1、第三章压力测量3.1 概述压力是工业生产过程中的重要参数之一，为了保证生产正常运行，必须对压力进行监测和控制。比如在化学反应中，压力既影响物料平衡，又影响化学反应速度，所以必须严格遵守工艺操作规程，这就需要测量或控制其压力，以保证工艺过程的正常进行。其次压力测量或控制也是安全生产所必须的，通过压力监视可以及时防止生产设备因过压而引起破坏或爆炸。在热电厂中，炉膛负压反映了送风量与引风量的平衡关系，炉膛压力的大小还与炉内稳定燃烧密切相关，直接影响机组的安全经济运行。3.1.1 压力单位工程技术上，压力对应于物理概念中的压强，即指均匀而垂直作用于单位面积上的力，用符号 表示。在国际单位制中，压力的单
2、位为帕斯卡p（Pascal），简称帕，用符号 表示，其物理意义是 1牛顿力垂直均匀地作用a于 1平方米面积上所产生的压力称为 1帕，即 。2mNpa目前在工程技术上仍使用的压力单位还有：工程大气压、物理大气压、巴、毫米汞柱和毫米水柱等。我国已规定国际单位帕斯卡为压力的法定计量单位。3.1.2 压力的表示方法在测量中，压力有三种表示方式，即绝对压力、表压力、真空度或负压，此外，还有压力差（差压）。绝对压力是指被测介质作用在物体单位面积上的全部压力，是物体所受的实际压力。表压力是指绝对压力与大气压力的差值。当差值为正时，称为表压力，简称压力；当表压力为负时，称为负压或真空，该负压的绝对值称为真空度
3、。差压是指两个压力的差值。习惯上把较高一侧的压力称为正压力，较低一侧的压力称为负压力。但应注意的是正压力不一定高于大气压力，负压力也并不一定低于大气压力。各种工艺设备和测量仪表通常是处于大气之中，也承受着大气压力，只能测出绝对压力与大气压力之差，所以工程上经常采用表压和真空度来表示压力的大小。所以，一般的压力测量仪表所指示的压力也是表压或真空度。因此，以后所提压力，在无特殊说明外，均指表压力。3.1.3 压力测量的主要方法和分类目前，压力测量的方法很多，按照信号转换原理的不同，一般可分为四类。1液柱式压力测量该方法是根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度差进行测量。一般采用充有水或水银等
4、液体的玻璃 U形管或单管进行小压力、负压和差压的测量。2弹性式压力测量该方法是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、弹性膜片和波纹管。3电气式压力测量该方法是利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电量进行测量。如电阻、电容量、电流及电压等。4活塞式压力测量该方法是根据液压机液体传送压力的原理，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。它普遍被用作标准仪器对压力测量仪表进行检定，如压力校验台。在工业生产过程中，常使用弹性式压力仪表进行就地显示，使用电气式压力仪表进行压力信号的远传。3.2 弹性式压力测量弹性式压力测量是利用弹性元
5、件作为压力敏感元件把压力信号转换成弹性元件的位移或力的一种测量方法。该方法只能测量表压和负压，通过传动机构直接对被测的压力进行就地指示。为了将压力信号远传，弹性元件常和其他转换元件一起使用组成各种压力传感器。该测量方法具有结构简单、使用方便和价格低廉的特点，应用范围广，测量范围宽，因此在工业生产中使用十分普遍。但是基于弹性元件的各种压力测量共同特点是只能测量静态压力。3.2.1 弹性元件的测量原理弹性元件的测量原理是弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形的大小与被测压力成正比关系。弹性元件受压力作用后通过受压面表现为力的作用，假设被测压力为 ，xp力为 ，其大小为FxApF其中， 弹性元件
