壓力檢測儀表及其應(yīng)用

1、壓力檢測儀表及其應(yīng)用壓力測量儀表按工作原理分為液柱式、彈性式、負(fù)荷式和電測式等類型。液壓式壓力測量儀表常稱為液柱式壓力計(jì)，它是以一定高度的液柱所產(chǎn)生的壓力，與被測壓力相平衡的原理測量壓力的。大多是一根直的或彎成 U形的玻璃管，其中充以工作液體。常用的工作液體為蒸餾水、水銀和酒精。因玻璃管強(qiáng)度不高，并受讀數(shù)限制，因此所測壓力一般不超過0.3兆帕。它的特點(diǎn)是。液柱式壓力計(jì)靈敏度高，因此主要用作實(shí)驗(yàn)室中的低壓基準(zhǔn)儀表，以校驗(yàn)工作用壓力測量儀表。由于工作液體的重度在環(huán)境溫度、重力加速度改變時(shí)會發(fā)生變化，對測量的結(jié)果常需要進(jìn)行溫度和重力加速度等方面的修正。彈性式壓力測量儀表是利用各種不同形狀的彈性元件，

2、在壓力下產(chǎn)生變形的原理制成的壓力測量儀表。彈性式壓力測量儀表按采用的彈性元件不同，可分為彈簧管壓力表、膜片壓力表、膜盒壓力表和波紋管壓力表等；按功能不同分為指示式壓力表、電接點(diǎn)壓力表和遠(yuǎn)傳壓力表等。這類儀表的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)實(shí)耐用，測量范圍寬，是壓力測量儀表中應(yīng)用最多的一種。負(fù)荷式壓力測量儀表常稱為負(fù)荷式壓力計(jì)，它是直接按壓力的定義制作的，常見的有活塞式壓力計(jì)、浮球式壓力計(jì)和鐘罩式壓力計(jì)。由于活塞和砝碼均可精確加工和測量，因此這類壓力計(jì)的誤差很小，主要作為壓力基準(zhǔn)儀表使用，測量范圍從數(shù)十帕至2500兆帕。電測式壓力測量儀表是利用金屬或半導(dǎo)體的物理特性，直接將壓力轉(zhuǎn)換為電壓、電流信號或頻率信號

3、輸出，或是通過電阻應(yīng)變片等，將彈性體的形變轉(zhuǎn)換為電壓、電流信號輸出。代表性產(chǎn)品有壓電式、壓阻式、振頻式、電容式和應(yīng)變式等壓力傳感器所構(gòu)成的電測式壓力測量儀表。精確度可達(dá)0.02級，測量范圍從數(shù)十帕至700兆帕不等。壓阻式壓力傳感器是利用半導(dǎo)體材料硅在受壓后，電阻率改變與所受壓力有一定關(guān)系的原理制做的。用集成電路工藝在單晶硅膜片的特定晶向上擴(kuò)散一組等值應(yīng)變電阻，將電阻接成電橋形式。當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)，單晶硅產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變使電阻值發(fā)生與被測壓力成比例的變化，電橋失去平衡，輸出一電壓信號至顯示儀表顯示。一.常用壓力檢測儀表1.液體壓力計(jì)基本原理：根據(jù)流體靜力學(xué)原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度進(jìn)行測量一般

4、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)行壓力測量的常用于低壓、負(fù)壓和差壓的檢測液體壓力計(jì)具有直觀、數(shù)據(jù)可靠、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，它不僅能測表壓、差壓、還能測負(fù)壓、是科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)研究中常用的壓力檢測工具。用U形管只能測量較低的壓力或差壓（不可能將玻璃管做得很長），另外它只能現(xiàn)場指示，壓力值須通過讀數(shù)并進(jìn)行計(jì)算得到，使用不太方便水、酒精和水銀是常用的液體測量范圍： 0-16KPa精度： 1%液體壓力計(jì)的使用 當(dāng)?shù)刂亓铀俣刃拚龎毫τ?jì)應(yīng)垂直安裝使用。如果不能垂直安裝，應(yīng)對讀數(shù)進(jìn)行修正應(yīng)根據(jù)被測介質(zhì)的特性和壓力的測量范圍選擇合適的工作液 在使用時(shí)，被測壓力的瞬時(shí)值不能超過測量范圍2. .彈性

