第二章壓力測量及變送第一節概述壓力是工業生產中的重要參數，在生產過程中，對壓力的檢測是保證工藝要求、設備和人身安全并使設備經濟運行的必要條件。例如氫氣和氮氣合成氨氣的壓力32MPa；而煉油廠中的減壓蒸餾，則要在比大氣壓低約93kPa的真空下進行。壓力測量儀表簡稱壓力計或壓力表。它根據生產工藝過程的不同要求，可以有指示、記錄和帶有遠傳變送、報警、調節裝置等。被測壓力的顯示方式多采用指針機械位移，也有的采用數字顯示形式。

工程上所說的壓力即壓強，是垂直作用于物體單位面積上的力。壓力的單位：帕斯卡，1帕斯卡=1牛頓／米2，符號：pa壓力的表示方法：表壓、絕對壓力、負壓或真空度第一節概述（續）工程上所用的壓力指示值，大多為表壓（絕對壓力的指示值除外）。表壓是絕對壓力和大氣壓力之差，即：

當被測壓力低于大氣壓力時，一般用負壓或真空度來表示，它是大氣壓力對于絕對壓力之差。以絕對壓力零線作起點計算的壓力稱為絕對壓力第一節概述（續）P表壓=P絕對壓力-P大氣壓力P真空度=P大氣壓力-P絕對壓力常用的測壓儀表液柱式壓力計－根據流體靜力學的原理，將被測壓力轉換成液柱高度進行測量。如：U型管壓力計、單管壓力計彈性式壓力計－將被測壓力轉換成彈性形變的位移進行測量。如：彈簧管壓力計、波紋管壓力計、薄膜式電氣式壓力計—將被測壓力通過機械和電氣元件轉換成各種電量（電壓、電流等）進行測量。如：電容式、應變片式、電感式第一節概述（續）第二節液柱式壓力計（1）∪型管壓力計A—∪型管內孔截面積；ρ—∪型管內所充工作液的密度；P大—大氣壓力；h—左右兩邊液面高度差，h＝h1＋h2P—作用在2-2截面處液面上的被測壓力

PA＝（hρg+P大）A

液體密度(kg/m3)和重力加速度(m/s2)為常數，被測壓力與液面高度差成正比。在玻璃管外設置刻度標尺，便可直接讀出表壓力p測的值，如：mmHg或mmH2O。

液柱式壓力計常用于測氣體壓力，氣體密度遠小于液體，故管內氣柱的重力影響可以忽略。

U型管里的液體可以選擇：酒精、水、四氯化碳、汞。第二節液柱式壓力計（續）（2）單管壓力計在壓力差（P－P大）的作用下，右邊杯內工作液體積減小，并始終與左邊管內工作液體積的增加量相等，所以右邊液面的下降將遠小于左邊液面的上升（即h2≤h1）。即可求出液面高度差h和壓力p的大小為：

第二節液柱式壓力計（續）（3）斜管壓力計

將單管壓力計的直管傾斜放置，就成為斜管壓力計。上式說明在同樣的壓力差（P－P大）條件下，斜管壓力計的讀數l比單管壓力計

的讀數h1大倍。讀數標尺同單管一起傾斜放置，使刻度標尺的分度間距放大。第二節液柱式壓力計（續）

在同樣壓力差（p-patm)條件下，斜管壓力計的讀數l比單管壓力計的讀數h1大倍。一般可用于測量到十分之一毫米水柱的微壓。液柱式測壓原理有難以克服的缺點：（1）量程受到液體密度限制（2）不適合測量劇烈變動的壓力（3）對安裝位置和姿勢有要求但在科學實驗中仍較常用，因為它簡單、靈敏、精確。第二節液柱式壓力計（續）彈性式壓力計是利用各種形式的彈性元件，在被測介質壓力的作用下，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。這種儀表結構簡單、牢固可靠，價格低廉，測量范圍寬（10－2～109

