第三章 压力测量

• 液体压力计的误差分析
– 温度误差 – 安装误差 – 重力加速度变化误差 – 传压介质误差 – 读数误差 • U型管压力计在读（h1＋h2）时，产生两次读数 误差。为了减少读数误差，可将其改进为单管压 力计和斜管压力计，测量原理相似。 目前，液柱式压力计使用较少。测量范围约为： 0~16kPa。
U 0 E 21 E 22 j( M 1 M 2 ) I




3、电感式压力传感器 压力 ---- 弹性敏感元件（膜盒、膜片、波纹管） --位移 --- 电感
~220V
(相敏检波电路)
接头1：前端
膜盒2：弹性元件，感受压力变化
磁芯6： 线圈5：电路板4：无需放大，解调，滤波
压 器：闭合磁路 初级、次级互感为常数 一个次级
变
互感传感器： 开磁路
初级、次级互感随衔铁移动变化
两个次级（差动）
2、互感式传感器（差动变压器）
（1）互感传感器工作原理
U、I---初级线圈激励电压、电 流，频率ω L1, R1---初级线圈电感、电阻； L21, R21, L22, R22 ---两个次级线圈 电感、电阻； M1, M2---初级线圈与次级线圈1、 2的互感； 传感器开路输出：
弹簧管是一 根弯成270°圆 弧的椭圆截面的 空心金属管，管 子的自由端B封 闭，并连接拉杆 及扇形齿轮，带 动中心齿轮及指 针。
9 – 接头
8 – 调整螺钉
基本测量原理 在被测压力 p 的作用 下，弹簧管的椭圆形截面 趋于圆形，圆弧状的弹簧 管随之向外扩张变形。 自由端B的位移与输 入压力p成正比。通过拉 杆、齿轮的传递、放大， 带动指针偏转。
–液体压力计 –弹性式压力计 –电远传式压力仪表
如：物性型压力传感器:
• 应变式压力传感器 • 压阻式压力传感器 • 压电式压力传感器
3.1.2压力的单位
压力的单位是“帕斯卡”——1Pa =1N/m2
1MPa =106Pa 1工程大气压 (at)= 1kg /cm2 = 9.80665×104Pa ≈ 0.1MPa、 1标准大气压(atm)=101325Pa ≈760mmHg 1巴（bar）=1×105Pa=0.1MPa
• 各种单位之间的换算详见教材第87页表3.1
3.2 液柱式压力计
• 一、液体压力计 工作原理： • 液柱式压力计测量压力是以流体静力学 理论为基础的压力测量方法。根据流体静 力学，一定高度的液柱对底面产生的静压 力要与被测压力相平衡，这样液柱的高度 实际上就反映了被测压力的大小。
二、液柱式压力计的形式：
– 膜片压力表的工作原理与膜盒压力表相近，测 量准确度也差不多，但膜片压力表的可测压力 范围较宽，最高可达2.5MPa。另外，作为弹性 元件的膜片常常和其他转换元件一起使用构成 电远传式压力仪表
金属膜片
膜盒压力表
膜片压力表
五、弹性式远传压力计： • 原理 ：
将弹性元件在压力作用下产生的位移信号转换 为电信号，构成压力→位移→电量的转换，使被测 压力信号转换为对应的电信号。显然，以电信号来 反映被测压力的大小，可以非常方便地实现信号的 远传、显示和控制。 转换方法很多，位移变化可以通过电阻、电容、 电感、霍尔电势、光电等方法进行测量。
弹簧管压力表
螺旋弹簧管、盘簧管
弹簧管压力表的品种规格繁多。按其用途不 同，有普通弹簧管压力表、耐腐蚀的氨用压力表、 禁油的氧气压力表等。但它们的外形与结构基本 相同，只是所用的弹簧管材料有所不同。
弹簧管压力表的结构原理
6 – 面板 4- 中心齿轮 1 - 弹簧管 5- 指针
2- 拉杆
7 – 游丝 3- 扇形齿轮
• 液体压力计的误差分析
– 温度误差 – 安装误差 – 重力加速度变化误差 – 传压介质误差 – 读数误差
• 液体压力计的使用
– 液体压力计在使用时，须注意以下问题： – 压力计工作时，如实际工作温度和当地重力加速度 偏离仪表设计值；应对仪表读数进行修正； – 压力计应垂直安装使用 ； – 应根据被测介质的特性和压力的测量范围选择合适 的工作液 ； – 在使用时，被测压力的瞬时值不能超过测量范围；
四、其它弹性式压力表（膜盒和膜片式压力计） • 膜盒和膜片也常常被用作压力测量的弹性元 件，从而构成膜盒压力表和膜片压力表。
– 膜盒压力表主要用于测量较低压力或负压的气体 压力，压力测量范围为－20～40kPa，仪表的准 确度等级一般为1.5～2.5级。 – 用空心膜盒测压元件组成的压力计常用来测量 1000mmH2O以下无腐蚀性气体的微压，如炉膛 压力、烟道压力等。
–压力是指均匀而垂直作用在单位面积上的力， 符号用p表示。 –压力的单位是帕斯卡，即牛顿/米2；用符号Pa 表示 –除了帕斯卡，我国目前还同时使用以下单位： – 工程大气压、标准大气压等
• 2、差压的定义
– 差压是指两个测量压力之间的差值，即压力差，
工程上叫做差压。
• 二、压力的表示方式
• 工程中压力的表示方式有： –绝对压力 –表压力 –真空度（负压） –差压 工业中所用仪表的压力指
压力---弹性元件---位移---磁场---霍尔电势 测量---静态、动态压力
随外部输入压力P变化而线 性变化的霍尔电势为 0~20mv，也可以放大转换 为4~20mA的直流标准电 流信号进行远传。 P 弹簧管又叫布尔登管或波登管
（二）电感式远传压力计
• 1、原理：
• 电感式远传压力计测压的实质是利用电感式传 感器实现压力→位移→电感的转换。
（ 2 ） 霍尔元件特性 ①形状效应： 长宽比(l/b)---宽度增大，载流子损失增大， 霍尔电势减弱；
RH UH IB f (l / b) d
l/b 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
f(b)---形状系数
3.0 4.0
f(l/b)
0.370
0.675
0.841
0.923
0.967
（一）霍尔片式远传压力计
• 1、原理：
• 霍尔片式远传压力计测压的实质是利用霍尔片 压力传感器实现压力→位移→霍尔电势的转换。
2、霍尔式传感器 （1）工作原理 霍尔效应： 磁场(B)，导体(l,b,d)，电流(I)---正交 电流：A面→B面，洛仑兹力作用， 左手定律：正电荷→C面，负电荷→D面 平衡后：两侧面形成横向电势—霍尔电势
K—常数
γ0
∆γ
P
生产中，常需要把压力控制在某一范围内。要 求当压力超出给定范围时，测量仪表能发出信号， 以提醒操作人员，或启动继电器实现压力的自动控 制。这就要求压力表带有报警或控制输出。

