5.壓力檢測壓力（壓強(qiáng)）是物體對單位面積上的垂直作用力。是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的工藝參數(shù)之一，對冶金、石油、電力、食品等各部門均很重要。如冶金工業(yè)中冶煉爐、加熱爐的爐膛壓力的測量和控制對節(jié)約能源、安全生產(chǎn)有意義。另外其他過程參數(shù)如液位和流量的測量也可以通過測量壓力或壓力差而間接測出。壓力單位及壓力檢測方法--重力平衡法、機(jī)械力平衡法、彈性力平衡法和物位測量法常用的壓力檢測儀表--彈性壓力計、力平衡式壓力計和壓力傳感器測壓儀表的使用和壓力檢測系統(tǒng)一、壓力的單位定義垂直均勻地作用于單位面積上的力，通常用p來表示。單位在國際單位制中為“帕斯卡”簡稱“帕”，符號為Pa，定義為1Pa=1N/m2。還有“千帕”、“兆帕”等。我國規(guī)定帕斯卡為壓力的法定單位，目前仍在使用的壓力單位還有工程大氣壓、物理大氣壓、巴、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、毫米汞柱、毫米水柱等。P67表5-1給出了各壓力單位之間的換算關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：0℃時，水銀密度為13.5951g/cm3,在標(biāo)準(zhǔn)重力加速度980.665cm/s2下，高760mm水銀柱對底面的壓力。工程大氣壓：每平方厘米面積上垂直作用1公斤力的壓力。5.1.壓力單位及壓力檢測方法為了不同場合使用方便，有相應(yīng)的測量儀表

絕對壓力被測介質(zhì)作用在容器表面積上的全壓力，用符號pi表示。用絕對壓力表測量。大氣壓力由于地球表面空氣重量形成的壓力，隨地理緯度、海拔高度及氣象條件而變化，用氣壓計測定，用符號pd表示。表壓力為絕對壓力和大氣壓力之差，用符號pb表示。即：pb=pi-pd

常用的壓力測量儀表測得的壓力值，一般都是此。真空度絕對壓力小于大氣壓力表壓力為負(fù)值時的其絕對值，用符號pz表示。即：pz=pd

–pi 用真空表測量。差壓設(shè)備中兩處的壓力之差稱為差壓。二、壓力的幾種表示方法

根據(jù)工作原理的不同而進(jìn)行分類：1.重力平衡法液柱式壓力計原理是基于液體靜力學(xué)原理-被測壓力與一定高度的工作液體產(chǎn)生的重力相平衡，將被測壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度來測量，如U形管壓力計。特點是測壓范圍小于0.1~0.2MPa的壓力、差壓和負(fù)壓；精度高，有時用作標(biāo)準(zhǔn)儀器；結(jié)構(gòu)簡單，價格低，不易遠(yuǎn)傳；填充液常為水銀，有毒，且玻璃管易碎。負(fù)荷式壓力計原理是基于重力平衡原理。活塞式壓力計。將被測壓力轉(zhuǎn)換為平衡重物的重量來測量。特點是測量范圍寬（0.04~2500MPa）、精度高、性能穩(wěn)定可靠，多用作校驗儀表。三、壓力檢測的主要方法及分類2.機(jī)械力平衡法原理：將被測壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成一個集中力，用外力與之平衡，通過測量外力得到被測壓力。特點：可達(dá)較高的精度，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。多用于電動和氣動組合儀表中。3.彈性力平衡法原理：利用彈性元件的彈性變形特性進(jìn)行測量，彈性力與被測壓力相平衡，測變形就可知壓力。特點：類型多，可測壓力、負(fù)壓、絕對壓力和壓差，應(yīng)用最廣泛。4.物性測量法

原理：在壓力作用下，測壓元件的某些物理特性會發(fā)生變化。分類：電測式壓力計（利用壓阻、壓電或其它物理特性將壓力轉(zhuǎn)換為各種電量）和其它新型壓力計（集成式壓力計和光纖壓力計）彈性壓力計—彈簧管壓力計、電位器式壓力變送器、霍爾式壓力變送器力平衡式壓力計（后面介紹）壓力傳感器-應(yīng)變式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、振頻式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器和集成壓力傳感器5.2.常用壓力檢測儀表感受壓力，產(chǎn)生變形（核心部分）調(diào)整儀表的零點和量程 利用彈性元件受壓變形的原理。彈性壓力計的組成一般包括幾個主要環(huán)節(jié)，如圖5-2所示。給出壓力示值是指針或刻度尺一、彈性壓力計1.測壓彈性元件彈性膜片外緣固定的片狀的彈性膜片，其彈性特性是中心位移與壓力的關(guān)系。分為平膜片、波紋膜片和撓性膜片，各有其特點。波紋管壁面有多個同心環(huán)狀波紋，一端封閉，開口端固定，封閉端位移與壓力成正比。彈簧管圓弧狀，軸截面為扁圓形或橢圓形，一端封閉且處于自由狀態(tài)，自由端位移與壓力有關(guān)。詳見P71.表5-2。材料銅合金、彈性合金、不銹鋼及半導(dǎo)體硅材料2.彈簧管壓力計

