工业仪表与工程测试：第4章 压力测量

1、第四章压力测量4.1概述4.1.1 压力测量的目的确定流体输送管路的阻力；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。4.1.2 压力单位工程技术中的压力实际上是指物理学中的压强，即物体表面单位面积上所受的法向作用力。压力表示方法:绝对压力(P); 大气压力(p);负压或真空度(p);压力差(p)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(1)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（液柱压力计）；2）若物体由于压力作用发

2、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（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（活塞式静重压力计）。（2）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。测出该电气参数的变化值即可测知压力。 1）压电现象（piezoelectricity） 晶体发生机械变形时产生相应的面电荷或体电荷的现象； 2）压阻效应（pressure-resistance effect） 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：结构简单，使用方便，技术成熟。但体积大，动

3、态特性差，只适用于作就地指示仪表，不易于信号远传。 电气式压力传感器的特点：体积小，灵敏度高，动态特性好，便于远传4.2 液柱式压力计封液1，1封液2，2介质，特点：结构简单，使用方便，用于测量小于1000mmHg的低静压。缺点：体积大，读数不便，玻璃管易损。4.2.1 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A-A处的静压力平衡方程：封液1,1封液2,2介质，若 1，则上式简化为：（1）（2）（3）若1=2，则上式简化为： 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。利用此现象可设计测量微压的U形压力计。注意：读数时应分别读取h

4、1和h2，然后相加，以避免产生误差。 （4） 液柱式压力计的基本结构： 连通U形管、封液、标尺 封液的作用：隔离U形管二侧的介质，并形成一定高度的液柱，以平衡被测压力。 对封液的要求： （1）不与被测介质发生物理和化学反应； （2）流动性好； （3）液面清晰； （4）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。 液柱式压力计阻尼特性较差，被测压力波动时，易发生振荡。 4.2.2 单管压力计和斜管微压计4.2.2.1 单管压力计对于不可压缩流体，根据质量守恒定律，有 F1h1=F2h2 h1=F2h2 /F1 当F1F2时，F2/F10，则当F2/F1 0.01时，因只读h

5、2引起的误差 1%（5）（6）4.2.2.2 斜管微压计测量微压（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h2增大，则可减小误差。当细管倾斜角度为时，液柱由h2变为l，读数为注意： 一般不小于150,否则读数困难。（7）（8）P1P2glsin4.2.3 液柱式压力计的误差及修正4.2.3.1 毛细现象的影响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）。管内径不小于10 mm；单管压力计用水作封液时，常温下的毛细误差小于2mm；用Hg作封液时，小于1mm。4.2.3.2 温度的影响温度变化 密度变化修正：设温度为t 时，液柱指示值为h

6、1+h2,有标准状态时液柱指示值为h1+h2，则（9） （10）t0t范围内封液的平均体膨胀系数，1/ 4.2.3.3 重力加速度的影响仪器使用地的重力加速度仪器使用地的纬度仪器使用地的海拔高度地球半径4.2.3.4 读数误差4.2.3.5 仪器倾斜误差二液柱的距离仪器倾斜角度（11）4.3.1 简单活塞式压力计平衡时，4.3 活塞式压力计活塞半径注意：（1）活塞式压力计的使用温度：205 ；（2）测量时，活塞以30120r/min的角速度连续转动，以保持其与活塞缸间的油膜活塞与活塞缸的径向间距活塞、承重盘、砝码重之和活塞有效面积4.3.2 差动式活塞压力计 调零：关闭阀门1和2，打开阀门3，

7、使系统与大气相通。此时，未加砝码的盘6和7升至同一规定高度，达到零点。有若不平衡，视盘6和7偏离规定高度的程度调整。盘6超高时，打开阀4，调整调零容器8，减小p1,盘6降至规定高度时，关闭阀4；盘7偏低时，打开阀5，调整调零容器8，使其中的油压入油管，增大h，然后关阀5。调零需反复几次。零位调好后，阀3、4、5均关闭。（12）（13）介质重度差动活塞小底部的面积差动活塞环底部的面积阀门（1、2、3、4、5）简单活塞压力计承重盘G1差动活塞压力计承重盘G2调零容器被校表（9、10）微调容器油杯简单活塞差动活塞（14、15）检验测量步骤：由阀1（或2）通入压力P，被校表9、10有指示，盘7升高，盘

8、6下降。在盘7上加砝码G2，使二盘回至规定位置。此时式(14)式(13)得被测压力（表压）：当由阀1（或2）通入的压力小于大气压力时，盘7下降，盘6上升。在盘6上加砝码G1，使二盘回至规定位置，有（14）（15）（17）（16）式（16）（12）得式（18）代入式（17） ，得即（18）（19） （20）负压（17）（13）弹性压力表 的第一个环节弹性压力传感器4.4 弹性压力表弹性压力传感器的信号变换过程：弹性范围内（输入）压力面积一定力弹性力弹性变形（输出）弹性压力表的第二个环节位移变换器：用以显示变形，其输出是指针位移，亦可为气信号或电信号4.4.1弹簧管压力计 弯曲成圆弧形、螺旋形或S

9、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。测量范围宽：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。他们的敏感元件分别是膜片和膜盒。膜片和膜盒的形

10、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 应变式压力传感器分类： 1、电阻应变式压力传感器； 2、电容式压力传感器； 3、电感式压力传

11、感器； 4、力平衡式压力传感器。应用场合： 远距离传送压力信号。特点 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组成：电阻栅、基底、覆盖层工作原理：应变传感器变形时，由于电阻栅的几何尺寸和电阻率改变，导致其电阻值发生变化。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l ，截面积为A，在外力作用下长度变化为l,面积变化为A，电阻率变化为，则电阻栅的电阻值变化为或由材料力学知，材料横向应变与轴向应变的关系为泊松系数（26）（27）（28）所以，式（27）可写为电阻应变系数或应变传感器

12、的灵敏系数K的物理意义：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:K26；半导体材料:可达180 可见，当Kconstant时，可用电阻的变化来反映轴向应变。应变传感器常用材料的某些特性材料名称K电阻率/mm2m-1电阻温度系数/106（1/）康铜1.92.10.450.52200.3Ni80Cr20合金2.12.31.01.11101300.3镍铬合金6J222.02.61.241.4220Pt80铱206.00.32850单晶硅1504.5.3 电容式压力传感器工作原理：弹性敏感元件作为感受压力的元件，并作为活动板，与固定在传感器壳体上的定极板形成电容器，当压力通

13、过工作介质传递到动极板上时，膜片产生位移，改变电容量，因此可以通过测量电容量来测定压力大小。电容大小为：微分，得：位移变化量必须严格限制。为提高传感器的灵敏度，改善输出的非线形性，实际应用的压力传感器采用差动式，此时动极板在两个静极板之间，灵敏度可以提高1倍，非线形性大大降低。图4-12电容式差压传感器4.5.4电感式压力传感器基本原理：利用自感和互感变化来测量压力的传感器。分变气隙式、变截面和螺管式图4-13电感传感器原理示意图(a)气隙式； (b)螺管式1-衔铁；2-铁芯；3-线圈图4-14螺管式传感器原理图(a)单线圈；(b)螺管式一个螺管线圈和一个圆柱形衔铁，靠衔铁移动引起线圈电感值变化。两个相同螺