個參數(shù)的方法，把參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。故有變極距式電容壓力傳感器和變面積式電容壓力傳感器。第四十頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2341結(jié)構(gòu)：變極距式變面積式第四十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2342五、振頻式壓力傳感器工作原理：利用感壓元件本身的諧振頻率與壓力的關(guān)系，通過測量頻率信號的變化來檢測壓力。型式：振筒、振弦、振膜和石英晶體諧振。振筒式壓力傳感器由振筒組件和諧振電路組成。其感壓元件本身具有一定的固有頻率，當(dāng)筒壁受壓后，固有頻率相應(yīng)改變：特點：體積小，輸出頻率信號，重復(fù)性好，耐振；精確度高，為±0.1%和±0.01%；測量范圍寬；適于氣體測量。第四十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2343六、集成式壓力傳感器集成化傳感器。如以壓阻式壓力傳感器為基礎(chǔ)的集成傳感器可同時檢測差壓、靜壓和溫度。(通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換后由微處理器進(jìn)行相應(yīng)的處理和顯示)第四十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日3.5壓力表的選擇、安裝和校準(zhǔn)一、壓力表的選擇

選擇選擇合適的儀表主要根據(jù)生產(chǎn)過程提出的要求，結(jié)合各類壓力表的特點綜合考慮。一般涉及類型、測量范圍和測量精度等方面。

應(yīng)滿足生產(chǎn)過程的要求，要了解被測介質(zhì)情況、現(xiàn)場環(huán)境及生產(chǎn)過程對儀表的要求，如信號是否需要遠(yuǎn)傳、控制、記錄或報警等。類型的選擇第四十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/23451）在測穩(wěn)壓時，最大被測壓力不超過測量上限值的2/3；2）在測脈動壓力時，最大被測壓力不超過上限值的1/2；3）在測量高壓時，最大被測壓力不超過上限值的3/5。4）一般，壓力的最小值應(yīng)不低于被測量上限值的1/3。根據(jù)被測壓力的最大值和最小值計算出儀表的上下限后，要按壓力儀表的標(biāo)準(zhǔn)系列選定量程。我國壓力儀表測量范圍的標(biāo)準(zhǔn)系列是：0～1、1.6、2.5、4、6、10nkPa（n為整數(shù)）等。測量范圍（量程）

根據(jù)被測壓力的大小及在測量過程中被測壓力變化的情況來選取，選取儀表量程要留有余地。第四十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)允許的最大測量誤差來確定儀表的精度。一般在滿足生產(chǎn)要求的情況下，盡可能選用精度較低、價廉耐用的壓力表?？紤]被測介質(zhì)的性質(zhì)，如溫度、壓力、粘度、腐蝕性、易燃易爆程度等；注意儀表安裝使用時所處的現(xiàn)場環(huán)境條件，如環(huán)境溫度、電磁場、振動等。測量精度其它第四十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2347例題：有一壓力容器在正常工作時壓力范圍為0.4～0.6MPa，要求使用彈簧管壓力表進(jìn)行檢測，并使測量誤差不大于被測壓力的4%，試確定該表的量程和精度等級。解：由題意可知，被測對象的壓力比較穩(wěn)定，設(shè)彈簧管壓力表的量程上限為L上，則根據(jù)最大工作壓力有：根據(jù)最小工作壓力有：

根據(jù)儀表的量程系列，可選用量程范圍為0～1.0MPa的彈簧管壓力表。第四十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2348由題意，被測壓力的最大絕對誤差為：要求所選儀表的最大引用誤差為：按照儀表的精度等級，可選擇1.5級的壓力表。第四十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2349二、壓力檢測系統(tǒng)包括測取壓力的取壓口、傳遞壓力的引壓管路和測量儀表設(shè)置取壓口的原則：選擇能反應(yīng)被測壓力真實情況的取壓口。a）要選擇被測介質(zhì)直線流動的管段部分，不可選擇管路拐彎、分叉、死角或其它易形成漩渦的地方；b）在保證加工方便和不堵塞的情況下，取壓孔徑盡可能小，使流體受到的擾動小，避免在孔內(nèi)形成渦流；1、取壓口的選擇第四十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2350c）測量流動介質(zhì)壓力時，應(yīng)使取壓口與流動方向垂直；d）測量液體壓力時，取壓口應(yīng)在管道下部，使導(dǎo)壓管不積存氣體，測量氣體時，取壓口應(yīng)在管道上部，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存液體。第五十頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/23512、引壓管路的鋪設(shè)

鋪設(shè)原則：a)引壓管的內(nèi)徑一般為6～10mm，長度不得超過50～60m。更長距離時要使用遠(yuǎn)傳式儀表。b)引壓管路水平敷設(shè)時，要保持一定的傾斜度，以避免引壓管中積存液體或氣體，并有利于它們的排出。當(dāng)被測介質(zhì)為液體時，引壓管向儀表方向傾斜；當(dāng)被測介質(zhì)為氣體時，引壓管向取壓口方向傾斜。傾斜度一般大于3%～5%。c)當(dāng)被測介質(zhì)容易冷凝或凍結(jié)時，引壓管路需保溫措施。d)在取壓口與儀表之間要裝切斷閥，以便設(shè)備檢修時使用，切斷閥應(yīng)靠近取壓口。第五十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/2352第五十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日2023/2/23533、測壓儀表的安裝

安裝原則：①壓力計應(yīng)安裝在易于觀測和檢修的地方，儀表安裝處盡量避免振動和高溫。②對于特殊介質(zhì)應(yīng)采取必要的防護(hù)措施。③壓力計與引壓管的連接處，要根據(jù)被測介質(zhì)情況，選擇適當(dāng)?shù)拿芊獠牧稀＂墚?dāng)儀表位置與取壓點不在同一水平高度時，要考慮液體介質(zhì)的液柱靜壓對儀表示值的影響。第五十