第4章压力测量

1、第四章第四章 压力测量压力测量 4.1概述概述 4.1.1 压力测量的目的压力测量的目的 确定流体输送管路的阻力；确定流体输送管路的阻力； 为选择流体机械设备提供依据；为选择流体机械设备提供依据； 测定压力容器内部压力，保证容器安全工作。测定压力容器内部压力，保证容器安全工作。 4.1.2 压力单位压力单位 工程技术中的压力实际上是指物理学中的压强，即工程技术中的压力实际上是指物理学中的压强，即物体表物体表 面单位面积上所受的面单位面积上所受的法向法向作用力作用力。 压力表示方法压力表示方法: 绝对压力绝对压力(P); 大气压力大气压力(p);负压或真空度负压或真空度(p);压力差压力差(p)

2、 压力单位压力单位: atm; Pa(MPa); mmH2O; mmHg 如水泵，等 确定沿程阻力 4.1.3 压力传感器种类压力传感器种类 (1)机械压力传感器机械压力传感器 1) 压力使管内液柱升高（或降低），当液柱产生的重压力使管内液柱升高（或降低），当液柱产生的重 力与被测压力达到平衡时，根据液柱高度及其比重即力与被测压力达到平衡时，根据液柱高度及其比重即 可表示出压力（可表示出压力（液柱压力计液柱压力计）；）； 2）若物体由于压力作用发生弹性变形，当弹性力与压）若物体由于压力作用发生弹性变形，当弹性力与压 力形成的力达到平衡时，变形值即可反映压力大小力形成的力达到平衡时，变形值即可反

3、映压力大小 （弹性压力表弹性压力表）；）； 3）当一定压力的液体通过活塞升举一定重量的物体并）当一定压力的液体通过活塞升举一定重量的物体并 达到平衡时，物体的重量除以液体作用于活塞有效面达到平衡时，物体的重量除以液体作用于活塞有效面 积即表示液体的压力（积即表示液体的压力（活塞式静重压力计活塞式静重压力计）。）。 （2）电子压力传感器）电子压力传感器 有的物体受压力作用后，其某种电气性能会发生变化。有的物体受压力作用后，其某种电气性能会发生变化。 测出该电气参数的变化值即可测知压力。测出该电气参数的变化值即可测知压力。 1）压电现象（）压电现象（piezoelectricity） 晶体发生机械

4、变形时产生相应的面电荷或体电荷的现晶体发生机械变形时产生相应的面电荷或体电荷的现 象；象； 2）压阻效应（）压阻效应（pressure-resistance effect） 物体在压力作用下发生的电阻率变化。物体在压力作用下发生的电阻率变化。 机械式压力传感器的特点：机械式压力传感器的特点：结构简单，使用方便，技结构简单，使用方便，技 术成熟。但体积大，动态特性差，只适用于作就地指示仪术成熟。但体积大，动态特性差，只适用于作就地指示仪 表，不易于信号远传。表，不易于信号远传。 电气式压力传感器的特点：电气式压力传感器的特点：体积小，灵敏度高，动态体积小，灵敏度高，动态 特性好，便于远传特性好，

5、便于远传 4.2 液柱式压力计液柱式压力计 封液1，1 封液2，2 介质， 特点：特点：结构简单，结构简单， 使用方便，用于使用方便，用于 测量小于测量小于 1000mmHg 的低静压。的低静压。 缺点：缺点：体积大，体积大， 读数不便，读数不便， 玻璃管易损。玻璃管易损。 4.2.1 液柱式压力计的原理和结构液柱式压力计的原理和结构 当被测压力与封液液柱的压力相平衡时，水平面当被测压力与封液液柱的压力相平衡时，水平面A-A处的静处的静 压力平衡方程：压力平衡方程： 封液1,1 封液2,2 介质， 21121221 hhghHgPP 21121221 hhghHgPP 若若 1，则上式简化为：

6、则上式简化为： 2121 hhgPP （1） （2） （3） 若若1=2，则上式简化为：则上式简化为： 21121 hhgPP 上式说明，封液以上的介质相当于减小了封液密上式说明，封液以上的介质相当于减小了封液密 度，使仪表的测量范围减小，但灵敏度提高。度，使仪表的测量范围减小，但灵敏度提高。利用此利用此 现象可设计测量微压的现象可设计测量微压的U形压力计。形压力计。 注意：注意：读数时应分别读取读数时应分别读取h1和和h2， ，然后相加，以避免 然后相加，以避免 产生误差。产生误差。 2111 hhgp（4） 液柱式压力计的基本结构：液柱式压力计的基本结构： 连通连通U形管、封液、标尺形管、

