1、1第二節第二節 壓力檢測壓力檢測一、一、 概述概述二、二、 液柱式壓力檢測液柱式壓力檢測三、三、 彈性式壓力檢測彈性式壓力檢測四、四、 電氣式壓力檢測電氣式壓力檢測五、五、 活塞式壓力計活塞式壓力計六、六、 壓力檢測儀表的選用與安裝壓力檢測儀表的選用與安裝2一、一、 概述概述概念：這里所說的壓力，實際上是物理概念中的概念：這里所說的壓力，實際上是物理概念中的壓強壓強，即即垂直作用在單位面積上的力垂直作用在單位面積上的力。是工業生產中的重要的熱工參數之一，為了保證生產的正常運行，必須對壓力進行監測和控制。例如例如：在生產過程中各種冶煉爐、加熱爐、化學反應爐的爐膛壓力，煙道壓力的測量和控制，不僅是

2、生產過程必須的，而且對于節約能源、安全生產具有重要意義。1.壓力的單位壓力的單位國際單位為帕斯卡，簡稱帕(Pa)，1Pa=1N/m2，帕所表示的壓力較小，工程上常用兆帕(MPa)來表示壓力。目前，工程技術部門仍在使用的壓力單位還有工程大氣壓、物理大氣壓、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。3壓力單位換算表（續）壓力單位換算表（續）單 位帕Pa(N/m2)巴(bar)毫米水柱mmH2O標準大氣壓(stm)工程大氣壓(kgf/cm2)毫米汞柱(mmHg)磅力/英吋2(lbf/m2)帕Pa(N/m2)1110-51.01971610-10.986923610-51.01971610-50.7500610-21

3、.45044210-4巴(bar)110511.0197161040.98692361.0197160.750061031.45044210毫米水柱(mmH2O)0.980665100.98066510-410.967810-4110-40.7355610-11.422310-34壓力單位換算表壓力單位換算表標準大氣壓(stm)1.013251051.013251.03322710411.03320.761031.469610工程大氣壓(kgf/cm2)0.9806651050.98066511040.967810.735561031.42239810毫米汞柱(mmHg)1.333224102

4、1.33322410-31.35951101.31610-31.3595110-311.93410-2磅力/英吋2(lbf/m2)0.680491040.6804910-10.703071030.680510-10.7030710-10.51715102152、壓力的表示p絕p絕p表p真絕對壓力的零線大氣壓力線p表壓力 = p絕對壓力 - p大氣壓力p真空度 = p大氣壓力 - p絕對壓力各種工藝設備和測量儀表通常處于大氣之中，本身就承受著大氣壓力，以后所提到壓力，除特別說明外，均指表壓力或真空度。任意兩個壓力p1、p2之差稱為差壓。63、壓力檢測的主要方法壓力檢測的主要方法 壓力檢測通常按敏

5、感元件和轉換原理的不同分類。液柱式壓力計彈性式壓力計電氣式壓力計活塞式壓力計7二、二、 液柱式壓力檢測液柱式壓力檢測p液柱式壓力計利用一定高度的液柱對底面產生的靜壓力與被測壓力相平衡的原理，通過液柱高度來測量壓力大小。U型管壓力計00h1h2HAApp001常用的工作液體有：水、水銀、酒精、四氯化碳等。1、工作原理、工作原理h00h0pp0單管壓力計hpp0L斜管微壓計82、U型管壓力計測壓原理00h1h2HAApp001A-A等壓面平衡方程式為：p+1g(H+h1)=p0+0g(H-h2)+g(h1+h2)若0=1 ， 則p=p0+(-0)g(h1+h2)若0 ， 則p=p0+g(h1+h2

6、)如果 p0 為當地大氣壓，即U型管一端直通大氣，則被測表壓力為： p表=g(h1+h2)。93、U型管壓力計誤差分析主要來源如下（hp/g）溫度誤差：標尺長度和工作液密度隨環境溫度的變化，如水從10C到20C，密度相對變化0.15%。安裝誤差：有傾斜時（如：5的傾斜，偏大0.38%）重力加速度誤差傳壓介質誤差：讀數誤差：管內工作液的毛細作用,（如：管內徑大于10mm時，單管讀數的最大絕對誤差一般為1mm）。104、 U型管壓力計的特點特點如下：直觀、結構簡單、數據可靠、準確度較高；可測表壓、差壓、負壓。量程受液柱高度的限制，一般只能測較低的壓力；靜壓也不能較高（玻璃管易損壞）；只能現場指示，

