第五章壓力測量

第五章壓力測量第一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)概述

壓力是重要的熱工參數(shù)之一,正確測量和控制壓力對保證生產(chǎn)工藝過程的安全性和經(jīng)濟性有重要意義。壓力及差壓的測量還廣泛地應(yīng)用在流量和液位的測量中。垂直作用在單位面積上的力稱壓力。在國際單位制（SI）和我國法定計量單位中，壓力的單位是“帕斯卡”，簡稱“帕”，符號為“Pa”。即1N力垂直均勻作用在1m2的面積上所形成的壓力值為1Pa。第二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四

過去采用的壓力單位“工程大氣壓力”（kgf/cm2）、“毫米汞柱”（mmHg）、“毫米水柱”（mmH2O）、“物理大氣壓”（atm）、“巴”（bar）、“PSI”等均應(yīng)改成法定計量單位帕。1kgf/cm2=0.9807×105Pa1mmH2O=0.9807×10Pa1mmHg=1.332×102Pa1atm=1.01325×105Pa1bar=105Pa

1PSI=6.89×103Pa第三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四一、壓力幾種不同表示方法：

(1)絕對壓力指作用于物體表面積上的全部壓力,其零點以絕對真空為基準,又稱總壓力,一般用大寫符號P表示。

(2)大氣壓力指地球表面上的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力,以P0表示。

(3)表壓力絕對壓力與大氣壓力之差,一般用p表示。測壓儀表一般指示的壓力都是表壓力,表壓力又稱相對壓力。

當(dāng)絕對壓力小于大氣壓力,則表壓力為負壓,負壓又可用真空度表示,負壓的絕對值稱為真空度。如測爐膛和煙道氣的壓力均是負壓。

(4)差壓任意兩個壓力之差稱為差壓。如靜壓式液位計和差壓式流量計就是利用測量差壓的大小知道液位和流體流量的大小。第四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四二、壓力檢測方法1.平衡法：通過儀表使液柱高度的重力或砝碼的重量與被測壓力相平衡的原理測量壓力2.彈性法：利用各種形式的彈性元件，在被測介質(zhì)的表壓力或負壓力作用下產(chǎn)生的彈性變形來反映被測壓力的大小3.電氣式：用壓力敏感元件直接將壓力轉(zhuǎn)換成電阻、電荷量等電量的變化第五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四三、壓力測量儀表的分類壓力傳感器從其原理及結(jié)構(gòu)可分為：液柱式、機械式及電氣式測量壓力的儀表，按信號原理不同，大致可分為四類：液柱式：根據(jù)流體靜力學(xué)原理，把被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度；機械式：根據(jù)彈性元件受力變形的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成位移；電氣式：將被測壓力轉(zhuǎn)換成各種電量，如電感、電容、電阻、電位差等，依據(jù)電量的大小實現(xiàn)壓力的間接測量；活塞式：根據(jù)水壓機液體傳送壓力的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞面積上所加平衡砝碼的質(zhì)量。第六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)液柱式壓力計利用液柱對液柱底面產(chǎn)生的靜壓力與被測壓力相平衡的原理，通過液柱高度來反映被測壓力的大小。采用水銀或水為工作液，用U形管或單管進行測量，常用于低壓、負壓或壓力差的檢測。被廣泛用于實驗室壓力測量或現(xiàn)場鍋爐煙、風(fēng)道各段壓力、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)各段壓力的測量。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，有相當(dāng)高的準確度，在本專業(yè)中應(yīng)用很廣泛。缺點：量程受液柱高度的限制，體積大，玻璃管容易損壞及讀數(shù)不方便。第七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四一、U形管壓力計△P=P1－P2=ρg(h1+h2)提高工作液密度將增加壓力的測量范圍，但靈敏度要降低。第八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四

圖所示的U形管內(nèi)裝有一定數(shù)量的液體,U形管一側(cè)通壓力p1,另一側(cè)通壓力p2。當(dāng)p1=p2時,左右兩管液體高度相等。當(dāng)p1大于p2時,兩邊管內(nèi)液面便會產(chǎn)生高度差。根據(jù)液體靜力學(xué)原理可知:Δp=p1-p2=ρgh式中ρ為U形管內(nèi)液體的密度。

