华北理工自动检测技术课件第3章 压力测量

第3章压力测量

本章介绍几种在实验和工业生产中使用较多的压力检测仪表的检测原理、组成结构和使用方法等。返总目录教学目录：3.1概述3.2液柱式压力计3.3弹性式压力计3.4电气式压力计3.5压力变送器3.6压力计的校验和使用返总目录3.1概述3.1.1压力和差压的概念及表示方法3.1.2压力的度量单位重点：压力的概念、压力表示形式。难点：各种压力之间的关系。重点：压力的国际度量单位、我国常用单位。难点：压力度量单位之间的换算。返本章目录3.1.1压力和差压的概念及表示方法在工程技术上，压力定义为垂直均匀地作用在单位面积上的力。各种压力关系示意图压力表示方法：大气压p0

绝对压力pa

表压力p

真空度pv

差压Δp

返本节目录返本章目录3.1.2压力的度量单位帕斯卡（Pa）:国际制导出单位

1帕（Pa）=1牛顿/平方米（N/m2）

2.其他常用度量单位（1）工程大气压（kgf/cm2

）

1工程大气压=1千克力/厘米2（或公斤力/厘米2）

（2）毫米汞柱（mmHg）

（3）毫米水柱（mmH2O）返本节目录返本章目录3.2液柱式压力计液柱式压力计的测压是基于液体静力学原理，利用已知密度的液柱高度对底面产生的静压力来平衡被测压力，根据液柱高度来确定被测压力的大小。返本章目录3.2.1U形管压力计3.2.2单管压力计3.2.3斜管压力计3.2.4液柱式压力计的使用重点：液柱式压力计的原理、结构、特点。难点：三种液柱式压力计比较，使用注意事项。3.2液柱式压力计返本章目录3.2.1U形管压力计1.U型管压力计的结构U型管压力计结构图U型、内截面积相同的玻璃管被固定在底板上，在U型管中间设一个刻度标尺，零点在标尺中央。U型玻璃管内充入水银或水等工作液，液体到零点处。返本节目录返本章目录2.U型管压力计的工作原理

当p1=p2时，两管中自由液面同处于标尺中央零刻度。当p2>p1时，右边管中液面下降，左边管中液面上升，一直到液面的高度差H产生的压力与被测差压平衡为止。根据流体静力学原理有如果将两管分别通大气压p0和被测压力pa，则测得压力为表压力。

3.2.1U形管压力计返本节目录返本章目录3.2.2单管压力计1.单管压力计的结构单管压力计结构图它是U型管压力计的一种变形。单管压力计把其中一个管用一个较大直径的杯来代替，也称杯型压力计。由于杯的直径与管的直径相差较大，所以杯中液面高度下降h2可忽略不计，因此在测量时只要读数一次就够了，减小了读数误差。返本节目录返本章目录2.单管压力计的工作原理测表压时，被测压力通到杯子一侧，当被测压力大于大气压时，玻璃管内液面上升，而杯中液面下降，液面高度差H=h+h2，由于杯内下降与细管上升液体体积相同，即

