1、第二節第二節 壓力檢測及儀表壓力檢測及儀表一、壓力單位及測壓儀表壓力單位及測壓儀表1.壓力壓力:由氣體或液體均勻垂直地作用在單位面積上的力。由氣體或液體均勻垂直地作用在單位面積上的力。公式為公式為 p為壓力為壓力,F為垂直作用力為垂直作用力 S為受力面積為受力面積單位單位:帕斯卡帕斯卡,簡稱帕簡稱帕(Pa),1帕為帕為1牛頓每平方米牛頓每平方米(國際單國際單位制位制SI)。 1Pa=1N/m2 1MPa=1X106Pa 1物理大氣壓物理大氣壓(1atm)=1.0133X105Pa=760mmHg 1工程大氣壓工程大氣壓(1kgf/cm2)=9.807X104Pa=104mmH2O2.幾種壓力表

2、示法（按取壓的標準不同）幾種壓力表示法（按取壓的標準不同）在壓力測量中在壓力測量中,常有表壓、絕對壓力、負壓或真空度。常有表壓、絕對壓力、負壓或真空度。其關系見下圖。其關系見下圖。FpS 表壓表壓:是絕對壓力和大氣壓力之差是絕對壓力和大氣壓力之差, P表壓表壓 = P絕對壓力絕對壓力 -P大氣壓力大氣壓力 負壓或真空度負壓或真空度:是當被測壓力低于大氣壓力時是當被測壓力低于大氣壓力時,大氣大氣壓力和絕對壓力之差壓力和絕對壓力之差,P真空度真空度 =P大氣壓力大氣壓力 -P絕對壓力絕對壓力絕對零壓線絕對零壓線絕對壓力絕對壓力P絕絕大氣壓大氣壓P0表壓表壓P表表真空度真空度P真真絕對絕對壓力壓力P

3、絕絕3.壓力計的分類（按信號轉換原理不同）壓力計的分類（按信號轉換原理不同）液柱式壓力計液柱式壓力計:根據流體靜力學原理根據流體靜力學原理,將被測壓力轉換成將被測壓力轉換成液柱高度進行測量。結構簡單液柱高度進行測量。結構簡單,使用方便使用方便,但精度低但精度低,測測量范圍窄。量范圍窄。彈性式壓力計彈性式壓力計:將被測壓力轉換成彈性元件變形的位移進將被測壓力轉換成彈性元件變形的位移進行測量的。彈簧管壓力計。行測量的。彈簧管壓力計。電氣式壓力計電氣式壓力計:通過機械和電氣元件將被測壓力轉換成電通過機械和電氣元件將被測壓力轉換成電量來測量的儀表。壓力變送器。量來測量的儀表。壓力變送器。活塞式壓力計活

4、塞式壓力計:根據水壓機傳送壓力原理根據水壓機傳送壓力原理,將被測壓力轉將被測壓力轉換成活塞上所加平衡砝碼的質量來進行測量的。換成活塞上所加平衡砝碼的質量來進行測量的。二、彈性式壓力計二、彈性式壓力計1.定義定義:利用各種形式的彈性元件利用各種形式的彈性元件,在被測介質壓力的作用在被測介質壓力的作用下下,使彈性元件受壓后產生彈性變形的原理而制成的測使彈性元件受壓后產生彈性變形的原理而制成的測壓儀表。壓儀表。2.特點特點:結構簡單、使用可靠、讀數清晰、牢固可靠、價結構簡單、使用可靠、讀數清晰、牢固可靠、價格低廉、測量范圍寬、有足夠的精度、應用廣泛。格低廉、測量范圍寬、有足夠的精度、應用廣泛。3.測

5、量范圍測量范圍:幾百帕到數千兆帕。幾百帕到數千兆帕。4.彈性元件彈性元件（根據測壓范圍的不同）（根據測壓范圍的不同） (1).彈簧管式彈性元件彈簧管式彈性元件(單圈和多圈的單圈和多圈的)是截面是截面呈橢呈橢圓圓或或扁圓型扁圓型的中空金屬管的中空金屬管,當通入壓力當通入壓力p后后,它的自它的自由端就會產生位移。適合測高、中、低壓。由端就會產生位移。適合測高、中、低壓。(2).薄膜式彈性元件：薄膜式彈性元件：(膜片膜片a或膜盒或膜盒b)由具有彈由具有彈性的金屬或非金屬片構成性的金屬或非金屬片構成,在壓力作用下能產生在壓力作用下能產生變形。膜盒中內充硅油。適合測中、低壓。變形。膜盒中內充硅油。適合測

