1、学习要求学习要求 掌握流体稳态压力测量的基本原理、掌握流体稳态压力测量的基本原理、弹性压力计的测压原理，几种压力信号变送弹性压力计的测压原理，几种压力信号变送方法方法;电容式压力变送器的特点、结构原理、电容式压力变送器的特点、结构原理、调整及使用方法，智能型压力变送器调整及使用方法，智能型压力变送器。第三章第三章 压力测量及仪表压力测量及仪表 3.1 压力的概念及单位压力的概念及单位一、压力的定义1、法向压力 而静止流体中某点压力与在该点所取的面方向而静止流体中某点压力与在该点所取的面方向无关，即某点各方向上的压力相等。无关，即某点各方向上的压力相等。(各向同性各向同性,静压静压)/(lim0
2、dAdFpdA单单 位位 名名 称称符符 号号与与Pa换算关系换算关系工程大气压工程大气压kgf/cm21 kgf/cm2=9.81104Pa毫米汞柱毫米汞柱mmHg1 mmHg=1.33102Pa毫米水柱毫米水柱mmH2O1 mmH2O=9.81Pa表3-1 压力单位换算表二、压力分类二、压力分类1.1.从测量的角度分：从测量的角度分：静定压力静定压力 (稳态压力稳态压力)、变动压力、脉动压力、变动压力、脉动压力2.2.按测量的方法分：按测量的方法分：绝对压力绝对压力 (abs)(abs)，表压力，表压力 (G),(G),差压力差压力3.按信号转换原理分1液柱式压力测量:根据流体静力学原理，
3、把被测压力转换成液柱高度差进行测量。一般常用仪器是充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管等。2弹性式压力测量:根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成弹性元件的位移或力进行测量。常用的弹性元件有弹簧管、弹性膜片、弹性膜盒和波纹管等。3电气式压力测量:利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电参量进行测量，例如电阻、电容、电流及电压等。4活塞式压力测量:根据液压机械中液体传递压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的重力进行测量。它被普遍用作标准仪器对其它压力测量仪表进行检定，例如压力校验台等。3.2.液柱式压力计液柱式压力计一、液柱式压力计 应用流体静力学知识，通过液柱高与压力的关系设
4、计而成，基本原理比较简单。12121221122)(ghphhghhhgpppamb时当%1.0,6.311)(1221221121误差dDghDdghDdhhghhgpppamb单管式压力计单管式压力计 问题：与直管式问题：与直管式比较，斜管式微比较，斜管式微压计的优点是什压计的优点是什么？么？lKAAglpppAAlhlhhhgpppambamb21212121sin,sin)(零平衡微压计零平衡微压计 （补偿微压计）（补偿微压计）图图3-5 零平衡微压计结构示意图零平衡微压计结构示意图量程有量程有0120，0150，0250mmH2O三种，基本精度为三种，基本精度为0.12mmH2O，若
5、是标准压力计，基本精度为，若是标准压力计，基本精度为0.06mmH2O。3.3 弹性式压力计弹性式压力计 利用材料在弹性范围内变形与外力为线性关系的利用材料在弹性范围内变形与外力为线性关系的原理，制成不同形式及满足不同要求的压力计。原理，制成不同形式及满足不同要求的压力计。MPa101.03xApF KxF xpKAKFx 一、弹性元件一、弹性元件弹性膜片（膜盒）弹性膜片（膜盒）波纹管波纹管 2222211KabbhREP、弹簧管的泊松系数和弹性模量弹簧管的泊松系数和弹性模量h 弹簧管的壁厚弹簧管的壁厚弹簧管的几何参数弹簧管的几何参数ha2、与与a和和b有关的参数有关的参数弹簧管弹簧管二、常用
