第二章第一二三節(jié)概述液柱式和彈簧管式壓力表課件

第二章壓力測(cè)量

1.1概述

1.2液柱式壓力計(jì)

1.3彈簧管式壓力表

1.4應(yīng)變式壓力傳感器

1.5電容式差壓變送器

所用學(xué)時(shí)：9學(xué)時(shí)左右第二章壓力測(cè)量1.1概述

壓力和差壓是工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的過程參數(shù)之一。在許多場(chǎng)合需要直接檢測(cè)與控制壓力參數(shù)，如鍋爐的氣包壓力、爐膛壓力、煙道壓力；化學(xué)生產(chǎn)中的反應(yīng)斧壓力、加熱爐壓力等。此外，還有一些不易直接測(cè)量的參數(shù)，如液位、流量等參數(shù)往往需要通過壓力或差壓的檢測(cè)來間接獲取。因此，壓力和差壓的測(cè)量在各類工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中如石油、電力、化工、冶金、航天航空、環(huán)保、輕工等占有很重要的地位。第一節(jié)概述壓力和差壓是工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的過程參數(shù)之一。在許多場(chǎng)一、壓力的基本概念垂直而均勻地作用在單位面積上的力

式中Ｐ——壓力（Pa）

Ｆ——均勻垂直作用力（N）

Ｓ——受力面積（m2）1MPa=103KPa

=106Pa單位:牛頓/米2（N/m2），簡(jiǎn)稱“帕”，用符號(hào)“Pa”

一、壓力的基本概念垂直而均勻地作用在單位面積上的力

工程上仍使用的壓力單位有：工程大氣壓、毫米汞柱、毫米水柱等。

1工程大氣壓=1公斤力垂直于1平方厘米的面積上所產(chǎn)生的壓力。國(guó)際符號(hào)為：kgf/cm21毫米汞柱、1毫米水柱為1平方厘米的面積上分別由1毫米汞柱、1毫米水柱的重量所產(chǎn)生的壓力，國(guó)際符號(hào)為：mmHg，mmH2O工程上仍使用的壓力單位有：工程大氣壓、毫米汞柱、毫米水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）等均應(yīng)改成法定計(jì)量單位帕。1kgf/cm2=0.9807×105Pa1mmH2O=0.9807×10Pa1mmHg=1.3332×102Pa1atm=1.01325×105Pa1bar=105Pa過去采用的壓力單位“工程大氣壓力”（kgf/cm2）、“毫米

大氣壓力—地球表面上的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力。其值由地理位置及氣象情況所決定。絕對(duì)壓力—物體所受的實(shí)際壓力。地面上的物體均處在大氣壓力的作用下，只有真空狀態(tài)才能使F=0和p=0。二、壓力的表示方式大氣壓力—地球表面上的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力。其值由地表壓力—以大氣壓力為基準(zhǔn)的壓力值，當(dāng)絕對(duì)壓力大于大氣壓力時(shí)，它等于絕對(duì)壓力與大氣壓力之差。它又稱為“相對(duì)壓力”，各種普通壓力表的指示值都是表壓力。絕對(duì)壓力的零線表壓大氣壓力線絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力真空度負(fù)壓或真空度（疏空壓力）—當(dāng)絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)，它等于大氣壓力與絕對(duì)壓力之差。負(fù)壓值越大，絕對(duì)壓力越小，真空度越高。差壓—兩個(gè)壓力之差。表壓力—以大氣壓力為基準(zhǔn)的壓力值，當(dāng)絕對(duì)壓力大于大氣壓力時(shí)，利用液體靜力學(xué)原理—利用液體產(chǎn)生或傳遞壓力來平衡被測(cè)壓力從而獲得測(cè)量結(jié)果。如液柱式壓力計(jì)和活塞式壓力計(jì)。利用彈性變形原理—利用各種形式的彈性敏感元件在受壓后產(chǎn)生彈性變形的特性進(jìn)行壓力檢測(cè)。如彈簧管壓力表、膜盒壓力表和波紋管壓力表。利用某一物質(zhì)的某一物理效應(yīng)與壓力的關(guān)系來檢測(cè)壓力。這類儀表的輸出均為電信號(hào)，統(tǒng)稱為電測(cè)式(電氣式)壓力儀表。如應(yīng)變片式壓力傳感器、霍爾式壓力傳感器、電容式壓力（或差壓）變送器、擴(kuò)散硅式壓力（或差壓）變送器等等。三、壓力檢測(cè)的基本原理利用液體靜力學(xué)原理—利用液體產(chǎn)生或傳遞壓力來平衡被測(cè)壓力從而四、壓力測(cè)量?jī)x表的分類

