建筑环境测试技术之压力测量1
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第五章 压力测量
基本教学内容
压力的 基本概念 液柱式压力计 U型管压力计、单管压力计、斜管式微压计 弹性式压力计 弹簧管式、膜片（盒）式、波纹管式 电气式压力测量 电容式压力压差变送器、霍尔压力变送器、压 电 式压力传感器、固体压阻式压力压差传感器 压力检测仪表的选择与校验
第一节 概述
压力 压强
例题：有一压力容器，压力范围0.4~0.6MPa，
压力变化速度较缓，不要求远传。试选择压力 仪表（给出量程和精度等级）测量该压力，测 量误差不大于被测压力的4%。
根据最大工作压力 根据最小工作压力
3 A 0.6 0.8MPa 4
所以可选择量程范围为0—1.0MPa弹簧管压力表 被测压力的最大示值绝对误差
VH RH IB
(2)霍尔电势的产生： 将固定在弹性元件上的霍尔片 放置在一非均匀磁场中，在这 区间，磁场强度具有均匀的梯 度，当霍尔片在弹性元件的带 动下偏离正中位置，通过霍尔 片的磁场强度发生变化，霍尔 片就有正比于位移的霍尔电势 产生。
N
S
S
N
霍尔电势
VH RH IB
注意： ①RH受温度影响较大，在实际当中常采用恒温 措施或采用温度补偿措施，例如在电势输出 回路中串一温度补偿电桥。 ②要注意减少由于霍尔片两电极不对称焊接引起 的不等位电势，因不等位电势的存在，使霍 尔片处于正中时，电势输出不为0。
特点：灵敏度高、精度高，精度可达0.2、0.25， 稳定可靠。尤适用于测高静压微压差的场合。
2．霍尔压力变送器
（1）霍尔效应： 把半导
体单晶薄片置于磁场B中， 如果在它的两个纵向面 上通以一定大小的电流， 则在晶体的两个横向端 面之间出现电势UH，叫 霍尔效应，产生的电势 称为霍尔电势。 灵敏度常数
s k2 4
1电容式压力压差变送器
•设 测 量 膜 片 在 Δ p 作 用 下 的位移Δ d，Δ d=k1Δ p。
k2 C1 d 0 d
k2 C2 d 0 d
•由C1、C2可得 C 2 C1 d k1 p k 3 p C 2 C1 d 0 d0
二．压电式压力传感器
特点：结构简单、紧凑， 小巧轻便，工作可靠， 具有线性度高量程范围 大等优点。 缺点：但是由于产生的 电荷量少，因此后续需 加高阻抗的直流放大器。 由于晶体边缘上存在漏 电现象，因此不能用于 稳态测量。
压电式压力 传感器结构
三．固体压阻式压力压差传感器
公式： R L / S 1．原理： 电阻的尺寸发生变化，例如电阻的长度、横截面 积发生变化将引起电阻的变化。 电阻的电阻率发生变化也将引起电阻阻值的变化。 分类：①应变片：受压时，电阻的尺寸L、S发生变 化，引起电阻的变化。 ②半导体扩散硅：在压力的作用下，电阻 率发生变化。 通常半导体扩散硅电阻变化的灵敏度要远远高于 应变片，大约为100倍。
二．压力表的安装
4．当测量液体压力时，在导压管系统最高处 应安装集气瓶；当测量气体压力有可能有 液体冷凝时，在导压管系统最低处应加装 水分离器；当被测介质有可能产生沉淀时， 应在仪表前安装沉降器。
5．取压口与压力表之间应加装隔离阀。 6．在测量较小压力时，若仪表与取压口不在 同一水平高度，则应对测压进行校正。
弹簧管压力计
弹簧管压力计
电接点压力表：
不仅可实现压力的测量，而且可实现压力 的报警和控制。
第四节 电气式压力检测
一．位移式压力压差变送器： 将弹性元件的位移转变成 电信号。 1．电容式压力压差变送器： 采取差动电容方式。 膜片 d7.5—75 ， δ 0.05—0.2 ， maxΔ d=0.1mm。
1．液柱式压力计 2．弹性式压力计 3．电气式压力计 4．活塞式压力计
第二节 液柱式压力计
分类 U型管压力计 单管压力计 斜管式微压计 特点：结构简单，使用方便，准确度比较 高，常用于测量低压、负压、差压。 缺点：体积大，读数不方便，玻璃管易损 坏。
一．U型管压力计
二．压力表的安装