6、弹性式压力计二、常用弹性式压力计 1 1膜片式压力计膜片式压力计 可用于测量对铜和钢及其合金可用于测量对铜和钢及其合金有腐蚀作用或粘度较大介质的压有腐蚀作用或粘度较大介质的压力或真空度（采用不锈钢膜片）。力或真空度（采用不锈钢膜片）。若采用敞开式法兰结构或隔膜式若采用敞开式法兰结构或隔膜式结构，可用于测量高粘度、易结结构，可用于测量高粘度、易结晶或高温介质的压力或真空度。晶或高温介质的压力或真空度。膜片式压力计的测量范围一般为膜片式压力计的测量范围一般为05.88106Pa，精度为，精度为2.5级。级。2 2、膜盒式压力计、膜盒式压力计 膜盒压力表的弹性感压元件为膜盒，适用于测量空气膜盒压力表
7、的弹性感压元件为膜盒，适用于测量空气或其他无腐蚀性气体的微压或负压。例如电厂锅炉风烟系或其他无腐蚀性气体的微压或负压。例如电厂锅炉风烟系统中风、烟压力测量及锅炉炉膛负压等参数的测量。统中风、烟压力测量及锅炉炉膛负压等参数的测量。膜盒式压力计的测量范围为膜盒式压力计的测量范围为15040000Pa，精度一，精度一般为般为2.5级，较高的可达级，较高的可达1.5级。级。3波纹管压力计波纹管压力计双波纹管差压表就是一双波纹管差压表就是一种机械位移变换就地显种机械位移变换就地显示压差的波纹管压力计，示压差的波纹管压力计，它主要作为流量和水位它主要作为流量和水位等测量的中间变换或显等测量的中间变换或显示
8、仪表。由于波纹管在示仪表。由于波纹管在轴向容易变形，所以灵轴向容易变形，所以灵敏度较高，在测量低压敏度较高，在测量低压时它比弹簧管和膜片灵时它比弹簧管和膜片灵敏得多。其缺点是迟滞敏得多。其缺点是迟滞值太大值太大 4 4弹簧管压力计弹簧管压力计弹簧管压力计主要弹簧管压力计主要由感压元件弹簧管、由感压元件弹簧管、齿轮机械传动放大齿轮机械传动放大机构、指针标尺等机构、指针标尺等部分构成部分构成 ，弹簧管，弹簧管压力计分为普通型压力计分为普通型压力计、精密压力压力计、精密压力计、密封型压力计、计、密封型压力计、充油型压力计、差充油型压力计、差压计、双针型压力压计、双针型压力计等。计等。5、电接点压力计
9、电接点压力计电接点压力计测量工作原电接点压力计测量工作原理和弹簧压力计相同。理和弹簧压力计相同。报警信号可以显示、连接报警信号可以显示、连接继电器联锁，但不能远距继电器联锁，但不能远距离离 传送。传送。3.4 电气式压力测量电气式压力测量 电气式压力测量是利用压力敏感元件将被测电气式压力测量是利用压力敏感元件将被测压力信号直接转换成各种电参数量的测量方法，压力信号直接转换成各种电参数量的测量方法，在集中测量、自动控制等自动化场合得到广泛应在集中测量、自动控制等自动化场合得到广泛应用。电气式压力测量方法有用。电气式压力测量方法有电位器电位器式、式、应变式应变式、电感式电感式、电容式电容式、压电式
10、压电式、压阻式压阻式、压磁式压磁式、霍霍尔效应式尔效应式、振弦式振弦式、光纤式光纤式 。3.4.1 电位器式压力测量电位器式压力测量 电位器式压力测量的原理是把被测电位器式压力测量的原理是把被测压力信号压力信号转换成转换成电位器电位器电阻电阻变化，通过测量电阻值达到测量压力目的的变化，通过测量电阻值达到测量压力目的的一种测量技术。适用于压力变化比较大的场合。一种测量技术。适用于压力变化比较大的场合。电位器式压力传感器在测量过程中，弹性元件的电位器式压力传感器在测量过程中，弹性元件的形变端与电位器的滑动触点刚性相连，弹性元件承受形变端与电位器的滑动触点刚性相连，弹性元件承受压力，产生形变，从而带
