自動檢測技術第五章壓力檢測儀表1自動檢測技術第五章1一、概述

壓力的定義壓力是指均勻而垂直作用在單位面積上的力，符號用P表示。壓力的單位是帕斯卡，即牛頓/米2；用符號Pa表示。除了帕斯卡，我國目前還同時使用以下單位：工程大氣壓(kgf/cm2)、物理大氣壓（標準大氣壓760mmHg）等2一、概述21623年6月19日誕生于法國多姆山省克萊蒙費朗城。帕斯卡很小時就精通歐幾里得幾何，他自己獨立地發現出歐幾里得的前32條定理，而且順序也完全正確。11歲時小帕斯卡寫了一篇關于振動與聲音的關系的文章。12歲獨自發現了“三角形的內角和等于180度”后，開始師從父親學習數學。在他16歲那年，參加巴黎數學家和物理學家小組（法國巴黎科學院的前身）的學術活動。17歲時帕斯卡寫成了數學水平很高的《圓錐截線論》一文，這是他研究德扎爾格關于綜合射影幾何的經典工作的結果。1642年到1644年間幫助父親做稅務計算工作時，帕斯卡發明了加法器，這是世界上最早的計算器，現陳列于法國博物館中。1646年他為了檢驗意大利物理學家伽利略和托里拆利的理論，制作了水銀氣壓計，在能俯視巴黎的克萊蒙費朗的山頂上反復地進行了大氣壓的實驗，為流體動力學和流體靜力學的研究鋪平了道路。實驗中他為了改進托里拆利的氣壓汁，他在帕斯卡定律的基礎上發明了注射器，并創造了水壓機。1651～1654年間，緊張地進行科學工作，寫成了關于液體平衡、空氣的重量和密度及算術三角形等多篇論文，后一篇論文成為概率論的基礎。1662年8月19日帕斯卡逝世，終年39歲。31623年6月19日誕生于法國多姆山省克萊蒙費朗城。帕斯卡很26壓力單位帕/Pa兆帕/MPa工程大氣壓/(kgf/cm2)物理大氣壓/atm汞柱/mmHg水柱/mH2O（磅/英寸2）/（1b/in2）巴/bar帕11×10-61.0197×10-59.869×10-67.501×10-31.0197×10-41.450×10-41×10-5兆帕1×106110.1979.8697.501×1031.0197×1021.450×10210工程大氣壓9.807×1049.807×10-210.9678735.610.0014.220.9807物理大氣壓1.0133×1050.101331.0332176010.3314.701.0133汞柱1.3332×1021.3332×10-41.3595×10-31.3158×10-310.01361.934×10-21.3332×10-3水柱9.806×1039.806×10-30.10000.0967873.5511.4220.09806（磅/英寸2）6.895×1036.895×10-30.070310.0680551.710.703110.06895巴1×1050.11.01970.9869750.110.19714.501各種壓力單位換算表426壓力帕/Pa兆帕/MPa工程大氣壓/(kgf/cm2壓力的表示方式絕對壓力表壓力真空度差壓5壓力的表示方式5壓力檢測的主要方法及壓力檢測儀表的分類液體壓力計(U型管壓力計、單管壓力計、傾斜式微壓計等)彈性式壓力計(彈簧管壓力表、膜盒壓力表、波紋管壓力表)電遠傳式壓力儀表(力平衡式壓力變送器、電容式壓力變送器、霍爾式壓力傳感器)物性型壓力傳感器(應變式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器)6壓力檢測的主要方法及壓力檢測儀表的分類6壓力檢測儀表的等別或級別壓力計基準、標準器用“等”；工作用儀器用“級”表示。有國家基準器、工作基準器、一等標準器、二等標準器、三等標準器；工作壓力0.5級、1.0級、1.5級、2.5級壓力測量范圍壓力范圍：超高壓、高壓、中壓、低壓、微壓真空劃分四類：粗真空、低真空、高真空、超高真空81年國際委員會分四類：甚低壓、低壓、中壓、高壓7壓力檢測儀表的等別或級別788二、液體壓力計

工作原理

液柱式壓力計的形式：U形管單管斜管U形壓力真空計9二、液體壓力計U形壓力真空計9液體壓力計的誤差分析溫度誤差安裝誤差重力加速度變化誤差傳壓介質誤差讀數誤差10液體壓力計的誤差分析10液體壓力計的使用液體壓力計在使用時，須注意以下問題：壓力計工作時，如實際工作溫度和當地重力加速度偏離儀表設計值；應對儀表讀數進行修正壓力計應垂直安裝使用應根據被測介質的特性和壓力的測量范圍選擇合適的工作液在使用時，被測壓力的瞬時值不能超過測量范圍11液體壓力計的使用11三、彈性式壓力檢測儀表

