第五章 压力测量及其仪表

1、第五章第五章 压力测量及其仪表压力测量及其仪表 P2P1 U型管 h1 h2 0 压力的测量方法；压力的测量方法； 各种测压仪表的特点及其使用要求；各种测压仪表的特点及其使用要求； 测压仪表的选用与安装要求。测压仪表的选用与安装要求。 第一节第一节 概述概述 压力压力 垂直作用于物体表面上的力垂直作用于物体表面上的力 压强压强 垂直作用于单位面积物体表面上的力垂直作用于单位面积物体表面上的力 在制冷空调技术的测试中，并不严格区分压力在制冷空调技术的测试中，并不严格区分压力 和压强。通常所说的压力实际上是指和压强。通常所说的压力实际上是指压强压强。 压差压差 测量两个压力之差称压差测量两个压力之

2、差称压差 绝对压力绝对压力 工质的真实压力工质的真实压力 表压力表压力 压力仪表指示的压力值压力仪表指示的压力值 缺省情况下，缺省情况下，所说的压力值即指表压力所说的压力值即指表压力 表压力表压力 可正可负，为负时即绝对压力低于大气压力时其绝对可正可负，为负时即绝对压力低于大气压力时其绝对 值称为值称为真空度真空度。 一、基本概念一、基本概念 垂直作用在单位面积上的力称垂直作用在单位面积上的力称压力压力。在。在 国际单位制（国际单位制（SI）和我国法定计量单位中）和我国法定计量单位中 ，压力的单位是，压力的单位是“帕斯卡帕斯卡”，简称，简称“帕帕” ，符号为，符号为“Pa”。 即即1N的力垂直

3、均匀作用在的力垂直均匀作用在1m2的面积上所形的面积上所形 成的压力值为成的压力值为1Pa。 212 2 2 kgm 1Pa1N/m11kgm s m s 二、压力的表示方法二、压力的表示方法 u绝对压力绝对压力PJ u大气压力大气压力PD u表压力表压力PB PB= PJ PD u真空度真空度PZ（负压）（负压） PZ PD PJ 三、压力的单位 过去采用的压力单位过去采用的压力单位“工程大气压力工程大气压力” （kgf/cm2）、）、“毫米汞柱毫米汞柱”（mmHg）、）、“毫米水柱毫米水柱” （mmH2O）、）、“物理大气压物理大气压”（atm）、）、“巴巴” （bar）、）、“PSI”等

4、均应改成法定计量单位等均应改成法定计量单位 帕帕。 帕帕(Pa) N/m2，国际单位，国际单位 兆帕兆帕(MPa) 106Pa 1 kgf/cm2 = 0.9807105Pa 1mmH2O = 0.980710Pa 1 mmHg = 1.332102Pa 1atm = 1.01325105Pa 1bar =105Pa 1PSI= 6.89103Pa 四、压力检测方法四、压力检测方法 1.平衡法平衡法：通过仪表使液柱高度的重力或砝码：通过仪表使液柱高度的重力或砝码 的重量与被测压力相平衡的原理测量压力的重量与被测压力相平衡的原理测量压力 2.弹性法弹性法：利用各种形式的弹性元件，在被测：利用各种

5、形式的弹性元件，在被测 介质的表压力或负压力作用下产生的弹性介质的表压力或负压力作用下产生的弹性 变形来反映被测压力的大小变形来反映被测压力的大小 3.电气式电气式：用压力敏感元件直接将压力转换成：用压力敏感元件直接将压力转换成 电阻、电荷量等电量的变化电阻、电荷量等电量的变化 五、压力测量仪表的分类五、压力测量仪表的分类 u压力传感器从其原理及结构来看可分为压力传感器从其原理及结构来看可分为 ：液柱式、机械式及电气式液柱式、机械式及电气式 u测量压力的仪表，按信号原理不同，大测量压力的仪表，按信号原理不同，大 致可分为四类：致可分为四类： 液柱式液柱式：根据流体静力学原理，把被测压：根据流体