7、封液、标尺 封液的作封液的作用用：隔离隔离U形管二侧的介质，并形成一形管二侧的介质，并形成一 定高度的液柱，以平衡被测压力。定高度的液柱，以平衡被测压力。 对封液的要求：对封液的要求： （1）不与被测介质发生物理和化学反应；）不与被测介质发生物理和化学反应； （2）流动性好；）流动性好； （3）液面清晰；）液面清晰； （4）密度不同于被测介质：封液密度大，则测密度不同于被测介质：封液密度大，则测 量上限高；密度小时，灵敏度高。量上限高；密度小时，灵敏度高。 液柱式压力计阻尼特性较差，被测压力波动时，液柱式压力计阻尼特性较差，被测压力波动时， 易发生振荡。易发生振荡。 对于不可压缩流体，根据质量

8、守恒定律，有对于不可压缩流体，根据质量守恒定律，有 F1h1=F2h2 h1=F2h2 /F1 当当F1F2时，时，F2/F1 0，则，则 当当F2/F1 0.010.01时，因只读时，因只读h2引起的误差引起的误差 1% 212121 /1hFFgPP （5） 2121 hgPP（6） 测量微压（差）及负压时，液柱升高很小，此时读数测量微压（差）及负压时，液柱升高很小，此时读数 和毛细现象误差较大。若使和毛细现象误差较大。若使h2增大，则可减小误差。增大，则可减小误差。 当细管倾斜角度为当细管倾斜角度为时，液柱由时，液柱由h2变为变为l，读数为，读数为 注意：注意： 一般不小于一般不小于15

9、0, 否则读数困难。否则读数困难。 sin/ 2 hl （7） 221 hgPP （8）P1P2glsin 4.2.3 液柱式压力计的误差及修正液柱式压力计的误差及修正 4.2.3.1 毛细现象的影响毛细现象的影响 v 封液在管内的毛细现象使液柱产生附加的升高或降低（由封液在管内的毛细现象使液柱产生附加的升高或降低（由 管内径、弯曲液面的上凸或下凹决定）。管内径、弯曲液面的上凸或下凹决定）。 v 管内径不小于管内径不小于10 mm；单管压力计用水作封液时，常温下；单管压力计用水作封液时，常温下 的毛细误差小于的毛细误差小于2mm；用；用Hg作封液时，小于作封液时，小于1mm。 4.2.3.2

10、温度的影响温度的影响 温度变化 密度变化 修正：修正： 设温度为设温度为t 时，液柱指示值为时，液柱指示值为h1+h2,有有 标准状态时液柱指示值为标准状态时液柱指示值为h1+h2，则则 2 11 hhgp t 211 0 hhgp t 0 1 0 tt tt （9） 2 121 0 hhhh t t （10） t0t范围内封液的平 均体膨胀系数，1/ 4.2.3.3 重力加速度的影响重力加速度的影响 2 121 hh g g hh RH g g /21 2cos00265. 01 仪器使用地的仪器使用地的 重力加速度重力加速度 仪器使用地的仪器使用地的 纬度纬度 仪器使用地的仪器使用地的 海

11、拔高度海拔高度 地球半径地球半径 4.2.3.4 读数误差读数误差 4.2.3.5 仪器倾斜误差仪器倾斜误差 二液柱的距离二液柱的距离 仪器倾斜角度仪器倾斜角度tgSh（11） 4.3.1 简单活塞式压力计简单活塞式压力计 平衡时，平衡时， 4.3 活塞式压力计活塞式压力计 FGp/ RaRF 2 活塞半径活塞半径 注意：注意： （1）活塞式压力计的使用温度：）活塞式压力计的使用温度：205 ； （2）测量时，活塞以测量时，活塞以30120r/min的角速度连续转的角速度连续转 动，以保持其与活塞缸间的油膜动，以保持其与活塞缸间的油膜 活塞与活塞缸活塞与活塞缸 的径向间距的径向间距 活塞、承重