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?；钊剑焊鶕?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。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。四、壓力測(cè)量?jī)x表的分類測(cè)量壓力的儀表，按信號(hào)原理不同，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。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。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。第二節(jié)液柱式壓力計(jì)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。缺點(diǎn)：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

p2p1p2p1h(a)(b)右圖為U形玻璃管檢測(cè)壓力的原理圖。當(dāng)p1=p2時(shí)，左右兩管中液體的高度相等。當(dāng)p1>p2時(shí)，U形管兩管內(nèi)的液面會(huì)產(chǎn)生高度差，設(shè)高度差為h，依據(jù)液體靜力學(xué)原理有：一、測(cè)壓原理p2p1p2p1h(a)(b)右圖為U形玻璃二、U形管壓力計(jì)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。二、U形管壓力計(jì)提高工作液密度將增加壓力的測(cè)量范圍，但靈敏度三、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)。三、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

下式中d為玻璃管內(nèi)直徑，D為杯形容器的內(nèi)直徑。下式中d為玻璃管內(nèi)直徑，D為杯形容器的內(nèi)直徑。四、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。四、斜管微壓計(jì)主要用于測(cè)量微小壓力、負(fù)壓和壓差，它將單傾斜角度α傾斜角度α

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。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。

傾斜角度越小，l越長(zhǎng)，測(cè)量靈敏度就越高；但不可太小，

液體壓力計(jì)難以克服的缺點(diǎn)：量程受到液體密度的限制，除水銀外尚無密度大而化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性好的液體，水銀是人們不愿意使用的有毒物質(zhì)。不適合測(cè)量劇烈變動(dòng)的壓力，由于這類壓力計(jì)兩端必須和被測(cè)壓力和大氣相通，壓力突變時(shí)會(huì)使液體沖出管外。管內(nèi)液體阻尼系數(shù)太小，雖然測(cè)微小變化的壓力相對(duì)靈敏，而在動(dòng)態(tài)性質(zhì)上是欠阻尼的，遇到壓力擾動(dòng)就反復(fù)振蕩許久方能使液柱靜止。對(duì)安裝位置和姿勢(shì)有要求，姿勢(shì)必須垂直。

五、特點(diǎn)液體壓力計(jì)難以克服的缺點(diǎn)：五、特點(diǎn)

近年來液柱式測(cè)壓儀表已日益減少，特別是水銀儀表已趨于淘汰，但在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中仍較常見，這是因?yàn)樗?jiǎn)單、靈敏、準(zhǔn)確。

七、液體壓力計(jì)的使用六、液體壓力計(jì)誤差分析

測(cè)量誤差：當(dāng)標(biāo)尺刻度精度為1mm時(shí)，對(duì)于U管，可達(dá)2mm;對(duì)于單管，可達(dá)1mm。見教材P138。見教材P138~139近年來液柱式測(cè)壓儀表已日益減少，特別是水銀儀表已趨于淘第三節(jié)彈簧管式壓力表

工業(yè)生產(chǎn)過程中使用較普遍的測(cè)壓儀表是按照彈性變形原理工作的，尤其是彈簧管壓力表歷史悠久、應(yīng)用廣泛。一、測(cè)壓原理

基本原理是依據(jù)彈性元件受壓變形后產(chǎn)生的彈性反作用力與被測(cè)壓力相平衡，然后測(cè)量彈性元件的變形量大小可知被測(cè)壓力的大小。根據(jù)測(cè)量范圍的不同，常用的彈性元件有膜片、波紋管、彈簧管等。彈性元件是測(cè)壓儀表的關(guān)鍵元件，為了保證儀表的精度、可靠性及良好的線性特性，彈性元件必須工作在彈性限度范圍內(nèi)，且彈性元件的彈性后效和彈性滯后要小，溫度系數(shù)也要低。第三節(jié)彈簧管式壓力表工業(yè)生產(chǎn)過程中使用較普遍的測(cè)壓儀

