化工测量及仪表第3章

压力定义
工程上的压力定义是垂直而均匀地作用于单位面积上 的力。 相当于物理上的压强定义。
压力的单位
压力的国际标准单位为Pa(帕斯卡)，1Pa的定义是在 1m2的面积上有1N（牛顿）的作用力。但是该单位表示的力 较小，因此，工程上更多的是使用kPa(千帕斯卡/千帕)或 MPa（兆帕斯卡/兆帕）作为压力表示单位。
第3章 压力测量
化学工业出版社
本章要点

压力的定义和表示 弹性元件和弹性压力计 电阻（应变）式压力计 电容式压力计


电感式压力计
霍尔式压力计


其他常见的压力测量方法
压力仪表的选用原则
3.1 压力检测概述
3.1.1 压力定义及单位
3.1.2 压力的几种表示方法
3.1.1压力定义及单位
3.3 电阻式压力计
3.3.1 应变效应和压阻效应的原理
3.3.2 金属应变片与应变式压力传感器
3.3.3 压阻元件和压阻式压力传感器 3.3.4 电阻信号的测量电路
3.3 电阻式压力计
电阻式压力计利用传感器将弹性元件受压力影响 产生的形变转换为电阻信号，再利用对电阻信号的转 换处理获得被测的压力值。常用的传感器有金属应变 片和半导体硅杯，以这类传感器的工作原理是应变效 应，即金属或半导体材料的电阻，在受到外力作用产 微小形变的同时，其电阻值 也会发生变化，以金属应变 片或硅杯作为传感元件制造 的压力计分别称为应变式压 力计和压阻式压力计。
3.2.1 弹性元件
弹性元件种类和特性
常用的弹性元件类型有膜片、弹簧管、波纹管等类型， 可将压力信号转换为位移信号。
波纹管
弹簧管
膜片和膜盒
3.2.1 弹性元件
弹性元件种类和特性
膜片主要用于低压的测量，压力增大时，膜片圆心处的硬心会产生 直线位移。在压力测量中，常用两片膜片沿周边对焊起来，组成膜盒 结构。膜片可直接带动传动机构就地显示，但由于膜片的位移较小， 灵敏度低，更多的是与压力变送器配合使用。 波纹管在管内压力增大时，侧壁上的褶皱曲率变化，产生自由端的 水平位移，由于波纹管的位移相对较大，一般可直接带动传动机构， 就地显示。其优点是灵敏度高，但波纹管迟滞误差较大，其输出的水 平位移比弹簧管大，但位移和压力的线性度不如弹簧管。 弹簧管又称波登管，管的横截面为椭圆形，当管内压力变大时，椭 圆截面在压力作用下趋向于圆形，使整个弯管曲率发生变化，其自由 端产生向外的位移，在位移量不大时，可近似的看作直线运动，且位 移大小与压力近似成正比。弹簧管还有多圈的盘状或螺旋状的结构， 可以增大输出的位移量。 常见的弹性元件位移输出和压力信号的关系如表3-2-2所示。
3.1.2压力的几种表示方法