则由于，可忽略不计。所以

3.2.2单管压力计返本节目录返本章目录3.2.3斜管压力计1.斜管压力计的结构斜管压力计结构图它是单管式压力计的一种变形。将单管倾斜一个角度，这样可以加长液柱长度，提高压力计的灵敏度。斜管压力计常用于测量微小的压力和负压。返本节目录返本章目录2.斜管压力计的原理根据单管压力计原理可知，当d2<<D2时。从式可知，它的读数比单管式压力计扩大1/sinα倍，使读数精度有所提高。显然，在用同一种工作液体，仪表刻度标尺也相同的情况下，管子的倾斜角度α愈小，灵敏度越高，但实际使用时，α不能小于15°，这是因为α太小使得液面拉得太长，反而难于准确读数，增加读数误差。由于酒精有较小的密度，常用它做斜管微压计的工作液体。3.2.2单管压力计返本节目录返本章目录3.2.4液柱式压力计的使用（1）压力计在使用前，一定要放置水平，要保证管子处于严格的铅垂位置，未测量时工作液面应处于标尺零位，否则将产生安装误差。（2）在确定液面高度差H时，可采用各种提高读数精度的辅助装置，如放大尺、游标尺、光学读数系统等，减小读数误差。（3）由于毛细管的作用使管内液体呈弯月形，对于浸润液体（如水），液面呈凹月面，对于非浸润液体（如汞），液面呈凸月面。因此，读数时视线一定要与弯月面顶点相切。（4）当使用地点的环境温度与重力加速度有较大偏差时，应注意修正。返本节目录返本章目录弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件受压后变形产生的弹性力与被测表压或真空度相平衡的原理制成的。弹性元件的形变大小是压力的函数，通过测量弹性元件的形变就可以间接得到被测压力的大小。3.3弹性式压力计返本章目录3.3弹性式压力计3.3.1弹性元件3.3.2弹簧管压力计重点：弹性元件结构、总类。难点：各弹性元件的量程比较。重点：弹簧管压力计的原理、结构、工作过程。难点：弹簧管压力计的检定。返本章目录3.3.1弹性元件弹性元件是弹性式压力计的测压敏感元件，是压力—位移转换元件。不同的弹性元件所适用的测压范围有所不同，工业上常用的弹性元件有膜片、膜盒、波纹管和弹簧管，结构如下图所示：返本节目录返本章目录1.膜片膜片是一种沿外缘固定的片状测压弹性元件，测量时，将压力或差压转换成膜片中心位移或集中力输出，传给传动机构及指示机构就地指示。膜片的位移较小，灵敏度低，更多的应用是与压力变送器配合使用。有时膜片也被用来隔离仪表和被测介质，以保护仪表。膜片按其结构特征分为平膜片、波纹膜片。3.3.1弹性元件返本节目录返本章目录2.膜盒为增加膜片的中心位移量，提高仪表的灵敏度，可以把两块膜片沿周边对焊起来，成一薄膜盒子，称为膜盒。其挠变为单个膜片的两倍，在测微压时要使位移量更大，灵敏度更高，还可以把数个膜盒串在一起组成膜盒串作为弹性敏感元件。膜盒按其结构特征可分为开口膜盒、真空膜盒和填充膜盒。3.3.1弹性元件返本节目录返本章目录3.波纹管

波纹管是一种具有等间距同轴环状波纹，能沿轴向伸缩的测压弹性元件，又称波纹箱。波纹管在受到外力作用时，其膜面产生的机械位移量主要不是靠膜面的弯曲形变，而是靠波纹柱面的舒展或压屈来带动膜面中心作用点的移动。由于位移相对较大，一般可直接带动传动机构、就地指示。灵敏度高，可以用来测量较低的压力或压差。但波纹管迟滞误差较大，准确度最高仅为1.5级。3.3.1弹性元件返本节目录返本章目录4.弹簧管弹簧管是一根弯成270°圆弧的空心金属管子，管子的截面呈扁圆形或椭圆形。管子封闭的一端（B）为自由端，即位移输出端，管子另一端（A）开口，并被固定在接头上，作为被测压力的输入端。