6、中、低壓。(3).波紋管式彈性元件波紋管式彈性元件:有一端封閉有一端封閉,外部存在波紋外部存在波紋的彈性金屬片構成金屬筒體的彈性金屬片構成金屬筒體,是氣動單元組合儀表是氣動單元組合儀表中不可缺少的部分。彈性元件易于變形中不可缺少的部分。彈性元件易于變形,且位移很且位移很大。適合測微壓和低壓大。適合測微壓和低壓,在氣動壓力變送器上應用在氣動壓力變送器上應用較多。較多。5.彈簧管壓力表彈簧管壓力表應用廣范應用廣范,品種繁多。可分品種繁多。可分單圈和多圈單圈和多圈;按用途分普通按用途分普通壓力表、耐腐蝕的氨用壓壓力表、耐腐蝕的氨用壓力表、禁油的氧氣壓力力表、禁油的氧氣壓力表。它們外形和結構相同表。它

7、們外形和結構相同,只是所用材料不同。只是所用材料不同。(1).結構結構 1彈簧管彈簧管; 2拉桿拉桿; 3扇形齒輪扇形齒輪; 5-指針指針; 4中心齒輪中心齒輪; 6面板面板; 7游絲游絲; 8調節螺釘調節螺釘; 9接頭。接頭。(2).工作原理工作原理工作原理工作原理:彈簧管彈簧管1是壓力表的測量元件。圖為單圈彈簧是壓力表的測量元件。圖為單圈彈簧管管,它是一根彎成它是一根彎成270圓弧的橢圓截面的空心金屬管。圓弧的橢圓截面的空心金屬管。管子的自由端管子的自由端B封閉封閉,管子的另一端固定在接頭管子的另一端固定在接頭9上。當通上。當通入壓力入壓力P后后,由于由于橢圓形橢圓形截面在壓力的截面在壓力

8、的P作用下將趨于作用下將趨于圓形圓形,使彈簧管的自由端使彈簧管的自由端B產生位移產生位移,且與輸入壓力的大小成正比且與輸入壓力的大小成正比(具有線性刻度具有線性刻度)。所以只要測得。所以只要測得B點的位移量點的位移量,就能反映壓就能反映壓力力P的大小。的大小。放大過程放大過程:自由端自由端B的位移通過拉桿的位移通過拉桿2使扇形齒輪使扇形齒輪3作逆時針作逆時針偏轉偏轉,指針指針5通過同軸的中心齒輪通過同軸的中心齒輪4的帶動作順時針偏轉的帶動作順時針偏轉,在面板在面板6的刻度標尺上顯示出被測壓力的刻度標尺上顯示出被測壓力p的數值。由于自的數值。由于自由端的位移與被測壓力的大小成正比由端的位移與被測

9、壓力的大小成正比,則刻度標尺是線則刻度標尺是線性的。性的。游絲游絲7用來克服因扇形齒輪與中心齒輪間的傳動間隙而產用來克服因扇形齒輪與中心齒輪間的傳動間隙而產生的儀表變差。生的儀表變差。改變調節螺釘改變調節螺釘8的位置的位置,可調整儀表的量程。可調整儀表的量程。(3).彈簧管材料的選擇彈簧管材料的選擇當當P19.6MPa時時,選用合金鋼或不銹鋼的材料。選用合金鋼或不銹鋼的材料。當當P19.6MPa時時,選用磷青銅或黃銅的材料選用磷青銅或黃銅的材料,所測所測流體種類不同流體種類不同,所用彈簧管材料不同。所用彈簧管材料不同。(4). 電接點信號壓力表電接點信號壓力表是在普通彈簧管壓力表是在普通彈簧管

10、壓力表上帶有上帶有報警報警或或控制觸點控制觸點的壓力表。的壓力表。當壓力偏離給定范圍時當壓力偏離給定范圍時,及時發出信號及時發出信號,提醒操作提醒操作人員注意或通過中間繼人員注意或通過中間繼電器實現壓力控制。電器實現壓力控制。三、電氣式壓力計三、電氣式壓力計彈簧管壓力計的不足在于不能測量脈動、真空和超高彈簧管壓力計的不足在于不能測量脈動、真空和超高壓力壓力,而電氣壓力計可克服上述不足。而電氣壓力計可克服上述不足。1.定義定義:把壓力轉換為電信號進行傳輸及顯示的儀表。把壓力轉換為電信號進行傳輸及顯示的儀表。2.組成組成:壓力傳感器、測量電路和信號處理裝置。壓力傳感器、測量電路和信號處理裝置。3.