5、式壓力檢測儀表基本原理：用彈性元件作為壓力敏感元件把壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件的位移，并經(jīng)適當(dāng)?shù)臋C(jī)械傳動和放大機(jī)構(gòu)，通過指針指示被測壓力大小的一種壓力表彈性式壓力檢測儀表組成環(huán)節(jié)如下圖所示彈性元件是核心部分，其作用是感受壓力并產(chǎn)生彈性變形在彈性元件與指示機(jī)構(gòu)之間是變換放大機(jī)構(gòu)，其作用是將彈性元件的變形進(jìn)行變換和放大指示機(jī)構(gòu)(如指針與刻度標(biāo)尺)用于給出壓力示值調(diào)整機(jī)構(gòu)用于調(diào)整零點(diǎn)和量程。彈性元件同樣的壓力下，不同結(jié)構(gòu)、不同材料的彈性元件會產(chǎn)生不同的彈性變形。常用的彈性元件有彈簧管、波紋管、薄膜等。其中波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測量；單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓或真空度的測量彈性元件常用的材料

6、有銅合金、彈性合金、不銹鋼等，各適用于不同的測壓范圍和被測介質(zhì)彈簧管壓力表彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格低廉，它測量范圍寬，可以測量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓（可達(dá)1000MPa），儀表的準(zhǔn)確度等級最高為0.1級 被測介質(zhì)的性質(zhì)和被測介質(zhì)的壓力高低決定了彈簧管的材料。對于普通介質(zhì)，當(dāng)p20MPa時(shí)，則采用不銹鋼或合金鋼。對于腐蝕性介質(zhì)，一方面可采用隔離膜和隔離液；另一方面也可采用耐腐蝕的彈簧管材料。如測氨介質(zhì)時(shí)須采用不銹鋼彈簧管，測量氧氣壓力時(shí)，則嚴(yán)禁沾有油脂，以確保安全使用 。3. 波紋管差壓計(jì)和彈簧管壓力表相比，波紋管壓力表的測量范圍較小，一般為0-0.4MPa，儀表的準(zhǔn)確度等級為

7、1.5-2.5級,可以測量差壓。其它彈性式壓力表膜盒壓力表主要用于測量較低壓力或負(fù)壓的氣體壓力，壓力測量范圍為20-40kPa，儀表的準(zhǔn)確度等級一般為1.5-2.5級。膜片壓力表的工作原理與膜盒壓力表相近，測量準(zhǔn)確度也差不多，但膜片壓力表的可測壓力范圍較寬，最高可達(dá)2.5MPa。另外，作為彈性元件的膜片常常和其他轉(zhuǎn)換元件一起使用構(gòu)成電遠(yuǎn)傳式壓力儀表。 4.電遠(yuǎn)傳式壓力檢測儀表基本原理：也是利用彈性元件作為敏感元件，但在儀表中增加了轉(zhuǎn)換元件（或裝置）和轉(zhuǎn)換電路能將彈性元件的位移轉(zhuǎn)換為電信號輸出，實(shí)現(xiàn)信號的遠(yuǎn)傳。電遠(yuǎn)傳式壓力儀表常稱壓力傳感器；如果輸出的電信號為標(biāo)準(zhǔn)的電流或電壓信號，則稱為壓力變送

8、器。力平衡式壓力變送器力平衡是力矩平衡的簡稱。根據(jù)輸出信號的不同有氣動壓力變送器和電動壓力變送器。氣動壓力變送器使用140kPa的空氣壓力作為氣源，其輸出為20-100kPa的空氣壓力信號。（氣動單元組合儀表QDZ)電動壓力變送器又有（電動單元組合儀表）DDZ型和DDZ型兩種，前者使用220V交流電壓，輸出為0-10mA的電流信號；后者使用24V直流電源，輸出為4-20mA的電流信號電容式基本原理：電容式壓力傳感器采用變電容測量原理，將由被測壓力引起的彈性元件的位移變形轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓脺y量電容的方法測出電容量，便可知道被測壓力的大小。 式中為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；A為兩平行板相對面積；

9、d 為兩平行板間距。變極距式電容壓力傳感器變面積式電容壓力傳感器電容式計(jì)主要由測量膜片（金屬彈性膜片）、鍍金屬的凹形玻璃球面及基座組成。測量膜片左右空間被分隔成兩個(gè)室，其中充滿硅油。測量膜片在焊接前加有預(yù)張力，當(dāng)兩邊的壓力相等時(shí)，處于中間平衡位置，此時(shí)定極板左右兩電容的電容值完全相等。測量電路差動變極距式電容壓力傳感器 改變電容兩平行板間距 d 的測量方式有較高的靈敏度，但當(dāng)位移較大時(shí)非線性嚴(yán)重。采用差動電容法可以改善非線性、提高靈敏度、并可減小因受溫度影響引起的不穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，靈敏度高，過載能力大；精度高，其精確度可達(dá)0.25-0.05；可以測量壓力和差壓。變面積式電容壓力傳感器霍爾式測壓