12、盘、砝码重之和活塞、承重盘、砝码重之和 活塞有效面活塞有效面 积积 4.3.2 差动式活塞压力计差动式活塞压力计 调零：调零：关闭阀门关闭阀门1和和2，打开阀门，打开阀门3，使系统与大气相通。，使系统与大气相通。 此时，未加砝码的盘此时，未加砝码的盘6和和7升至同一规定高度，达到零点。升至同一规定高度，达到零点。 有有 若不平衡，视盘若不平衡，视盘6和和7偏离规定高度的程度调整。偏离规定高度的程度调整。 盘盘6超高时，打开阀超高时，打开阀4，调整调零容器，调整调零容器8，减小，减小p1,盘盘6 降至规定高度时，关闭阀降至规定高度时，关闭阀4； 盘盘7偏低时，打开阀偏低时，打开阀5，调整调零容器

13、，调整调零容器8，使其中的油，使其中的油 压入油管，增大压入油管，增大h，然后关阀，然后关阀5。 调零需反复几次。调零需反复几次。零位调好后，阀零位调好后，阀3、4、5均关闭。均关闭。 111 FpG （12） 3212 FhFpG（13） 介质重度介质重度 差动活塞小底部的面积差动活塞小底部的面积 差动活塞环底部的面积差动活塞环底部的面积 阀门（阀门（1、2、3、 4、5） 简单活塞压力计简单活塞压力计 承重盘承重盘G1 差动活塞压力计差动活塞压力计 承重盘承重盘G2 调零容器调零容器被校表（被校表（9、 10） 微调容器微调容器 油杯油杯 简单活塞简单活塞 差动活塞差动活塞 （14、15）

14、 检验测量步骤：检验测量步骤：由阀由阀1（或（或2）通入压力）通入压力P，被校，被校 表表9、10有指示，盘有指示，盘7升高，盘升高，盘6下降。在盘下降。在盘7上加砝码上加砝码 G2，使二盘回至规定位置。此时，使二盘回至规定位置。此时 111 FpG 式式(14)式式(13)得被测压力（表压）：得被测压力（表压）： 当由阀当由阀1（或（或2）通入的压力小于大气压力时，）通入的压力小于大气压力时， 盘盘7下降，盘下降，盘6上升。在盘上升。在盘6上加砝码上加砝码G1，使二盘回至，使二盘回至 规定位置，有规定位置，有 3321 22 pFFhFpGG（14） 3 2 /FGp （15） 3321 2

15、 pFFhFpG （17） 1 1 11 FpGG （16） 式（式（16）（12）得）得 11 1 1 FppG 式（式（18）代入式（）代入式（17） ，得，得 即即 321 FhFp 3321 1 2 1 pFFhFp F FG 1 1 1 1 p F G p （18） 3321 1 2 1 2 pFFhFp F FG G （19） 1 31 2 G FF F p（20） 负压 3321 2 pFFhFpG （17） 3212 FhFpG（13） 弹性压力表弹性压力表 的的第一个环第一个环 节节弹性压弹性压 力传感器力传感器 弹性压力传感器的信号变换过程：弹性压力传感器的信号变换过程：

16、弹性范围内弹性范围内 （输入）压（输入）压 力力 面积一定面积一定 力力 弹性力弹性力 弹性变形（输出）弹性变形（输出） 弹性压力表的弹性压力表的第二个环节第二个环节位移变换器：位移变换器： 用以显示变形，其输出是指针位移，亦可为气信用以显示变形，其输出是指针位移，亦可为气信 号或电信号号或电信号 4.4.1弹簧管压力计弹簧管压力计 弯曲成圆弧形、螺旋形或弯曲成圆弧形、螺旋形或S形等形状的管子。形等形状的管子。 管截面为非圆断面扁圆形或椭圆形，截面短轴管截面为非圆断面扁圆形或椭圆形，截面短轴 方向与管弯曲的径向一致。方向与管弯曲的径向一致。 一端封闭，另一端敞开。封闭端可自由运动，其一端封闭，