彈性式壓力檢測儀表是用彈性元件作為壓力敏感元件把壓力轉換成彈性元件的位移，并經適當的機械傳動和放大機構，通過指針指示被測壓力大小的一種壓力表，統稱彈性式壓力表。12三、彈性式壓力檢測儀表12彈簧管壓力表彈簧管壓力表是最常用的一種指示式壓力檢測儀表彈簧管壓力表結構簡單、使用方便、價格低廉，它測量范圍寬，可以測量負壓、微壓、低壓、中壓和高壓（可達1000MPa）根據制造要求，儀表的準確度等級最高為0.1級普通介質，P<20MPa,彈簧管采用磷銅；P>20MPa,彈簧管采用不銹鋼或合金鋼；對于腐蝕性介質，一方面采用隔離膜和隔離液，另一方面采用耐腐蝕材料。13彈簧管壓力表13彈性敏感元件（彈簧管）

敏感元件在傳感器中直接感受被測量，并轉換成與被測量有確定關系、更易于轉換的非電量。14彈性敏感元件（彈簧管）敏感元件在傳感器中直接彈簧管結構原理圖彈簧管壓力表螺旋彈簧管、盤簧管15彈簧管結構原理圖彈簧管壓力表螺旋彈簧管、盤簧管15彈性敏感元件（彈簧管）

在下圖中，彈簧管將壓力轉換為角位移α16彈性敏感元件（彈簧管）在下圖中，彈簧管將壓力轉換為角位波紋管

波紋管雙波紋管壓力表波紋管示意圖

17波紋管波紋管雙波紋管壓力表波紋管示意圖17膜片

金屬膜片膜盒壓力表膜片壓力表18膜片金屬膜片膜盒壓力表膜片壓力表18彈簧管放大圖

當被測壓力p增大時，彈簧管撐直，通過齒條帶動齒輪轉動，從而帶動指針移動。19彈簧管放大圖當被測壓力p增大時，彈簧管撐直，彈簧管壓力表的外形及內部結構動畫演示20彈簧管壓力表的外形及內部結構動畫演示201-彈簧管2-電位器211-彈簧管2-電位器21其他各種彈性敏感元件

在上圖中的各種彈性元件也能將壓力轉換為角位移或直線位移。22其他各種彈性敏感元件在上圖中的各種彈性元件也彈簧管壓力表螺旋彈簧管、盤簧管23彈簧管壓力表螺旋彈簧管、盤簧管23波紋管差壓計波紋管的特點是靈敏度高（特別是在低壓），但是遲滯誤差較大，波紋管壓力表的測量范圍較小，一般為0～0.4MPa，儀表的準確度等級為1.5～2.5級。波紋管雙波紋管壓力表24波紋管差壓計波紋管雙波紋管壓力表24雙波紋管差壓計結構示意圖25雙波紋管差壓計結構示意圖25其它彈性式壓力表

膜片和膜盒也常常被用作壓力測量的彈性元件，從而構成膜片壓力表和膜盒壓力表。膜盒壓力表主要用于測量較低壓力或負壓的氣體壓力，壓力測量范圍為－20～40kPa，儀表的準確度等級一般為1.5～2.5級。26其它彈性式壓力表26動畫演示27動畫演示27膜片壓力表的工作原理與膜盒壓力表相近，測量準確度也差不多，但膜片壓力表的可測壓力范圍較寬，最高可達2.5MPa。另外，作為彈性元件的膜片常常和其他轉換元件一起使用構成電遠傳式壓力儀表膜片壓力表膜盒壓力表金屬膜片28膜片壓力表的工作原理與膜盒壓力表相近，測量準確度電遠傳式壓力儀表也是利用彈性元件作為敏感元件，但在儀表中增加了轉換元件（或裝置）和轉換電路能將彈性元件的位移轉換為電信號輸出，實現信號的遠傳。四、電遠傳式壓力檢測儀表