7、不能遠傳。11三、三、 彈性式壓力檢測彈性式壓力檢測121 1 膜片膜片132 2 波紋管波紋管波紋管是一種具有等間距同狀環形波紋，能沿軸向伸縮的測壓彈性元件。受壓力作用位移相對較大，可在頂端直接安裝傳動機構帶動指針直接讀數。靈敏度高，常用于測低壓（1.0106Pa）；遲滯誤差較大，精度一般只能達到1.5級。位移與壓力之間線性關系。P波紋管143 3 彈簧管152、彈簧管壓力表-直讀式彈性測壓儀表同樣的壓力下，不同結構、不同材料的彈性元件會產生不同的彈性變形。波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測量；單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓或真空度的測量。彈性壓力計組成框圖彈性壓力計組成框圖彈性元件常用

8、的材料有銅合金、彈性合金、不銹鋼等，各適用于不同的測壓范圍和被測介質。近來半導體硅材料得到了更多的應用。各種彈性元件組成了多種型式的彈性壓力計，它們通過各種傳動放大機構直接指示被測壓力值。這類直讀式測壓儀表有彈簧管壓力計、波紋管差壓計、膜盒式壓力計等。16彈簧管壓力表被測壓力由接頭通入被測壓力由接頭通入 彈簧管形變彈簧管形變 自由端向右自由端向右上方擴張上方擴張 自由端的位移通自由端的位移通過拉桿使扇形齒輪逆時針偏過拉桿使扇形齒輪逆時針偏轉轉 指針通過同軸中心齒指針通過同軸中心齒輪順時針偏轉輪順時針偏轉 面板刻度面板刻度尺上顯示出被測壓力大小。尺上顯示出被測壓力大小。游絲游絲用來克服因扇形齒輪

9、和用來克服因扇形齒輪和中心齒輪間的傳動間隙而產中心齒輪間的傳動間隙而產生的儀表生的儀表變差變差。直接改變指針套在轉動軸上直接改變指針套在轉動軸上的角度，就可以調整儀表的的角度，就可以調整儀表的機械零點。機械零點。 彈簧管壓力計結構圖 1-彈簧管；2-連桿；3-扇形齒輪；4-底座； 5-中心齒輪；6-游絲；7-表盤；8-指針；9-接頭；10-橫斷面；11-靈敏度調整槽17彈性式壓力計實物圖彈簧管壓力表 膜片壓力表 膜盒壓力表18四、四、 電氣式壓力計電氣式壓力計p電氣式壓力計是將壓力轉換為電信號進行傳輸及顯示的儀表。一般由壓力傳感器、測量電路和信號處理裝置組成，當傳感器輸出的電信號被進一步轉換為

10、標準信號時，壓力傳感器又稱為壓力變送器。p標準電信號：15VDC，420mADC 或 010mADCp標準氣壓信號：0.02MPa0.1MPa主要講解：霍爾片式壓力傳感器， 應變片式壓力傳感器，壓阻式壓力傳感器 ，力矩平衡式壓力變送器，電容式壓力變送器。191、霍爾片式壓力傳感器201、霍爾片式壓力傳感器（續）片狀霍爾元件固定在彈性元件的自由端，并處于兩對磁場方向相反的磁極組件構成的線性不均勻磁場的間隙中（差動磁場）。霍爾元件被自由端帶動在不均勻磁場中移動時，將感受不同的磁場強度。產生的霍爾電勢，即對應于自由端位移，從而給出被測壓力值。這種儀表結構簡單，靈敏度高，壽命長，但對外部磁場敏感，耐振

11、性差。霍爾電勢與被測壓力線性關系。UH= RHBI = KP212、電容式壓力傳感器平行板電容器的電容量表達式：dAC:介電常數；A:兩平行板相對面積；d:兩平行板間距。改變A、d、 其中任意一個參數都可以使電容量發生變化，在實際測量中，大多采用保持其中兩個參數不變，而僅改變A或d一個參數的方法，把參數的變化轉換為電容量的變化。差動電容法：改變電容兩平行板間距d的測量方式有較高的靈敏度，但當位移較大時非線性嚴重。采用差動電容法可以改善非線性、提高靈敏度、并可減小因受溫度影響引起的不穩定性。對于差動平板電容器，其電容變化與板間距離變化的關系可表示為：002ddCCC0 :初始電容值；d0 :極板

12、間初始距離；d :距離變化量。222、電容式壓力傳感器（續）差壓差壓感壓膜片感壓膜片變形變形差動電容差動電容測量電路測量電路.結構堅實，靈敏度高，過載能力大；精度高，其精確度可達0.250.05；可以測量壓力和差壓。 。采用差動電容法可以改善非線性、提高靈敏度、并可減小因受溫度影響引起的不穩定性。此電容量的變化經過適當的變換器電路，可以轉換成反映被測差壓的標準電信號輸出。 （ 420mADC）233、應變片式壓力傳感器原理：金屬導體或半導體在受到外力作用時，會產生相應的應變，其電阻也將隨之發生變化。 （主要是金屬）原因：金屬導體或半導體的電阻與其電阻率及幾何尺寸（長度、面積）有關，當其受到外力