常用的材料有錫青銅、磷青銅、黃銅、不銹鋼、錳鋼等。新型彈性材料有鈀-金系無磁恒彈性合金等。

彈性式壓力檢測(cè)儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，指示明顯，價(jià)格便宜，測(cè)量范圍寬（最高可達(dá)1000MPa），并能保證足夠的精度，現(xiàn)場(chǎng)使用維護(hù)方便，故在工程中一直得到廣泛的應(yīng)用。常用的材料有錫青銅、磷青銅、黃銅、不銹鋼、錳鋼等。新第二章第一二三節(jié)概述液柱式和彈簧管式壓力表課件第二章第一二三節(jié)概述液柱式和彈簧管式壓力表課件膜片受壓力作用產(chǎn)生位移，可直接帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)指示。但是膜片的位移較小，靈敏度低，指示精度不高，一般為2.5級(jí)。膜片更多的是和其他轉(zhuǎn)換元件合起來使用，通過膜片和轉(zhuǎn)換元件把壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；彈簧管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉，它使用范圍廣，測(cè)量范圍寬，可以測(cè)量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓，因此應(yīng)用十分廣泛。根據(jù)制造的要求，儀表精度最高可達(dá)0.15級(jí)。波紋管的位移相對(duì)較大，一般可在其頂端安裝傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)指針直接讀數(shù)。其特點(diǎn)是靈敏高（特別是在低壓區(qū)），常用于檢測(cè)較低的壓力，但波紋管遲滯誤差較大，精度一般只能達(dá)到1.5級(jí)；膜片受壓力作用產(chǎn)生位移，可直接帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)指示。但是膜片的位二、彈簧管壓力表

（一）測(cè)壓原理二、彈簧管壓力表

（一）測(cè)壓原理P—被測(cè)壓力；=0-、E—彈簧管材料的泊松系數(shù)和彈性模量（徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比，產(chǎn)生單位應(yīng)變所需的應(yīng)力）；h—彈簧管壁厚；a、b—彈簧管橢圓形截面的長(zhǎng)半軸和短半軸；=Rh/a2—為幾何參數(shù)；、—與比值a/b有關(guān)的參數(shù)；R—彈簧管曲率半徑；0—彈簧管中心角的初始值。公式：P—被測(cè)壓力；=0-公式：一般所以

一般

從上面分析可知：（1）當(dāng)彈簧管的結(jié)構(gòu)、尺寸和材料一定時(shí)，彈簧管自由端位移和被測(cè)壓力之間基本上是線性關(guān)系，即彈簧管壓力表的刻度均勻性好。（2）如b=a，得=0，說明具有均勻壁厚的圓形截面的彈簧管不能作為測(cè)壓元件。

為了增大彈簧管自由端受壓變形時(shí)的位移量，可采用多圈彈簧管結(jié)構(gòu)，其基本原理與單圈彈簧管相同，但自由端的位移量比單圈彈簧管大好多倍。從上面分析可知：

彈簧管壓力表

彈簧管拉桿指針中心齒輪扇形齒輪接頭游絲刻度盤調(diào)整螺釘（二）彈簧管壓力表

1工作原理

彈簧管壓力表彈簧管拉桿指針中心齒輪扇形齒輪接頭游絲刻度盤2放大機(jī)構(gòu)

彈簧管壓力表的機(jī)芯如圖所示。由于彈簧管自由端的位移量較小，為了保證儀表有足夠的靈敏度，需要用機(jī)芯將自由端的位移進(jìn)行放大，將自由端的微小位移放大成較大的角位移。

2放大機(jī)構(gòu)

彈簧管壓力表的機(jī)芯如圖所示。由于彈簧管自由端的

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉，它使用范圍廣，測(cè)量范圍寬，可以測(cè)量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓，因此應(yīng)用十分廣泛，精度等級(jí)高達(dá)0.15級(jí)。三、彈簧管式電遠(yuǎn)傳壓力表的工作原理

電遠(yuǎn)傳壓力表生產(chǎn)歷史較久，它是在普通彈性元件構(gòu)成的壓力表內(nèi)附加電遠(yuǎn)傳部件，使之除就地指示壓力之外，兼有信號(hào)遠(yuǎn)傳的功能。甚至將指針標(biāo)度尺去掉，以電遠(yuǎn)傳為唯一用途，實(shí)質(zhì)上已成為純粹的壓力傳感器。這類傳感器的敏感元件和彈性變形式壓力表完全一樣，此處只需介紹其電遠(yuǎn)傳原理和特性。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉，它使用范圍廣，測(cè)

1電位器式

在彈簧管壓力表內(nèi)安裝小型滑線電位器，其滑點(diǎn)由彈簧管自由端帶動(dòng)。如只利用電位器的滑點(diǎn)和電阻的任意一端，就成為以可變阻值輸出的壓力傳感器，與任何一種測(cè)電阻的儀表相連便可測(cè)量壓力。如將電位器的電阻兩端和滑點(diǎn)用三根導(dǎo)線引出，并在電阻兩端接穩(wěn)定的直流電壓，則滑點(diǎn)和電阻的任意一端之間的電壓將取決于滑點(diǎn)位置，也就是取決于被測(cè)壓力。這樣便可與測(cè)直流電壓的儀表相連而反映壓力值。1電位器式

在彈簧管壓力表內(nèi)安裝小型滑線電位器，其滑點(diǎn)