6、承受压力的有效面积。A根据虎克定律，弹性元件在弹性限度内形变 与所受外力 成正比关系，xF即KxF其中， 弹性元件的刚度系数； 弹性元件在受到外力 作用下所产生的K F位移（即形变）。因此，当弹性元件所受压力为 时，其位移量为xpxKAF其中弹性元件的有效面积 和刚度系数 与弹性元件的性能、加工过程和热处理等有较大关系。当位移量较小时，它们均可近似看作常数，压力与位移成线性关系。比值 的大小决定了弹性元件的压力测量范围，一般地， 越小，KA KA可测压力就越大。3.2.2 弹性元件目前，用作压力测量的弹性元件主要有弹性膜片、波纹管和弹簧管。1弹性膜片弹性膜片是一种沿外缘固定的片状形测压弹性元件
7、，厚度一般在0.050.3。按其剖面形状分为平薄膜和波纹膜，如图所示。波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄膜，有时也将两块弹性膜片沿周边对焊起来，形成一薄膜盒子，称之为膜盒，其内部抽成真空，并且密封起来。弹性膜片的特性一般用中心的位移和被测压力的关系来表征。当膜片的位移较小时，它们之间有良好的线性关系。此外，波纹膜的波纹数目、形状、尺寸和分布情况既与压力测量范围有关，也与线性度有关；当膜盒外压力发生变化时，膜盒中心将产生位移，这种真空膜盒常用来测量大气的绝对压力。弹性膜片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是，由于弹性膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度也不高。更多的是弹性膜片和其他
8、转换元件合起来把压力转换成电信号，如电容式压力传感器、光纤式压力传感器、力矩平衡式传感器等。2波纹管波纹管是一种具有等间距同轴环状波纹，能沿轴向伸缩的测压弹性元件。当波纹管受轴向的被测压力 时，产生的位移为：xpxKAp其中， 系数，与泊松系数、弹性模数、非波纹部分的壁厚、完全工作的波K纹数、波纹平面部分的倾斜角、波纹管的内径以及波纹管的材料有关； 波A纹管承受压力的有效面积。波纹管受压力作用产生位移，由其顶端安装的传动机构直接带动指针读数。相对于弹性膜片而言，波纹管的位移较大，灵敏度高，尤其是在低压区，因此常用于测量较低的压力。但是波纹管存在较大的迟滞误差，指示精度一般只能达到 级。5.13
9、弹簧管弹簧管（又称波登管）是用一根横截面呈椭圆形或扁圆形的非圆形管子弯成圆弧形状而制成的，其中心角常为 270。弹簧管的一端开口，作为固定端，固定在仪表的基座上。另一端封闭，作为自由端。当由固定端通入被测介质时，被测介质充满弹簧管的整个内腔，弹簧管因承受内压，其截面形状趋于变圆并伴有伸直的趋势，封闭的自由端产生位移，其中心角改变，该位移的大小与被测介质压力成比例。自由端的位移可以通过传动机构带动指针转动，直接指示被测压力，也可以配合适当的转换元件，比如霍尔元件和电感线圈中的衔铁把弹簧管自由端的位移变换成电信号（霍尔电势、线圈的电感量的变化）输出。单圈弹簧管受压力作用后，中心角变化量一般较小，灵
10、敏度较低。在实际测量时，可采用多圈弹簧管以提高测量的灵敏度。3.2.3 弹性元件的应用下面将介绍几个以弹性膜片、波纹管和弹簧管为弹性元件的就地弹性式压力指示仪表。1 膜盒压力表膜盒压力表的弹性元件为膜盒，适用于测量空气或其他无腐蚀性气体的微压或负压。被测介质一般由内径为 8的橡皮软管插到压力表接头上引入。其结构见图所示。2双波纹管差压表双波纹管差压表是一种机械位移变换就地显示压差的仪表，主要作为流量和水位等测量的中间变换或显示仪表。通入仪表正、负压室的静压一般很高，但所测量的静压差不大。双波纹管差压表的结构和工作原理如图所示。当被测正、负压信号 、 分别引入测量室的高压侧和低压侧时，高压侧波p