是最常用的直讀式測壓儀表（還有波紋管差壓計和膜盒式壓力計）結(jié)構(gòu)如圖5-3所示特點結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低廉，測壓范圍寬（-105~109Pa），精確度可高達(dá)到±0.1%，應(yīng)用廣泛。3.波紋管差壓計4.彈性測壓計信號的遠(yuǎn)傳方式彈性測壓計可以在現(xiàn)場指示，但是更多情況下要求信號遠(yuǎn)傳至控制室。將測壓點取出的壓力信號，通過長距離導(dǎo)壓信號管，將信號傳到很遠(yuǎn)的壓力表上去的遠(yuǎn)傳方式實際上不可能應(yīng)用，遠(yuǎn)傳多采用電遠(yuǎn)傳方式，即在測壓點附近的壓力敏感件上面，附帶有將位移變換為輸出電信號的裝置，通過電信號的傳輸，將壓力指示和記錄下來。常用的轉(zhuǎn)換方式有電位器式、霍爾元件式、電感式、差動變壓器式。原理：將彈性元件的輸出位移變?yōu)殡娢黄骰瑒佑|點的位移，故被測壓力的變化就轉(zhuǎn)換成了電位器阻值的變化。將電位器與其它電阻組成一個電橋，當(dāng)電位器阻值變化時，電橋輸出電壓就變化。特點：簡單、線性輸出但滑線電位器易磨損腐蝕。電位器式霍爾元件式原理：基于半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)，將自由端的位移通過霍爾元件轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。B霍爾電勢控制電流-++-霍爾效應(yīng)：在霍爾元件（一種特殊的半導(dǎo)體元件）的縱向端面上通以一定的控制電流I，在與I垂直的方向上加一磁場其強(qiáng)度為B，則在與電流和磁場垂直的霍爾元件的橫向端面上產(chǎn)生電位差VH的現(xiàn)象。VH叫霍爾電勢，與I、B成正比，與沿磁場方向的厚度d成反比。（電荷受羅淪茲力和電場力的作用）結(jié)構(gòu)原理如圖5-5三、壓力傳感器能夠檢測壓力值并能提供遠(yuǎn)傳信號的裝置統(tǒng)稱為壓力傳感器。壓力傳感器是壓力檢測儀表的重要組成部分。它的結(jié)構(gòu)形式有：應(yīng)變式、壓阻式、電容式、壓電式、光電式、光纖式等許多種。1.應(yīng)變式壓力傳感器組成應(yīng)變元件和彈性元件配用應(yīng)變元件的工作原理導(dǎo)體和半導(dǎo)體的“應(yīng)變效應(yīng)”，即導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值將發(fā)生變化。實際的電阻應(yīng)變片是一根電阻絲被彎曲而并行地排成柵形，貼在基板上成為電阻柵?？梢詫懗蓱?yīng)變元件的結(jié)構(gòu)絲狀、片狀或體狀。應(yīng)變絲或應(yīng)變片與彈性元件的裝配可以采用粘貼式或非粘貼式，在彈性元件受力變形時，應(yīng)變元件也發(fā)生形變，其電阻值將有相應(yīng)的改變。測量方法采用4個特性相同的應(yīng)變元件，粘貼在彈性元件的適當(dāng)位置上（兩個受拉，兩個受壓），并分別接入電橋的4個臂，則電橋的輸出信號可以反映被測壓力的大小。彈性元件的選擇根據(jù)被測介質(zhì)和測量范圍的不同而采用不同的型式，圓膜片（柱式壓力傳感器）、彈性梁和應(yīng)變筒（筒式），如圖。2.壓阻式壓力傳感器原理基于半導(dǎo)體的“壓阻效應(yīng)”-當(dāng)半導(dǎo)體的某一軸向受外力作用時，原子點陣排列規(guī)律發(fā)生變化導(dǎo)致載流子遷移率及濃度的變化，從而引起電阻率的變化。結(jié)構(gòu)用集成工藝直接在硅平膜片上按照一定晶向制成擴(kuò)散壓敏電阻。工作原理硅平膜片在微小變形時有良好的彈性特性，當(dāng)硅片受壓后，它的變形使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。其相對電阻變化可表示為：式中πe為壓阻系數(shù)，σ為應(yīng)力。測量電路-電橋簡單的壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖。杯狀硅膜片上用擴(kuò)散工藝設(shè)有4個阻值相等的電阻，其配置位置按膜片上徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力分布情況確定（與晶體有關(guān)）還可以在電橋上接入一溫度補(bǔ)償電阻特點靈敏度高，頻率響應(yīng)高；結(jié)構(gòu)比較簡單，可以小型化；可用于靜態(tài)、動態(tài)壓力測量；應(yīng)用廣泛，測量范圍在0~0.0005MPa、0~0.002MPa、至0~210MPa；其精確度為±0.2%~±0.02%。3.電容式壓力傳感器測量原理：將彈性元件的位移轉(zhuǎn)換為電容量的變化。圖5-9為一種兩室結(jié)構(gòu)感壓元件示意圖。對于差動平板電容器，其電容與板間距變化的關(guān)系可表示為：特點此電容量的變化經(jīng)過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換電路，可以輸出標(biāo)準(zhǔn)信號（4~20mA）。這種傳感器結(jié)構(gòu)堅實，靈敏度高，過載能力大；精度高，其精確度可達(dá)±0.25%~±0.05%；可以測量壓力和差壓，儀表測量范圍0~0.00001MPa至0~70MPa。4.振頻式壓力傳感器工作原理 利用感壓元件本身的諧振頻率與壓力的關(guān)系，通過測量頻率信號的變化來檢測壓力型式振筒、振弦、振膜和石英晶體諧振。振筒式壓力傳感器由振筒組件和諧振電路組成。如圖5-10，其感壓元件是薄壁金屬圓筒，本身具有一定的固有頻率，當(dāng)筒壁受壓張緊后，其剛度發(fā)生變化，固有頻率相應(yīng)改變：特點體積小，輸出頻率信號，重復(fù)性好，耐振；精確度高，為±0.1%和±0.01%；測量范圍0~0.014MPa至0~50MPa；適于氣體測量5.壓電式壓力傳感器工作原理壓電材料（石英、壓電陶瓷、鈦酸鋇）的壓電效應(yīng)將被測壓力轉(zhuǎn)換為電信號的。它是動態(tài)壓力檢測中常用的傳感器，不適宜測量緩變化的壓力和靜態(tài)壓力。壓電效應(yīng)：壓電材料（具有壓電效應(yīng)的材料）受到外力作用時，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，表面上還會有電荷出現(xiàn)，形成電場；當(dāng)外力去除后，材料回復(fù)到原來的狀態(tài)的現(xiàn)象。在彈性范圍內(nèi)，壓電元件產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。電荷輸出為：q=kSp式中，q為電荷量；k為壓電常數(shù)；S為作用面積；p為壓力。通過測電荷量可知被測壓力大小。