這種電遠(yuǎn)傳方法比較簡(jiǎn)單，具有很好的線性。如果采用斷面尺寸不均勻的骨架繞制電位器，就能設(shè)計(jì)成有某種非線性的電位器，借此可將彈性元件或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的非線性抵消，使整個(gè)傳感器具有線性特性。

電位器式電遠(yuǎn)傳的最大缺點(diǎn)是有滑動(dòng)觸點(diǎn)，為減少?gòu)椥栽淖冃巫枇?，以免引起過大的滯環(huán)及變差，就希望滑點(diǎn)和電阻絲的接觸壓力盡量小，但接觸壓力小就難以保證良好地導(dǎo)電，尤其是電阻表面氧化或污染時(shí)，滑點(diǎn)接觸不可靠。此外，彈性元件的變形位移或轉(zhuǎn)角一般不大，但希望電阻或電壓的變化有較好的連續(xù)性，不要出現(xiàn)明顯的階梯狀特性，這就必須用極細(xì)的電阻絲繞制電位器。電阻絲太細(xì)勢(shì)必不耐磨損，特別是壓力頻繁波動(dòng)時(shí)，往往局部磨損嚴(yán)重，改變了原有的阻值均勻性，甚至出現(xiàn)磨斷電阻絲的現(xiàn)象。為了改進(jìn)上述缺點(diǎn)，出現(xiàn)了導(dǎo)電塑料電位器及無觸點(diǎn)電位器，用這類新材料或器件代替滑線電位器固然可以提高可靠性，但成本也有所增加。這種電遠(yuǎn)傳方法比較簡(jiǎn)單，具有很好的線性。如果采用斷面尺寸

2電感式

電感式電遠(yuǎn)傳可以避免滑動(dòng)觸點(diǎn)，它利用彈性元件的變形帶動(dòng)銜鐵，改變鐵心線圈的氣隙，從而改變線圈的電感。在交流電路里，感抗可以很容易地變換成電壓。如需要輸出直流信號(hào)，可加整流濾波電路。電感式壓力傳感器的原理見右圖。2電感式

這種傳感器必須用交流電源。為了減小鐵心線圈的尺寸，提高傳感器的靈敏度，并且避免工業(yè)頻率的干擾，最好采用稍高的頻率，例如40OHz，但是這會(huì)使電路的成本和復(fù)雜性增加。此外要注意鐵心的材質(zhì)選擇，避免渦流損耗。電感式傳感器必須有良好的磁屏蔽，它本身既要防止外界干擾，也應(yīng)防止對(duì)外的干擾作用。

鐵心線圈的氣隙變化和感抗之間有非線性關(guān)系。尤其值得注意的是電流通過線圈時(shí)產(chǎn)生的磁效應(yīng)會(huì)對(duì)銜鐵有吸引力，這就形成了作用于彈性元件的外力，此力與氣隙大小有關(guān)，必須在校驗(yàn)或標(biāo)定中消除，否則誤差很大。正因?yàn)樯鲜龈郊游κ怯绊懢_度的主要因素，所以電感式傳感器只適合于較高壓力的測(cè)量。高壓力用的彈性元件剛度系數(shù)大，附加吸力所起的作用相對(duì)而言較小。這種傳感器必須用交流電源。為了減小鐵心線圈的尺寸，提高傳3差動(dòng)變壓器式(P98~99)

差動(dòng)變壓器介紹將被測(cè)量的非電量轉(zhuǎn)換為互感變化量的傳感器稱為互感式傳感器。這種互感傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組都用差動(dòng)形式連接，故稱差動(dòng)變壓器式傳感器，簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。在這種傳感器中，一般將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為變壓器的互感變化，變壓器初級(jí)線圈輸入交流電壓，次級(jí)線圈則互感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。3差動(dòng)變壓器式(P98~99)1—初級(jí)線圈；21，22—次級(jí)兩差動(dòng)線圈；3—線圓絕緣框架；4—活動(dòng)銜鐵1—初級(jí)線圈；21，22—次級(jí)兩差動(dòng)線圈；3—線圓絕緣框差動(dòng)變壓器等效電路圖差動(dòng)變壓器等效電路圖

差動(dòng)變壓器輸出電壓特性曲線

差動(dòng)變壓器輸出電壓特性曲線

差動(dòng)變壓器是專門為位移測(cè)量用的傳感器，在可移動(dòng)的鐵心周圍有三組線圈。其中一個(gè)是變壓器的原邊，供交流電。另外兩個(gè)匝數(shù)相等的線圈，按同名端極性反向串聯(lián)而成為副邊。當(dāng)鐵心處于中央位置時(shí)，兩組副邊上的感應(yīng)電勢(shì)大小相等，因?yàn)榉聪虼?lián)而使輸出為零。鐵心偏離中央位置后，副邊將出現(xiàn)交流電壓。偏離越遠(yuǎn)，輸出交流電壓越高。鐵心位移的方向不同，輸出交流電壓的相位相反。其原理示意如右圖所示。

