第五章 压 力 测 量第五章 压 力 测 量 5.1 概述概述 5.2 液柱式压力计液柱式压力计 U型管压力计、单管压力计、斜管式微压计U型管压力计、单管压力计、斜管式微压计 5.3 弹性式压力计弹性式压力计 弹簧管式、膜片（盒）式、波纹管式弹簧管式、膜片（盒）式、波纹管式 5.4 电气式压力测量电气式压力测量 电容式压力压差变送器、霍尔压力变送器、压电 式压力传感器、固体压阻式压力压差传感器 电容式压力压差变送器、霍尔压力变送器、压电 式压力传感器、固体压阻式压力压差传感器 5.5 压力检测仪表的选择与校验压力检测仪表的选择与校验 本章主要内容 5.1 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 压差压差 测量两个压力之差测量两个压力之差 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 一、基本概念一、基本概念 表压、绝对压力、真空度、大气压力间的关系 )P0（ 帕帕(Pa) N/m2，国际单位，国际单位 兆帕兆帕(MPa) 106Pa 工程大气压工程大气压(at)，， kgf/cm2 ，公斤力，公斤力/平方厘米，平方厘米，98070 Pa 标准大气压标准大气压(atm)，，1atm=101325 Pa mH2O，， 9810 Pa≈0.01MPa ≈0.1kgf mmH2O，， 9.81 Pa mmHg，，133 Pa psi (pounds per square inch)，， 6894.76Pa 压力单位压力单位 压力测量方法压力测量方法 平衡法平衡法 使用重力平衡压力，测量使用重力平衡压力，测量重力重力，推算压力，推算压力。
变形法变形法 在压力作用之下弹性元件发生变形，测量在压力作用之下弹性元件发生变形，测量变形量变形量， 推算压力 ， 推算压力 电气法电气法 在压力作用之下材料的某种电性质发生变化，测量 该 在压力作用之下材料的某种电性质发生变化，测量 该电量电量，推算压力，推算压力 5.2液柱式压力计 平衡法平衡法 液柱产生重力液柱产生重力 U型管压力计型管压力计 单管压力计单管压力计 斜管式微压计斜管式微压计 固体产生重力－标准仪器固体产生重力－标准仪器 活塞式压力计活塞式压力计 5.2.1 U型管压力计型管压力计 P2P1 U型管 h1 h2 0 )( 2121 hhgPPP 思考：思考： 1. 如何增大如何增大U形管压力计的测量范围？形管压力计的测量范围？ 2. 测量范围与灵敏度有何关系？测量范围与灵敏度有何关系？ 3. 测量误差会受哪些因素影响？测量误差会受哪些因素影响？ 5.2.2单管式压力计单管式压力计 1 22 12211 A Ah hAhAh 2 1 22 21 )()(h A Ah ghhgP 2 1 2 ) 1(h A A g Pd Px 直管 h1 h2 2 hgP 5.2.3斜管式压力计斜管式压力计 l A A hlAAh 1 2 1211 alhsin 2 hhgP)( 21 P1 P2 斜管 h1 h2 L all A A g)sin( 1 2 la A A g)sin( 1 2 α越小，灵敏度就越高 但不可小于 越小，灵敏度就越高 但不可小于15º 测量范围测量范围0~2000Pa，且可测，且可测0.98Pa微压 为提高精确度，可选酒精为工作液 微压 为提高精确度，可选酒精为工作液 微差压强计微差压强计 两种密度相近指示液两种密度相近指示液A和和C A与与C，，B与与C均不互溶均不互溶 扩大室的截面远大于扩大室的截面远大于U型管截面型管截面 两侧扩大室可视为等高两侧扩大室可视为等高 可实现微小压差的测量可实现微小压差的测量 工业上采用石蜡油工业上采用石蜡油-工业酒精组对工业酒精组对 实验室采用苄醇实验室采用苄醇-氯化钙溶液组对氯化钙溶液组对 )( 21AB Rgpp 补偿式微压计补偿式微压计 液柱式压力计特点液柱式压力计特点 液柱式压力计常用液体－封液液柱式压力计常用液体－封液 水，酒精，四氯化碳，水银水，酒精，四氯化碳，水银 优点优点 可测微压可测微压 简单可靠、准确度高简单可靠、准确度高 缺点缺点 不能测过高压力不能测过高压力 测量结果难以转成电量，因而难以远传、自动 记录和用于动态测量 测量结果难以转成电量，因而难以远传、自动 记录和用于动态测量 5.2.4 液柱式压力计的测量误差及其修正液柱式压力计的测量误差及其修正 1.1. 环境温度环境温度变化的影响及修正变化的影响及修正 工作液密度变化对压力测量的影响：工作液密度变化对压力测量的影响： hgP )(1 00 tthh tt 2.2. 重力加速度重力加速度变化的影响及修正变化的影响及修正 h g g h n n 标准重力加速 度下的工作液 柱高度 标准重力加速 度下的工作液 柱高度 使用地点的工 作液柱高度 使用地点的工 作液柱高度 3．．毛细现象毛细现象的影响的影响 表面弯月型，通过加大管径来消除表面弯月型，通过加大管径来消除 酒精：酒精：d≥3mm，水银：，水银：d≥8mm 4.4.安装、读数安装、读数方面的影响方面的影响 安装垂直，读数持平安装垂直，读数持平 思考题思考题 1.液柱式压力计液柱式压力计 水作工作介质，为了便于读数，在水中加入红墨水， 可以吗？ 水作工作介质，为了便于读数，在水中加入红墨水， 可以吗？ 2. 斜管式微压计斜管式微压计 用水作介质，可以吗？用水作介质，可以吗？ 3. 斜管式微压计斜管式微压计 调零时，总调不到，可能的原因是什么？调零时，总调不到，可能的原因是什么？ 4. 斜管式微压计斜管式微压计 测量时看不到液柱，是怎么回事？测量时看不到液柱，是怎么回事？ 液柱式压强计使用注意事项液柱式压强计使用注意事项 缺点：缺点： 耐压程度差耐压程度差 测量范围小测量范围小 容易破碎容易破碎 其示值与工作液体密度有关其示值与工作液体密度有关 注意：注意： 取压点不在同一水平面问题取压点不在同一水平面问题 被测压强不能超过仪表测量范围被测压强不能超过仪表测量范围 正确选择充液介质正确选择充液介质 测低压充低密度介质（否则h太小）测低压充低密度介质（否则h太小） 测高压充高密度介质（否则冒顶）测高压充高密度介质（否则冒顶） 要避免充液与被测介质有化学反应要避免充液与被测介质有化学反应 安装避开过热、过冷及震动处安装避开过热、过冷及震动处 竖直安装，防止带来附加误差竖直安装，防止带来附加误差 冬季需考虑防冻措施冬季需考虑防冻措施 保持测量管和刻度标尺的清晰，定期更换工作 液，经常检查是否泄漏 保持测量管和刻度标尺的清晰，定期更换工作 液，经常检查是否泄漏 测量瞬时值不得超过量程上限测量瞬时值不得超过量程上限 5.3 弹性式压力计 原理原理 –弹性元件为传感器弹性元件为传感器 –把压力转换为弹性元件的位移把压力转换为弹性元件的位移 特点特点 –结构简单、牢固可靠、测压范围广、使用方便结构简单、牢固可靠、测压范围广、使用方便 –造价低廉、有足够的精度，可远传造价低廉、有足够的精度，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 1．膜片（膜盒）1．膜片（膜盒） 青铜、弹性合金，厚度青铜、弹性合金，厚度0.05～～0.3mm 弹性位移小，精度不易高；适用于腐蚀性介质弹性位移小，精度不易高；适用于腐蚀性介质 膜盒是将两块膜片沿周边对焊起来，形成一膜盒，膜盒 用于测量微小压力。