MPa），精度可達0.1級，并且易與現代測量、控制系統配合，實現壓力的記錄、遠傳、信號報警、自動控制等。因此在工業上是應用最為廣泛的一種測壓儀表。

第三節

彈性式壓力計一、彈性元件

彈性元件不僅是彈性式壓力計的感測元件，也是常用來作為氣動單元組合儀表的基本組成元件，應用較廣。當測壓范圍不同時，所用的彈性元件也不一樣，常用的幾種彈性元件如下。

（1）彈簧管式彈性元件（2）薄膜式彈性元件（3）波紋管式彈性元件彈性式壓力計（續）（1）彈簧管式彈性元件

單圈彈簧管是彎成圓弧形的金屬管子,它的截面積做成扁圓形或橢圓形，當通入壓力后，它的自由端就會產生位移。這種單圈彈簧自由端位移量較小，測量壓力較高，可測量高達1000MPa的壓力。為了增加自由端的位移，可以制成多圈彈簧管。彈性元件（續）

（2）薄膜式彈性元件

薄膜式彈性元件根據其結構不同還可以分為膜片與膜盒等。它的測壓范圍較彈簧管式的為低。如所示為膜片式彈元件，它是由金屬或非金屬材料做成的具有彈性的一張膜（有平膜片與波紋膜片兩種形式），在壓力作用下能產生變形。有時也可以由兩張金屬膜片沿周口對焊起來，成一薄壁盒子，內充液體（例如硅油），稱為膜盒。彈性元件（續）

（3）波紋管式彈性元件

波紋管式彈性元件是一個周圍為波紋狀的薄壁金屬筒體，這種彈性元件易于變形，而且位移很大，常用于微壓與低壓的測量或氣動儀表的基本元件，不適合測高壓力。

彈性元件（續）二、彈簧管壓力表彈簧管壓力表是工業生產中應用廣泛的測壓儀表，并以單圈彈簧的應用為最多。彈性式壓力計（續）

單圈彈簧管是彎成圓弧形的空心管子，它的截面積呈扁圓或橢圓形，橢圓形的長軸2a與圖面垂直,與彈簧管中心軸O相平行。

A為彈簧管的固定端，即被測壓力的輸入端；

B為彈簧管的自由端（封閉），即位移輸出端；

γ為彈簧管中心角初始角，一般在2700左右；

為中心角的變化量；

R和r分別為彈簧管彎曲圓弧的外半徑和內半徑；

2a和2b為彈簧管橢圓截面的長軸和短軸。

彈簧管壓力表（續）作為壓力位移轉換元件的彈簧管，當它的固定端通入被測壓力P后，由于橢圓形截面在壓力P的作用下將趨向圓形，其自由端就由B移到B‘（虛線所示），彈簧管的中心角隨即減小。根據彈性變形的原理可知，中心角的相對變化值與被測壓力P的關系可用下式表示：彈簧管壓力表（續）如要求p與成正比關系，必須使式中其余各參數均為定值

式中：μ--彈簧管材料的泊松系數

E-彈簧管材料的彈性模數

h---彈簧管壁厚

K--彈簧管的幾何參數

α、β---與a/b比值有關的參數

R0—為R1和r的平均值由上式可看出，增加橢圓短半軸b，加大壁厚，減少曲率半徑R0，都會使測量上限壓力增加，測高壓的壓力表其彈簧管斷面較接近圓形，壁較厚，R0較小。

彈簧管壓力表（續）彈簧管壓力表的結構彈簧管壓力表（續）彈簧管壓力表1—彈簧管；2—拉桿；3—扇形齒輪；4—中心齒輪；5—指針；6—面板；7—游絲；8—調整螺釘；9—接頭被測壓力由接頭9通入后，彈簧管由橢圓形截面張大趨于圓形，由于變形，使彈簧管的自由端B產生位移，自由端的位移量一般很小，直接顯示有困難，所以必須通過放大機構才能指示出來。放大過程如下：自由端B的彈性變形位移通過拉桿2使扇形齒3作逆時針轉動，于是指針5通過同軸的中心齒輪4帶動而作順時針偏轉，從而在面板6的刻度標尺上顯示出被測壓力間有正比關系，因此彈簧管壓力表的刻度標尺是線性的。彈簧管的材料，一般在P＜20MPa時采用磷銅，P＞20MPa時采用不銹鋼或合金鋼。