13、作用時，這些參數發生變化，因而引起其的電阻的變化。（主要是幾何尺寸）應變式壓力傳感器是一種通過測量各種彈性元件的應變來間接測量壓力的傳感器。KRR式中 ：材料的應變；K：材料的電阻應變系數，即單位應變引起的電阻相對變化量。24金屬電阻應變片的結構主要有絲式應變片和箔式應變片兩種結構。絲式應變片由金屬絲柵(亦稱敏感柵)、基底、引線、保護膜等組成。敏感柵直徑：0.0150.05mm，用粘合劑固定在厚0.020.04mm的紙或膠膜基底上。引線是由直徑0.10.2mm低阻鍍錫銅線制成，用于將敏感柵與測量電路相連。箔式應變片的敏感柵是用厚度為0.0030.0lmm的金屬箔經光刻、腐蝕等工藝制成的。優點是

14、表面積與截面積之比大，散熱條件好，能承受較大電流和較高電壓，因而輸出靈敏度高，并可制成各種需要的形狀，便于大批量生產。它已逐漸取代絲式應變片。 25應變片與彈性元件的裝配應變片與彈性元件的裝配：粘貼式或非粘貼式。在彈性元件受壓變形的同時應變片亦發生應變，其電阻值將有相應的改變。可采用1、2或4個特性相同的應變元件，粘貼在彈性元件的適當位置上，并分別接入電橋的橋臂。為了提高測量靈敏度，通常使相對橋臂的應變片分別處于接受拉應力和壓應力的位置。應變式壓力傳感器所用彈性元件可根據被測介質和測量范圍的不同而采用各種型式，常見有圓膜片、彈性梁、應變筒等。幾種彈性元件和應變式壓力傳感器的結構及電橋式測量電路

15、示意圖。264、壓阻式壓力傳感器固體受力后電阻率發生變化的現象稱為壓阻效應。材料：半導體 (單晶硅）。利用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制成擴散壓敏電阻，當硅膜片受壓時，膜片的變形將使擴散電阻的阻值發生變化。通常采用橋式測量電路，相對的橋臂電阻是對稱布置的，電阻變化時，電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對應關系。圖： 壓阻式壓力傳感器 27壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器（續）特點：靈敏度高，頻率響應快；測量范圍寬，10Pa到60Mpa；工作可靠，精度高：0.20.02；易于微小型化，目前國內生產出直徑1.82mm的壓阻式壓力傳感器。硅平膜片在圓形硅杯的底部，其兩邊有兩個壓力腔，髙壓腔接被測

16、壓力，低壓腔與大氣連通或接參考壓力。膜片上的兩對電阻中，一對位于受壓應力區，另一對位于受拉應力區，當壓力差使膜片變形，膜片上的兩對電阻阻值發變化，使電橋輸出相應壓力變化的信號。為了補償溫度效應的影響，一般還可在膜片上沿對壓力不敏感的晶向生成一個電阻，這個電阻只感受溫度變化，可接入橋路作為溫度補償電阻，以提高測量精度。285、力矩平衡式壓力變送器p力矩平衡式壓力變送器是一種典型的自平衡檢測力矩平衡式壓力變送器是一種典型的自平衡檢測儀表，它利用負反饋的工作原理克服元件材料、加儀表，它利用負反饋的工作原理克服元件材料、加工工藝等不利因素的影響，使儀表具有較高的測量工工藝等不利因素的影響，使儀表具有較

17、高的測量精度精度(一般為一般為0.5級級)、工作穩定可靠、線性好、不、工作穩定可靠、線性好、不靈敏區小等一系列優點。靈敏區小等一系列優點。p下面以下面以DDZ-型電動力矩平衡壓力變送器為例型電動力矩平衡壓力變送器為例pDDZ-型系列為直流型系列為直流24V供電，輸出供電，輸出4-20mA(DC)，兩線制，本質安全防爆。，兩線制，本質安全防爆。295、力矩平衡式壓力變送器306、壓電式壓力傳感器-補充壓電效應壓電效應：某些電介質沿著某一個方向受力而發生機械變形(壓縮或伸長)時，其內部將發生極化現象，而在其某些表面上會產生電荷；當外力去掉后，它又會重新回到不帶電的狀態。常用的壓電材料壓電材料：天然