6、静力学原理，把被测压 力转换成液柱高度力转换成液柱高度 机械式机械式：根据弹性元件受力变形的原理，：根据弹性元件受力变形的原理， 将被测压力转换成位移将被测压力转换成位移 电气式电气式：将被测压力转换成各种电量，如：将被测压力转换成各种电量，如 电感、电容、电阻、电位差等，依据电量电感、电容、电阻、电位差等，依据电量 的大小实现压力的间接测量的大小实现压力的间接测量 活塞式活塞式：根据水压机液体传送压力的原理：根据水压机液体传送压力的原理 ，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡 砝码的质量砝码的质量 第二节第二节 液柱式压力计液柱式压力计 v分类分类 U型管压

7、力计型管压力计 单管压力计单管压力计 斜管式微压计斜管式微压计 v特点特点：结构简单，使用方便，准确度比：结构简单，使用方便，准确度比 较高，常用于测量低压、负压、差压。较高，常用于测量低压、负压、差压。 v缺点缺点：体积大，读数不方便，玻璃管易：体积大，读数不方便，玻璃管易 损坏。损坏。 一一U型管压力计型管压力计 假设被测的介质为假设被测的介质为气体气体，可忽，可忽 略被测介质的高度形成的静压略被测介质的高度形成的静压 值。根据流体静力学原理可得：值。根据流体静力学原理可得： U型管内径一般为型管内径一般为5-20mm， 为了减少毛细现象管子内径为了减少毛细现象管子内径 一般不少于一般不少

8、于10mm， )( 2121 hhgPPP P2P1 U型管 h1 h2 0 存在问题？存在问题？ 二二单管式压力计单管式压力计 因为因为A1、A2为常数，这样可通为常数，这样可通 过一次读数进行压差测量。当过一次读数进行压差测量。当 A2/A1很小时，很小时，h1可忽略，公式可忽略，公式 简化为：简化为： 1 22 12211 A Ah hAhAh 2 1 2 2 1 22 21 ) 1()()(h A A gh A Ah ghhgP Pd 2 1 2 2 1 22 21 ) 1()()(h A A gh A Ah ghhgP Px 直管 h1 h2 2 hgP 存在问题？存在问题？ 三、三

9、、斜管式压力计斜管式压力计 l A A hlAAh 1 2 1211 alhsin 2 l a A A gal l A A ghhgP)sin()sin()( 1 2 1 2 21 P1 P2 斜管 h1 h2 L l a A A gal l A A ghhgP)sin()sin()( 1 2 1 2 21 l a A A gal l A A ghhgP)sin()sin()( 1 2 1 2 21 主要用于测量微小的压力、负压和压主要用于测量微小的压力、负压和压 差。为了减少读数的相对误差，拉长差。为了减少读数的相对误差，拉长 液柱，将测量管倾斜放置。液柱，将测量管倾斜放置。 四液柱式压力计

10、的测量误差及其修正四液柱式压力计的测量误差及其修正 1环境温度变化的影响及修正环境温度变化的影响及修正 对于一般的工业测量，主要考虑工作液对于一般的工业测量，主要考虑工作液 密度变化对压力测量的影响。修正公式密度变化对压力测量的影响。修正公式 为：为： ghP )(1 00 tthh tt 2. 重力加速度变化的影响及修正重力加速度变化的影响及修正 h g g h n n 标准重力加速标准重力加速 度下的工作液度下的工作液 柱高度柱高度 使用地点的工使用地点的工 作液柱高度作液柱高度 问题？问题？ 3 3毛细现象的影响毛细现象的影响 为了减少该误差，通常要求测量管的内径一为了减少该误差，通常要

11、求测量管的内径一 般不小于般不小于10mm10mm。 斜管式微压计用水作介质，可以吗？斜管式微压计用水作介质，可以吗？ 液柱式压力计，水作工作介质，为了便于读液柱式压力计，水作工作介质，为了便于读 数，在水中加入红墨水，可以吗？数，在水中加入红墨水，可以吗？ 斜管式微压计，测量时看不到液柱，是怎么斜管式微压计，测量时看不到液柱，是怎么 回事？回事？ 第三节第三节 弹性式压力计弹性式压力计 原理：原理：弹性压力表是利用各种不同形状弹性压力表是利用各种不同形状 弹性感压元件弹性感压元件在被测压力的作用下，在被测压力的作用下， 产生弹性变形制成的测压仪表产生弹性变形制成的测压仪表 特点：特点：结构简