彈簧管壓力表的結構（續）（一）壓力表的選用（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。例如是否需要遠傳、自動記錄或報警；被測介質的性質（如被測介質的溫度高低、粘度大小，腐蝕性，,是否易燃易爆等），是否對儀表提出特殊要求；現場環境條件（如濕度、溫度、磁場強度、震動等）對儀表類型的要求等。因此根據工藝要求正確地選用儀表類型是保證儀表正常工作及安全生產的重要前提。（2)儀表測量范圍的確定：為了保證彈性元件能在彈性變形的安全范圍內可靠地工作，在選擇壓力表量程時，必須根據被測壓力的大小和壓力變化的快慢，留有足夠的余地，壓力的上限值應該高于工藝生產中可能的最大壓力值。第四節、壓力表的選用、安裝和校驗

1、在測量穩定壓力時，最大工作壓力不應超過測量上限值的2/3；

2、測量脈動壓力時，最大工作壓力不應超過測量上限值的1/2；

3、測量高壓壓力時，最大工作壓力不應超過測量上限值的3/5。

4、一般被測壓力的最小值應不低于儀表測量上限值的1/3

從而保證儀表的輸出量與輸入量之間的線性關系，提高儀表測量結果的精確度和靈敏度。

壓力表的選用（續）根據被測參數的最大值和最小值計算出儀表的上、下限后，還不能以此數值直接作為儀表的測量范圍。應在標準系列中選取。我國的壓力計測量范圍標準系列有：－0.1～0.06、0.15；0～1、1.6、2.5、4、6，n×10mMPa，其中n、m為自然整數（可為正、負值）。（3）儀表精度的選取：根據工藝生產上允許的最大絕對誤差和選定的儀表量程，計算出儀表允許的最大引用誤差，在國家標準精確度等級系列中確定儀表的精度。并在滿足工藝要求的前提下，盡量選用精度較低，價廉耐用的儀表。例題壓力表的選用（續）思考為什么測量儀表的測量范圍要根據被測量的大小來選取？選一只量程很大的儀表來測量很小的參數值可以嗎？壓力表的選用（續）（二）壓力計的安裝壓力計的安裝正確與否，直接影響到測量結果的準確性和儀表的使用壽命。（1）取壓點的選擇：取壓點要有代表性，應能真實的反映被測壓力的大小。為此必須注意以下幾點。①為保證測量的是靜壓，取壓管與容器壁要垂直，并要選在被測介質直線流動的管段部分，不要選在管路拐彎、分叉、死角或其它易形成旋渦的地方。②取壓管內端面與生產設備連接處的內壁保持平齊，不應有凸出物或毛刺。③測量液體壓力時，取壓點應在管道下部，使導壓管內不積存氣體；測量氣體壓力時，取壓點應在管道上方，使導壓管內不積存液體。壓力表的選用（續）（2）導壓管鋪設導壓管應保證傳遞壓力的精確性與快速性，因此必須做到：

①導壓管粗細要合適，一般內徑為6～10mm，長度應盡量短，最長不得超過50m，以減少壓力指示的遲緩。如超過50m，應選用遠傳式壓力計。②導壓管水平安裝時應保證有1∶10～1∶20的傾斜度，以利于積存于其中之液體（或氣體）的排除。③當被測介質易冷凝或凍結時，必須加設保溫伴熱管線。④取壓口到壓力計之間應裝有切斷閥，以備檢修壓力計時使用。切斷閥應裝設在靠近取壓口的地方。壓力計的安裝（續）（3）壓力計的安裝：