11、动滑动触点移动，把弹性元压力，产生形变，从而带动滑动触点移动，把弹性元件的输出位移转换成电位器滑动触点的位移，从而把件的输出位移转换成电位器滑动触点的位移，从而把被测压力的变化变换成电位器电阻值的变化。通过测被测压力的变化变换成电位器电阻值的变化。通过测量电位器电阻值的变化，就可以得知被测压力的大小。量电位器电阻值的变化，就可以得知被测压力的大小。对于电位器电阻值的测量，常采用对于电位器电阻值的测量，常采用不平衡电桥不平衡电桥测量法测量法或或恒流源恒流源测量法测量法 一一.应变式压力传感器应变式压力传感器1、基本思路压力作用电阻材料与受力材料同时变形电阻阻值变化电桥失衡比较得压力值输出电压变化
12、关键在于:材料变形与压力的关系3.4.2 应变式压力测量应变式压力测量 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形电阻值随着所受机械变形 (伸长或缩短伸长或缩短)的变化而的变化而发生变化。发生变化。2、基本原理：应变片应用电桥电路，将微小的电阻变化转换为电压或电流的变化，通过放大进行测量，由测得的应变推算出应力值。LLRRddKRRd K 应变片的灵敏系数AlR dAAldlAdAldR2 全微分全微分相对变化量相对变化量AdAldldRdR ld
13、lrdr ldl2SdS Fd ldlEEF ldlEd kE21ldl2ldlldlERdR1 rdrrrdrAdA222 x2pk xxkppkkRR 21d二、应变片结构及性能二、应变片结构及性能金属应变片金属应变片 半导体压阻片半导体压阻片 三应变片的温度误差及补偿三应变片的温度误差及补偿（1）线路补偿法线路补偿法（2）温度自补偿法温度自补偿法 应变片的温度补偿应变片的温度补偿四应变式压力传感器四应变式压力传感器 应变式压力传感器是将应变片粘贴在感压弹性元件应变式压力传感器是将应变片粘贴在感压弹性元件上构成的，它可将被测压力的变化转换成电阻的变化。上构成的，它可将被测压力的变化转换成电
14、阻的变化。五、固态压力传感器五、固态压力传感器 固态压力传感固态压力传感器采用半导体应变器采用半导体应变式压力测量原理，式压力测量原理，其敏感元件是用单其敏感元件是用单晶硅制成的硅杯。晶硅制成的硅杯。硅杯的结构有硅杯的结构有C型型和和E型等，其中型等，其中C型型适用于压力传感器，适用于压力传感器，E型适用于测量静型适用于测量静压力。压力。六、应变测量中的电桥电路六、应变测量中的电桥电路 将应变片作为将应变片作为 R1 接在电路中，调整接在电路中，调整其他电阻阻值，使电桥平衡。其他电阻阻值，使电桥平衡。当应变片阻值变化时，电桥失衡。输当应变片阻值变化时，电桥失衡。输出出211RREI432RRE
15、Iu 0432132413211 RRRRRRRRRIRIEBD电桥平衡条件3241RRRR 1R uADABEEuERRRERRRRR43312111RRRRR 4321ERRRu1122 ERRRu1122 11RR KEERRu4141半桥接法半桥接法:相邻的两个桥臂，一个受相邻的两个桥臂，一个受拉拉,一个受压一个受压u KE21全桥接法全桥接法:R1,R4增加，增加，R2 和和R3 减小减小uKE3.4.3.电感式压力传感器电感式压力传感器1、结构和工作原理结构和工作原理MRWL2S2SlRRR0iiigFM2SWLRR02gF2自感式压力传感器自感式压力传感器图3-21 自感式压力传
16、感器原自感式压力传感器原理结构图理结构图 按照传感器敏感元件结构形式的不同，可分按照传感器敏感元件结构形式的不同，可分为为变气隙、变截面和螺管式变气隙、变截面和螺管式三种，其中螺管式量三种，其中螺管式量程最大，虽然灵敏度低，但结构简单、便于制作，程最大，虽然灵敏度低，但结构简单、便于制作，因而应用比较广泛。下面以螺管式压差传感器为因而应用比较广泛。下面以螺管式压差传感器为例，简要介绍自感式压力传感器的工作原理。螺例，简要介绍自感式压力传感器的工作原理。螺管式压差测量原理结构如图管式压差测量原理结构如图 3互感式压力传感器互感式压力传感器图图3-23 差动变压器式压力传感器原理结构图差动变压器式