12、单、牢固可靠、测压范围结构简单、牢固可靠、测压范围 广、使用方便、造价低廉、有足够的精广、使用方便、造价低廉、有足够的精 度，可远传度，可远传 常用弹性压力表：常用弹性压力表： 弹簧管式弹簧管式 膜片（盒）式膜片（盒）式 波纹管式波纹管式 弹性元件及其特性弹性元件及其特性 弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形， 变形大小与被测压力成正比关系。变形大小与被测压力成正比关系。 FPA FAPFC xx CC 、 1膜片膜片：使用时周边夹紧，测低压、微压。将两块膜片沿周：使用时周边夹紧，测低压、微压。将两块膜片沿周 边对焊起来，形成一膜盒，膜盒式微压计通常用于测

13、量炉膛边对焊起来，形成一膜盒，膜盒式微压计通常用于测量炉膛 和烟道尾部负压。精度等级为和烟道尾部负压。精度等级为2.5，最高可达，最高可达1.5级。级。 2波纹管波纹管：开口端固定，封闭：开口端固定，封闭 端的位移作为输出，由于波端的位移作为输出，由于波 纹管的位移相对较大，故灵纹管的位移相对较大，故灵 敏度高，常用于测量较低的敏度高，常用于测量较低的 压力（压力（1.0-106Pa）精度等级）精度等级 1.5级。级。 3弹簧管弹簧管： 单圈弹簧管单圈弹簧管 多圈弹簧管多圈弹簧管 弹簧管在量程范围内自由端的位移一般弹簧管在量程范围内自由端的位移一般 为为7-8o，弹簧管作成多圈时，自由端的，弹

14、簧管作成多圈时，自由端的 位移可达位移可达45o。弹簧管的自由端的位移可。弹簧管的自由端的位移可 通过通过杠杆机构杠杆机构带动指针转动，这种机构带动指针转动，这种机构 的指针最大转角为的指针最大转角为180o，通常作成，通常作成90度度 的回转角。最常用的传动机构为的回转角。最常用的传动机构为杠杆杠杆 扇形齿轮机构扇形齿轮机构，可使指针转动，可使指针转动270o。 电接点压力表电接点压力表：不仅可实现压力的测量，：不仅可实现压力的测量， 而且可实现压力的报警和控制。而且可实现压力的报警和控制。 第四节第四节 电气式压力检测电气式压力检测 一位移式压力压差变送器：一位移式压力压差变送器： 将弹性

15、元件的位移转变成将弹性元件的位移转变成 电信号。电信号。 1电容式压力压差变送器电容式压力压差变送器： 采取差动电容方式采取差动电容方式 s C d 特点：灵敏度高、精度高，精度可达特点：灵敏度高、精度高，精度可达0.2、0.25， 稳定可靠。尤适用于测高静压微压差的场合。稳定可靠。尤适用于测高静压微压差的场合。 dd k C 0 2 1 dd k C 0 2 2 pk d pk d d CC CC 3 0 1 012 12 由由C1、C2可得可得 设测量膜片在设测量膜片在p作用下的位移作用下的位移d， d=k1p。 2霍尔压力变送器霍尔压力变送器 （1）霍尔效应霍尔效应：把半：把半 导体单晶

16、薄片置于磁导体单晶薄片置于磁 场场B中，如果在它的两中，如果在它的两 个纵向面上通以一定个纵向面上通以一定 大小的电流，则在晶大小的电流，则在晶 体的两个横向端面之体的两个横向端面之 间出现电势间出现电势UH，叫霍，叫霍 尔效应，产生的电势尔效应，产生的电势 称为霍尔电势。称为霍尔电势。 HH UK IB 霍尔常数霍尔常数 (2)霍尔电势的产生霍尔电势的产生： 将固定在弹性元件上的霍尔片将固定在弹性元件上的霍尔片 放置在一非均匀磁场中，在这放置在一非均匀磁场中，在这 区间，磁场强度具有均匀的梯区间，磁场强度具有均匀的梯 度，当霍尔片在弹性元件的带度，当霍尔片在弹性元件的带 动下偏离正中位置，通

