常用压力仪表工作原理.doc

压力类仪表的工作原理
压力是工业生产过程中的重要参数之一。在许多生产过程中，要求系统只有在一定的压力条件下工作，才能达到预期效果，同时，压力也是监控安全生产的保证。因此，压力检测与控制是保证工业生产过程经济性和安全性的重要环节。
在物理学中，垂直作用在单位面积上的力称为压强，在工程上称为压力。如下式：

由于参照点不同，在工程技术中压力分为以下几种：
1.大气压：地球表面上的空气质量所产生的压力。它和所处的海拔高度、纬度及气象状况有关。
2.差压（压差）：两个压力之间的相对差值。
3.绝对压力：绝对压力是相对零压力（绝对真空而言的压力。
4.表压力（相对压力）：如果绝对压力和大气压的差值是一个正值，那么这个正值就是表压力，即表压力=绝对压力-大气压>0。
5.负压（真空表压力）：和“表压力“相对应，如果绝对压力和大气压的差值是一个负值，那么这个负值就是负压力，即负压力=绝对压力-大气压<0。
在工程上，按压力随时间的变化关系分为以下两类：
1、静态压力：一般理解为“不随时间变化的压力，或者是随时间变化较缓慢的压力，即在流体中不受流速影响而测得的表压力值”。
2、.动态压力：和“静态压力”相对应，“随时间快速变化的压力，即动压是指单位体积的流体所具有的动能大小。”通常用1/2ρν2计算。式中ρ为流体密度v为流体运动速度。”    
压力单位换算关系见下表：

牛顿/米2
(帕斯卡)
(N/m2)(Pa)
公斤力/米2
(kgf/m2)
公斤力/厘米2
(kgf/cm2)
巴
(bar)
标准大气压
(atm)
毫米水柱
4oC
(mmH2O)
毫米水银柱
0oC
(mmHg)
磅/英寸2
(lb/in2,psi)
牛顿/米2
(帕斯卡)
(N/m2)(Pa)
1
0.101972
10.1972×10-6
1×10-5
0.986923×10-5
0.101972
7.50062×10-3
145.038×10-6

公斤力/米2
(kgf/m2)
9.80665
1
1×10-4
9.80665×10-5
9.67841×10-5
1×10-8
0.0735559
0.00142233
公斤力/厘米2
(kgf/cm2)
98.0665×103
1×104
1
0.980665
0.967841
10×103
735.559
14.2233
巴
(bar)
1×105
10197.2
1.01972
1
0.986923
10.1972×103
750.061
14.5038
标准大气压
(atm)
1.01325×105
10332.3
1.03323
1.01325
1
10.3323×103
760
14.6959
毫米水柱
4oC
(mmH2O)
0.101972
1×10-8
1×10-4
9.80665×10-5
9.67841×10-5
1
73.5559×10-3
1.42233×10-3
毫米水银柱
0oC
(mmHg)
133.322
13.5951
0.00135951
0.00133322
0.00131579
13.5951
1
0.0193368
磅/英寸2
(lb/in2,psi)
6.89476×103
703.072
0.0703072
0.0689476
0.0680462
703.072
51.7151
1