17、压力传感器原理结构图1初级线圈初级线圈 2、3次级线圈次级线圈 4衔铁衔铁 5骨架骨架变换原理变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电两平行极板组成的电容器容器,它的电容量为它的电容量为:+dS S,d 或或发生变化发生变化时，都会引起电时，都会引起电容的变化。容的变化。S3.6Cd3.4.4.电容式压力传感器电容式压力传感器一一)极距极距变化型变化型+S3.6Cdb)b)面积变化型面积变化型1 1角位移型角位移型+S3.6Cd2 2 平面线位移型平面线位移型3 3 柱面线位移型。柱面线位移型。S3.6Cdc)c)介质变化型介质变化型S3.6Cd
18、电容式压力传感器分析举例电容式压力传感器分析举例(1)(1)改变两极板的距离改变两极板的距离02.001.0dd%30dd输出的非线性失真不超过1%,灵敏度提高一倍!当(2)(2)改变两极板间有效工作面积改变两极板间有效工作面积当极板受被测机械量作用移动当极板受被测机械量作用移动 后，两极板间电后，两极板间电容量的变化为容量的变化为:X0CCC?dXbdbadXabdbXCK(3)(3)改变介电常数改变介电常数两极板的宽度为两极板的宽度为d1LC?介电常数：空气介电常数：空气.00054，硅油，硅油2.7,水水80,陶瓷陶瓷1034.1151系列电容式压力传感器系列电容式压力传感器%30dd3
19、.4.5 压电式压力传感器压电式压力传感器1 1、基本原理、基本原理压力作用压力作用晶体产生电荷晶体产生电荷产生电压或电流产生电压或电流特点：频率响应特性好，电荷不持久特点：频率响应特性好，电荷不持久xxxApkq 切片产生的电菏与尺寸无关切片产生的电菏与尺寸无关yxyApbakq切片产生的电菏与尺寸有关切片产生的电菏与尺寸有关压电陶瓷的压电特性及测压原理压电陶瓷的压电特性及测压原理 xzxApkq 感压弹性膜片、支持片、压电感压弹性膜片、支持片、压电晶体及引出线、绝缘套管等组晶体及引出线、绝缘套管等组成。成。2、压电式压力传感压电式压力传感器结构器结构3、压电式压力传感器测量电路压电式压力传
20、感器测量电路输出电荷的充要条件：输出电荷的充要条件：外电路负载无穷大外电路负载无穷大内部无漏电内部无漏电电压放大器或电荷放大器电路电压放大器或电荷放大器电路什么是电荷放大器？什么是电荷放大器？一种具有电容负反馈的输一种具有电容负反馈的输入阻抗非常高的高增益运入阻抗非常高的高增益运算放大器算放大器0ufCKiuQCacabpzCCCCfC反馈电容反馈电容0uuCQifffcQQQiKuu000uCKCCuuCuQffii)(510KfCQu0活塞式压电压力传感器3.4.6 压阻式压力传测量压阻式压力传测量1.基本原理:材料的电阻值随压力变化而变化。如:半导体、铂、锰、康铜和钨等材料。xKRPR
21、2.优点:结构简单、体积小、稳定性好、动态响应快、耐振耐冲击、精度高、线性度好，是传感器的主流产品。MPM380 型压阻式压力传感器型压阻式压力传感器压阻式压力变送器接流体接输出信接输出信号号可显示的压可显示的压阻式压力变阻式压力变送器送器微型压阻式压力变送器微型压阻式压力变送器3.4.7.压磁式压力传感器压磁式压力传感器图图3-30 压磁式压力传感器结构示意图压磁式压力传感器结构示意图1外壳外壳 2弹性膜弹性膜 3线圈线圈 4铁芯铁芯 被测压力通过感压弹性膜被测压力通过感压弹性膜片片2传递给由坡莫合金制成的传递给由坡莫合金制成的铁芯铁芯4，铁芯在压力作用下，铁芯在压力作用下，其其磁导率磁导率