2．导压管的敷设 为了使导压管正确传递压力或压差，应作到： ①导压管长度小于50m，内径为6-10mm。 ②对于水平敷设，导压管要有1:10～1:20的坡度， 测量液体介质时下坡，测量气体介质时上坡。 3．当被测介质易冷凝或冻结，必须加装伴热管后 再行保温；当测量腐蚀性介质时，应加装隔离 罐；当测量高温蒸气压力时，应加装冷凝盘管； 测量含尘气体时，应加装灰尘捕集器；测量高 于60度的介质时，应加装环行圈；
3．弹簧管： 单圈弹簧管 多圈弹簧管
Px
弹簧管是怎样产生形变的呢？
假设被测压力大于外界大气压力，产生短轴变长， 长轴变短的弹性形变，使管子在弯曲方向上的刚度 增大，自由端向管子伸直的方向运动。对应的几何 R1 分析如下：
R1 R
' 1
'
' R2 R2 '
' R1' R2 '
Pd
h2 A2 A2 P g (h1 h2 ) g ( h2 ) g ( 1)h2 A1 A1 h2 A2 A2 ( h2 ) g ( 1)h2 A1 A1
Px
因为A1 、A2 为常数，这样可通过 一次读数进行压差测量。当A2/A1 很小时，h1可忽略，公式简化为：
二．压电式压力传感器
• 压电效应：压电材料在受压时会在其表面 产生电荷，产生的电荷量与所受的压力成 正比。 压电材料：单晶体，例如石英、酒石酸钾 钠等 多晶体，例如压电陶瓷，在没有极化之前， 因各单晶体的压电效应都互相抵消表现为 电中性，为此必须对压电陶瓷先进行极化 处理，经极化处理的压电陶瓷具有非常高 的压电系数，为石英的几百倍。
二．压力表的安装
• 气
1．取压口的选择
– 上部 防堵
汽 液 气
• 汽
– 侧上部 防堵，防液，防气
• 液
– 侧下部 防堵，防汽
1．取压口的选择
取压口位置
稳定无涡流区（直线管段，避开拐弯、分叉等）。 除了被测介质以处，不接触其它物质 不易堵塞
取压孔形状
孔径要小 要与壁面垂直 孔口应无毛刺
R2
两式相减: R1 R2
R1 R2 R1' R2' 因为：
可得:
' Leabharlann Baidu
弹簧管压力计
弹簧管在量程范围内自由端的位移一般为 7-8o，弹簧管作成多圈时，自由端的位移 可达45o 。弹簧管的自由端的位移可通过 杠杆机构带动指针转动，这种机构的指针 最大转角为180o ，通常作成90度的回转 角。最常用的传动机构为杠杆—扇形齿轮 机构，可使指针转动270o。
h2
h1 直管
P gh2
三、斜管式微压计
主要用于测量微小的压力、负压和压差。 为了减少读数的相对误差，拉长液柱，将 测量管倾斜放置。
P1
A1 A2 A2 A2 l l sin a) g ( A2 sin a)l 2 ) )gg ( l l sin a) g ( sin a)l hh ( 1 2 A11 A1 A A1
1 A 0.4 1.2MPa 3
0.016 max 100% 1.6% 所选仪表的基本误差 1.0 可选择1.5级的压力表
max 0.4 4% 0.016MPa
3．仪表类型选择 ①被测介质压力大小， ②被测介质的性质，例如，氧气、乙炔都有 专门的测量仪表，对腐蚀性介质要采用不 锈钢或其他耐腐蚀的材料， ③对仪表输出信号的要求，例如是否需要为 电信号， ④使用环境。
优点：①温度补 偿， ②使输出信 号加倍。
注意： 供给桥路的电流要恒定，即为一恒流源。输出
电压为10-100多毫伏，后续一般要加电压放大电路。
第五节 压力检测仪表的选择与校验
一．压力检测仪表的选择 ①测压范围，②被测介质的物理化学性质， ③测试精度要求。
1.仪表量程选用
• 为保证安全性，压力较稳定时，最大工作压力不 超过仪表量程的3/4，压力波动较大时，最大工作 压力不超过仪表量程的2/3。 • 为保证准确度，最小工作压力不低于满量程的1/3。
第三节 弹性式压力计 1、概述
原理：弹性压力表是利用各种不同形状弹性 感压元件在被测压力的作用下，产生弹性变 形制成的测压仪表 特点：结构简单、牢固可靠、测压范围广、 使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远 传 常用弹性压力表： 弹簧管式 膜片（盒）式 波纹管式
二．弹性元件及其特性
2．膜片的应力分析