压力测量系统根据测量的原理，分为如下几类：
一、净重式。净重式压力计包括液柱式压力计和活塞式压力计；

1、1液柱式压力计是基于液体静力学的原理工作的，用于测量小于200KPa以下的压力、负压或压差。常用的液柱式压力计有U型压力计，单管压力计和斜管压力计。根据所测压力的范围及使用要求，液柱式压力计一般采用水银、水、酒精、四氯化碳、甘油等为工作液。液柱式压力计既可用于工业测量、实验室仪器，也可作为标准压力计来检验其它压力仪表。
液柱高度和压力的换算关系：
P=ρgh N/m2
式中 ρ——液体密度，kg/m3；
h——液体高度，m；
g——重力加速度，m/s2（标准重力加速度ρ=980.665cm/s2）。
液柱式压力计计算标尺的最小分格一般为1mm，较精密的分格有0.5mm。
U型管压力计液柱高度误差估计为±1mm，则其最大的绝对误差可能达2mm，其原因在于用U型压力计是要进行2次读数；单管压力计则读数误差可以减小一半，其原因是使用单管压力计时读数只需读一次。
在液柱式压力计中考虑封液在管内的毛细现象，因此细管内径不要小于6~10mm。液柱式压力计读数时，为了减少视差，须正确读取液面位置，如用浸润液体（如水）时须读其凹面的最低位，用非浸润液体（如水银）时须读其凸面的最高位。U型管压力计和单管压力计的结构形式如下：
使用单管压力计测量压力高于大气压的压力时，被测压力引入单管压力计的盅型容器中；当被测压力低于大气压时，压力引入单管压力计的单管中。
在精密压力测量时，一般采用直径较小的玻璃U形管，工作液通常用酒精或甲苯，而不用水，因为水的毛细作用会造成大的测量误差。
1、2活塞式压力计
活塞式压力计是基于静压平衡的原理工作的，一般有单活塞和双活塞两种。活塞压力计根据其精度分为一等、二等、三等，精度等级误差分别为0.02级，0.05级，0.2级。活塞的有效面积一般取1cm2、0.5cm2或0.1cm2。传压介质常用的有变压器油和蓖麻油。
活塞压力计的工作原理:
活塞压力计的结构原理如图所示，它由测量部份和压力发生部分组成，
工作时，手轮1向前转动，使工作活塞2挤压油液，并把压力传递给测量活塞4。当活塞4下端因压力P作用所产生的向上顶的力和活塞本身、托盘及加在上面的砝码的重力相平衡时，活塞4就稳在某一平衡位置。此时的平衡关系式为：
PA=mg+m0g
由此得