11、測量范圍測量范圍:710-5Pa-5102MPa,測量范圍廣。測量范圍廣。4.壓力傳感器作用壓力傳感器作用:把壓力信號檢測出來把壓力信號檢測出來,并轉換成電信并轉換成電信號進行輸出。當輸出的電信號轉換成標準信號時號進行輸出。當輸出的電信號轉換成標準信號時,壓力壓力傳感器稱為傳感器稱為壓力變送器。壓力變送器。標準信號標準信號:是指物理量的形式和數值范圍都符合國際標準是指物理量的形式和數值范圍都符合國際標準的信號。如直流電流的信號。如直流電流4-20mA (0-10mA),空氣壓力空氣壓力0.02-0.1MPa都為標準信號。都為標準信號。5.壓力傳感器分類壓力傳感器分類:霍爾片式、應變片式霍爾片式

12、、應變片式、壓阻式壓力傳、壓阻式壓力傳感器和力平衡式感器和力平衡式 、電容式壓力變送器。、電容式壓力變送器。(1).霍爾片式壓力傳感器霍爾片式壓力傳感器依據依據:根據霍爾效應制成的根據霍爾效應制成的,即利用霍爾元件將由壓力所引即利用霍爾元件將由壓力所引起的彈性元件的位移轉換成霍爾電勢起的彈性元件的位移轉換成霍爾電勢,實現壓力的測量。實現壓力的測量。霍爾效應霍爾效應:霍爾片由半導體材料制成的薄片霍爾片由半導體材料制成的薄片,如圖在如圖在Z軸方軸方向上加恒定磁場向上加恒定磁場B,在在Y軸方向上加外電場軸方向上加外電場(直流穩壓電源直流穩壓電源),電子在霍爾片中運動電子在霍爾片中運動(逆逆Y軸方軸方

13、向運動向運動)時時,由于受電磁力的作由于受電磁力的作用用,使電子運動軌道發生偏移使電子運動軌道發生偏移,則一個端面有電子則一個端面有電子,另一個端另一個端面上正電荷過剩面上正電荷過剩,在在X軸方向軸方向上出現電位差上出現電位差,稱為霍爾電勢。稱為霍爾電勢。這物理現象稱為霍爾效應。這物理現象稱為霍爾效應。Y(1).霍爾片式壓力傳感器霍爾片式壓力傳感器霍爾電勢霍爾電勢:UH=RHBI RH-霍爾常數霍爾常數,與霍爾片材料、幾何形狀有關。與霍爾片材料、幾何形狀有關。導體也有霍爾效應導體也有霍爾效應,但霍爾電勢但霍爾電勢比半導體的霍爾電勢小得多。比半導體的霍爾電勢小得多。霍爾電勢與位移關系霍爾電勢與位

14、移關系:根據根據UH=RHBI ,若若I為定值為定值,在在非均勻磁場中非均勻磁場中,霍爾元件所處霍爾元件所處位置不同位置不同,所受到的磁感應強所受到的磁感應強度就不同度就不同,可得到與位移成正可得到與位移成正比例的霍爾電勢比例的霍爾電勢,實現位移電勢的線性轉換。實現位移電勢的線性轉換。霍爾片式壓力傳感器結構霍爾片式壓力傳感器結構:霍爾元件與彈簧管配合霍爾元件與彈簧管配合,組成霍爾片式壓力傳感器。組成霍爾片式壓力傳感器。Y(1).霍爾片式壓力傳感器霍爾片式壓力傳感器工作原理：工作原理：在被測壓力作用下在被測壓力作用下,彈簧管彈簧管自由端產生位移自由端產生位移,則改變霍則改變霍爾片在非均勻磁場中的

15、位爾片在非均勻磁場中的位置置,使所產生的霍爾電勢與使所產生的霍爾電勢與被測壓力成比例。被測壓力成比例。即即:壓力壓力彈性位移彈性位移霍爾片移動霍爾片移動霍爾電勢。霍爾電勢。應用應用:用于所測壓力不高、用于所測壓力不高、壓力波動小、信號需要遠傳的場合。壓力波動小、信號需要遠傳的場合。(2).應變片式壓力傳感器應變片式壓力傳感器工作原理工作原理:利用電阻應變原理構成。有壓力作用時利用電阻應變原理構成。有壓力作用時,應變片應變片產生應變產生應變,表現為應變片的電阻發生變化表現為應變片的電阻發生變化,通過橋式電路轉通過橋式電路轉換為毫伏級電勢輸出換為毫伏級電勢輸出,從所測電壓的大小讀出所測的壓力。從所

16、測電壓的大小讀出所測的壓力。結構結構:1.應變筒應變筒;2.外殼外殼;3.密封膜片密封膜片;4.輸出信號輸出信號;5.恒壓直流恒壓直流;6.電源。康銅絲應變片電源。康銅絲應變片r1沿應變筒軸向貼放沿應變筒軸向貼放,為測量片為測量片; r2沿徑向貼放沿徑向貼放,為為溫度補償片。溫度補償片。特點特點:速度快速度快.動態動態性能好性能好.非線性誤非線性誤差小差小.滯后小滯后小.適合適合測高測高(25MPa)且脈且脈動較大的壓力。動較大的壓力。變小變小變大變大546(3).壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器結構：結構： 1.基座基座 2.單晶硅片單晶硅片 3.導環導環 4.螺母螺母 5.密封墊圈密封墊圈