当被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的内腔时，椭圆或扁圆截面在被测压力p的作用下将趋向圆形。由于弹簧管长度一定，迫使弹簧管产生向外挺直的扩张变形，结果改变弹簧管的中心角，使其自由端产生位移。3.3.1弹性元件返本节目录返本章目录3.3.2弹簧管压力计1.单圈弹簧管压力计结构弹簧管压力计主要由弹簧管、齿轮传动机构、指示机构以及表壳等几个部分组成。返本节目录返本章目录3.3.2弹簧管压力计2.多圈弹簧管压力计单圈弹簧管压力计由于自由端的位移和转动力矩小，只能作指示式仪表用，而在工业生产的压力测量中，往往还需要记录压力在某段时间的变化情况，因此需要使用压力记录仪，为了能带动记录机构的运动，就需要弹簧管自由端有较大位移和转动力矩，在设计时可以将单圈弹簧管改为多圈式的。多圈弹簧管也叫螺线管压力表，弹簧管的圈数一般有2.5圈至9圈，根据需要而定，管端的转角一般在54°左右。返本节目录返本章目录3.3.2弹簧管压力计3.弹簧管压力表的检定弹簧管压力表在使用过程中要定期进行检定，确定其精度等级。压力表精度等级不同，对检定环境温度有严格要求。精度等级0.06，0.1，0.16，0.250.4，0.61，1.6，2.5，4检定环境温度/℃20±220±320±5检定各级压力表时环境温度要求返本节目录返本章目录3.3.2弹簧管压力计3.弹簧管压力表的检定压力表在检定过程中压力表指针的转动应在全量程范围内平稳无跳动或卡住现象。首先根据其量程范围确定检定点，这些点应均匀分布在整个分度盘上，对于精密压力表检定点不应少于8个，一般压力表不应少于5个。检定时逐渐增加压力或疏空，当示值达到测量上限后，须耐压3min，然后按原检定点倒序回检，

检定时，每个检定点要进行两次读数，第一次在轻敲表壳前进行，第二次在轻敲表壳后进行。返本节目录返本章目录3.3.2弹簧管压力计3.弹簧管压力表的检定压力表检定要计算的误差有：（1）示值误差

对每一检定点，在升压和降压检定时，轻敲表壳前、后的示值与标准值之差。（2）回程误差

对同一检定点，在升压和降压时，轻敲表壳后的示值之差。（3）轻敲位移

对每一检定点，在升压和降压检定时，轻敲表壳后引起的指针示值变动量。返本节目录返本章目录电气式压力传感器是利用压力敏感元件将被测压力转换成各种电量，如电阻、频率、电荷量等来实现测量的。电气式压力计测量范围大，线性好，便于进行压力的连续测量及远传，实现自动控制，尤其适合于压力变化快和高真空、超高压的测量。3.4电气式压力传感器返本章目录3.4电气式压力传感器3.4.1应变式压力传感器重点：应变效应、压阻效应、应变式压力传感器组成。难点：力-应变型弹性元件及应变片粘贴。3.4.2压电式压力传感器重点：压电效应、压电式压力传感器原理、结构。难点：压电材料特性、压电式压力传感器使用。返本章目录3.4.1应变式压力传感器应变式压力计的工作原理是，被测压力引起弹性元件应变，通过粘贴在弹性元件上电阻应变片将应变转换为电阻值的变化，最后通过测量电路把电阻值的变化转换成电压或电流的变化。应变式压力计的核心敏感元件是电阻应变片，电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片两种。返本节目录返本章目录3.4.1应变式压力传感器1.应变效应和压阻效应金属电阻丝在外力作用下发生机械变形，从而引起电阻值发生变化的现象称为应变效应。半导体电阻体材料在受到外力作用后，其晶格间距发生变化，从而使电阻率发生变化，压力也随之变化的现象称为压阻效应。返本节目录返本章目录3.4.1应变式压力传感器2.应变片的结构金属电阻应变片

栅丝式应变片结构常用的金属电阻应变片有栅丝式、箔式和薄膜式等种类。结构如图，一般由敏感栅（金属丝或箔）、绝缘基底、覆盖层或保护膜、引出线等部分组成。返本节目录返本章目录3.4.1应变式压力传感器2.应变片的结构半导体应变片