22、发生改变，从而引起发生改变，从而引起线圈线圈3阻抗阻抗变化。显然，线圈变化。显然，线圈阻抗变化与被测压力有关。阻抗变化与被测压力有关。3.4.8 霍尔效应压力传感器霍尔效应压力传感器1.基本原理基本原理:某些金属或半导体片两端通以电流某些金属或半导体片两端通以电流,并在并在薄片的垂直方向加上磁场薄片的垂直方向加上磁场B,则会在垂直于电流和则会在垂直于电流和磁场平面的方向产生一个电动势。磁场平面的方向产生一个电动势。IBKdBIRUHHHHR霍尔系数，由载流材料的物理性质所决定。HK霍尔元件的灵敏度系数，它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关 KxUH 为了保证霍尔传感器输出的为了保证霍尔传感器输
23、出的霍尔电势与位移成单值函数关霍尔电势与位移成单值函数关系，必须满足两个条件。系，必须满足两个条件。A.供给霍尔元件以恒定的工作电流。一般采用桥式整流、稳压的晶体管恒流源供电。B.磁感应强度应线性变化，即磁场梯度均匀。常采用将磁钢的磁极片设计成特殊形状的方法。2.优点优点:结构简单、灵敏度高、可用动圈仪表显结构简单、灵敏度高、可用动圈仪表显示结果、可以远距离输送。示结果、可以远距离输送。3.缺点缺点:控制电流必须恒定控制电流必须恒定,容易受温度影响。容易受温度影响。3.5 压力测量与压力仪表校验压力测量与压力仪表校验3.5.1 活塞式压力计活塞式压力计 活塞式压力计能达到的准确度等级有0.02
24、、0.05和和0.2级级三种，可分别用来校验0.25级精密压力表、各种工业级压力计和传感器等，校验压力最高值有0.6、6、60MPa三种。活塞式压力计是利用静力平衡原理工作的，由压力发生系统和活塞测量系统两部分组成，3.5.2 静态标定静态标定 在被测压力稳定时，确定测量系统的输出输入量之间的关系。液柱式压力计的标定3.5.3.压力仪表校验压力仪表校验按图按图330安装好仪表。安装好仪表。关闭切断阀关闭切断阀a、b、c，开启进油阀，开启进油阀d，并将手摇泵丝杆全部旋出泵，并将手摇泵丝杆全部旋出泵外，使手摇泵中充满工作液；然后关闭进油阀外，使手摇泵中充满工作液；然后关闭进油阀d，开启切断阀，开启
25、切断阀a、b、c，此时若将手摇泵丝杆向泵内旋入，即可实现系统增压。此时若将手摇泵丝杆向泵内旋入，即可实现系统增压。均匀增压至量程上限，保持上限压力均匀增压至量程上限，保持上限压力3分钟；然后均匀降至零压，分钟；然后均匀降至零压，观察整个操作过程中，被校压力表指针有无跳动、停止、卡塞现象。观察整个操作过程中，被校压力表指针有无跳动、停止、卡塞现象。在被校压力表测量范围内均匀选取在被校压力表测量范围内均匀选取45个检验点，一般应选在带个检验点，一般应选在带有刻度数字的大刻度点上。有刻度数字的大刻度点上。单方向增压至校验点后读数，轻敲表壳再读数。用同样的方法依单方向增压至校验点后读数，轻敲表壳再读数
26、。用同样的方法依次增压至每一个校验点进行校验；然后再单方向缓慢依次降压至每一次增压至每一个校验点进行校验；然后再单方向缓慢依次降压至每一校验点进行校验。校验点进行校验。计算被校表的基本误差、变差、零位和轻敲位移等。计算被校表的基本误差、变差、零位和轻敲位移等。校验真空表时，其操作方法与校验正压仪表略有不同，可参考校验真空表时，其操作方法与校验正压仪表略有不同，可参考下列步骤进行：下列步骤进行：清除活塞式压力计内部传压工作液。清除活塞式压力计内部传压工作液。关闭切断阀关闭切断阀a a、b b、c c，开启进油阀，开启进油阀d d，并将手摇泵丝杆全部旋入，并将手摇泵丝杆全部旋入泵内。泵内。关闭进油