膜片用于测量不超过数兆帕的低压 膜盒是将两块膜片沿周边对焊起来，形成一膜盒，膜盒 用于测量微小压力膜片用于测量不超过数兆帕的低压 2.波纹管2.波纹管 改进－改进－位移放大位移放大 同轴环状波纹同轴环状波纹 开口端固定，封闭端的位移作为输出开口端固定，封闭端的位移作为输出 受压时，灵敏度较高受压时，灵敏度较高 常用于测量较低的压力（常用于测量较低的压力（1.0-106Pa）精度等级）精度等级1.5级级 x x P Px 3．弹簧管3．弹簧管 弹性位移放大－弹性位移放大－角度变化角度变化 单圈弹簧管单圈弹簧管 多圈弹簧管多圈弹簧管 假设被测压力大于外界大气压力，产生短轴变长，长 轴变短的弹性形变，使管子在弯曲方向上的刚度增大， 自由端向管子伸直的方向运动 假设被测压力大于外界大气压力，产生短轴变长，长 轴变短的弹性形变，使管子在弯曲方向上的刚度增大， 自由端向管子伸直的方向运动 压力表中的弹簧管为什么要做成扁圆形? 测量结果显示测量结果显示 变形元件直接带动指针变形元件直接带动指针 – 自由端的位移一般为自由端的位移一般为7-8o – 弹簧管作成多圈时，自由端的位移可达弹簧管作成多圈时，自由端的位移可达45o – 这种机构的指针最大转角为这种机构的指针最大转角为180o，通常作成，通常作成90º的 回转角 的 回转角 – 最常用的传动机构为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，可使指 针转动针转动270o 弹簧管测压特点弹簧管测压特点 结构简单，使用方便，测压范围宽，应用最广泛结构简单，使用方便，测压范围宽，应用最广泛 可测负压、正压、高压可测负压、正压、高压 一般弹簧管压力计的测压范围为－一般弹簧管压力计的测压范围为－105~109Pa，精 度最高可达± ，精 度最高可达±0.1%。
滞后效应影响较大，选择弹性特性好的材料滞后效应影响较大，选择弹性特性好的材料 温度变化直接影响弹性元件的特性温度变化直接影响弹性元件的特性 • 膜片（盒）、波纹管式膜片（盒）、波纹管式 – 电容式压力传感器电容式压力传感器 膜片旁边安装固定不动的平行的电极板，构 成电容 膜片旁边安装固定不动的平行的电极板，构 成电容 不同压力下，位移改变距离，电容随之改变不同压力下，位移改变距离，电容随之改变 灵敏度高、精度高，精度可达0.2、0.25， 稳定可靠 灵敏度高、精度高，精度可达0.2、0.25， 稳定可靠 尤适用于测尤适用于测高静压微压差高静压微压差的场合 –光纤式压力传感器光纤式压力传感器 原理：接收膜片反射的光强与位移之间有函 数关系 原理：接收膜片反射的光强与位移之间有函 数关系 弹簧管式弹簧管式 – 霍尔压力传感器霍尔压力传感器 自由端连接霍尔元件自由端连接霍尔元件 通电，与磁场垂直通电，与磁场垂直 形成的霍尔电势与位移存在一定函数关系形成的霍尔电势与位移存在一定函数关系 IBKV HH 灵敏度常数灵敏度常数 NS SN 注意注意：： ①K①KH H受温度影响较大，在实际当中常 采用恒温措施或采用温度补偿措施 ②要注意减少由于霍尔片两电极不 对称焊接引起的不等位电势 ③外部直流电源应具有恒流特性 受温度影响较大，在实际当中常 采用恒温措施或采用温度补偿措施 ②要注意减少由于霍尔片两电极不 对称焊接引起的不等位电势 ③外部直流电源应具有恒流特性 变形法测压力的滞环特性变形法测压力的滞环特性 引起原因 ：不完全弹性 特性 引起原因 ：不完全弹性 特性: 死区死区 0→1，，A→2 回差回差 ab 弹性后效：突然卸载 仪表回零的滞后时间 弹性后效：突然卸载 仪表回零的滞后时间 变形法测压力的特性变形法测压力的特性 优点优点 弹簧管可以测高压（弹簧管可以测高压（1200kgf/cm2)，不能测微压，不能测微压 膜片（盒）、波纹管可以测微压，不能测过高压力膜片（盒）、波纹管可以测微压，不能测过高压力 测量结果可以转换成电信号测量结果可以转换成电信号 缺点缺点 存在滞环效应，因而测量精度较低，动态性能较差存在滞环效应，因而测量精度较低，动态性能较差 5.4 电气式压。