第五章壓力測(cè)量

第五章壓力測(cè)量第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日第一節(jié)概述

壓力是重要的熱工參數(shù)之一,正確測(cè)量和控制壓力對(duì)保證生產(chǎn)工藝過程的安全性和經(jīng)濟(jì)性有重要意義。壓力及差壓的測(cè)量還廣泛地應(yīng)用在流量和液位的測(cè)量中。垂直作用在單位面積上的力稱壓力。在國(guó)際單位制（SI）和我國(guó)法定計(jì)量單位中，壓力的單位是“帕斯卡”，簡(jiǎn)稱“帕”，符號(hào)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，2022年，8月28日

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(jì)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，2022年，8月28日一、壓力幾種不同表示方法：

(1)絕對(duì)壓力指作用于物體表面積上的全部壓力,其零點(diǎn)以絕對(duì)真空為基準(zhǔn),又稱總壓力,一般用大寫符號(hào)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(duì)壓力與大氣壓力之差,一般用p表示。測(cè)壓儀表一般指示的壓力都是表壓力,表壓力又稱相對(duì)壓力。

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

(4)差壓任意兩個(gè)壓力之差稱為差壓。如靜壓式液位計(jì)和差壓式流量計(jì)就是利用測(cè)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，2022年，8月28日二、壓力檢測(cè)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(cè)壓力相平衡的原理測(cè)量壓力2.彈性法：利用各種形式的彈性元件，在被測(cè)介質(zhì)的表壓力或負(fù)壓力作用下產(chǎn)生的彈性變形來反映被測(cè)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，2022年，8月28日三、壓力測(cè)量?jī)x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(jī)械式及電氣式測(cè)量壓力的儀表，按信號(hào)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(cè)壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度；機(jī)械式：根據(jù)彈性元件受力變形的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成位移；電氣式：將被測(cè)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(shí)現(xiàn)壓力的間接測(cè)量；活塞式：根據(jù)水壓機(jī)液體傳送壓力的原理，將被測(cè)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，2022年，8月28日第二節(jié)液柱式壓力計(jì)利用液柱對(duì)液柱底面產(chǎn)生的靜壓力與被測(cè)壓力相平衡的原理，通過液柱高度來反映被測(cè)壓力的大小。采用水銀或水為工作液，用U形管或單管進(jìn)行測(cè)量，常用于低壓、負(fù)壓或壓力差的檢測(cè)。被廣泛用于實(shí)驗(yàn)室壓力測(cè)量或現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，有相當(dāng)高的準(zhǔn)確度，在本專業(yè)中應(yīng)用很廣泛。缺點(diǎn)：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，2022年，8月28日一、U形管壓力計(jì)△P=P1－P2=ρg(h1+h2)提高工作液密度將增加壓力的測(cè)量范圍，但靈敏度要降低。第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日

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(shí),左右兩管液體高度相等。當(dāng)p1大于p2時(shí),兩邊管內(nèi)液面便會(huì)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(shí)，P1=B+ρghh反映了被測(cè)壓力的大小。第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日二、單管壓力計(jì)由于U形管壓力計(jì)需兩次讀取液面高度，為使用方便，設(shè)計(jì)出一次讀取液面高度的單管壓力計(jì)。因則故由于D>>d，所以P=ρgh2第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日三、斜管微壓計(jì)主要用于測(cè)量微小壓力、負(fù)壓和壓差，它將單管液柱壓力計(jì)的測(cè)量管傾斜放置，這樣可以提高靈敏度，減少讀數(shù)相對(duì)誤差。第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日傾斜角度越小，l越長(zhǎng)，測(cè)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(jì)可以測(cè)量到0.98Pa的微壓。為了進(jìn)一步提高微壓計(jì)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，2022年，8月28日四、液柱式壓力計(jì)的測(cè)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(xì)管現(xiàn)象第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日第三節(jié)彈性式壓力計(jì)

用彈性傳感器（又稱彈性元件）組成的壓力測(cè)量?jī)x表稱為彈性式壓力計(jì)。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(dòng)機(jī)構(gòu)直接帶動(dòng)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(shí)現(xiàn)壓力（或壓差）信號(hào)的遠(yuǎn)傳。第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日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(chǎng)合、不同范圍的壓力測(cè)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，2022年，8月28日第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日測(cè)壓原理：彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓后會(huì)產(chǎn)生變形，變形大小與被測(cè)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(cè)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，2022年，8月28日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(diǎn)：靈敏高，可測(cè)較低壓力缺點(diǎn)：遲滯誤差較大，精度一般只有1.5級(jí)第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日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，2022年，8月28日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(cè)壓原理：當(dāng)開口端通入被測(cè)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(shì)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(shí)改變中心角。中心角的相對(duì)變化量與被測(cè)壓力有如下的函數(shù)關(guān)系:第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日式中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(zhǎng)、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(cè)壓敏感元件。對(duì)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，2022年，8月28日2）彈簧管壓力表彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)如圖所示。被測(cè)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(shí)針偏轉(zhuǎn),于是指針5通過同軸的中心齒輪4的帶動(dòng)而作順時(shí)針偏轉(zhuǎn),在面板6的刻度標(biāo)尺上顯示出被測(cè)壓力的數(shù)值。第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格低廉，使用范圍廣，測(cè)量范圍寬;可測(cè)負(fù)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，2022年，8月28日第四節(jié)電氣式壓力計(jì)