11、纹管被压缩，其中的填充液（硅油）通过阻尼旁路 10和环形间隙流向低压侧波纹管，使其自由端右移。整个连接轴系统就向低压侧方向移动，同时拉伸量程弹簧，直至差压（ ）在波纹管底面上形成的作用力与量程弹簧 7及波p纹管的变形力相平衡为止。连接轴系统移动时，通过轴上的挡板 3拨动摆杆4，使摆杆摆动，扭力管 5扭转，芯轴 6把扭转信号传给显示部件显示差压信号。仪表量程是通过改变波纹管的刚度和有效面积以及量程弹簧的刚度和数量来实现，就能改变仪表量程。另外，调节微调量程螺母亦能细调量程。阻尼调整阀 9可以调节填充液受压流动时的流动阻力，以改善仪表阻尼特性，使仪表对短促的差压脉动不发生反应。波纹管 用于收容由于
12、温度变化造成填充液体3B积变化而多出的填充液，起温度补偿作用。3单圈弹簧管压力表单圈弹簧管压力表的弹性元件是弹簧管，广泛用于测量对铜合金不起腐蚀作用的液体、气体和蒸汽的压力，其结构见右图所示。被测压力由接头 9输入，弹簧管 1因承受压力而使自由端产生一定的直线位移，通过拉杆 2使扇形齿轮 3做逆时针偏转，于是指针 5通过同轴的中心齿轮 4的带动而作顺时针偏转，在表盘面 6的刻度标尺上显示出被测压力的数值。其中游丝 7是用来克服因扇形齿轮和中心齿轮之间存在的间隙所产生的仪表变差。压力表的量程调节是通过调节调整螺钉 8的位置，也就是改变机械传动的放大系数来实现的。4压力开关压力开关是一种简单的压力
13、控制装置。当被测压力达到额定值时，压力开关可发出警报或控制信号。压力开关的工作原理是：当被测压力超过额定值时，弹性元件的的自由端产生位移直接或经过比较后推动开关元件，改变开关元件的通断状态，达到控制被测压力的目的。开关形式有常开式和常闭式。调节方式有两位式和三位式。3.3 传感器3.3.1 电容式压力测量电容式压力测量的原理是把被测压力信号变化转换成电容量的变化，目前广泛采用的是以测压弹性膜片作为可变电容器的动极板，它与固定极板之间形成一可变电容器。被测压力作用于弹性膜片上，当被测压力的变化，弹性膜片产生位移，使电容器的可动极板与固定极板之间的距离改变，从而改变了电容器的电容值，通过测量电容的
14、变化量可间接获得被测压力的大小。1电容式压力测量原理1151系列电容式传感器是目前应用非常广泛的一种压力/差压测量传感器，其工作原理如图所示。下面将以 1151系列电容式压力变送器为例，简要介绍电容式压力测量原理。1151系列电容式传感器采用全密封电容感测元件 室，直接感受压力。被测压力作用于两侧的隔离膜片上，并通过充满 室的硅油把压力均匀地传给中心测量膜片，中心测量膜片是一个张紧的弹性元件，该膜片作为差动式电容的动极板，定极板是在绝缘体的球形凹表面上镀一层金属薄膜而成。当被测压差发生变化，中心测量膜片产生变形位移，位移量与差压成正比，此位移转变为电容极板上形成的差动电容，并由其两侧的电容固定
15、极板检测出来。2转换原理被测压力经 室转换后的差动电容可以通过转换电路转换成二线制 420DC输出信号。mA被测压力和差动电容之间的转换关系为：pKC12其中， 被测压力/差压； 常数； 高压侧极板和传感膜片之间的电p11容； 低压侧极板和传感膜片之间的电容。2C转换电路输出的电流信号与两电容值的差和比成比例，即 KPCIsig121151型压力变送器输出的电流信号与被测压力/差压之间呈线性关系。由于电容式压力测量的测量范围宽，准确度高，灵敏度也高，过载能力强，尤其适应测高静压下的微小差压变化。3.3.2 压电式压力测量压电式压力测量的原理是利用压电材料的压电效应，即压电材料受压时会在其表面产生电荷，其电荷量与所受压力成正比。1.压电式压力传感器