27、阀关闭进油阀d d，开启切断阀，开启切断阀b b、c c（b b阀上接标准真空计或阀上接标准真空计或U U型管水型管水银压力计），此时若将手摇泵丝杆向泵外旋出，即可使系统内产生银压力计），此时若将手摇泵丝杆向泵外旋出，即可使系统内产生真空。若旋出一次尚未达到所需真空时，可重复（真空。若旋出一次尚未达到所需真空时，可重复（2 2）、（）、（3 3）直至）直至所需的真空度为止。所需的真空度为止。其它要求与校验正压仪表相同。其它要求与校验正压仪表相同。用活塞式压力计校验真空仪表，设备简单、操作方便。但活塞用活塞式压力计校验真空仪表，设备简单、操作方便。但活塞式压力计能产生的真空度只能达到式压力计能产
28、生的真空度只能达到-8.6104Pa。若需校验更高的真。若需校验更高的真空度，应采用真空泵作为真空源进行校验。空度，应采用真空泵作为真空源进行校验。3.6 测压仪表的选择安装与故障分析测压仪表的选择安装与故障分析3.6.1 测压仪表的选择测压仪表的选择（1 1）从被测介质的性质考虑）从被测介质的性质考虑（2 2）从被测介质压力大小考虑）从被测介质压力大小考虑（3 3）从工艺要求来考虑）从工艺要求来考虑（4 4）从仪表的使用环境考虑）从仪表的使用环境考虑1仪表种类的选择仪表种类的选择2仪表量程的选择仪表量程的选择 l测量稳定压力时，最大工作压力不应超过量程的测量稳定压力时，最大工作压力不应超过量
29、程的2/3；l测量脉动压力时，最大工作压力则不应超过量程的测量脉动压力时，最大工作压力则不应超过量程的1/2；l测高压时则不应超过量程的测高压时则不应超过量程的3/5。为了保证测量准确度，最。为了保证测量准确度，最小工作压力应不低于量程的小工作压力应不低于量程的1/3。l测压力变化范围较大，超过了上述要求，则应使仪表量程测压力变化范围较大，超过了上述要求，则应使仪表量程上限满足最大工作压力条件。上限满足最大工作压力条件。用用01.6MPa量程的压力表测量容器的压力，若要求测量程的压力表测量容器的压力，若要求测量值的绝对误差不大于量值的绝对误差不大于30kPa30kPa，试确定压力表的精度。，试
30、确定压力表的精度。解：仪表精度解：仪表精度%.%kPa)(kPa%max875110001600301000-A1.5级精度的压力表足以满足生产需要。级精度的压力表足以满足生产需要。3.6.2.测压仪表的安装测压仪表的安装一、压力测点位置的选择1、水平或倾斜管道上压力测点的安装：水平或倾斜管道上压力测点的安装：气体介质气体介质,取压口管道上部取压口管道上部(防止凝结液体防止凝结液体)；液体介质液体介质,取压口管道下部取压口管道下部(防止含有气体防止含有气体)；蒸汽介质蒸汽介质,以上两点综合以上两点综合.2、测点低于测点低于1 1个大气压的测点个大气压的测点,标高应尽量接近测量仪表标高应尽量接近
31、测量仪表。3 3、4 4、5 5、6 6、7 7电厂锅炉的具体参考点。电厂锅炉的具体参考点。二、取压装置的形式和安装：蒸汽、水、油等介质的取压装置：插座、引压管、取源阀蒸汽、水、油等介质的取压装置：插座、引压管、取源阀门；门；含有微尘的气体压力测量：取压管倾斜含有微尘的气体压力测量：取压管倾斜3030度向上；度向上；气粉混合物压力测量：沉淀器；气粉混合物压力测量：沉淀器；带疏水装置的凝汽器真空测量：扩容管、疏水容器、回水带疏水装置的凝汽器真空测量：扩容管、疏水容器、回水管等部分。管等部分。三、引压管路敷设1、水平敷设的引压管3%-5%的坡度；2、导压管道长度不大于50-60米，直径6-10毫米；3、容易冻结或凝结的介质需要保温伴热措施。3.6.3.压力测量系统故障分析压力测量系统故障分析一、压力测量系统的实际组成取压装置导压管根部阀、表前阀、放空阀接线端子穿线管供电装置及开关二、典型故障分析参数指数为0；参数指数为最大值；参数偏高或偏低；其他故障：安全阀早跳、压力指示值波动。