17、另一端敞开。封闭端可自由运动，其 位移作为输出信号；开口端固定于仪表外壳上，被测位移作为输出信号；开口端固定于仪表外壳上，被测 压力由此通入弹簧管内。压力由此通入弹簧管内。 测量范围测量范围宽宽：0.2Pa(0.02mmH2O)10MPa 图4-5 单圈弹簧管压力计、弹簧管及其横截面 1-弹簧管；2-小齿；3-扇形齿轮；4-拉杆；5-连杆调节螺钉；6-放大调节螺钉； 7-接头；8-刻度盘；9-指针；10-游丝 4.4.2 膜式压力计膜式压力计 分膜片压力计和膜盒式压力计，分膜片压力计和膜盒式压力计，前者主要用于测量腐蚀性 介质或非凝固、非结晶的粘性介质的压力，后者常用于测量气体 的微压和负压。

18、他们的敏感元件分别是膜片和膜盒。膜片和膜盒 的形状如图。 波纹膜片通常用于测量小压力，测压范围： 040000Pa(4000mmH2O)。 最大测压上限：6MPa 膜片分为弹性膜片和挠性膜片。使用时周边夹紧，输出为膜片 中心的位移。 图4-6膜片和膜盒 (a)弹性膜片； (b)挠性膜片； (c)膜盒 4.4.3 波纹管压力计波纹管压力计 波纹管是外周沿轴向有深槽形状的波纹褶皱，可沿轴 向伸缩的薄壁管子。它受压时的线性输出范围比受拉时的 大，故常在压缩状态下使用。波纹管式压差计以波纹管为 感压元件来测量压差信号，有单波纹管、双波纹管两种， 主要用作流量和液位测量的显示仪表。 4.5 应变式压力传

19、感器应变式压力传感器 分类：分类： 1、电阻应变式压力传感器；、电阻应变式压力传感器； 2、电容式压力传感器；、电容式压力传感器； 3、电感式压力传感器；、电感式压力传感器； 4、力平衡式压力传感器。、力平衡式压力传感器。 应用场合：应用场合： 远距离传送压力信号。远距离传送压力信号。 特点特点 简单、可靠、维护量小、动态特性好、便于小型化。简单、可靠、维护量小、动态特性好、便于小型化。 4.5.1 电阻应变式压力传感器电阻应变式压力传感器 组成：组成：电阻栅、基底、覆盖层电阻栅、基底、覆盖层 工作原理：工作原理：应变传感器变形时，由于电阻栅的应变传感器变形时，由于电阻栅的 几何尺寸和电阻率改

20、变，导致其电阻值发生变几何尺寸和电阻率改变，导致其电阻值发生变 化。化。 原理：电阻 率变化引起 电阻变化。 金属电阻应变片工作原理：压力引 起尺寸变化，导致电阻变化。包括 丝绕式和箔式。 设一段电阻栅长度为设一段电阻栅长度为l ，截面积为，截面积为A，在外力，在外力 作用下长度变化为作用下长度变化为l, ,面积变化为面积变化为A，电阻率变，电阻率变 化为化为，则电阻栅的电阻值变化为，则电阻栅的电阻值变化为 或或 由材料力学知，材料横向应变与轴向应变的关系为由材料力学知，材料横向应变与轴向应变的关系为 22 l dl A dA 泊松系数 dA A l dl A d A l dA A R dl

21、l R d R dR 2 （26） A dA l dld R R （27） （28） 所以，式（所以，式（27）可写为）可写为 K d dd R dR 12 212 电阻应变系数或 应变传感器的灵 敏系数 K的物理意义：的物理意义：单位应变引起的电阻值的相对变化。单位应变引起的电阻值的相对变化。 K的数值可由实验确定，一般金属材料的数值可由实验确定，一般金属材料:K 26；半导体材料；半导体材料:可达可达180 可见，当当Kconstant时，可用电阻的变化时，可用电阻的变化 来反映轴向应变。来反映轴向应变。 应变传感器常用材料的某些特性应变传感器常用材料的某些特性 材料名称材料名称K 电阻率电阻率 /mmmm2 2m m-1 -1 电阻温度系数电阻温度系数 /10106 6（ 1/1/） 康铜康铜1.92.1 0.45 0.520.52 200.3 Ni80Cr2 0合金合金 2.12.32.31.01.11.11101301300.3 镍铬合镍铬合 金金6J22 2.02.62.6 1.24 1.421.42 20 Pt80铱铱206.00.32850 单晶硅单晶硅150 4.5.3 电容式压力传感器电容式压力传感器 工作原理：工