結(jié)構(gòu)如圖電荷量經(jīng)放大可轉(zhuǎn)為電壓或電流輸出測量一般配有電荷放大器，以增加輸出可通過更改壓電元件改變測量范圍可以通過疊加壓電元件以提高靈敏度特點可作動態(tài)測量，不適合于靜壓力和慢變化的壓力的測量（如果施加在壓電元件上的外力不變，電荷無內(nèi)部泄漏，外電路負(fù)載無限大，那么，在外力作用期間，電荷量將始終保持不變。如果負(fù)載不是無限大，電路將會按指數(shù)規(guī)律放電，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷無法保持不變，從而造成測量誤差。而在動態(tài)測量時，漏電量相對比較小）體積小，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠；頻率響應(yīng)高，不需外加電源；測量范圍0~0.0007MPa至0~70MPa；測量精確度為±1%，±0.2%，±0.06%。但是其輸出阻抗高，需要特殊信號傳輸導(dǎo)線。6.集成式壓力傳感器是集成化傳感器，如以壓阻式壓力傳感器為基礎(chǔ)的集成傳感器可同時檢測差壓、靜壓和溫度。（通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換后由微處理器進(jìn)行相應(yīng)的處理和顯示）5.3.測壓儀表的使用及壓力檢測系統(tǒng)一、測壓儀表的使用測量儀表的使用，包括選擇合適的測壓儀表及儀表的校驗等方面。測壓儀表的選擇選擇合適的儀表主要根據(jù)生產(chǎn)過程提出的要求，結(jié)合各類壓力表的特點綜合考慮。一般涉及類型、測量范圍和測量精度等方面。類型的選擇應(yīng)滿足生產(chǎn)過程的要求，需要了解被測介質(zhì)情況、現(xiàn)場環(huán)境及生產(chǎn)過程對儀表的要求，如信號是否需要遠(yuǎn)傳、控制、記錄或報警等。測量范圍（量程）根據(jù)被測壓力的大小及在測量過程中被測壓力變化的情況來選取。選取儀表量程要留有余地，在測量穩(wěn)定壓力時，最大被測壓力不能超過測量上限值的2/3；在測量脈動壓力時，最大被測壓力不能超過測量上限值的1/2；而在測量高壓時，最大被測壓力不能超過測量上限值的3/5。一般壓力的最小值，應(yīng)不低于測量上限值的1/3。根據(jù)被測壓力的最大值和最小值計算出儀表的上下限后，要按壓力儀表的標(biāo)準(zhǔn)系列選定量程。目前我國壓力儀表測量范圍的標(biāo)準(zhǔn)系列是：-0.1~0.06、0.15kPa和0~1、1.6、2.5、4、6、10×10nkPa（n為整數(shù)）。測量精度生產(chǎn)過程允許的被測壓力的最大絕對誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差，可在規(guī)定的精度等級中確定儀表的精度。同時要注意經(jīng)濟(jì)性，不必追求高精度。工業(yè)用測壓儀表的精度通常在0.5級以下。測壓儀表的校驗

