第三章第三節(jié)壓力檢測儀表

3.3壓力檢測主要內(nèi)容壓力概念、單位及壓力檢測方法常用的壓力檢測儀表**測壓儀表的使用及壓力檢測系統(tǒng)2023/2/6過程參數(shù)測量儀表23.3壓力單位及壓力檢測方法一、壓力(pressure)概念及單位定義單位壓力單位還有工程大氣壓、物理大氣壓、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、毫米汞柱、毫米水柱、巴等。垂直均勻地作用于單位面積上的力，用p表示。“帕斯卡”簡稱“帕”，符號Pa，1Pa=1N/m2。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表3工程大氣壓

(engineering

atmosphericpressure)

：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(normalatmosphericpressure)：0℃時，水銀密度為13.5951g/cm3,在標(biāo)準(zhǔn)重力加速度980.665cm/s2下，高760mm水銀柱對底面的壓力。每平方厘米面積上垂直作用1kg力壓力。3.3壓力單位及壓力檢測方法一、壓力概念及單位2023/2/6過程參數(shù)測量儀表4二、壓力的幾種表示方法絕對壓力(Pi)大氣壓力(Pd)表壓力(Pb)被測介質(zhì)作用在容器表面積上的全部壓力，用絕對壓力表測量。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，用氣壓計（barometer）測定。pb=pi-pd壓力測量儀表測得的壓力值都是此值。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表5二、壓力的幾種表示方法真空度(Pz)差壓絕對壓力小于大氣壓力時，表壓力絕對值為真空度，即：pz=pd–pi用真空表（vacuummeter）測量。設(shè)備中兩處的壓力之差稱為差壓。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表6圖示各種壓力表示法之間的關(guān)系：絕對零壓力絕對壓力大氣壓力表壓力絕對壓力負(fù)壓力(真空度)差壓pb=pi-pdpz=pd–pi絕對壓力2023/2/6過程參數(shù)測量儀表7三、壓力檢測的主要方法及分類1.重力平衡法液柱式壓力計特點(diǎn)：原理：基于液體靜力學(xué)原理。(3)缺點(diǎn)：不易遠(yuǎn)傳，填充液為水銀，有毒，且玻璃管易碎。如U形管壓力計。(1)基本特點(diǎn)：適用于低壓、負(fù)壓和壓力差的測量，上限0.1～0.2MPa；精度達(dá)±0.02%～±0.15%，可用作標(biāo)準(zhǔn)儀器；(2)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，價格低；2023/2/6過程參數(shù)測量儀表8負(fù)荷式壓力計特點(diǎn)：原理：

基于重力平衡原理。將被測壓力轉(zhuǎn)換為平衡重物的重量來測量。(2)優(yōu)點(diǎn)：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;如活塞式壓力計。三、壓力檢測的主要方法及分類1.重力平衡法(1)基本特點(diǎn)：適用于測量正壓、負(fù)壓和絕對壓力，測壓上限高,多用作校驗(yàn)儀表；(3)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表9三、壓力檢測的主要方法及分類2.機(jī)械力平衡法原理：特點(diǎn)：

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)優(yōu)點(diǎn)：可達(dá)較高的精度；(1)基本特點(diǎn)：多用于電動和氣動組合儀表中；(3)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表103.彈性力平衡法**原理：特點(diǎn)：

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)基本特點(diǎn)：可測壓力、負(fù)壓、絕對壓力和壓差；三、壓力檢測的主要方法及分類(2)優(yōu)點(diǎn)：類型多，應(yīng)用廣。彈簧管式壓力計、波紋管差壓計等。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表11三、壓力檢測的主要方法及分類4.物性測量法

電測式壓力計（利用壓阻、壓電或其它物理特性將壓力轉(zhuǎn)換為各種電量）；其它新型壓力計（集成式壓力計和光纖壓力計）。原理:

在壓力作用下，測壓元件的某些物理特性會隨之發(fā)生變化的特性。適用于測量壓力變化快和高真空、超高壓的場合。分類:2023/2/6過程參數(shù)測量儀表123.3.2常用壓力檢測儀表**————利用彈性元件受壓變形的原理。一、彈性壓力計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(diǎn)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(jī)構(gòu)指示機(jī)構(gòu)調(diào)整機(jī)構(gòu)彈性壓力計組成：被測壓力2023/2/6過程參數(shù)測量儀表131、測壓彈性元件1)種類——彈性膜片、波紋管、彈簧管

彈性膜片(elasticityfilm)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2023/2/6過程參數(shù)測量儀表141.測壓彈性元件波紋管(ripplepipe)彈性特性是封閉端位移與壓力在一定的范圍內(nèi)成線性關(guān)系。1)種類

注意：（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。思考題1：一般用于測量較低壓力或壓差？2023/2/6過程參數(shù)測量儀表151.測壓彈性元件1)種類

彈簧管(springpipe)彈性特性是自由端的位移量與所加壓力的關(guān)系。單圈彈簧管多圈彈簧管2023/2/6過程參數(shù)測量儀表16彈性敏感元件（彈簧管）