當(dāng)P2=B時，P1=B+ρghh反映了被測壓力的大小。第九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四二、單管壓力計由于U形管壓力計需兩次讀取液面高度，為使用方便，設(shè)計出一次讀取液面高度的單管壓力計。因則故由于D>>d，所以P=ρgh2第十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四三、斜管微壓計主要用于測量微小壓力、負壓和壓差，它將單管液柱壓力計的測量管傾斜放置，這樣可以提高靈敏度，減少讀數(shù)相對誤差。第十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四傾斜角度越小，l越長，測量靈敏度就越高；但不可太小，否則液柱易沖散，讀數(shù)較困難，誤差增大，不能小于15°。這種傾斜管液柱式壓力計可以測量到0.98Pa的微壓。為了進一步提高微壓計的精確度，應(yīng)選用密度小的酒精作為工作液體。第十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四四、液柱式壓力計的測量誤差及其修正1.環(huán)境溫度變化2.重力加速度變化3.毛細管現(xiàn)象第十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)彈性式壓力計

用彈性傳感器（又稱彈性元件）組成的壓力測量儀表稱為彈性式壓力計。彈性元件受壓后產(chǎn)生的形變輸出（力或位移），可以通過傳動機構(gòu)直接帶動指針指示壓力（或壓差），也可以通過某種電氣元件組成變送器，實現(xiàn)壓力（或壓差）信號的遠傳。第十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四1．彈性元件

采用不同材料、不同形狀的彈性元件作為感壓元件,可以適用于不同場合、不同范圍的壓力測量。目前廣泛使用的彈性元件有彈簧管、波紋管和膜片等。圖給出了一些常用彈性元件的示意圖。第十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四第十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四測壓原理：彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓后會產(chǎn)生變形，變形大小與被測壓力成正比關(guān)系。

F：軸向外力；A:彈性元件承受壓力的有效面積；P:被測壓力；C：彈性元件的剛度系數(shù)；X:彈性元件的形變位移。

第十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四1）.膜片按剖面形狀分為平膜片和波紋膜片可與其他轉(zhuǎn)換元件合用電容式壓力傳感器光纖式壓力傳感器力矩平衡式壓力變送器2）.波紋管優(yōu)點：靈敏高，可測較低壓力缺點：遲滯誤差較大，精度一般只有1.5級第十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四第十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四3）.彈簧管

截面為非圓形（橢圓形或扁圓形），并彎成圓弧狀的空心管子一端為封閉（自由端），一端為開口（固定端）第二十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四2.彈簧管壓力表彈簧管壓力表在彈性式壓力表中歷史悠久,應(yīng)用廣泛。1）測壓原理：當(dāng)開口端通入被測壓力后,非圓橫截面在壓力p作用下將趨向圓形,并使彈簧管有伸直的趨勢而產(chǎn)生力矩,其結(jié)果使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移,同時改變中心角。中心角的相對變化量與被測壓力有如下的函數(shù)關(guān)系:第二十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四式中θ-為彈簧管中心角的初始角;Δθ-為受壓后中心角的改變量;R為彈簧管彎曲圓弧的外半徑;h-為管壁厚度;a、b-為彈簧管橢圓形截面的長、短半軸;Κ為幾何常數(shù)（=RH/a2）;α、β-為與比值a/b有關(guān)的參數(shù);μ為彈簧管材料的泊松系數(shù);E為彈性模數(shù)。由上式可知,如果a=b,則Δθ=0,這說明具有均勻壁厚的圓形彈簧管不能用作測壓敏感元件。對于單圈彈簧管,中心角變化量Δθ比較小,要提高Δθ,可采用多圈彈簧管。第二十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四2）彈簧管壓力表彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)如圖所示。被測壓力由接頭9通入,迫使彈簧管1的自由端產(chǎn)生位移,通過拉桿2使扇形齒輪3作逆時針偏轉(zhuǎn),于是指針5通過同軸的中心齒輪4的帶動而作順時針偏轉(zhuǎn),在面板6的刻度標尺上顯示出被測壓力的數(shù)值。第二十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低廉，使用范圍廣，測量范圍寬;可測負壓、微壓、低壓、中壓和高壓;精度有0.5、1.0、1.5、2.5等。第二十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四第四節(jié)電氣式壓力計