差動(dòng)變壓器是專門為位移測(cè)量用的傳感器，在可移動(dòng)的鐵心周圍有

在被測(cè)壓力為零時(shí)，使鐵心位于線圈的中央，壓力增大后輸出交流電壓隨之升高。差動(dòng)變壓器在規(guī)定的鐵心位移范圍內(nèi)有較好的線性，但當(dāng)鐵心處于中央位置時(shí)，輸出并不為零，有一定的殘余電壓，必要時(shí)可設(shè)計(jì)專用線路以補(bǔ)償之。頻率對(duì)差動(dòng)變壓器的工作的影響不像對(duì)電感線圈那樣明顯，影響輸出的主要是原邊電壓和副邊匝數(shù)。它比前述電感法優(yōu)越之處在于線性好、能從零起始(補(bǔ)償殘余電壓之后)，附加力小，位移范圍也較大。差動(dòng)變壓器廣泛用于位移測(cè)量。在被測(cè)壓力為零時(shí)，使鐵心位于線圈的中央，壓力增大后輸出交4霍爾元件式在彈性元件的自由端安裝半導(dǎo)體霍爾元件，并使霍爾元件的兩端處于永久磁鐵的磁極間隙中，而且兩端的磁場(chǎng)方向相反。倘若壓力為零時(shí)處于方向相反的兩對(duì)磁極間隙中的面積相等，即使在霍爾元件上通以電流，也不會(huì)產(chǎn)生霍爾效應(yīng)。但壓力升高以后，兩面積不等，在與電流方向垂直并且也垂直于磁場(chǎng)的方向上就會(huì)有電勢(shì)出現(xiàn)。電流和磁感強(qiáng)度皆為常數(shù)時(shí)，壓力越大，兩面積之差越大，輸出電勢(shì)也越高，這就是霍爾效應(yīng)。4霍爾元件式

霍爾效應(yīng)可用來測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流、位移，甚至可以構(gòu)成運(yùn)算器。用霍爾元件構(gòu)成的電遠(yuǎn)傳壓力表或壓力傳感器，可與任何測(cè)直流電壓的儀表相配，我國(guó)有這種指示儀表，其刻度以壓力為單位?；魻栃?yīng)可用來測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流、位移，甚至可以構(gòu)成運(yùn)第二章第一二三節(jié)概述液柱式和彈簧管式壓力表課件

第二章壓力測(cè)量

1.1概述

1.2液柱式壓力計(jì)

1.3彈簧管式壓力表

1.4應(yīng)變式壓力傳感器

1.5電容式差壓變送器

所用學(xué)時(shí)：9學(xué)時(shí)左右第二章壓力測(cè)量1.1概述

壓力和差壓是工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的過程參數(shù)之一。在許多場(chǎng)合需要直接檢測(cè)與控制壓力參數(shù)，如鍋爐的氣包壓力、爐膛壓力、煙道壓力；化學(xué)生產(chǎn)中的反應(yīng)斧壓力、加熱爐壓力等。此外，還有一些不易直接測(cè)量的參數(shù)，如液位、流量等參數(shù)往往需要通過壓力或差壓的檢測(cè)來間接獲取。因此，壓力和差壓的測(cè)量在各類工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中如石油、電力、化工、冶金、航天航空、環(huán)保、輕工等占有很重要的地位。第一節(jié)概述壓力和差壓是工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的過程參數(shù)之一。在許多場(chǎng)一、壓力的基本概念垂直而均勻地作用在單位面積上的力

式中Ｐ——壓力（Pa）

Ｆ——均勻垂直作用力（N）

Ｓ——受力面積（m2）1MPa=103KPa

=106Pa單位:牛頓/米2（N/m2），簡(jiǎn)稱“帕”，用符號(hào)“Pa”

一、壓力的基本概念垂直而均勻地作用在單位面積上的力

工程上仍使用的壓力單位有：工程大氣壓、毫米汞柱、毫米水柱等。

1工程大氣壓=1公斤力垂直于1平方厘米的面積上所產(chǎn)生的壓力。國(guó)際符號(hào)為：kgf/cm21毫米汞柱、1毫米水柱為1平方厘米的面積上分別由1毫米汞柱、1毫米水柱的重量所產(chǎn)生的壓力，國(guó)際符號(hào)為：mmHg，mmH2O工程上仍使用的壓力單位有：工程大氣壓、毫米汞柱、毫米水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）等均應(yīng)改成法定計(jì)量單位帕。1kgf/cm2=0.9807×105Pa1mmH2O=0.9807×10Pa1mmHg=1.3332×102Pa1atm=1.01325×105Pa1bar=105Pa過去采用的壓力單位“工程大氣壓力”（kgf/cm2）、“毫米