敏感元件在傳感器中直接感受被測量，并轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的非電量。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表17彈性敏感元件（彈簧管）

在下圖中，彈簧管將壓力轉(zhuǎn)換為角位移α2023/2/6過程參數(shù)測量儀表18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。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表19其他各種彈性敏感元件

在上圖中的各種彈性元件也能將壓力轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表201.測壓彈性元件2)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。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表21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(jī)械零點(diǎn)改變機(jī)械傳動的放大系數(shù)，調(diào)整儀表量程被測壓力2.彈簧管壓力計（波登管）2023/2/6過程參數(shù)測量儀表22特點(diǎn)

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。2.彈簧管壓力計優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：

只能測量表壓和負(fù)壓；只能就地指示，是現(xiàn)場直讀式儀表。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表233.波紋管差壓計結(jié)構(gòu)測量機(jī)構(gòu)包括波紋管（1、10）、量程彈簧組（11）和扭力管（6）等。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表243.波紋管差壓計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(jī)構(gòu)2023/2/6過程參數(shù)測量儀表253.波紋管差壓計原因：方法：裝配平衡附件思考題2∶為什么波紋管要避免單側(cè)壓力過載？

差壓計儀表所引入的差壓信號中包含有測點(diǎn)處的工作壓力，又稱背景壓力。所以盡管測量的差壓值不高，但差壓計要經(jīng)受很高的工作壓力。因此要避免單側(cè)壓力過載。截止閥平衡閥阻尼閥2023/2/6過程參數(shù)測量儀表26壓力傳感器的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)2023/2/6過程參數(shù)測量儀表27彈性壓力儀表小結(jié)

結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，便于攜帶，使用和維修方便；測壓范圍寬，可測量負(fù)壓、低壓、中壓和高壓。

基于彈性變形的測壓在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中占有重要地位，同時也是各種先進(jìn)測壓儀表的共同基礎(chǔ)。

彈性測壓儀表通常只能測表壓和負(fù)壓，通常為直讀式測壓儀表，只能就地指示；

在測量壓力變化快和高真空、超高壓時，其動態(tài)和靜態(tài)性能不能適應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)和局限：2023/2/6過程參數(shù)測量儀表28

在測壓點(diǎn)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。4.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(potentiometer)、霍爾(Hall)元件式、電感(inductance)式、差動變壓器式(differencetransformer)。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表291）電位器式(potentiometer)

彈性元件的輸出位移變?yōu)殡娢黄骰瑒佑|點(diǎn)的位移，被測壓力的變化就轉(zhuǎn)換成電位器阻值的變化。4.彈性測壓計信號的遠(yuǎn)傳方式特點(diǎn)：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。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表302）霍爾(Hall)元件式原理：霍爾效應(yīng)：4.彈性測壓計信號的遠(yuǎn)傳方式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。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表31SN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(diǎn)：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2023/2/6過程參數(shù)測量儀表32二、力平衡式壓力計

采用反饋力平衡的原理，反饋力的平衡方式可以是彈性力平衡或電磁力平衡等?；窘Y(jié)構(gòu)如圖。原理：敏感元件力平衡系統(tǒng)偏差檢測器放大器顯示機(jī)構(gòu)反饋力發(fā)生機(jī)構(gòu)感受被測壓力或差壓，并將其轉(zhuǎn)換為位移或力力平衡系統(tǒng)被破壞，偏離原有平衡狀態(tài)檢測平衡狀態(tài)偏差值送入放大器將信號放大并輸出電流或電壓信號輸出與被測壓力或差壓相對應(yīng)的信號反饋力或力矩發(fā)生機(jī)構(gòu)產(chǎn)生反饋力，使儀表處于新平衡2023/2/6過程參數(shù)測量儀表331.應(yīng)變式壓力傳感器組成：應(yīng)變元件與彈性元件配用應(yīng)變元件的工作原理：導(dǎo)體和半導(dǎo)體的“應(yīng)變效應(yīng)”（straineffect）。三、壓力傳感器定義：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：應(yīng)變式、壓阻式、電容式、壓電式、光電式、光纖式等許多種。應(yīng)變效應(yīng)：即導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值將發(fā)生變化。實(shí)際的電阻應(yīng)變片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。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表34應(yīng)變元件的結(jié)構(gòu)：根據(jù)被測介質(zhì)和測量范圍的不同而采用不同的型式，圓膜片(柱式壓力傳感器)、彈性梁和應(yīng)變筒(筒式)。絲狀、片狀或體狀。應(yīng)變絲或應(yīng)變片與彈性元件的裝配：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。測量方法：