18、的壓電晶體(如石英晶體)和壓電陶瓷(如鈦酸鋇)兩大類，它們的壓電機理并不相同，壓電陶瓷是人造多晶體，壓電常數比石英晶體高，但機械性能和穩定性不如石英晶體好。它們都具有較好特性，均是較理想的壓電材料。壓電式壓力傳感器利用壓電材料的壓電效應將被測壓力轉換為電信號。產生的電荷量與作用力之間呈線性關系電荷量與作用力之間呈線性關系：kSpQ 式中 Q為電荷量；k為壓電常數；S為作用面積；p為壓力。通過測量電荷量可知被測壓力大小。31壓電式壓力傳感器（續）如下圖所示：壓電元件夾于兩個彈性膜片之間，壓電元件的一個側面與膜片接觸并接地，另一側面通過引線將電荷量引出。被測壓力均勻作用在膜片上，使壓電元件受力而產

19、生電荷。電荷量一般用電荷放大器或電壓放大器放大，轉換為電壓或電流輸出，輸出信號與被測壓力值相對應。除在校準用的標準壓力傳感器或高精度壓力傳感器中采用石英晶體做壓電元件外，一般壓電式壓力傳感器的壓電元件材料多為壓電陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或復合材料的合成膜的。圖：壓電式壓力傳感器結構示意圖32壓電式壓力傳感器（續）壓電式壓力傳感器體積小，結構簡單，工作可靠；測量范圍寬，可測100MPa以下的壓力；測量精度較高；頻率響應高，可達30kHz，是動態壓力檢測中常用的傳感器，但由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測量緩慢變化的壓力和靜態壓力。更換壓電元件可以改變壓力的測量范圍；在配用電荷放

20、大器時，可以用將多個壓電元件并聯的方式提高傳感器的靈敏度；在配用電壓放大器時，可以用將多個壓電元件串聯的方式提高傳感器的靈敏度。33六、六、活塞式壓力計活塞式壓力計常簡稱活塞壓力計或壓力計，也有稱之活塞式壓力計常簡稱活塞壓力計或壓力計，也有稱之為壓力天平。為壓力天平。主要用于計量室、實驗室以及生產或科學實驗環節作主要用于計量室、實驗室以及生產或科學實驗環節作為壓力基準器使用，也有將活塞式壓力計直接應用于高為壓力基準器使用，也有將活塞式壓力計直接應用于高可靠性監測環節對當地其它儀表的表決監測。可靠性監測環節對當地其它儀表的表決監測。活塞式壓力計是活塞式壓力計是基于帕斯卡定律及流體靜力學平衡基于帕

21、斯卡定律及流體靜力學平衡原原理產生的一種高準確度、高復現性和高可信度的標準壓理產生的一種高準確度、高復現性和高可信度的標準壓力計量儀器。活塞式壓力計是通過將專用砝碼加載在已力計量儀器。活塞式壓力計是通過將專用砝碼加載在已知有效面積的活塞上所產生的壓強來表達精確壓力量值知有效面積的活塞上所產生的壓強來表達精確壓力量值的。的。由于活塞式壓力計較其它壓力量儀其測量結果極具真由于活塞式壓力計較其它壓力量儀其測量結果極具真值可信、性能更顯穩定，因此，活塞式壓力計在其領域值可信、性能更顯穩定，因此，活塞式壓力計在其領域內有著相當廣泛的應用。國際上常將活塞式壓力計作為內有著相當廣泛的應用。國際上常將活塞式壓

22、力計作為國家基準和工作基準或壓力計量標準器。國家基準和工作基準或壓力計量標準器。34活塞式壓力計實物35七、七、 壓力檢測儀表的使用壓力檢測儀表的使用1壓力計的選用壓力計的選用 (1)儀表類型儀表類型的選用：儀表類型應根據被測介質情況、現場環境及生產過程對儀表的要求，如信號是否需要遠傳、控制、記錄或報警等，結合各類壓力儀表的特點選擇。 (2)儀表測量范圍測量范圍的確定：要根據被測壓力的大小及其在測量過程中變化的情況來選取。在測量穩定壓力、脈動壓力脈動壓力和高壓時，最大工作壓力應分別不超過儀表測量上限值的2/3、1/2和3/5；被測壓力的最小值不應低于儀表測量上限值的1/3，以保證儀表的線性和測

23、量結果的準確性。具體選擇應在國家規定的標準系列中選取。 (3)儀表精度級精度級的選取：儀表的精度應根據工藝生產的要求在規定的精度等級中選擇確定。所選精度等級應小于或至少等于工藝要求的儀表允許最大誤差。362壓力計的安裝2壓力計的安裝 (1)測壓點的選擇 (2)導壓管敷設 (3)壓力計的安裝壓力測量系統(包括測取壓力的取壓口、傳遞壓力的引壓管路和測量儀表) 安裝的正確與否直接影響測量結果的準確性。應根據具體被測介質、管路和環境條件，選取適當的取壓口位置、正確安裝引壓管路和測量儀表。37例： 某臺往復式壓縮機的出口壓力范圍為2528MPa，測量誤差不得大于1MPa。工藝上要求就地觀察，并能高低限報警試正