体型半导体应变片结构半导体应变片的材料有硅、锗、锑化铟、磷化镓、砷化镓等，硅和锗由于压阻效应大，故多作为压阻式压力计的半导体材料。半导体应变片按结构可分为体型应变片、扩散型应变片和薄膜型应变片。返本节目录返本章目录3.电阻应变式压力传感器的组成应变片的粘贴方法：一种是将应变片直接粘贴于压力–位移型弹性元件的应变处（平膜片）。另一种是粘贴在力–应变型弹性元件表面，通过压力–位移弹性元件实现压力–力的变换，再通过力–应变型弹性元件实现力–应变–电阻值的转换。3.4.1应变式压力传感器返本节目录返本章目录1）力–应变型弹性元件柱形弹性元件:3.4.1应变式压力传感器柱形弹性元件此类弹性元件由于应变很小，测力量程较大，尤其是实心圆柱在径向尺寸较大时，测力上限可达数千吨，常作为荷重式压力传感器的敏感元件。返本节目录返本章目录1）力–应变型弹性元件柱形弹性元件（动画演示）3.4.1应变式压力传感器返本节目录返本章目录1）力–应变型弹性元件悬臂梁:悬臂梁是一端固定、一端自由的测力弹性元件。其特点是结构简单，加工方便，其输出可以是应变，也可是挠度。它灵敏度比圆柱高，适于较小力的测量。根据截面形状，可分为等截面悬臂梁和变截面等强度悬臂梁两种。梁形弹性元件3.4.1应变式压力传感器返本节目录返本章目录1）力–应变型弹性元件悬臂梁（动画演示）3.4.1应变式压力传感器返本节目录返本章目录1）力–应变型弹性元件薄壁环:3.4.1应变式压力传感器弹性元件为等截面圆环。薄壁环灵敏度高，用于测量较小的力，但加工困难，且在力F作用下，环的各部位应变不相等。薄壁环弹性元件返本节目录返本章目录2）桥式测量转换电路电桥的一个对角线结点接入电源电压Ui，另一个对角线结点为输出电压Uo。为了使电桥在测量前的输出电压为零，应该选择4个桥臂电阻，使R1R3=R2R4或R1/R2=R4/R3，这就是电桥平衡的条件。3.4.1应变式压力传感器测量电路返本节目录返本章目录2）桥式测量转换电路当每个桥臂电阻变化值ΔRi<<Ri，且电桥输出端的负载电阻为无限大、全等臂形式工作，即R1=R2=R3=R4（初始值）时，电桥输出电压可用下式近似（小信号时误差小于1%）表示