測壓儀表在出廠前均需進(jìn)行檢定，使之符合精度等級要求。使用中的儀表則應(yīng)定期進(jìn)行校驗，以保證測量結(jié)果有足夠的準(zhǔn)確度。常用的壓力校驗儀器有液柱式壓力計、活塞式壓力計或配有高精度標(biāo)準(zhǔn)表的壓力校驗泵。標(biāo)準(zhǔn)儀表的選擇原則是，其允許絕對誤差要小于儀表允許絕對誤差的1/3~1/5。如果被校儀表的讀數(shù)誤差小于規(guī)定誤差，則認(rèn)為它是合格的。工業(yè)校驗不用砝碼而用標(biāo)準(zhǔn)壓力表壓力檢測系統(tǒng)包括直接測取壓力的取壓口、傳遞壓力的引壓管路和測量儀表。是準(zhǔn)確測量的保證。取壓點位置和取壓口形式為真實反映被測壓力的大小，要合理選取測壓點，注意取壓口形式。設(shè)置取壓點的原則：①取壓點要避開各種局部阻力如管路彎曲、分叉、死角或流動形成渦流的區(qū)域，應(yīng)在突出物體的（溫度計）前方，在閥門前后遠(yuǎn)距離處（3D以上）。②取壓孔徑要小，使流體受到的擾動小，不至于在孔內(nèi)形成渦流。③取壓口開孔的軸線應(yīng)垂直設(shè)備的壁面，其內(nèi)端面與設(shè)備內(nèi)壁平齊，否則相當(dāng)于孔徑增大，擾動增大。④要防止積灰和堵塞，測量液體介質(zhì)的壓力時，取壓口應(yīng)在管道下部，以避免氣體進(jìn)入引壓管；測量氣體介質(zhì)的壓力時，取壓口應(yīng)在管道上部，以避免液體進(jìn)入引壓管。引壓管路的敷設(shè)其長度和直徑原則上對壓力信號的傳遞無影響，但實際上影響測壓系統(tǒng)的動態(tài)特性，需要注意的原則有：(a)引壓管的內(nèi)徑一般為6~10mm，長度不得超過50~60m。更長距離時要使用遠(yuǎn)傳式儀表。(b)引壓管路水平敷設(shè)時，要保持一定的傾斜度，以避免引壓管中積存液體或氣體，并有利于他們的排出。當(dāng)被測介質(zhì)為液體時，引壓管向儀表方向傾斜；當(dāng)被測介質(zhì)為氣體時，引壓管向取壓口方向傾斜。傾斜度一般大于3%~5%。(c)當(dāng)被測介質(zhì)容易冷凝或凍結(jié)時，引壓管路需保溫措施。(d)根據(jù)被測介質(zhì)情況，在引壓管路上要加裝附件。(e)在取壓口與儀表之間要裝切斷閥，以便設(shè)備檢修時使用，切斷閥應(yīng)靠近取壓口。測壓儀表的安裝需注意的原則有：(a)壓力計應(yīng)安裝在易于觀測和檢修的地方，儀表安裝處盡量避免振動和高溫。(b)對于特殊介質(zhì)應(yīng)采取必要的防護(hù)措施。(c)壓力計與引壓管的連接處，要根據(jù)被測介質(zhì)情況，選擇適當(dāng)?shù)拿芊獠牧稀?d)當(dāng)儀表位置與取壓點不在同一水平高度時，要考慮液體介質(zhì)的液柱靜壓對儀表示值的影響。作業(yè)P