①壓力計應安裝在易觀察和檢修的地方。②安裝地點應力求避免振動和高溫影響。③測量蒸汽壓力時，應加裝凝液管，以防止高溫蒸汽直接與測壓元件接觸。圖（a）所示。對于有腐蝕性介質的壓力測量，應加裝有中性介質的隔離罐，圖(b）所示。壓力計的安裝（續）壓力表安裝示意圖11—壓力表；2—切斷閥門；3—隔離罐；4—生產設備；ρ1、ρ2—中性隔離液和被測介質的密度壓力計的安裝（續）④壓力表的連接處，應根據被測壓力的高低和介質性質，選擇適當的材料作為密封墊片，以防泄漏。一般低于80℃及2MPa時，用牛皮或橡皮墊片；在450℃及5MPa以下用石棉或鋁墊片；溫度及壓力更高時用退火紫銅或鋁墊片。普通壓力表普通壓力表電接點壓力表壓力計的安裝（續）（三）壓力計的校驗壓力計在長期的使用中，會因彈性元件疲勞，傳動機構磨損及化學腐蝕等造成測量誤差。所以有必要對儀表定期進行校驗；新儀表在安裝使用前也應校驗，以便更恰當的估計儀表指示值的可靠程度。

（1）校驗原理：校驗工作是將被校儀表與標準表處在相同條件下的比較過程。標準儀表的選擇原則是，當被校儀表的允許絕對誤差為△x時，標準儀表的允許絕對誤差不得超過△x。這樣可以認為標準儀表的讀數就是真實值。為防止標準儀表超程損壞，標準儀表的測量范圍應比被校儀表大一檔次。比較結果若被校儀表的精確度等級高于儀表標明的等級，儀表合格。壓力計的校驗（續）（2）檢驗儀表—活塞式壓力計：在一個密閉的容器內充滿變壓器油（6MPa以下）或蓖麻油（6MPa以上）。轉動手輪使活塞向前推進，對油產生一個壓力，這個壓力在密閉的系統內向各個方向傳遞，所以進入標準儀表、被校儀表和標準器的壓力是相等的。因此利用比較的方法便可得出被校儀表的絕對誤差。

標準器由活塞和砝碼構成。活塞的有效面積和活塞桿、砝碼的重量都是已知的，這樣，標準器的標準壓力值就可根據壓力的定義準確地計算出來。

活塞式壓力計的精確度有0.05，0.2級等數種。如被校壓力計的精確度不高，則不用砝碼校驗，而采用被校儀表與標準儀表比較的方法校驗。這時要關閉針閥。壓力計的校驗（續）活塞式壓力計示意圖壓力計的校驗（續）（3）校驗內容：

校驗分為現場校驗和實驗室校驗，校驗內容包括指示值誤差，變差和線性調整。具體步驟是：首先在被校表量程范圍內均勻地確定幾個被校點（一般為5～6個，一定有測量的下限和上限值），然后由小到大（上行程）逐點比較標準表的指示值，直到最大值。在推進一點點，使指針稍超過最大值，再進行下行程的校驗。這樣反復2～3次，最后依各項技術指標的定義進行計算，確定儀表是否合格。

壓力計的校驗（續）井下生產測試儀表是指用于測試井下壓力流量溫度等參數的儀表,井下壓力流量溫度等參數是我們在石油勘探開發過程中的重要資料,是研究油氣層特性,了解油氣田不同開發階段規律,掌握油氣田動態不可缺少的重要依據.井下參數的正確測試與測量,對我們準確估算地下儲量和油井生產能力制定合理的開發工藝和調整挖潛方案具有十分重要的意義.

井下生產測試儀表,為了適應井下工作和測量環境,在設計上有許多共同之處和特別設計.顯著特點:

結構是細長筒形,以便于下入油套管內測量

都有類似的繩帽,用于連接錄井鋼絲吊掛儀表下井

尾錐,導向和防震作用

機械時鐘和記錄裝置,記錄井下參數大小井下生產測試儀表結構和檢測元件與地上儀表有些差別,但基本測量原理是一樣的.第五節井下測試工具之--井下壓力計彈簧管式井下壓力計一般由：繩帽、鐘機系統、測量部分、記錄裝置和最高溫度計五大部分組成。