表压力与真空度：
被测压力大于大气压力时，称被测压力与大气压力差值 为表压力，当被测压力小于大气压力时，称其差值为真空度 或负压。

绝对压力：
被测量压力与真空的差值称为绝对压力。
3.2 弹性压力计
3.2.1 弹性元件
3.2.2 弹性元件在压力测量中的应用
3.2.1 弹性元件
3.3.2 金属应变片与应变式压力传感器
应变片结构
利用金属材料的应变效应，可将形变转换 为电阻变化，工程上使用的传感器的传感器称 为金属应变片，简称应变片，它是利用极细的 横 向 金属丝附着在绝缘的薄片上制造而成的。
纵向（轴向）
应变片使用时有方向性，测量时应变方向应该与敏感栅的轴向（纵 向）一致，这样才能产生较大的信号输出，如果应变方向垂直于敏感栅 的轴向，应变片产生的电阻变化非常微小，无法测量。
RL K0 R0 β K0 R0 (g S )t
式中K0为与材料有关的固定系数，R0为应变片的初始阻值。
3.3.4电阻信号的测量电路
应变片的温度误差
(2)弹性构件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 由于温度变化而引起应变片总电阻相对变化量为：
R Rt RL 0 t K 0 ( g S )t [ 0 K 0 ( g S )]t t R0 R0
实物示例
3.2.2 弹性元件在压力测量中的应用
压力变送器
结构原理如图所示，由测量 和转换两部分组成。测量部 分包括测量室、测量元件(膜
片或膜盒)、主杠杆；转换部
分包括主杠杆、矢量机构、 副杠杆、反馈机构、差动变 压器、调零装置及放大器。
3.2.2 弹性元件在压力测量中的应用
压力变送器
如图所示。矢量机构把主杠杆水平方向 的力Fl分解为垂直方向的力F2和矢量角方 向的力F3，其中分力F2则作用于副杠杆上 ，其值等于Fl tgθ。副杠杆以M点为支点， 将F2传递到反馈动圈12处，形成作用力F4 ，它与反馈动圈在磁场中所受到的反馈力 Ff相比较其差值ΔF使副杠杆绕M点偏转， 这使得固定在副杠抨上的位移检测片8与 差动变压器9之间的距离改变Δx，引起差 动变压器输出的变化Δu，经放大器放大并 转换成4~20mA DC标准信号I0，作为变送 器的输出信号； I0同时又作为反馈电流经 反馈动圈，产生电磁反馈力Ff，使副杠杆 作相反方向的偏转。当输入力与反馈力对 杠杆系统所产生的力矩达到平衡时，Ff = F4，变送器重新达到一个新的稳定状态。 此时，变送器输出电流I0与被测信号Δp成 正比。
3.3.4电阻信号的测量电路
应变片的温度误差
由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片 的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素是由于材料的电阻温度特性 和受温度影响产生的热胀冷缩现象。
(1)电阻温度系数的影响
金属电阻丝多采用铜材料，其阻值随温度变化的关系可用下式表示：
Rt R0 (1 0 t )
3.3.4电阻信号的测量电路
测量桥路
应变式传感器电阻信号的处理多采用不平衡电桥电路。电桥有直流
β S和β g分别为应变片和弹性构件的线膨胀系数，α0 为 电阻丝材料的温度系数。 由上式可知，因环境温度变化而引起的附加电阻的相 对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性 能参数以及弹性构件线膨胀系数有关。 为了避免环境温度对测量的影响，需要在进行应变片 信号转换时，通过测量电路进行温度补偿，以减小环境温 度带来的系统误差。
式中：R0 —— 温度为t0℃时的电阻值； R t —— 温度为t℃时的电阻值； α0 —— 金属丝的电阻温度系数； t —— 温度变化值，t=t - t0 半导体材料制造的压阻元件，其阻值同样会受到温度的影响，所以当 温度变化时，应变式传感器的电阻会随着温度的变化发生改变，产生附加 的误差。
3.3.4电阻信号的测量电路
dR d dL dA R L A
3.3.1 应变效应和压阻效应的原理
金属导体的应变效应
因为圆截面的电阻丝A=πD2/4，故可以 得出
dA dD 2 A D
式中 D —— 电阻丝直径。
又根据材料力学可知： d D d L
D
L
式中μ — 材料的泊松系数 dL／L—金属电阻丝的轴向应变 。 电阻的相对变化量
3.3.3 压阻元件和压阻式压力传感器
压阻式压力传感器
压阻式压力传感器主要由压阻芯 片和外壳组成。如图所示为典型的压 阻式压力传感器的结构原理图。压阻 芯片采用周边固定的硅杯结构，封装 在外壳内，硅膜片上的扩散电阻接成 电桥形式，用引线引出。构成全桥的 四片电阻条中，有两片位于受压应力 区，另外两片位于受拉应力区，彼此 的位置相互对称于膜片中心。硅膜片 两边有两个压力腔，一个是和被测压 力相连接的高压腔，另一个是低压腔 ，通常是小管和大气相通。
dR dL d (1 2 ) R L
dR d (1 2 ) (1 2 ) K R
忽略电阻率变化影响
3.3.1 应变效应和压阻效应的原理
半导体的压阻效应
半导体材料受力后的电阻变化同样可以表示为
dR d dL dA R L A
3.2.2 弹性元件在压力测量中的应用
弹簧管压力表
被测压力由接头9引入，迫使弹簧管 1的自由端B向右上方扩张移动。自由端 B的弹性变形位移由拉杆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带动而做顺时针偏转，从而 在面板6的刻度标尺上显示出被测压力p 的数值。由于自由端的位移与被测压力 之间具有比例关系，因此弹簧管压力表 的刻度标尺是线性的。 游丝7是用来克服扇形齿轮和中心 齿轮的间隙所产生的仪表变差的。改变 调整螺钉8的位置(即改变机械传动的放 大倍数)，可以实现压力表量程的调整。
3.3.2 金属应变片与应变式压力传感器
应变式压力传感器
应变式压力传感器的结构有许多种形式，现仅以应变筒的结构为例 介绍其测压原理。如图所示，应变筒1的上端与外壳2固定在一起，它的 下端与不锈钢密封膜片3紧密接触，两片应变片R1和R2分别用粘合剂粘 贴在应变筒的外壁上。Rl沿应变筒的径向贴放，R2沿应变筒的轴向贴放， 要求应变片与筒体之间不会发生滑动现象，并且保持电气绝缘。 当被测压力p作用于不锈钢膜片3上而使 应变筒作轴向受压变形时，沿轴向贴放的应 变片R2，产生轴向压缩应变，其阻值变小； 而应变筒在受到轴向压缩变形的同时，径向 产生拉伸变形，那么沿着径向贴放的应变片 Rl将引起拉伸应变，其阻值增大。利用两个 应变片，结合固定电阻构成直流惠斯登电桥， 可将应变片的电阻变化转换为与之成正比的 直流电压信号进行远传和标准化处理。
弹性元件的测量原理
当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件受到其轴向外 力的作用，产生弹性形变，形成拉伸或压缩的位移信号， 在弹性形变的范围内，其受力和形变的关系可表示为：
F CX
式中F —— 轴向外力 X —— 弹性元件的位移 C —— 弹性元件的刚度系数 根据弹性元件的形变大小，可以确定被测压力的大小。
应变式压力传感器
3.3.1 应变效应和压阻效应的原理
金属导体的应变效应