其膜片受到从下向上的压力时，中心区受拉应力 （假设应力为正），周边区受压应力（应力为 负），在R=0处应力达到正的最大值，而在大约 距中心60%的地方应力为0。
3．电阻分布及测量桥路
u 1 I 0 ( R R) 1 I 0 ( R R) 2 2 u 1 I 0 ( R R) 1 I 0 ( R R) I 0 R 2 2
1．膜片：使用时周边夹紧，测低压、微压。 将两块膜片沿周边对焊起来，形成一膜盒， 膜盒式微压计通常用于测量炉膛和烟道尾 部负压。精度等级为2.5，最高可达1.5级。
Px
Px 平薄片
Px 波纹片
Px 膜盒
二．弹性元件及其特性
2．波纹管：开口端固定，封闭 端的位移作为输出，由于波 纹管的位移相对较大，故灵 敏度高，常用于测量较低的 压力（1.0-106Pa）精度等 级1.5级。
三．压力表的校验
活塞式静重压力计
三．压力表的校验
2．仪表精度的选择
根据在测量时允许的最大测量误差选择仪表， 可根据仪表的精度等级算出用该仪表测量可能 引起的最大示值绝对误差。 另外在选择仪表时不需一味追求高精度，只 要满足测量精度要求即可。
弹簧管压力表量程和精度系列
我国目前弹簧管压力表量程系列，1, 1.6, 2.5, 4.0, 6.0kPa以及10n倍 精度系列，精密表 0.1, 0.16, 0.25, 0.4 工业表 1.0, 1.5, 2.5
压力单位
帕(Pa) N/m2，国际单位 兆帕(MPa) 106Pa 工程大气压， kgf/cm2 ，98070 Pa
约等于一个大气压（1.013e+5 Pa) ，“自来 水压头是5公斤”，用的就是这个单位。
mmH2O， 9.81 Pa mmHg ，133 Pa
二．压力测量仪表的分类
一、基本概念
垂直作用于物体表面上的力
PB
PJ PZ
垂直作用于单位面积物体表面上的力
在建筑环境与设备的测试中，并不严格区分压力 和压强。通常所说的压力实际上是指压强。
压差
测量两个压力之差称压差
表压力 压力仪表指示的压力值
缺省情况下，所说的压力值即指表压力 表压力可正 可负，为负时其绝对值称为真空度。
假设被测的介质为气体，可忽略 被测介质的高度形成的静压值。 根据流体静力学原理可得：
P1
P2
P P1 P2 g (h1 h2 )
h1
0
h2
U型管内径一般为5-20mm， 为了减少毛细现象管子内径 一般不少于10mm，
U型管
二．单管式压力计
h2 A2 h1 A1 h2 A2 h1 A1
ht 0 ht 1 (t t 0 )
2. 重力加速度变化的影响及修正
标准重力加速 度下的工作液 柱高度
hn
g gn
h
使用地点的工 作液柱高度
3．毛细现象的影响 为了减少该误差，通常要求测量管的内径一 般不小于10mm。
问题？
1. 斜管式微压计用水作介质，可以吗？ 2. 液柱式压力计，水作工作介质，为了便于读 数，在水中加入红墨水，可以吗？ 3. 斜管式微压计，测量时看不到液柱，是怎么 回事？
A2 h2 h1 A1 lA2 h1 l h1 A1 A2 A2 P g (h1 h2 ) g ( l l sin a) g ( sin a)l 斜管
A1
h2 l sin a
P2
L
四．液柱式压力计的测量误差及其修正
P gh
1．环境温度变化的影响及修正 对于一般的工业测量，主要考虑工作液密度变 化对压力测量的影响。修正公式为：
基本教学内容
压力的 基本概念 液柱式压力计 U型管压力计、单管压力计、斜管式微压计 弹性式压力计 弹簧管式、膜片（盒）式、波纹管式 电气式压力测量 电容式压力压差变送器、霍尔压力变送器、压 电 式压力传感器、固体压阻式压力压差传感器 压力检测仪表的选择与校验
第一节 概述
压力 压强
例题：有一压力容器，压力范围0.4~0.6MPa，
压力变化速度较缓，不要求远传。试选择压力 仪表（给出量程和精度等级）测量该压力，测 量误差不大于被测压力的4%。
根据最大工作压力 根据最小工作压力
3 A 0.6 0.8MPa 4
所以可选择量程范围为0—1.0MPa弹簧管压力表 被测压力的最大示值绝对误差
VH RH IB