壓力傳感器壓力變送器29電遠傳式壓力儀表也是利用彈性元件作為敏感元件，但在儀表力平衡式壓力變送器氣動壓力變送器電動壓力變送器30力平衡式壓力變送器30測量部分杠桿系統位移檢測放大器電磁反饋機構piFiFfI0s力平衡式差壓變送器構成方框圖31測量部分杠桿系統位移檢測電磁反piFiFfI0s力平衡式差壓力平衡式壓力變送器結構示意圖1-低壓室；2-高壓室；3-測量元件（膜盒、膜片）；4-軸封膜片；5-主杠桿；6-過載保護簧片；7-靜壓調整螺釘；8-矢量機構；9-零點遷移彈簧；10-平衡錘；11-量程調整螺釘；12-檢測片(銜鐵)13-差動變壓器；14-副杠桿；15-低頻位移檢測放大器；16-反饋動圈；17-永久磁鋼；18-電源；19-負載；20-調零彈簧轉換部分測量部分32力平衡式壓力變送器結構示意圖1-低壓室；2-高壓室；轉測32杠桿系統受力圖33杠桿系統受力圖33Al1/l2tan

l3MilfK2K1loKf+Mo△PiFiF1-MfFfIosFo變送器輸入輸出關系：34Al1/l2tanl3MilfK2K1loKf+Mo△Pi電容式差壓變送器電容式壓力/差壓變送器35電容式差壓變送器電容式壓力/差壓變送器35電容式檢測元件36電容式檢測元件36變極距式電容器37變極距式電容器37變面積式電容器38變面積式電容器38變介電常數式電容器39變介電常數式電容器39高壓側進氣口低壓側進氣口電子線路位置內部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器40高壓側進氣口低壓側進氣口電子線路位置內部不銹鋼膜片的位置電容4141各種電容式差壓變送器外形42各種電容式差壓變送器外形42各種電容式差壓變送器外形（續）法蘭43各種電容式差壓變送器外形（續）法蘭43各種電容式壓力變送器外形（續）44各種電容式壓力變送器外形（續）44電容式差壓變送器電容式壓力/差壓變送器

45電容式差壓變送器電容式壓力/差壓變送器45電容式差壓傳感器結構

PHPL動畫演示46電容式差壓傳感器結構PHPL動畫演示46其它電遠傳式壓力檢測儀表霍爾壓力傳感器它主要由彈簧管、霍爾元件和磁極組成

將霍爾元件與彈簧管配合，就組成了霍爾片式彈簧管壓力傳感器，如下圖示。

1—彈簧管；2

—磁鋼；3

—霍爾片

當被測壓力引入后，在被測壓力作用下，彈簧管自由端產生位移，因而改變了霍爾片在非均勻磁場中的位置，使所產生的霍爾電勢與被測壓力成比例。

利用這一電勢即可實現遠距離顯示和自動控制。47其它電遠傳式壓力檢測儀表將霍爾元件與彈簧管配合其它電遠傳式壓力檢測儀表電感式壓力傳感器在電感式壓力傳感器中，首先用彈性元件將被測壓力轉換成彈性元件的位移，再用電學的方法將位移轉換成自感或互感系數的變化，最后由測量電路轉換成與被測壓力成正比的電流或電壓輸出.

48其它電遠傳式壓力檢測儀表48諧振式壓力傳感器

諧振式壓力傳感器是依靠被測壓力改變彈性元件或與彈性元件相連的振動元件的諧振頻率，經過適當的電路輸出脈沖頻率信號或電流（電壓）信號，根據諧振原理的不同，諧振式壓力傳感器有振弦式、振膜式及振筒式幾種。49諧振式壓力傳感器49五、物性型壓力傳感器

測量原理是基于物質定律基礎上的，敏感元件感受被測壓力，并將壓力的大小轉換成敏感元件的某個物理量輸出.由于該物理量常常是一種電量信號，因此這類傳感器也是電遠傳式的.50五、物性型壓力傳感器50應變式壓力傳感器

應變式壓力傳感器是由彈性元件、應變片以及相應的測量電路組成。非粘性應變式壓力傳感器是直接使用電阻絲(應變元件)在彈性元件上，且構成一個簡單橋路。粘貼式應變式壓力傳感器是將電阻絲或片粘貼在壓力敏感元件上，當敏感元件經受壓力作用而產生應變，使得粘貼在其上的電阻絲或片的電阻值發生相應的變化。51應變式壓力傳感器5142