大氣壓力—地球表面上的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力。其值由地理位置及氣象情況所決定。絕對(duì)壓力—物體所受的實(shí)際壓力。地面上的物體均處在大氣壓力的作用下，只有真空狀態(tài)才能使F=0和p=0。二、壓力的表示方式大氣壓力—地球表面上的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力。其值由地表壓力—以大氣壓力為基準(zhǔn)的壓力值，當(dāng)絕對(duì)壓力大于大氣壓力時(shí)，它等于絕對(duì)壓力與大氣壓力之差。它又稱為“相對(duì)壓力”，各種普通壓力表的指示值都是表壓力。絕對(duì)壓力的零線表壓大氣壓力線絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力真空度負(fù)壓或真空度（疏空壓力）—當(dāng)絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)，它等于大氣壓力與絕對(duì)壓力之差。負(fù)壓值越大，絕對(duì)壓力越小，真空度越高。差壓—兩個(gè)壓力之差。表壓力—以大氣壓力為基準(zhǔn)的壓力值，當(dāng)絕對(duì)壓力大于大氣壓力時(shí)，利用液體靜力學(xué)原理—利用液體產(chǎn)生或傳遞壓力來平衡被測(cè)壓力從而獲得測(cè)量結(jié)果。如液柱式壓力計(jì)和活塞式壓力計(jì)。利用彈性變形原理—利用各種形式的彈性敏感元件在受壓后產(chǎn)生彈性變形的特性進(jìn)行壓力檢測(cè)。如彈簧管壓力表、膜盒壓力表和波紋管壓力表。利用某一物質(zhì)的某一物理效應(yīng)與壓力的關(guān)系來檢測(cè)壓力。這類儀表的輸出均為電信號(hào)，統(tǒng)稱為電測(cè)式(電氣式)壓力儀表。如應(yīng)變片式壓力傳感器、霍爾式壓力傳感器、電容式壓力（或差壓）變送器、擴(kuò)散硅式壓力（或差壓）變送器等等。三、壓力檢測(cè)的基本原理利用液體靜力學(xué)原理—利用液體產(chǎn)生或傳遞壓力來平衡被測(cè)壓力從而四、壓力測(cè)量?jī)x表的分類

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?；钊剑焊鶕?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。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。四、壓力測(cè)量?jī)x表的分類測(cè)量壓力的儀表，按信號(hào)原理不同，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。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。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。第二節(jié)液柱式壓力計(jì)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。缺點(diǎn)：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

p2p1p2p1h(a)(b)右圖為U形玻璃管檢測(cè)壓力的原理圖。當(dāng)p1=p2時(shí)，左右兩管中液體的高度相等。當(dāng)p1>p2時(shí)，U形管兩管內(nèi)的液面會(huì)產(chǎn)生高度差，設(shè)高度差為h，依據(jù)液體靜力學(xué)原理有：一、測(cè)壓原理p2p1p2p1h(a)(b)右圖為U形玻璃二、U形管壓力計(jì)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。二、U形管壓力計(jì)提高工作液密度將增加壓力的測(cè)量范圍，但靈敏度三、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)。三、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

下式中d為玻璃管內(nèi)直徑，D為杯形容器的內(nèi)直徑。下式中d為玻璃管內(nèi)直徑，D為杯形容器的內(nèi)直徑。四、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。四、斜管微壓計(jì)主要用于測(cè)量微小壓力、負(fù)壓和壓差，它將單傾斜角度α傾斜角度α

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。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。

傾斜角度越小，l越長(zhǎng)，測(cè)量靈敏度就越高；但不可太小，

液體壓力計(jì)難以克服的缺點(diǎn)：量程受到液體密度的限制，除水銀外尚無密度大而化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性好的液體，水銀是人們不愿意使用的有毒物質(zhì)。不適合測(cè)量劇烈變動(dòng)的壓力，由于這類壓力計(jì)兩端必須和被測(cè)壓力和大氣相通，壓力突變時(shí)會(huì)使液體沖出管外。管內(nèi)液體阻尼系數(shù)太小，雖然測(cè)微小變化的壓力相對(duì)靈敏，而在動(dòng)態(tài)性質(zhì)上是欠阻尼的，遇到壓力擾動(dòng)就反復(fù)振蕩許久方能使液柱靜止。對(duì)安裝位置和姿勢(shì)有要求，姿勢(shì)必須垂直。