10、原理：利用霍爾片式傳感器實(shí)現(xiàn)壓力-位移-霍爾電勢的轉(zhuǎn)換?；魻栃?yīng)：把一塊霍爾元件置于均勻磁場中，并使霍爾片與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向垂直，在沿著霍爾片的左右兩個(gè)縱向端面上通入恒定的控制電流I，則會在霍爾片的兩個(gè)橫向端面之間形成電位差VH，此電位差稱為霍爾電勢。電感式 首先用彈性元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件的位移，再用電學(xué)的方法將位移轉(zhuǎn)換成自感或互感系數(shù)的變化，最后由測量電路轉(zhuǎn)換成與被測壓力成正比的電流或電壓輸出。在壓力測量中，差動變壓器應(yīng)用比較廣泛。一般采用直接把兩個(gè)二次線圈反向串接的方法，這種情況下空載輸出電壓等于二次側(cè)線圈感應(yīng)電動勢之差。測量電路諧振式 依靠被測壓力改變彈性元件或與彈性元件相連的

11、振動元件的諧振頻率，經(jīng)過適當(dāng)?shù)碾娐份敵雒}沖頻率信號或電流（電壓）信號。根據(jù)諧振原理的不同，諧振式壓力傳感器有振弦式、振膜式及振筒式幾種 振弦的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，使振弦的振動頻率相應(yīng)地變化。振弦的自振頻率取決于其長度、材料密度和內(nèi)應(yīng)力。 T張力，l 振弦長度，振弦線密度5.物性型壓力檢測儀表基本原理：基于物質(zhì)定律基礎(chǔ)上的，敏感元件感受被測壓力，并將壓力的大小轉(zhuǎn)換成敏感元件的某個(gè)物理量輸出。由于該物理量常常是一種電量信號，因此這類傳感器也是電遠(yuǎn)傳式的。主要有應(yīng)變式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器和壓電式壓力傳感器等。應(yīng)變式 電阻應(yīng)變片能將元件所受的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。利用應(yīng)變片作為敏感元件的壓力傳感器

12、稱為應(yīng)變式壓力傳感器測量電路單一式為了使應(yīng)變片能在受壓力作用時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變片一般要和彈性元件一起使用電阻溫度系數(shù)補(bǔ)償由于應(yīng)變式壓力傳感器的響應(yīng)速度較快，故這種壓力傳感器較多地用于一般要求的動態(tài)壓力檢測。壓阻式 當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受力作力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其電阻值的變化主要是壓阻效應(yīng)（電阻率的變化）引起的，這種半導(dǎo)體應(yīng)變片也稱壓阻元件，由此構(gòu)成的壓力傳感器稱壓阻式壓力傳感器。壓阻式壓力傳感器的特點(diǎn):體積小，結(jié)構(gòu)簡單，易于微小型化，目前國內(nèi)生產(chǎn)出直徑1.8-2mm的壓阻式壓力傳感器靈敏度高，頻率響應(yīng)高測量范圍寬，可測低至10Pa的微壓到高至60MPa的 高壓 精度高，工作可靠，其精度可達(dá)0.2-0.02

13、需進(jìn)行溫度補(bǔ)償，固態(tài)壓力傳感器，集成壓力傳感器壓電式 壓電元件受壓時(shí)會在其表面產(chǎn)生電荷，其電荷量與所受的壓力成正比。利用壓電元件構(gòu)成的壓力傳感器稱為壓電式壓力傳感器 壓電式壓力傳感器特點(diǎn):體積小，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工作可靠測量范圍寬，可測100MPa以下的壓力測量精度較高線性度好頻率響應(yīng)高，可達(dá)30KHz，是動態(tài)壓力檢測中常用的傳感器由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力。智能差壓（壓力）變送器在普通壓力傳感器上增加微處理器，特點(diǎn)：具有遠(yuǎn)程通訊的功能依靠手操通信器，用戶可在現(xiàn)場或控制室設(shè)定變送器各種參數(shù)使用維護(hù)方便長期穩(wěn)定工作二.儀表的選用1)儀表類型的選擇壓力檢測儀表的選