17、过霍尔动下偏离正中位置，通过霍尔 片的磁场强度发生变化，霍尔片的磁场强度发生变化，霍尔 片就有正比于位移的霍尔电势片就有正比于位移的霍尔电势 产生。产生。 NS SN 二压电式压力传感器二压电式压力传感器 压电效应压电效应：压电材料在受压时会在其表面：压电材料在受压时会在其表面 产生电荷，产生的电荷量与所受的压力成产生电荷，产生的电荷量与所受的压力成 正比。正比。 压电材料压电材料：单晶体单晶体，例如石英、酒石酸钾，例如石英、酒石酸钾 钠等钠等 多晶体多晶体，例如压电陶瓷，在没有极化之前，例如压电陶瓷，在没有极化之前， 因各单晶体的压电效应都互相抵消表现为因各单晶体的压电效应都互相抵消表现为

18、电中性，为此必须对压电陶瓷先进行极化电中性，为此必须对压电陶瓷先进行极化 处理，经极化处理的压电陶瓷具有非常高处理，经极化处理的压电陶瓷具有非常高 的压电系数，为石英的几百倍。的压电系数，为石英的几百倍。 v特点特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠， 具有线性度高量程范围大等优点。具有线性度高量程范围大等优点。 v缺点缺点：但是由于产生的电荷量少，因此后续需：但是由于产生的电荷量少，因此后续需 加高阻抗的直流放大器。由于晶体边缘上存在加高阻抗的直流放大器。由于晶体边缘上存在 漏电现象，因此不能用于稳态测量。漏电现象，因此不能用于稳态测量。 压电式压力压

19、电式压力 传感器结构传感器结构 三固体压阻式压力压差传感器三固体压阻式压力压差传感器 原理原理： 电阻的尺寸发生变化，例如电阻的长度、横截电阻的尺寸发生变化，例如电阻的长度、横截 面积发生变化将引起电阻的变化。面积发生变化将引起电阻的变化。 电阻的电阻率发生变化也将引起电阻阻值的变电阻的电阻率发生变化也将引起电阻阻值的变 化。化。 分类：分类：应变片应变片：受压时，电阻的尺寸：受压时，电阻的尺寸L、S发发 生变化，引起电阻的变化。生变化，引起电阻的变化。 半导体扩散硅半导体扩散硅：在压力的作用下，电阻：在压力的作用下，电阻 率发生变化。率发生变化。 通常半导体扩散硅电阻变化的灵敏度要远远高通常

20、半导体扩散硅电阻变化的灵敏度要远远高 于应变片，大约为于应变片，大约为100100倍。倍。 SLR/公式：公式： 第五节第五节 压力检测仪表的选择与校验压力检测仪表的选择与校验 一一压力检测仪表的选择压力检测仪表的选择 测压范围，被测介质的物理化学性测压范围，被测介质的物理化学性 质，测试精度要求。质，测试精度要求。 1.仪表量程选用仪表量程选用 为保证安全性，压力较稳定时，为保证安全性，压力较稳定时，最大工作最大工作 压力压力不超过仪表量程的不超过仪表量程的3/4，压力波动较大、，压力波动较大、 脉动压力时，最大工作压力不超过仪表量脉动压力时，最大工作压力不超过仪表量 程的程的2/3。 为保

21、证准确度，为保证准确度，最小工作压力最小工作压力不低于满量不低于满量 程的程的1/3。 2仪表精度的选择仪表精度的选择 v 根据在测量时允许的最大测量误差选择根据在测量时允许的最大测量误差选择 仪表，可根据仪表的精度等级算出用该仪仪表，可根据仪表的精度等级算出用该仪 表测量可能引起的最大示值绝对误差。表测量可能引起的最大示值绝对误差。 v 另外在选择仪表时不需一味追求高精度，另外在选择仪表时不需一味追求高精度， 只要满足测量精度要求即可。只要满足测量精度要求即可。 弹簧管压力表量程和精度系列弹簧管压力表量程和精度系列 我国目前弹簧管压力表量程系列，我国目前弹簧管压力表量程系列，1, 1.6,