五、特點(diǎn)液體壓力計(jì)難以克服的缺點(diǎn)：五、特點(diǎn)

近年來液柱式測(cè)壓儀表已日益減少，特別是水銀儀表已趨于淘汰，但在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中仍較常見，這是因?yàn)樗?jiǎn)單、靈敏、準(zhǔn)確。

七、液體壓力計(jì)的使用六、液體壓力計(jì)誤差分析

測(cè)量誤差：當(dāng)標(biāo)尺刻度精度為1mm時(shí)，對(duì)于U管，可達(dá)2mm;對(duì)于單管，可達(dá)1mm。見教材P138。見教材P138~139近年來液柱式測(cè)壓儀表已日益減少，特別是水銀儀表已趨于淘第三節(jié)彈簧管式壓力表

工業(yè)生產(chǎn)過程中使用較普遍的測(cè)壓儀表是按照彈性變形原理工作的，尤其是彈簧管壓力表歷史悠久、應(yīng)用廣泛。一、測(cè)壓原理

基本原理是依據(jù)彈性元件受壓變形后產(chǎn)生的彈性反作用力與被測(cè)壓力相平衡，然后測(cè)量彈性元件的變形量大小可知被測(cè)壓力的大小。根據(jù)測(cè)量范圍的不同，常用的彈性元件有膜片、波紋管、彈簧管等。彈性元件是測(cè)壓儀表的關(guān)鍵元件，為了保證儀表的精度、可靠性及良好的線性特性，彈性元件必須工作在彈性限度范圍內(nèi)，且彈性元件的彈性后效和彈性滯后要小，溫度系數(shù)也要低。第三節(jié)彈簧管式壓力表工業(yè)生產(chǎn)過程中使用較普遍的測(cè)壓儀

常用的材料有錫青銅、磷青銅、黃銅、不銹鋼、錳鋼等。新型彈性材料有鈀-金系無磁恒彈性合金等。

彈性式壓力檢測(cè)儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，指示明顯，價(jià)格便宜，測(cè)量范圍寬（最高可達(dá)1000MPa），并能保證足夠的精度，現(xiàn)場(chǎng)使用維護(hù)方便，故在工程中一直得到廣泛的應(yīng)用。常用的材料有錫青銅、磷青銅、黃銅、不銹鋼、錳鋼等。新第二章第一二三節(jié)概述液柱式和彈簧管式壓力表課件第二章第一二三節(jié)概述液柱式和彈簧管式壓力表課件膜片受壓力作用產(chǎn)生位移，可直接帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)指示。但是膜片的位移較小，靈敏度低，指示精度不高，一般為2.5級(jí)。膜片更多的是和其他轉(zhuǎn)換元件合起來使用，通過膜片和轉(zhuǎn)換元件把壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；彈簧管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉，它使用范圍廣，測(cè)量范圍寬，可以測(cè)量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓，因此應(yīng)用十分廣泛。根據(jù)制造的要求，儀表精度最高可達(dá)0.15級(jí)。波紋管的位移相對(duì)較大，一般可在其頂端安裝傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)指針直接讀數(shù)。其特點(diǎn)是靈敏高（特別是在低壓區(qū)），常用于檢測(cè)較低的壓力，但波紋管遲滯誤差較大，精度一般只能達(dá)到1.5級(jí)；膜片受壓力作用產(chǎn)生位移，可直接帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)指示。但是膜片的位二、彈簧管壓力表

（一）測(cè)壓原理二、彈簧管壓力表

（一）測(cè)壓原理P—被測(cè)壓力；=0-、E—彈簧管材料的泊松系數(shù)和彈性模量（徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比，產(chǎn)生單位應(yīng)變所需的應(yīng)力）；h—彈簧管壁厚；a、b—彈簧管橢圓形截面的長(zhǎng)半軸和短半軸；=Rh/a2—為幾何參數(shù)；、—與比值a/b有關(guān)的參數(shù)；R—彈簧管曲率半徑；0—彈簧管中心角的初始值。公式：P—被測(cè)壓力；=0-公式：一般所以

一般

從上面分析可知：（1）當(dāng)彈簧管的結(jié)構(gòu)、尺寸和材料一定時(shí)，彈簧管自由端位移和被測(cè)壓力之間基本上是線性關(guān)系，即彈簧管壓力表的刻度均勻性好。（2）如b=a，得=0，說明具有均勻壁厚的圓形截面的彈簧管不能作為測(cè)壓元件。

為了增大彈簧管自由端受壓變形時(shí)的位移量，可采用多圈彈簧管結(jié)構(gòu)，其基本原理與單圈彈簧管相同，但自由端的位移量比單圈彈簧管大好多倍。從上面分析可知：