為適應(yīng)集中檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)節(jié)及使用計(jì)算機(jī)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(hào)，出現(xiàn)了電氣式壓力計(jì)。電氣式壓力檢測(cè)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(shí)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，2022年，8月28日1.壓電式壓力傳感器壓電效應(yīng)原理：壓電材料受壓時(shí)會(huì)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：?jiǎn)尉w、多晶體特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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，2022年，8月28日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(shí)，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(jì)將被測(cè)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，2022年，8月28日缺點(diǎn)：輸出信號(hào)小、線性范圍窄,而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差(見電阻應(yīng)變計(jì)、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì))。優(yōu)點(diǎn)：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(jì)彈性敏感元件的形式以適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)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，2022年，8月28日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(kuò)散電阻，當(dāng)它受外力作用時(shí)，其阻值由于電阻率的變化而改變。擴(kuò)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(diǎn)：體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能直接反映微小的壓力變化，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；缺點(diǎn)：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，2022年，8月28日?qǐng)D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(gè)擴(kuò)散電阻,組成一個(gè)全橋測(cè)量電路。膜片用一個(gè)圓形硅杯固定,將兩個(gè)氣腔隔開。一端接被測(cè)壓力,另一端接參考?jí)毫?。?dāng)存在壓差時(shí),膜片產(chǎn)生變形,使兩對(duì)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，2022年，8月28日第五節(jié)壓力檢測(cè)儀表的選擇與校驗(yàn)一、壓力檢測(cè)儀表的選擇1.儀表量程的選擇被測(cè)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(cè)壓力波動(dòng)較大或測(cè)脈動(dòng)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(cè)量準(zhǔn)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，2022年，8月28日2.儀表精度的選擇壓力檢測(cè)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(cè)壓力允許的最大絕對(duì)誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差。3.儀表類型的選擇從被測(cè)介質(zhì)壓力大小來考慮被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)對(duì)儀表輸出信號(hào)的要求使用的環(huán)境第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日二、壓力儀表的校驗(yàn)校驗(yàn)就是將被校驗(yàn)壓力表和標(biāo)準(zhǔn)壓力表通以相同壓力，比較它們指示數(shù)值，如果被校表對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)誤差，不大于被校表規(guī)定最大準(zhǔn)許絕對(duì)誤差時(shí)，則認(rèn)為被校表合格。常用的校驗(yàn)儀器是活塞式壓力計(jì)，它由壓力發(fā)生部分和測(cè)量部分組成，它的精度等級(jí)有0.02、0.05和0.2級(jí)，可用來校準(zhǔn)0.25級(jí)精密壓力表，也可校準(zhǔn)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，2022年，8月28日第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日校驗(yàn)方法：1.在測(cè)量范圍內(nèi)選取3-4個(gè)點(diǎn)，選在帶有刻度數(shù)字的大刻度點(diǎn)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(dòng)情況；3.單方向增至校驗(yàn)點(diǎn)后度數(shù)，輕敲表殼再讀數(shù)，再單方向?qū)⒅列ｒ?yàn)點(diǎn)校驗(yàn)，計(jì)算誤差。第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日三、壓力表的安裝1.取壓口的選擇測(cè)量液體：在管道下部取壓測(cè)量氣體：在管道上部取壓測(cè)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(hào)的，要有3%坡度，長(zhǎng)度小于50m。第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日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，2022年，8月28日6.壓力、壓差計(jì)的安裝第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日

差壓變送器可以測(cè)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(cè)量流量。差壓變送器有氣動(dòng)差壓變送器（輸出20~100KPa壓力信號(hào)）和電動(dòng)差壓變送器（輸出4~20ma或0~10ma標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)）,下面將重點(diǎn)介紹工業(yè)上常用的電動(dòng)差壓變送器。第六節(jié)差壓變送器第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日一、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(cè)量機(jī)構(gòu)、杠桿力平衡機(jī)構(gòu)、位移檢測(cè)放大器及電磁反饋機(jī)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(fù)反饋,因而測(cè)量精度較高,而且保證了被測(cè)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，2022年，8月28日

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(dòng)力平衡壓力變送器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。被測(cè)壓力p作用在測(cè)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(diǎn)膜片3為軸而偏轉(zhuǎn),并以力沿水平方向推動(dòng)矢量機(jī)構(gòu)4。矢量機(jī)構(gòu)將水平向左的力變成連桿6向上的力,此力帶動(dòng)副杠桿7,繞其支點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),因而使差動(dòng)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(cè)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(hào)。第四十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日調(diào)節(jié)支點(diǎn)5的水平位置,可改變矢量機(jī)構(gòu)的夾角θ,從而能連續(xù)改變兩杠桿間的傳動(dòng)比,能細(xì)調(diào)量程。調(diào)節(jié)彈簧11的張力,可起調(diào)整零點(diǎn)的作用。低頻位移檢測(cè)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(shí)際上是一個(gè)位移-電流轉(zhuǎn)換器。第四十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日二、電容式差壓變送器電容式差壓變送器是沒有杠桿機(jī)構(gòu)的變送器,它采用差動(dòng)電容作為檢測(cè)元件,整個(gè)變送器沒有傳動(dòng)機(jī)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(cè)量壓力、差壓、絕對(duì)壓力、帶開方的差壓（用于測(cè)量流量）。第四十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日1．電容式差壓變送器的組成

變送器包括差動(dòng)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(dòng)電容的動(dòng)極板,使其產(chǎn)生位移,從而使差動(dòng)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(hào),此信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行比較,其差值送入放大電路,經(jīng)放大得到整機(jī)的輸出電流I0。第四十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日2．電容式差壓變送器測(cè)量原