式中 A——活塞4的截面积；
m、m0——分别为砝码盒测量活塞（含托盘）的质量；
g——重力加速度。
如果针型阀6活8上面装备校压力表，则当平衡时有所加砝码的数值上，便可知道被校表的误差。
活塞式检验压力表的操作步骤：
校验前，先把压力计上的水平泡的气泡调到中心位置，然后检查油路是否畅通，若无问题，便可装上被校压力，其操作步骤如下：
（1）打开油杯阀门7，左旋手轮1，使压力泵油缸充满油液。
（2）关闭阀门7，打开针型阀3、6。右旋手轮，产生初压使托盘托起，直到与定位指示筒的墨线刻度相齐为止。
（3)右旋手轮，同时增加砝码数量，增加砝码时需用手轻轻拔动砝码（转速在30~120转/分），借以克服摩擦阻力的影响，保证测量准确性。
（4）校验完毕，左旋手轮，逐步卸去砝码，最后打开油杯阀门，卸去全部砝码。
用活塞压力计校验标准弹簧管压力表时，加取砝码都应平取平放，并应上下对齐。读数时，为减少测量活塞和活塞柱之间的静摩擦而造成的误差，必须使测量活塞和砝码保持一定的旋转度。
压力效验仪只有压力发生部分，没有砝码等测量部分。它是作为压力泵用来校验一般压力表的，方法是在它上面装二块压力表，一块是标准表，一块是被校表，利用标准表来校验被校表的误差。而活塞压力计也是用来校验压力表的，但它校的不是一般压力表，而主要是精密压力表。它除了有压力发生部分，还有活塞、托盘、水准泡等压力测量部分。它是一砝码的多少来校验被校表的，所它不应装标准压力表。
活塞压力计上砝码标的是压力。
在校验氧气压力表前应首先检查表内有无油脂。检查方法是先将纯净的温水注入弹簧管内，经过摇荡，再将水倒入盛有清水的器皿内。如水面上没有彩色的油影，即可以认为没有油脂。校验时应使用油水隔离装置，用水将油分离开，防止油脂进入弹簧管内，同时也要用专用校验设备和工具。如果发现校验设备或根据上有油污，可以用四氯化碳进行清洗。
二、弹性式。弹性式压力计有弹簧管式、膜片式、膜盒式和波纹管式等；
工业上常用的弹性测压元件有弹簧管、波纹管及膜片三类。
弹性式压力计是根据弹性元件的变形和所受压力成比例的原理来工作的。当作用于弹性元件上的被测压力越大时，弹性元件的变形也越大。常用的弹性式压力表有弹簧管式压力表、膜片式压力表、波纹管式压力表，其中弹簧管式压力运用最广。
弹性元件的钢度就是指弹性元件变形的难易程度。钢度大的弹簧管受压变形后形变小。用不锈钢、合金钢制作的钢度大，一般用来测量大于20MPa以上压力；磷铜、黄铜制作的钢度小，一般测量小于20MPa以下的压力。
弹簧压力表一般由弹簧管、连接杆、扇形齿轮、游丝、指针和刻度盘等几部分组成。
弹簧管压力表中弹簧管都是由一根弯成270°圆弧状、截面呈椭圆形的金属管制成。因为椭圆形截面在介质压力的作用下将趋向圆形，使弯成圆弧形的弹簧管随之产生向外挺直扩张的变形，使弹簧管的自由端产生位移，并通过连接带动扇形齿轮进行放大，带动指针转动，指针转动的角度和压力程线性关系，这样就通过刻度盘读出被测压力的大小。游丝的作用是产生一个反作用力。
膜片式压力表一般由测量膜片、传动系统、指示系统和表壳接头几部分组成。
在弹性式压力表型号中，常用汉语拼音的第一个字母表示某种意义，如Y表示压力，Z表示真空（阻尼），B表示标准（防爆），J表示精密（矩形），A表示氨压力表，X表示信号（电接点），P表示膜片，E表示膜盒，后面的数字表示表面尺寸（mm），尺寸后的符号表示结构或配接仪表。
如：Y100ZQ表示压力表，表面尺寸为100mm，并且结构为轴向带前边；
Y100T表示压力表，表面尺寸为100mm，并且结构为径向带后边；
YB-160A（B、C）表示标准压力表，表面尺寸为160mm，并且结构为径向，并且仪表零点克调（A——表示仪表零点可调；B——表示仪表带有镜面；C——表示带镜面且零点克调）。
压力表的读数方法
（1）首先应确定仪表的有效数字位数。按仪表读数的一般要求，应估读到最小分度的1/10，即有效数字位数=最小分度值位数+1。
（2）根据最小分度值的形式估读其末位数。
最小分度值A=αX10n A=1，2，5
N为正、负整数或零。
当α=1时，末位数可以是0~9中的任何一个数。
α=2时，末位数是2、4、6、8、0。
α=5时，末位数是5或0。
如1块0~1MPa，0.4级精密压力表，分格总数200格读数方法是：
首先算出最小分度值为：1MPA÷200=0.005MPa/格；因此，其有效位数就为小数点后第4位，末位数字应读作5或零。读数方法是当指针指示在最小分度值的1/10、3/10、5/10、7/10、9/10是，末位应读5；而当指在2/10、4/10、6/10、8/10时，末位应读零。
又如一块0~6MPa，0.4级精密压力表，分格总数300格的读数方法：
首先算出最小分度值：6÷300=0.02MPa/格，因此，其有效位数就是小数点后第3位，末位数字读作偶数，即2、4、6、8，不应出现奇数。
选择使用弹性式压力表时，在测稳定压力时，最大压力值不应超过满量程的3/4；测波动压力时，最大压力值应不超过满量程的2/3。最低测量压力值应不低于全量程的1/3。
三、电远传式。当需要远传压力信号时，为了安全、方便和减少延迟时，广泛采用把就地压力计弹性元件的位移或力变化量转换为电信号，该仪表的测量范围较广，分别可测7×10-5Pa至5×102MPa的压力，允许误差可至0.2％；由于可以远距离传送信号，所以在工业生产过程中可以实现压力自动控制和报警，并可与工业控制机联用。

由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。常用的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。
1、 霍尔片式压力传感器
霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。

式中，UH为霍尔电势；RH为霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状有关；B为磁感应强度；I为控制电流的大小。霍尔电势与磁感应强度和电流成正比。提高B和I值可增大霍尔电势UH，但两者都有一定限度，一般I为3～20mA，B约为几千高斯，所得的霍尔电势UH约为几十毫伏数量级。导体也有霍尔效应，不过它们的霍尔电势远比半导体的霍尔电势小得多。将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器，如图所示：

当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管自由端产生位移，因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。利用这一电势即可实现远距离显示和自动控制
2、 应变片压力传感器
应变片压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化进行测量的。应变片是金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随压力所产生的应变而变化对于金属导体，电阻变化率的表达式为：