應變片式壓力傳感器利用電阻應變原理構成。電阻應變片有金屬和半導體應變片兩類，被測壓力使應變片產生應變。當應變片產生壓縮（拉伸）應變時，其阻值減小（增加），再通過橋式電路獲得相應的毫伏級電勢輸出，并用毫伏計或其他記錄儀表顯示出被測壓力，從而組成應變片式壓力計。應變片壓力傳感器示意圖1—應變筒；2—外殼；3—密封膜片5242應變片式壓力傳感器利用電阻應變原理構成。電阻壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器的主要優點是體積小，結構比較簡單。和應變式壓力傳感器一樣，壓阻式壓力傳感器的缺點也是敏感元件易受溫度的影響。壓阻式壓力變送器53壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力變送器535454壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器結構簡單、緊湊，小巧輕便，工作可靠，具有線性度好，頻率響應高，量程范圍大等優點。由于在晶體邊界上存在漏電現象，所以這類傳感器不能用于穩態測量。壓電式壓力傳感器55壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器55■智能型壓力變送器

智能型壓力或差壓變送器是在普通壓力或差壓傳感器的基礎上增加微處理器電路而形成的智能檢測儀表。可進行遠程通信

利用手持通信器，可對現場變送器進行各種運行參數的選擇和標定；其精確度高，使用與維護方便。

特點5156■智能型壓力變送器智能型壓力或差壓變送器是在普舉例以美國費希爾-羅斯蒙特公司的3051C型智能差壓變送器為例介紹其工作原理。3051C型智能差壓變送器（4～20mA）方框圖5257舉例以美國費希爾-羅斯蒙特公司的3051C型智能差壓變送器為手持通信器的連接示意圖

3051C型智能差壓變送器所用的手持通信器為275型，帶有鍵盤及液晶顯示器。可以接在現場變送器的信號端子上，就地設定或檢測，也可以在遠離現場的控制室中，接在某個變送器的信號線上進行遠程設定及檢測。

實現的功能（1）組態（2）測量范圍的變更（3）變送器的校準（4）自診斷

5358手持通信器的連接示意圖3051C型智能差壓變送

要對智能型差壓變送器每五年校驗一次，智能型差壓變送器與手持通信器結合使用，可遠離生產現場，尤其是危險或不易到達的地方，給變送器的運行和維護帶來了極大的方便。注意5459要對智能型差壓變送器每五年校驗一次，智能型差壓變六、壓力檢測儀表的使用壓力檢測儀表的選擇

量程的選擇測量穩定壓力時，最大工作壓力不應超過儀表滿量程的3/4；測量波動較大的壓力或脈動壓力時，最大工作壓力不應超過儀表滿量程的2/3；為保證測量準確度，最小工作壓力不應低于滿量程的1/3當被測壓力變化范圍大，最大和最小工作壓力不可能滿足上述要求時，選擇儀表量程應首先滿足最大工作壓力條件我國壓力表的量程系列：1，1.6，2.5，4.0，6.0kPa以及它們的10n倍數；精度等級：0.1，0.16，0.25，0.4，1.0，1.5，2.560六、壓力檢測儀表的使用壓力檢測儀表的選擇量程的選擇測測量穩定壓力時，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測量高壓壓力時，最大工作壓力不應超過測量上限值的3/561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壓力檢測儀表的選擇

精度的選擇根據實際允許的最大誤差確定

類型的選擇考慮被測介質的壓力大小

測量微壓：液柱式壓力表，膜盒式壓力表

壓力小于15kPa：U形管壓力計或單管壓力計（不需迅速讀數），膜盒式壓力表（要求迅速讀數）

壓力大于50kPa：彈簧管壓力表62壓力檢測儀表的選擇精度的選擇根據實際允許的最大誤差確壓力檢測儀表的選擇

類型的選擇考慮被測介質的性質腐蝕性較強的介質應選用不銹鋼之類的敏感元件；氧氣、乙炔等應選用專用壓力表對儀表輸出信號的要求使用的環境

爆炸性較強的環境：選用防爆型壓力儀表溫度特高或特低的環境：選擇溫度系數小的敏感元件及帶有溫度補償的測量儀表63壓力檢測儀表的選擇類型的選擇考慮被測介質的性質爆炸例：一壓力容器正常工作范圍為0.4~0.6MPa，要求使用彈簧管壓力表進行檢測，并使測量誤差不大于被測壓力的4%，試確定選用何種量程和精度等級的儀表進行測量。64例：一壓力容器正常工作范圍為0.4~0.6MPa，要求使用彈舉例某臺往復式壓縮機的出口壓力范圍為25～28MPa，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，試正確選用一臺壓力表，指出型號、精度與測量范圍。5665舉例某臺往復式壓縮機的出口壓力范圍為25～28MPa