由于ΔR/R=Kεx，当各桥臂应变片的灵敏度K都相同时有

3.4.1应变式压力传感器返本节目录返本章目录2）桥式测量转换电路单臂半桥工作方式:即R1为应变片，R2、R3、R4为固定电阻，ΔR2～ΔR4均为零。双臂半桥工作方式：即R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻，ΔR3=ΔR4=0。全桥工作方式：即电桥的4个桥臂都为应变片。其中，全桥4臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。3.4.1应变式压力传感器返本节目录返本章目录4.应变式压力传感器的类型（1）膜片式压力传感器工作时将传感器的下端旋入管壁，使被测压力均匀分布地作用在膜片的一面，使平膜片产生应变，从而使电阻应变片产生应变而有一定电阻变化输出，通过测量电路转换求得被测压力的大小。3.4.1应变式压力传感器膜片式压力传感器返本节目录返本章目录4.应变式压力传感器的类型（2）应变筒式压力传感器应变筒的上端与外壳紧密固定，下端与不锈钢密封膜片紧密连接，应变片R1、R2分别轴向、径向粘贴在应变筒外壁，分别接到测量桥路的相邻臂上。3.4.1应变式压力传感器应变筒压力传感器返本节目录返本章目录3.4.2压电式压力传感器压电式压力传感器是基于某些电介质的压电效应原理制成的。某些电介质物体，对其沿一定方向施加压力或拉力发生机械应变时，会在其相对两面上产生等量异号电荷，若将外力去掉时，电荷随之消失，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。返本节目录返本章目录1.压电式压力传感器的工作原理石英晶体外形：纵向轴线z叫做光轴；经过六面体棱线并与光轴垂直的轴线x叫做电轴；而垂直于对称棱面，同时与光轴和电轴垂直的轴线y称为机械轴。3.4.2压电式压力传感器返本节目录返本章目录1.压电式压力传感器的工作原理当沿电轴方向施加压力时，则在与电轴垂直的两晶体边界面上产生异性电荷。当沿机械轴方向施加压力时，则仍在与电轴垂直的两晶体边界面上产生异号电荷，但符号相反。而在光轴方向施加压力则不产生压电效应。3.4.2压电式压力传感器返本节目录返本章目录3.4.2压电式压力传感器返本节目录返本章目录2.压电式压力传感器的结构压电元件被夹在两片膜片之间，弹性元件把压力传递给压电元件。压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。送到电荷放大器或电压放大器放大，转换成标准电压或电流输出，其大小与被测压力成正比关系。3.4.2压电式压力传感器压电式压力传感器返本节目录返本章目录3.压电式压力传感器的应用及特点1）体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，工作温度可在250℃以上。2）灵敏度高，线性度好，常用精度有0.5级和1.0级。3）测量范围宽，可测100Mpa以下的所有压力。4）是一种有源传感器，无须外加电源，可避免电源带来的噪声干扰。3.4.2压电式压力传感器返本节目录返本章目录压力信号不能直接进行远传，一方面因为敷设引压导管较麻烦，另一方面长距离传输要造成较大的压力损失。因而要向远距离传输压力信号，往往是将弹性测压元件与电气传感器相结合构成压力变送器，工业上常称为差压变送器。将压力或差压转换为便于传输、指示、记录的统一信号进行输出，而且输出信号与输入压力之间通常有连续线性函数关系。3.5压力变送器返本章目录3.5压力变送器3.5.1电容式压力变送器3.5.2扩散硅差压变送器重点：电容式压力变送器原理、结构、使用。难点：量程调整，零点调整和零点迁移。重点：扩散硅差压变送器的原理、结构、使用。难点：膜片应力分布及应变片粘贴。返本章目录3.5.1电容式压力变送器1.电容式差压变送器原理测量时，被测压力加在隔离膜片上，通过硅油的不可压缩性和流动性将差压传递到测量膜片的两侧，从而使膜片产生位移Δd，如图中虚线所示，使一个电容器的极距变小，电容量增大，另一个电容器的极距变大，电容量减小。返本节目录返本章目录1.电容式差压变送器原理转换电路:(常数)3.5.1电容式压力变送器转换电路原理图返本节目录返本章目录2.变送器的使用零点调整和零点迁移：使变送器输出的下限值与测量参数的下限值对应。零点迁移:在测量参数的下限值xmin≠0时，使输出ymin=4mA的调整过程称为零点迁移，零点迁移分为正迁移和负迁移两种。