电接点压力表
在普通弹簧管压力表的基础上稍添部件，便 可成为电接点信号压力表。 增加两个报警针，上 面分别装静触点1和4，指 示针上装动触点2。分别用 软导线引至输出接线柱。 使用时可后接两个信 号灯或继电器3、5。
后部接线柱
报警原理：
若压力降到下限 值时，动触点2与静 触点1接触，接通了 信号灯3的电路。当 压力超过上限值时， 动触点2和静触点4接 触，信号灯5的电路 被接通。
后部接线柱
三、波纹管差压计 • 波纹管的特点是灵敏度高（特别是在低压， 也常用于负压的测量中），但是迟滞误差 较大，波纹管压力表的测量范围较小，一 般为0～0.4MPa，仪表的准确度等级为 1.5～2.5级
0.984
0.996
霍尔元件厚度d---越薄，灵敏度越高 --- 薄片 限制---阻抗增大，功耗增大，发热温升
②电磁特性：
激励电流---UH~I 线性关系，电流灵敏度： 磁感应强度--- UH~B 多数非线性，材料不 同-特性不同 内阻---R~B 多数线性，磁阻效应，降低霍尔电势
（3）霍尔式压力传感器：
（4） 膜盒 将两张金属膜片沿周口对焊， 内充硅油。使膜片增加强度。
(5)
波纹管
位移最大，可测微 压（＜1MPa)。
二、弹簧管式压力表
– 弹簧管压力表是最常用的一种指示式压力检测 仪表 – 弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉， 它测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、 中压和高压（可达1000MPa） – 根据制造的要求，仪表的准确度等级最高为0.1 级 – 它是将被测压力转换成弹性元件弹簧管的变形 位移进行测量的。
测量范围：（-4 ~ +6 ）*104Pa 输出电压： 0 ~ 50mv
当衔铁处在中间位置时： M1=M2，输出为零 当衔铁偏离中间位置时： M1M2，输出与M1-M2成比， 与衔铁位移成正比 W1、W2：初级、次级线圈匝数 W δ0：初始气隙 U 0 U 2 Δ δ：衔铁位移 W1 0
霍尔电势：
U H RH IB
KH l f d b
RH
KH--霍尔系数 ， RH--霍尔常数 d—霍尔片厚度 灵敏度：
k H RH / d / d
ρ—电阻率， μ—载流子迁移率
霍尔元件材料： 高电阻率（ρ↑）、高迁移率（μ↑）
金属---迁移率高、电阻率低； 绝缘体---电阻率高、迁移率低； → 半导体 薄片（锗、硅） 霍尔元件形状：
– U形管 – 单管 – 斜管
三、U型管液柱式压力计
利用液体静力学原理测压，如U型管压力计，当
被测压力P1 大于大气压力P2 时，液柱会产生高度差。
P2 P1
ρ2
h1
在U型管h2处等压面上有： [P 1+ρ1g( H+h1+h2 ) ]A
ρ1
0 h2
H
= [ P2 + ρ2g H + ρg( h1+h2 ) ]A
3.4 应变电阻和压电式传感器
• 一、电远传式压力检测仪表 • 电远传式压力仪表也是利用弹性元件作为 敏感元件，但在仪表中增加了转换元件 （或装置）和转换电路能将弹性元件的位 移转换为电信号输出，实现信号的远传