為適應(yīng)集中檢測、自動調(diào)節(jié)及使用計算機技術(shù)的需要，希望把彈性元件的輸出——位移或壓力轉(zhuǎn)為統(tǒng)一信號，出現(xiàn)了電氣式壓力計。電氣式壓力檢測方法一般是用壓力敏感元件直接將壓力轉(zhuǎn)換成電阻、電荷量等電量的變化。能實現(xiàn)壓力－電量轉(zhuǎn)換的壓敏元件主要有壓電材料、應(yīng)變片和壓阻元件。第二十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四1.壓電式壓力傳感器壓電效應(yīng)原理：壓電材料受壓時會在其表面產(chǎn)生電荷，其電荷量與所受的壓力成正比。壓電材料：單晶體、多晶體特點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，小巧輕便，工作可靠，線性度好，頻率響應(yīng)高，量程范圍廣第二十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四2.應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變片是基于應(yīng)變效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件，當(dāng)應(yīng)變片受外力作用產(chǎn)生形變時，應(yīng)變片的電阻值也將發(fā)生相應(yīng)變化。應(yīng)變式壓力傳感器是由彈性元件、應(yīng)變片以及相應(yīng)的橋路組成的，利用彈性敏感元件和應(yīng)變計將被測壓力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電阻值變化的壓力傳感器。第二十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四缺點：輸出信號小、線性范圍窄,而且動態(tài)響應(yīng)較差(見電阻應(yīng)變計、半導(dǎo)體應(yīng)變計)。優(yōu)點：應(yīng)變片的體積小,商品化的應(yīng)變片有多種規(guī)格可供選擇，而且可以靈活設(shè)計彈性敏感元件的形式以適應(yīng)各種應(yīng)用場合，所以用應(yīng)變片制造的應(yīng)變式壓力傳感器仍有廣泛的應(yīng)用。分類：按彈性敏感元件結(jié)構(gòu)的不同,應(yīng)變式壓力傳感器大致可分為應(yīng)變管式、膜片式、應(yīng)變梁式和組合式4種。第二十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四3.壓阻式壓力傳感器壓阻元件是基于壓阻效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件，它指在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴散電阻，當(dāng)它受外力作用時，其阻值由于電阻率的變化而改變。擴散電阻正常工作需依附彈性元件，常用的是單晶體硅膜片。優(yōu)點：體積小，結(jié)構(gòu)簡單，能直接反映微小的壓力變化，動態(tài)響應(yīng)好；缺點：敏感元件易受溫度的影響，從而影響壓阻系數(shù)的大小。第二十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四圖是壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。在一塊圓形的單晶硅膜片上,布置四個擴散電阻,組成一個全橋測量電路。膜片用一個圓形硅杯固定,將兩個氣腔隔開。一端接被測壓力,另一端接參考壓力。當(dāng)存在壓差時,膜片產(chǎn)生變形,使兩對電阻的阻值發(fā)生變化,電橋失去平衡,其輸出電壓反映膜片承受的壓差的大小。第三十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四第五節(jié)壓力檢測儀表的選擇與校驗一、壓力檢測儀表的選擇1.儀表量程的選擇被測壓力較穩(wěn)定：最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的3/4；被測壓力波動較大或測脈動壓力：最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的2/3；為保證測量準確度：最小工作壓力不應(yīng)低于滿量程的1/3；優(yōu)先滿足最大工作壓力條件。第三十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四2.儀表精度的選擇壓力檢測儀表的精度主要根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定，即要求實際被測壓力允許的最大絕對誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差。3.儀表類型的選擇從被測介質(zhì)壓力大小來考慮被測介質(zhì)的性質(zhì)對儀表輸出信號的要求使用的環(huán)境第三十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四二、壓力儀表的校驗校驗就是將被校驗壓力表和標準壓力表通以相同壓力，比較它們指示數(shù)值，如果被校表對于標準表的讀數(shù)誤差，不大于被校表規(guī)定最大準許絕對誤差時，則認為被校表合格。常用的校驗儀器是活塞式壓力計，它由壓力發(fā)生部分和測量部分組成，它的精度等級有0.02、0.05和0.2級，可用來校準0.25級精密壓力表，也可校準各種工業(yè)用壓力表，被校壓力的最高值為60MPa。第三十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四第三十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四校驗方法：1.在測量范圍內(nèi)選取3-4個點，選在帶有刻度數(shù)字的大刻度點上；2.均勻增至刻度上限，保持上限壓力3min，將至0，觀察指針的變動情況；3.單方向增至校驗點后度數(shù)，輕敲表殼再讀數(shù)，再單方向?qū)⒅列ｒ烖c校驗，計算誤差。第三十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四三、壓力表的安裝1.取壓口的選擇測量液體：在管道下部取壓測量氣體：在管道上部取壓測量蒸汽：在管道兩側(cè)偏上取壓2.導(dǎo)壓管的鋪設(shè)導(dǎo)壓管是傳遞壓力、壓差信號的，要有3%坡度，長度小于50m。第三十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四3.取壓口管與工質(zhì)流速方向垂直，與設(shè)備內(nèi)壁平齊，無凸起和毛刺。4.防止儀表傳感器與高溫和有害介質(zhì)直接接觸。5.取壓口和壓力表之間要有隔離閥，以備檢修。第三十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四6.壓力、壓差計的安裝第三十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四