采用4個特性相同的應(yīng)變元件，粘貼在彈性元件的適當(dāng)位置上(兩個受拉，兩個受壓)，并分別接入電橋的4個臂，則電橋的輸出信號可以反映被測壓力的大小。彈性元件的選擇：2023/2/6過程參數(shù)測量儀表352.壓阻(piezo-resistance)式壓力傳感器原理：基于半導(dǎo)體的“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(diǎn)陣排列規(guī)律發(fā)生變化導(dǎo)致載流子遷移率及濃度的變化，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(kuò)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(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。其相對電阻變化可表示為：式中πe為壓阻系數(shù)，σ為應(yīng)力。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表36測量電路-電橋：簡單的壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖。杯狀硅膜片上用擴(kuò)散工藝設(shè)有4個阻值相等的電阻，其配置位置按膜片上徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力分布情況確定（與晶體有關(guān)）還可以在電橋上接入一溫度補(bǔ)償電阻特點(diǎn):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，測量范圍在0～0.0005MPa、0～0.002MPa、至0～210MPa；其精確度為±0.2%～±0.02%。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表373.電容(capacitance)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。結(jié)構(gòu)：圖為一種兩室結(jié)構(gòu)。對于差動平板電容器，其電容與板間距變化的關(guān)系可表示為：特點(diǎn):此電容量的變化經(jīng)過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換電路，可以輸出標(biāo)準(zhǔn)信號（4～20mA）。這種傳感器結(jié)構(gòu)堅實(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，儀表測量范圍0～0.00001MPa至0～70MPa。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表38電容式差壓變送器

高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置2023/2/6過程參數(shù)測量儀表39電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1—高壓側(cè)進(jìn)氣口

2—低壓側(cè)進(jìn)氣口

3—過濾片

4—空腔

5—柔性不銹鋼波紋隔離膜片

6—導(dǎo)壓硅油

7—

凹形玻璃圓片

8—鍍金凹形電極

9—彈性平膜片

10—

腔2023/2/6過程參數(shù)測量儀表40各種電容式差壓變送器外形

2023/2/6過程參數(shù)測量儀表41各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）

（參考丹東長隆自控有限公司資料）法蘭2023/2/6過程參數(shù)測量儀表42各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）

2023/2/6過程參數(shù)測量儀表43利用電容差壓變送器

測量液體的液位

差壓變送器施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比：

p=gh2023/2/6過程參數(shù)測量儀表44電容差壓變送器用于測量液體的液位

投入式水位計2023/2/6過程參數(shù)測量儀表455.壓電(piezoelectricity)式壓力傳感器工作原理：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)換為電信號的。它是動態(tài)壓力檢測中常用的傳感器，不適宜測量緩變化的壓力和靜態(tài)壓力。

壓電效應(yīng)：壓電材料（具有壓電效應(yīng)的材料）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。電荷輸出為：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。通過測電荷量可知被測壓力大小。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表46結(jié)構(gòu)：如圖電荷量經(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(diǎn):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0～0.0007MPa至0～70MPa；測量精確度為±1%，±0.2%，±0.06%。但是其輸出阻抗高，需要特殊信號傳輸導(dǎo)線。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表476.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)2023/2/6過程參數(shù)測量儀表483.3測壓儀表的使用及壓力檢測系統(tǒng)一、測壓儀表的使用測量儀表的使用，包括選擇合適的測壓儀表及儀表的校驗(yàn)等方面。

1、測壓儀表的選擇

應(yīng)滿足生產(chǎn)過程的要求，需要了解被測介質(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。

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(diǎn)綜合考慮。一般涉及類型、測量范圍和測量精度等方面。類型的選擇2023/2/6過程參數(shù)測量儀表49

（1）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：-0.1～0.06、0.15kPa和0～1、1.6、2.5、4、6、10×10nkPa（n為整數(shù)）。測量范圍（量程主要由敏感元件決定）

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。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表50

生產(chǎn)過程允許的被測壓力最大絕對誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差，可在規(guī)定的精度等級中確定儀表的精度。同時要注意經(jīng)濟(jì)性，不必追求高精度。工業(yè)用測壓儀表的精度通常在0.5級以下。測量精度

測壓儀表出廠前需進(jìn)行檢定，使之符合精度等級要求。使用中的儀表則應(yīng)定期進(jìn)行校驗(yàn)，以保證測量結(jié)果有足夠的準(zhǔn)確度。2、測壓儀表的校驗(yàn)常用的壓力校驗(yàn)儀器有液柱式壓力計、活塞式壓力計或配有高精度標(biāo)準(zhǔn)表的壓力校驗(yàn)泵。標(biāo)準(zhǔn)儀表的選擇原則

其允許絕對誤差要小于儀表允許絕對誤差的1/3～1/5。被校儀表的讀數(shù)誤差小于規(guī)定誤差，則其是合格的。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表51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為A，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。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表52由題意，被測壓力的允許最大絕對誤差為：要求所選儀表的相對百分誤差為：按照儀表的精度等級，可選擇1.5級的壓力表。2023/2/6過程參數(shù)測量儀表53二、壓力檢測系統(tǒng)

包括取壓口的選取、傳遞壓力的引壓管路和測量儀表，是準(zhǔn)確測量的保證。1、取壓口的選擇

取壓點(diǎn)位置和取壓口形式為真實(shí)反映被測壓力的大小，要合理選取測壓點(diǎn)，注意取壓口形式。設(shè)置取壓點(diǎn)的原則：①取壓點(diǎn)要避開各種局部阻力如管路彎