1．壓力計結構繩帽部分：用于穿引鋼絲，吊掛壓力計下井測試。在其端部車有齒形溝槽，以備鋼絲被拔斷造成壓力計落井時，便于進行打撈。鐘機系統：由鐘機壓緊接頭、鐘機、聯軸器等組成。其中，鐘機是給壓力計記錄裝置提供動力的裝置，采用常規發條擺輪式機械時鐘，其輸出軸轉角與時間成正比。順時針旋轉其輸出軸，給鐘機上滿發條后裝入鐘機外殼里，鐘機輸出軸即逆時針勻速旋轉，驅動記錄裝置。一、彈簧管式井下壓力計

測量部分：由隔離波紋管、傳壓毛細銅管、多圈螺旋彈簧管組成。它們形成一個封閉系統，內充工作液，(通常甲苯、乙基苯等液體)。波紋管的作用有：一是傳遞被測壓力給彈簧管；二是起隔離作用，不讓被測井液直接作用于彈簧管內腔，以免彈簧管被污物堵塞；螺旋彈簧管一端固定在中間接頭上，并連結毛細管，與波紋管相通，承受被測壓力。另一端封閉，為自由端，并通過筆桿承套固定記錄筆桿。彈簧管在被測壓力作用下產生變形時，其自由端帶動記錄筆桿旋轉相應的角度。

記錄裝置：由螺桿、記錄紙筒、記錄筆等組成。螺桿通過聯軸器在鐘機帶動下逆時針方向轉動，使得內壁裝記錄紙的記錄筒由上往下勻速移動。記錄筆桿下端與彈簧管自由端連接，上端固定帶有彈簧片的記錄筆。記錄筆壓在記錄紙上并隨彈簧管自由端繞軸轉動。

彈簧管式井下壓力計井下壓力計所使用的記錄紙，是在紙基上涂敷一層墨粉后，再涂上一層白色蠟膜而制成的防水紙。當記錄筆尖劃去白色蠟膜后，就在記錄紙上留下一條黑色印痕來。最高溫度計部分：由溫度計和尾錐組成。最高溫度計裝在金屬護套內，其兩端裝有橡膠墊圈及彈簧減震裝置。最高溫度計是玻璃棒水銀溫度計。經過特殊處理后，象醫用體溫計一樣可以測出在測量過程中儀表所遇到的最高溫度。使用過程中，為了減小熱慣性、加快傳熱速度，通常在壓力計外殼與溫度計之間灌入機油或金屬屑。整個壓力計外殼用不銹鋼制成，各段均用螺紋連接。各段之間用橡膠墊圈和“O”型密封圈密封。在儀器外殼制有網紋滾花或銑有兩平面，以便于拆裝。彈簧管式井下壓力計工作原理：壓力計下入井內后測量，井內液體有進液口通過濾網、毛細管、進入波紋管，被測壓力作用于波紋管上。由于整個波紋管、毛細管和彈簧管所組成的封閉系統內的工作液具有不可壓縮性，此壓力經毛細管后傳遞給彈簧管，多圈彈簧管的自由端將產生一個與被測壓力成正比的中心角位移。彈簧管自由端的角位移，通過與之固連的記錄比桿，帶動紀錄筆旋轉，并在紀錄筒內紀錄紙上劃出線段痕跡。此線長度與被測壓力成正比。記錄筒通過螺桿，在鐘機帶動下勻速向下移動，移動距離與時間成正比。在展開的記錄紙上，就形成了以時間-壓力為直角坐標系的記錄曲線CY613–A型井下壓力計

CY613-A型井下壓力結構圖1-繩帽子2-鐘機壓緊接頭3-鐘機4-鐘筒5-摩擦輪6-螺桿上支撐7-記錄裝置外殼8-記錄筒固定套9-螺桿10-支撐螺絲11-記錄筒12-記錄筆13-固定螺釘14-記錄筆桿15-記錄筆桿承套16-螺旋彈簧管17-外殼18-心臟主體19-皺褶盒20-濾網21-溫度計22-溫度計外殼23-金屬護套24-尾椎工作原理：該儀器采用多圈彈簧管做為壓力測量元件