彈簧管壓力表

彈簧管拉桿指針中心齒輪扇形齒輪接頭游絲刻度盤調(diào)整螺釘（二）彈簧管壓力表

1工作原理

彈簧管壓力表彈簧管拉桿指針中心齒輪扇形齒輪接頭游絲刻度盤2放大機(jī)構(gòu)

彈簧管壓力表的機(jī)芯如圖所示。由于彈簧管自由端的位移量較小，為了保證儀表有足夠的靈敏度，需要用機(jī)芯將自由端的位移進(jìn)行放大，將自由端的微小位移放大成較大的角位移。

2放大機(jī)構(gòu)

彈簧管壓力表的機(jī)芯如圖所示。由于彈簧管自由端的

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉，它使用范圍廣，測(cè)量范圍寬，可以測(cè)量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓，因此應(yīng)用十分廣泛，精度等級(jí)高達(dá)0.15級(jí)。三、彈簧管式電遠(yuǎn)傳壓力表的工作原理

電遠(yuǎn)傳壓力表生產(chǎn)歷史較久，它是在普通彈性元件構(gòu)成的壓力表內(nèi)附加電遠(yuǎn)傳部件，使之除就地指示壓力之外，兼有信號(hào)遠(yuǎn)傳的功能。甚至將指針標(biāo)度尺去掉，以電遠(yuǎn)傳為唯一用途，實(shí)質(zhì)上已成為純粹的壓力傳感器。這類傳感器的敏感元件和彈性變形式壓力表完全一樣，此處只需介紹其電遠(yuǎn)傳原理和特性。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉，它使用范圍廣，測(cè)

1電位器式

在彈簧管壓力表內(nèi)安裝小型滑線電位器，其滑點(diǎn)由彈簧管自由端帶動(dòng)。如只利用電位器的滑點(diǎn)和電阻的任意一端，就成為以可變阻值輸出的壓力傳感器，與任何一種測(cè)電阻的儀表相連便可測(cè)量壓力。如將電位器的電阻兩端和滑點(diǎn)用三根導(dǎo)線引出，并在電阻兩端接穩(wěn)定的直流電壓，則滑點(diǎn)和電阻的任意一端之間的電壓將取決于滑點(diǎn)位置，也就是取決于被測(cè)壓力。這樣便可與測(cè)直流電壓的儀表相連而反映壓力值。1電位器式

在彈簧管壓力表內(nèi)安裝小型滑線電位器，其滑點(diǎn)

這種電遠(yuǎn)傳方法比較簡(jiǎn)單，具有很好的線性。如果采用斷面尺寸不均勻的骨架繞制電位器，就能設(shè)計(jì)成有某種非線性的電位器，借此可將彈性元件或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的非線性抵消，使整個(gè)傳感器具有線性特性。

電位器式電遠(yuǎn)傳的最大缺點(diǎn)是有滑動(dòng)觸點(diǎn)，為減少?gòu)椥栽淖冃巫枇?，以免引起過大的滯環(huán)及變差，就希望滑點(diǎn)和電阻絲的接觸壓力盡量小，但接觸壓力小就難以保證良好地導(dǎo)電，尤其是電阻表面氧化或污染時(shí)，滑點(diǎn)接觸不可靠。此外，彈性元件的變形位移或轉(zhuǎn)角一般不大，但希望電阻或電壓的變化有較好的連續(xù)性，不要出現(xiàn)明顯的階梯狀特性，這就必須用極細(xì)的電阻絲繞制電位器。電阻絲太細(xì)勢(shì)必不耐磨損，特別是壓力頻繁波動(dòng)時(shí)，往往局部磨損嚴(yán)重，改變了原有的阻值均勻性，甚至出現(xiàn)磨斷電阻絲的現(xiàn)象。為了改進(jìn)上述缺點(diǎn)，出現(xiàn)了導(dǎo)電塑料電位器及無觸點(diǎn)電位器，用這類新材料或器件代替滑線電位器固然可以提高可靠性，但成本也有所增加。這種電遠(yuǎn)傳方法比較簡(jiǎn)單，具有很好的線性。如果采用斷面尺寸

2電感式

電感式電遠(yuǎn)傳可以避免滑動(dòng)觸點(diǎn)，它利用彈性元件的變形帶動(dòng)銜鐵，改變鐵心線圈的氣隙，從而改變線圈的電感。在交流電路里，感抗可以很容易地變換成電壓。如需要輸出直流信號(hào)，可加整流濾波電路。電感式壓力傳感器的原理見右圖。2電感式

這種傳感器必須用交流電源。為了減小鐵心線圈的尺寸，提高傳感器的靈敏度，并