22、2.5, 4.0, 6.0 kPa以及以及10n倍倍 精度系列，精密表精度系列，精密表 0.1, 0.16, 0.25, 0.4 工业表工业表 1.0, 1.5, 2.5 例题例题：有一压力容器，压力范围有一压力容器，压力范围0.40.6MPa， 压力变化速度较缓，不要求远传。试选择压压力变化速度较缓，不要求远传。试选择压 力仪表（给出量程和精度等级）测量该压力，力仪表（给出量程和精度等级）测量该压力， 测量误差不大于被测压力的测量误差不大于被测压力的4%。 2 0.60.9MPa 3 A 根据最大工作压力根据最大工作压力 1 0.41.2MPa 3 A 根据最小工作压力根据最小工作压力 ma

23、x 0.64%0.024MPa 被测压力的最大示值绝对误差被测压力的最大示值绝对误差 max 0.024 100%2.4% 1.0 所选仪表的基本误差所选仪表的基本误差 所以可选择量程范围为所以可选择量程范围为01.0MPa弹簧管压力表弹簧管压力表 可选择可选择2.5级的压力表级的压力表 3仪表类型选择仪表类型选择 被测介质压力大小被测介质压力大小， 被测介质的性质，被测介质的性质，例如，氧气、乙炔都例如，氧气、乙炔都 有专门的测量仪表，对腐蚀性介质要采有专门的测量仪表，对腐蚀性介质要采 用不锈钢或其他耐腐蚀的材料，用不锈钢或其他耐腐蚀的材料， 对仪表输出信号的要求，对仪表输出信号的要求，例如

24、是否需要例如是否需要 为电信号，为电信号， 使用环境。使用环境。 二压力表的安装二压力表的安装 1取压口的选择取压口的选择 气气 上部上部 防堵防堵 汽汽 侧上部侧上部 防堵，防液，防气防堵，防液，防气 液液 侧下部侧下部 防堵，防汽防堵，防汽 气气 汽汽 液液 取压口位置取压口位置 稳定无涡流区（稳定无涡流区（直线管段，避开拐弯、分叉直线管段，避开拐弯、分叉 等等）。）。 除了被测介质以处，不接触其它物质除了被测介质以处，不接触其它物质 不易堵塞不易堵塞 取压孔形状取压孔形状 孔径要小孔径要小 要与壁面垂直要与壁面垂直 孔口应无毛刺孔口应无毛刺 2导压管的敷设导压管的敷设，为了使导压管正确传

25、，为了使导压管正确传 递压力或压差，应作到：递压力或压差，应作到： 导压管长度小于导压管长度小于50m50m，内径为，内径为6-10mm6-10mm。 对于水平敷设，导压管要有对于水平敷设，导压管要有1 1：10101 1： 2020的坡度，测量液体介质时下坡，测量的坡度，测量液体介质时下坡，测量 气体介质时上坡。气体介质时上坡。 3 3当被测介质易冷凝或冻结，必须当被测介质易冷凝或冻结，必须加装伴加装伴 热管热管后再行保温；当测量腐蚀性介质时，后再行保温；当测量腐蚀性介质时， 应应加装隔离罐加装隔离罐；当测量高温蒸气压力时，；当测量高温蒸气压力时， 应应加装冷凝盘管加装冷凝盘管；测量含尘气体

26、时，应；测量含尘气体时，应 加装灰尘捕集器。加装灰尘捕集器。 4 4当测量液体压力时，在导压管系统最高当测量液体压力时，在导压管系统最高 处应处应安装集气瓶安装集气瓶；当测量气体压力有可；当测量气体压力有可 能有液体冷凝时，在导压管系统最低处能有液体冷凝时，在导压管系统最低处 应应加装水分离器加装水分离器；当被测介质有可能产；当被测介质有可能产 生沉淀时，应在仪表前生沉淀时，应在仪表前安装沉降器安装沉降器。 5 5取压口与压力表之间应取压口与压力表之间应加装隔离阀加装隔离阀。 6 6在测量较小压力时，若仪表与取压口不在测量较小压力时，若仪表与取压口不 在同一水平高度，则应对在同一水平高度，则应对测压进行校正测压进行校正。 二、压力仪表的校验二、压力仪表的校验 u校验校验就是将被校验压力表和标准压力表通就是将被校验压力表和标准压力表通 以相同压力，比较它们的指示数值，如果以相同压力，比较它们的指示数值，如果 被校表对于标准表的读数误差，不大于被被校表对于标准表的读数误差，不大于被 校表规定的最大准许绝对