差壓變送器可以測量液體、氣體和蒸汽的壓力、壓差及液位等參數(shù),與節(jié)流裝置配合可測量流量。差壓變送器有氣動差壓變送器（輸出20~100KPa壓力信號）和電動差壓變送器（輸出4~20ma或0~10ma標準電流信號）,下面將重點介紹工業(yè)上常用的電動差壓變送器。第六節(jié)差壓變送器第三十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四一、力平衡式差式變送器力平衡式差壓變送器的構(gòu)成方框圖如圖所示,它包括測量機構(gòu)、杠桿力平衡機構(gòu)、位移檢測放大器及電磁反饋機構(gòu)。

力平衡式差壓變送器是基于力矩原理工作的,它是以電磁反饋力產(chǎn)生的力矩去平衡輸入力產(chǎn)生的力矩。由于采用了深度負反饋,因而測量精度較高,而且保證了被測差壓ΔPi和輸出電流I0之間的線性關(guān)系。第四十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四

壓力、差壓變送器結(jié)構(gòu)都一樣,只是彈性元件稍有差別。圖為電動力平衡壓力變送器結(jié)構(gòu)簡圖。被測壓力p作用在測量膜片1上,轉(zhuǎn)換為輸入力作用于主杠桿2的下端。主杠桿以支點膜片3為軸而偏轉(zhuǎn),并以力沿水平方向推動矢量機構(gòu)4。矢量機構(gòu)將水平向左的力變成連桿6向上的力,此力帶動副杠桿7,繞其支點順時針轉(zhuǎn)動,因而使差動變壓器8的銜鐵下移,氣隙變小,銜鐵的位移變化量通過低頻位移檢測放大器9轉(zhuǎn)換并放大為4-20mA的直流電流I0,作為變送器的輸出信號。第四十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四調(diào)節(jié)支點5的水平位置,可改變矢量機構(gòu)的夾角θ,從而能連續(xù)改變兩杠桿間的傳動比,能細調(diào)量程。調(diào)節(jié)彈簧11的張力,可起調(diào)整零點的作用。低頻位移檢測放大器的作用是將副杠桿上銜鐵的微小位移轉(zhuǎn)換成直流輸出電流I0,所以它實際上是一個位移-電流轉(zhuǎn)換器。第四十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四二、電容式差壓變送器電容式差壓變送器是沒有杠桿機構(gòu)的變送器,它采用差動電容作為檢測元件,整個變送器沒有傳動機構(gòu),因而尺寸緊湊,抗振性好,性能穩(wěn)定可靠,具有較高的精度。它可以測量壓力、差壓、絕對壓力、帶開方的差壓（用于測量流量）。第四十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四1．電容式差壓變送器的組成

變送器包括差動電容傳感器和變送器電路兩部份,其構(gòu)成方框圖如圖所示。輸入差壓Δpi作用于差動電容的動極板,使其產(chǎn)生位移,從而使差動電容器的電容量發(fā)生變化。此電容變化量由輸入轉(zhuǎn)換部份變換成直流電流信號,此信號與反饋信號進行比較,其差值送入放大電路,經(jīng)放大得到整機的輸出電流I0。第四十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四2．電容式差壓變送器測量