14、用是一項(xiàng)重要工作.類型的選擇必須從生產(chǎn)工藝要求、被測介質(zhì)的性質(zhì)、使用環(huán)境條件等方面綜合考慮，要考慮生產(chǎn)工藝是否要求壓力信號現(xiàn)場指示、遠(yuǎn)傳、報(bào)警、自動記錄;被測介質(zhì)有無腐蝕性、溫度大小、溫度與壓力高低、易燃易爆情況、是否易結(jié)品等;現(xiàn)場環(huán)境條件如振動、電磁場、腐蝕性、高低溫等問題.正確選用儀表類型是保證儀表正常工作及生產(chǎn)安全進(jìn)行的主要前提，如果選用不當(dāng)，不僅不能正確、及時(shí)地反映被測對象壓力的變化，還可能引起事故.所以選用時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況，全面考慮，并本著節(jié)約的原則合理地考慮儀表的覽程、精度、類型等。選用時(shí)主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面。(1)儀表的材料.壓力檢測的特點(diǎn)是壓力敏感元件往往要與被測介質(zhì)直接接觸

15、，因此在選擇儀表材料的時(shí)候要綜合考慮儀表的工作條件。例如，對腐蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)應(yīng)使用像不銹鋼之類的彈性元件或敏感元件;氨用壓力儀表則要求儀表的材料不允許采用銅或銅合金.因?yàn)榘睔鈱︺~的腐蝕性極強(qiáng);氧用壓力儀表在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上可以與丹通壓力儀表完全相同，但要禁油，因?yàn)橛瓦M(jìn)入氧氣系統(tǒng)極易引起爆炸.(2)儀表的輸出信號.對于只需要觀察壓力變化的情況，應(yīng)選用如彈簧管壓力表甚至液柱式壓力計(jì)那樣的直接指示型的儀表;如需將壓力信號遠(yuǎn)傳到控制室或其他電動儀表，則可選用電氣式壓力檢測儀表或其他具有電信號輸出的儀表;如果控制系統(tǒng)要求能進(jìn)行數(shù)字量通信，則可選用智能式壓力檢測儀表。(3)儀表的使用環(huán)境.對爆炸性較強(qiáng)的環(huán)境，

16、應(yīng)選擇防爆型壓力儀表;對于溫度特別高或特別低的環(huán)境，應(yīng)選擇溫度系數(shù)小的敏感元件以及其他變換元件.事實(shí)上，上述壓力表選型的原則也適用于差壓、流量、液位等其他檢測儀表的選型.2） 儀表量程的選擇儀表的量程是指該儀表可按規(guī)定的精確度對被側(cè)對象進(jìn)行測量的范圍，它根據(jù)操作中需要測從的參數(shù)的大小來確定.為了保證敏感元件能在其安全的范圍內(nèi)可靠地工作.也考慮到被測對象可能發(fā)生的異常超壓悄況，對儀表的量程選擇必須留有足夠的余地。一般在被測壓力較穩(wěn)定的情況下，最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的3/4在被測壓力波動較大或測脈動壓力時(shí)，最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的2/3為了保證測量準(zhǔn)確度，最小工作壓力不應(yīng)低于滿量程

17、的1/3當(dāng)被測壓力變化范圍大，最大和最小工作壓力可能不能同時(shí)滿足上述要求時(shí)，選擇儀表量程應(yīng)首先要滿足最大工作壓力條件目前我國出廠的壓力（包括差壓）檢測儀表有統(tǒng)一的量程系列，它們是1kPa、1.6kPa、2.5kPa、4.0kPa、6.0kPa以及它們的10n倍數(shù)（n為整數(shù)）3）儀表準(zhǔn)確度等級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(shí)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.另外，在選擇時(shí)應(yīng)堅(jiān)持節(jié)約的原則.只要測量精度能滿足生產(chǎn)的要求，就不必追求過高精度的儀表.壓力檢測儀表的準(zhǔn)確度等級主要根據(jù)允許的最大誤差來確定，即要求儀表的基本誤差應(yīng)小于實(shí)際被測壓力允許的最大絕

18、對誤差。精度等級愈高、價(jià)格愈貴，維護(hù)要求也愈高.所以，工程上應(yīng)在滿足工藝要求的前提下.選用精度較低的儀表.工業(yè)用壓力儀表一般選1-4級，精密測量或校驗(yàn)用的壓力儀表應(yīng)在0.4級以上。另外，在選擇時(shí)應(yīng)堅(jiān)持節(jié)約的原則，只要儀表的準(zhǔn)確度能滿足生產(chǎn)的要求，就不必追求用過高準(zhǔn)確度等級的儀表準(zhǔn)確度等級：，0.05,0.1,0.25,0.35,0.5,1.0,1,5,2.5,如何根據(jù)量程和精度選擇壓力表首先，是對量程的選擇。標(biāo)準(zhǔn)表的使用，一般不得超過測量上限的75%（即全量程3/4刻度處）；標(biāo)準(zhǔn)表的測量上限應(yīng)比被檢表的測量上限高1/3，求算公式為 標(biāo)準(zhǔn)表的測量上限=被檢表測置上限+1/3x被檢表測量上限或?qū)懗?/p>