3.5.1电容式压力变送器零点调整:在测量参数的下限值xmin=0时，使ymin=4mA的调整就叫零点调整；返本节目录返本章目录2.变送器的使用量程调整(满度调整):调整的目的是为了使变送器输出的上限值与测量参数的上限值相对应。量程调整实际就是通过改变变送器的放大增益，改变其输入—输出特性斜率，使被测信号的最大值与变送器输出的最大值对应。3.5.1电容式压力变送器返本节目录返本章目录2.变送器的使用线性度调整：3.5.1电容式压力变送器为了使变送器的输入—输出特性达到高度的线性，因此在放大器线路板焊接面上，还备有线性调节电位器。在通常情况下，线性度调整工作已在变送器出厂时调好，一般不必进行调节。如有必要（需要在某一特定范围内改善线性），而且条件具备时（校正时需要高精度的标准仪表），也可进行，但必须按规程进行调整。返本节目录返本章目录2.变送器的使用阻尼的调整：3.5.1电容式压力变送器变送器的放大器线路板有阻尼调节电位器，变送器出厂校验时，已将电位器逆时针旋转到底（阻尼时间约0.2s），即阻尼最小位置。由于变送器标定不受阻尼调节的影响，阻尼调节可在变送器安装好以后进行。需要调节阻尼时可顺时针方向转动阻尼电位器。所谓阻尼时间即变送器的输出随被测压力变化的反应速度。一般电容式差压变送器的最大阻尼时间常数为≥1.67s。返本节目录返本章目录2.变送器的使用变送器的接线3.5.1电容式压力变送器返本节目录返本章目录3.5.2扩散硅型压力变送器1.扩散硅压阻式传感器测压原理在硅膜片上，用扩散掺杂法做成四个阻值相等的电阻，构成平衡电桥。仪表被硅膜片分成高压和低压两个腔室。当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应力应变，从而使扩散电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应电压，该电压大小与膜片两边的压力差成正比，从而可以测取膜片所受压力差值。扩散硅压阻式传感器返本节目录返本章目录3.5.2扩散硅型压力变送器1.扩散硅压阻式传感器测压原理为了构成差动电桥，提高输出灵敏度，在硅膜片上布置电阻时，可以使R1、R3布置在负应力区，承受压应力；R2、R4布置在正应力区，承受拉应力。这样，在承受压力时，四个电阻有增有减，将阻值增加的两个电阻与阻值减小的两个电阻分别相对接入桥路，构成不平衡电桥。电阻分布返本节目录返本章目录3.6压力计的校验与使用3.6.1活塞式压力计及压力计的校验重点：活塞式压力计原理、结构、校验压力计的方法。难点：活塞式压力计的使用、维护。3.6.2压力计的使用重点：压力计的选型、安装等知识。难点：选型原则。返本章目录活塞式压力计是基于流体静力学平衡原理和帕斯卡定律，利用压力作用在活塞上的力与砝码的重力相平衡的原理来测压力。活塞式压力计是压力计量中的基准仪器，也是一种标准压力发生器，用来检验其他仪表，一般不能直接测量压力。3.6.1活塞式压力计及压力计的校验返本节目录返本章目录1.活塞式压力计的结构及原理活塞式压力计主要由活塞测量系统（砝码、活塞和测量活塞筒等）和压力发生泵（手摇泵、油杯组件）组成。3.6.1活塞式压力计及压力计的校验活塞式压力计返本节目录返本章目录1.活塞式压力计的结构及原理3.6.1活塞式压力计及压力计的校验活塞式压力计中的压力发生泵，是通过手轮旋转丝杆，推动加压活塞挤压内腔中的工作液，以产生所需的压力，根据流体静力学中液体压力传递平衡原理，该外加压力经工作液均匀传递给测量系统中的活塞和被校压力表。当测量系统中活塞和托盘本身的重量，以及加在托盘上的专用硅码的重量作用在活塞上的力与压力发生泵所产生的力相等时，测量活塞浮起在某一位置上。这时工作液的压力为返本节目录返本章目录3.6.1活塞式压力计及压力计的校验

2.活塞式压力计校验压力计的方法1）测量前，将活塞压力计放置水平。2）把工作液灌入油杯，反复旋转手轮，排除内腔的空气。3）用加压泵加压，检查油路是否畅通，并装上被校压力表。4）将进油口阀门打开，反时针旋转手轮，将油吸入油路。5）关闭进油阀，顺时针旋转手轮产生压力，加上砝码进行校验。6）旋转手轮加压，使活塞盘升起，并与定位指示板刻度线相齐。7）活塞式压力计的活塞杆、底盘、砝码等必须根据其出厂的编号配套使用，不能互换。返本节目录返本章目录3.6.2压力计的使用1.压力计的选型（1）压力计种类和型号的选择考虑被测介质压力大小。考虑被