式中：μ——材料的泊松系数；
ε——应变量。
应变式压力传感器的结构原理图如图所示：
从图中可以看出
应变筒的上端与外壳2固在一起，下边与密封膜片3紧密接触，两片康铜丝应变片R1和R2用特殊胶合剂贴在应变筒的外壁上。R1沿应变筒轴向粘贴作为测量片，R2沿应变筒径向粘贴作为温度补偿片。应变片与筒体之间不能产生相对滑动，并且要保持电气绝缘。当被测压力P作用于膜片而使应变筒作轴向受压时，沿轴向贴置的应变片R1也将产生轴向压缩应变ε1，于是R1的阻值变小；而沿径向贴放的应变片R2，由于应变筒的径向产生了拉伸变形也将产生拉伸应变ε2，于是R2阻值变大。应变片R1、R2与另外两个固定电阻R3、R4组成一个桥式电路（见图b），由于R1和R2的阻值变化使桥路失去平衡，从而获得不平衡电压作为传感器输出信号。
3、 压阻式压力传感器
压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。

4.力矩平衡式压力变送器
力矩平衡式压力变送器是一种典型的自平衡检测仪表，它利用负反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量精度（一般为0.5级）、工作稳定可靠、线性好、不灵敏区小等一系列优点。以DDZ-Ⅲ型电动力矩平衡压力变送器为例
DDZ-Ⅲ型系列为直流24V供电，输出4～20mA（DC）,两线制，安全防爆。被测压力p作用在测量膜片1上，通过膜片的有效面积转变成集中力Fi，即： f为膜片的有效面积。

1—测量膜片；2—轴封膜片；3—主杠杆；4—矢量机构 5—量程调整螺钉；6—连杆；7—副杠杆；8—检测片（衔铁）；9—差动变压器；10—反馈动圈；11—放大器；12—调零弹簧；13—永久磁钢
该变送器是按力矩平衡原理工作的。根据主、副杠杆的平衡条件可以推导出被测压力p与输出信号I0的关系。 当主杠杆平衡时，应有

式中，、 分别为Fi、F1离支点O1的距离。
将式（3-13）代入式（3-14），有

式中, 为一比例系数。

式中， 、 分别为F2及电磁反馈力 离支点O2的距离。

将式（3-18）代入式（3-17），得

联立式（3-16）与（3-19），得

式中， 为转换比例系数
5、 电容式压力变送器
电容式压力变送器是一种开环检测仪表，具有结构简单、过载能力强、可靠性好、测量精度高等优点，其输出信号是标准的4～20mA（DC）电流信号。
原理图如下：
1—隔离膜片；2，7—固定电极；3—硅油；4—测量膜片；5—玻璃层；6—底座；8—引线

电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，过载后的恢复特性很好，这样大大提高了过载承受能力。与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达0.2级。
压力计的选用及安装
压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的分析， 一般考虑以下几个问题： 仪表类型的选用，仪表测量范围的确定，仪表精度级的选取
压力计的安装
（1）测压点的选择　应能反映被测压力的真实大小。
① 要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。
② 测量流动介质的压力时，应使取压点与流动方向垂直，取压管内端面与生产设备连接处的内壁应保持平齐，不应有凸出物或毛刺。
③ 测量液（气）体压力时，取压点应在管道下（上）部，使导压管内不积存气（液）体。
（2）导压管铺设
① 导压管粗细要合适，一般内径为6～10mm，长度应尽可能短，最长不得超过50m，以减少压力指示的迟缓。如超过50m，应选用能远距离传送的压力计。
② 导压管水平安装时应保证有1:10～1:20的倾斜度，以利于积存于其中之液体（或气体）的排出。
③ 当被测介质易冷凝或冻结时，必须加设保温伴热管线。
④ 取压口到压力计之间应装有切断阀，以备检修压力计时使用。切断阀应装设在靠近取压口的地方。
（3）压力计的安装
①压力计应安装在易观察和检修的地方。
②安装地点应力求避免振动和高温影响。
③测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接与测压元件接触[图3-17（a）］；对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐，右图（b）表示了被测介质密度ρ2大于和小于隔离液密度ρ1的两种情况。
１—压力计；２—切断阀门；
３—凝液管；４—取压容器
④压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封垫片，以防泄漏。
⑤当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按Δp＝±Hρg进行修正。式中H为高度差，ρ为导压管中介质的密度，g为重力加速度。
⑥为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外。