19、標(biāo)準(zhǔn)表的測量上限=被檢表測量上限(1+1/3)例： 被檢壓力表為10kgf/cm，應(yīng)選用測量上限為多少kgf/cm的標(biāo)準(zhǔn)壓力表？解：標(biāo)準(zhǔn)壓力表的測量上限=10kgf/cmx（1+號）= 13.33kgf/cm答：應(yīng)選用測量上限為16kgf/cm的標(biāo)準(zhǔn)壓力表。由于求算后所得的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)表量程的測量上限不符，實(shí)際工作中一般不進(jìn)行計(jì)算，都選用比被檢表大一檔量程的標(biāo)準(zhǔn)表。其次是對精度等級的選擇：按檢定規(guī)程中規(guī)定：“標(biāo)準(zhǔn)器基本誤差絕對值，不應(yīng)超過被檢壓力表基本誤差絕對值的1/3?！币簿褪钦f，標(biāo)準(zhǔn)表的精度應(yīng)高于被檢表3倍，標(biāo)準(zhǔn)表的級數(shù)應(yīng)小于被檢表的1/3。三.壓力檢測系統(tǒng) 一個(gè)完整的壓力檢測系統(tǒng)包括：取壓

20、口（在被測對象上開設(shè)的專門引出介質(zhì)壓力的孔或裝置）；引壓管路（連接取壓口與壓力儀表引壓入口的管路，使被測壓力傳遞到壓力儀表）和壓力檢測儀表。取壓口 取壓口要具有代表性，能真實(shí)地反映被測對象壓力的變化。取壓口位置在選擇時(shí)要盡可能方便引壓管路和壓力儀表的安裝與維護(hù)，同時(shí)還應(yīng)遵循以下原則：取壓口位置要選在被測介質(zhì)直線流動的管段或容器的壁面部分，不要靠近管路中有阻力件或容器的死角附近 取壓口開孔的軸線應(yīng)垂直被測設(shè)備的壁面，其內(nèi)端面與設(shè)備內(nèi)壁平齊，以保證測取的是流體的靜壓信號引壓管路 引壓管路的敷設(shè)應(yīng)保證壓力傳遞的實(shí)時(shí)、可靠和準(zhǔn)確 引壓管路的內(nèi)徑一般為6-10mm，長度不得超過50m。引壓管路越長，介質(zhì)

21、的粘度越大（或含雜質(zhì)越多），引壓管的內(nèi)徑要求越大引壓管路水平敷設(shè)時(shí)，要保持1：10-1：20的傾斜度。被測介質(zhì)為液體時(shí)，從引壓管到儀表方向向下傾斜；介質(zhì)為氣體時(shí)，則向上傾斜當(dāng)被測介質(zhì)為易冷凝易結(jié)晶易凝固流體時(shí)，引壓管路需有保溫伴熱措施 壓力(差壓)檢測儀表的檢定和校準(zhǔn)必需檢定和校準(zhǔn)。臨時(shí)使用的儀表也應(yīng)定期檢定， 儀表在使用之前。其周期應(yīng)視使用頻繁水平和重點(diǎn)水平而定。當(dāng)儀表帶有遠(yuǎn)距離傳送系統(tǒng)及二次儀表時(shí)，應(yīng)連同二次儀表一起檢定、校準(zhǔn)。四.壓力檢測儀表的安裝注意事項(xiàng)進(jìn)行壓力檢測，實(shí)際上需要一個(gè)測量系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。要做到準(zhǔn)確測量，除對儀表進(jìn)行正確選擇和檢定（校準(zhǔn)）外，還必須注意整個(gè)系統(tǒng)的正確安裝。如果只是儀表本身準(zhǔn)確，其示值并不能完全代表被測介質(zhì)的實(shí)際參數(shù)，因?yàn)闇y量系統(tǒng)的誤差并不等于儀表的誤差。系統(tǒng)的正確安裝包括取壓口的開口位置、連接導(dǎo)管的合理鋪設(shè)和儀表安裝位置的正確等。1取壓口的位置選擇（1）避免處于管路彎曲、分叉及流束形成渦流的區(qū)域。（2）當(dāng)管路中有突出物體（如測溫組件）時(shí)，取壓口應(yīng)取在其前面。（3）當(dāng)必須在調(diào)節(jié)閥門附近取壓 時(shí)，若取壓口在其前，則與閥門距離應(yīng) 不小于2倍管徑；若取壓口在其后，則 與閥門距離應(yīng)不小于3倍管徑。（4）對 于寬廣容器，取壓