(2)霍尔电势的产生： 将固定在弹性元件上的霍尔片 放置在一非均匀磁场中，在这 区间，磁场强度具有均匀的梯 度，当霍尔片在弹性元件的带 动下偏离正中位置，通过霍尔 片的磁场强度发生变化，霍尔 片就有正比于位移的霍尔电势 产生。
N
S
S
N
霍尔电势
VH RH IB
注意： ①RH受温度影响较大，在实际当中常采用恒温 措施或采用温度补偿措施，例如在电势输出 回路中串一温度补偿电桥。 ②要注意减少由于霍尔片两电极不对称焊接引起 的不等位电势，因不等位电势的存在，使霍 尔片处于正中时，电势输出不为0。
特点：灵敏度高、精度高，精度可达0.2、0.25， 稳定可靠。尤适用于测高静压微压差的场合。
2．霍尔压力变送器
（1）霍尔效应： 把半导
体单晶薄片置于磁场B中， 如果在它的两个纵向面 上通以一定大小的电流， 则在晶体的两个横向端 面之间出现电势UH，叫 霍尔效应，产生的电势 称为霍尔电势。 灵敏度常数
s k2 4
1电容式压力压差变送器
•设 测 量 膜 片 在 Δ p 作 用 下 的位移Δ d，Δ d=k1Δ p。
k2 C1 d 0 d
k2 C2 d 0 d
•由C1、C2可得 C 2 C1 d k1 p k 3 p C 2 C1 d 0 d0
二．压电式压力传感器
特点：结构简单、紧凑， 小巧轻便，工作可靠， 具有线性度高量程范围 大等优点。 缺点：但是由于产生的 电荷量少，因此后续需 加高阻抗的直流放大器。 由于晶体边缘上存在漏 电现象，因此不能用于 稳态测量。
压电式压力 传感器结构
三．固体压阻式压力压差传感器
公式： R L / S 1．原理： 电阻的尺寸发生变化，例如电阻的长度、横截面 积发生变化将引起电阻的变化。 电阻的电阻率发生变化也将引起电阻阻值的变化。 分类：①应变片：受压时，电阻的尺寸L、S发生变 化，引起电阻的变化。 ②半导体扩散硅：在压力的作用下，电阻 率发生变化。 通常半导体扩散硅电阻变化的灵敏度要远远高于 应变片，大约为100倍。
二．压力表的安装
4．当测量液体压力时，在导压管系统最高处 应安装集气瓶；当测量气体压力有可能有 液体冷凝时，在导压管系统最低处应加装 水分离器；当被测介质有可能产生沉淀时， 应在仪表前安装沉降器。
5．取压口与压力表之间应加装隔离阀。 6．在测量较小压力时，若仪表与取压口不在 同一水平高度，则应对测压进行校正。
弹簧管压力计
弹簧管压力计
电接点压力表：
不仅可实现压力的测量，而且可实现压力 的报警和控制。
第四节 电气式压力检测
一．位移式压力压差变送器： 将弹性元件的位移转变成 电信号。 1．电容式压力压差变送器： 采取差动电容方式。 膜片 d7.5—75 ， δ 0.05—0.2 ， maxΔ d=0.1mm。
1．液柱式压力计 2．弹性式压力计 3．电气式压力计 4．活塞式压力计
第二节 液柱式压力计
分类 U型管压力计 单管压力计 斜管式微压计 特点：结构简单，使用方便，准确度比较 高，常用于测量低压、负压、差压。 缺点：体积大，读数不方便，玻璃管易损 坏。
一．U型管压力计
二．压力表的安装
2．导压管的敷设 为了使导压管正确传递压力或压差，应作到： ①导压管长度小于50m，内径为6-10mm。 ②对于水平敷设，导压管要有1:10～1:20的坡度， 测量液体介质时下坡，测量气体介质时上坡。 3．当被测介质易冷凝或冻结，必须加装伴热管后 再行保温；当测量腐蚀性介质时，应加装隔离 罐；当测量高温蒸气压力时，应加装冷凝盘管； 测量含尘气体时，应加装灰尘捕集器；测量高 于60度的介质时，应加装环行圈；
3．弹簧管： 单圈弹簧管 多圈弹簧管
Px
弹簧管是怎样产生形变的呢？
假设被测压力大于外界大气压力，产生短轴变长， 长轴变短的弹性形变，使管子在弯曲方向上的刚度 增大，自由端向管子伸直的方向运动。对应的几何 R1 分析如下：
R1 R
' 1
'
' R2 R2 '
' R1' R2 '
Pd
h2 A2 A2 P g (h1 h2 ) g ( h2 ) g ( 1)h2 A1 A1 h2 A2 A2 ( h2 ) g ( 1)h2 A1 A1
Px
因为A1 、A2 为常数，这样可通过 一次读数进行压差测量。当A2/A1 很小时，h1可忽略，公式简化为：
二．压电式压力传感器