17、 6.等效電阻等效電阻(3).壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器工作原理工作原理:利用單晶硅的壓阻效應而構成。采用單利用單晶硅的壓阻效應而構成。采用單晶硅片為彈性元件晶硅片為彈性元件,在單晶硅彈性膜片上用集成電在單晶硅彈性膜片上用集成電路工藝路工藝,在單晶硅的特定方向上擴散一組等值電阻在單晶硅的特定方向上擴散一組等值電阻,并將電阻接成橋路并將電阻接成橋路,單晶硅片置于傳感器腔內。當單晶硅片置于傳感器腔內。當壓力發生變化時壓力發生變化時,單晶硅產生應變單晶硅產生應變,使直接擴散在上使直接擴散在上面的面的應變電阻產生與被測壓力成比例的變化應變電阻產生與被測壓力成比例的變化,再由再由橋式電路獲得相應的

18、電壓輸出信號。橋式電路獲得相應的電壓輸出信號。儀表特點儀表特點:精度高、工作可靠、頻率響應高、遲滯精度高、工作可靠、頻率響應高、遲滯小、尺寸小、重量輕、結構簡單。適于在惡劣環小、尺寸小、重量輕、結構簡單。適于在惡劣環境下使用境下使用,便于實現顯示數字化。稍作改變后可以便于實現顯示數字化。稍作改變后可以用來測差壓、速度、高度、加速度等參數。用來測差壓、速度、高度、加速度等參數。(5).電容式壓力變送器電容式壓力變送器結構結構: 1.隔離膜片隔離膜片;2,7固定電極固定電極; 3.硅油硅油; 4.測量膜片測量膜片 5.玻璃層玻璃層; 6.底座底座; 8.引線。引線。工作原理工作原理:先將先將壓力變

19、化轉換為壓力變化轉換為電容量的變化電容量的變化,然后進行測量的。然后進行測量的。壓力作用在兩側的隔離膜片上壓力作用在兩側的隔離膜片上,通過硅油將差壓傳遞到測量膜片通過硅油將差壓傳遞到測量膜片上上,使其向壓力小的一側彎曲變使其向壓力小的一側彎曲變形形,使兩電極的電容變化使兩電極的電容變化,電容的電容的變化量通過引線傳至測量電路變化量通過引線傳至測量電路,P1P2儀表特點儀表特點: 結構簡單結構簡單.過載能力強過載能力強.精度高可達精度高可達0.2級級.工作可工作可靠靠.體積小體積小.重量輕重量輕.使用方便使用方便;可以用來測差壓和液位等參可以用來測差壓和液位等參量。量。通過測量電路的檢測和放大通

20、過測量電路的檢測和放大,轉換成轉換成420mA的直流標準電的直流標準電信號進行輸出。信號進行輸出。四四.智能型的壓力變送器智能型的壓力變送器結構結構:普通的壓力或差壓傳感器上增加普通的壓力或差壓傳感器上增加微處理器微處理器電路電路即形成智能檢測儀表。即形成智能檢測儀表。特點特點:可進行遠程通信可進行遠程通信。利用手持通信器。利用手持通信器,可對可對1500m內現場變送器進行各種運行內現場變送器進行各種運行參數的選擇參數的選擇和標定和標定;精度高精度高,使用和維護方便。通過編制各使用和維護方便。通過編制各種程序可實現自修正、自補償、自診斷及錯誤種程序可實現自修正、自補償、自診斷及錯誤方式報警功能

21、方式報警功能,便于實現人機對話。便于實現人機對話。五、壓力計的選用及安裝五、壓力計的選用及安裝1.壓力表的選用壓力表的選用:根據工藝生產過程的要求根據工藝生產過程的要求,結合各方面結合各方面的情況的情況,加以全面考慮和具體的分析。加以全面考慮和具體的分析。(1).儀表類型的選用儀表類型的選用:必須滿足工藝生產的要求。考慮必須滿足工藝生產的要求。考慮被測介質、現場條件和工藝要求。被測介質、現場條件和工藝要求。(2).確定儀表測量范圍及量程：確定儀表測量范圍及量程： 測穩定壓力測穩定壓力時時,Pmax2/3 P上限上限,即即P上限上限3/2 Pmax; 測脈動壓力測脈動壓力時時,PmaxP上限上限/2 ,即即P上限上限2Pmax; 測高壓測高壓時時,Pmax3/5 P上限上限, P上限上限5/3 Pmax; 最小值最小值,PminN/3,N 3Pmin 。(3).選取儀表的精度選取儀表的精度根據生產