• 压电效应：压电材料在受压时会在其表面 产生电荷，产生的电荷量与所受的压力成 正比。 压电材料：单晶体，例如石英、酒石酸钾 钠等 多晶体，例如压电陶瓷，在没有极化之前， 因各单晶体的压电效应都互相抵消表现为 电中性，为此必须对压电陶瓷先进行极化 处理，经极化处理的压电陶瓷具有非常高 的压电系数，为石英的几百倍。
二．压力表的安装
• 气
1．取压口的选择
– 上部 防堵
汽 液 气
• 汽
– 侧上部 防堵，防液，防气
• 液
– 侧下部 防堵，防汽
1．取压口的选择
取压口位置
稳定无涡流区（直线管段，避开拐弯、分叉等）。 除了被测介质以处，不接触其它物质 不易堵塞
取压孔形状
孔径要小 要与壁面垂直 孔口应无毛刺
R2
两式相减: R1 R2
R1 R2 R1' R2' 因为：
可得:
' Leabharlann Baidu
弹簧管压力计
弹簧管在量程范围内自由端的位移一般为 7-8o，弹簧管作成多圈时，自由端的位移 可达45o 。弹簧管的自由端的位移可通过 杠杆机构带动指针转动，这种机构的指针 最大转角为180o ，通常作成90度的回转 角。最常用的传动机构为杠杆—扇形齿轮 机构，可使指针转动270o。
h2
h1 直管
P gh2
三、斜管式微压计
主要用于测量微小的压力、负压和压差。 为了减少读数的相对误差，拉长液柱，将 测量管倾斜放置。
P1
A1 A2 A2 A2 l l sin a) g ( A2 sin a)l 2 ) )gg ( l l sin a) g ( sin a)l hh ( 1 2 A11 A1 A A1
1 A 0.4 1.2MPa 3
0.016 max 100% 1.6% 所选仪表的基本误差 1.0 可选择1.5级的压力表
max 0.4 4% 0.016MPa
3．仪表类型选择 ①被测介质压力大小， ②被测介质的性质，例如，氧气、乙炔都有 专门的测量仪表，对腐蚀性介质要采用不 锈钢或其他耐腐蚀的材料， ③对仪表输出信号的要求，例如是否需要为 电信号， ④使用环境。
优点：①温度补 偿， ②使输出信 号加倍。
注意： 供给桥路的电流要恒定，即为一恒流源。输出
电压为10-100多毫伏，后续一般要加电压放大电路。
第五节 压力检测仪表的选择与校验
一．压力检测仪表的选择 ①测压范围，②被测介质的物理化学性质， ③测试精度要求。
1.仪表量程选用
• 为保证安全性，压力较稳定时，最大工作压力不 超过仪表量程的3/4，压力波动较大时，最大工作 压力不超过仪表量程的2/3。 • 为保证准确度，最小工作压力不低于满量程的1/3。
第三节 弹性式压力计 1、概述
原理：弹性压力表是利用各种不同形状弹性 感压元件在被测压力的作用下，产生弹性变 形制成的测压仪表 特点：结构简单、牢固可靠、测压范围广、 使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远 传 常用弹性压力表： 弹簧管式 膜片（盒）式 波纹管式
二．弹性元件及其特性
2．膜片的应力分析
其膜片受到从下向上的压力时，中心区受拉应力 （假设应力为正），周边区受压应力（应力为 负），在R=0处应力达到正的最大值，而在大约 距中心60%的地方应力为0。
3．电阻分布及测量桥路
u 1 I 0 ( R R) 1 I 0 ( R R) 2 2 u 1 I 0 ( R R) 1 I 0 ( R R) I 0 R 2 2
1．膜片：使用时周边夹紧，测低压、微压。 将两块膜片沿周边对焊起来，形成一膜盒， 膜盒式微压计通常用于测量炉膛和烟道尾 部负压。精度等级为2.5，最高可达1.5级。
Px
Px 平薄片
Px 波纹片
Px 膜盒
二．弹性元件及其特性
2．波纹管：开口端固定，封闭 端的位移作为输出，由于波 纹管的位移相对较大，故灵 敏度高，常用于测量较低的 压力（1.0-106Pa）精度等 级1.5级。
三．压力表的校验
活塞式静重压力计
三．压力表的校验
2．仪表精度的选择
根据在测量时允许的最大测量误差选择仪表， 可根据仪表的精度等级算出用该仪表测量可能 引起的最大示值绝对误差。 另外在选择仪表时不需一味追求高精度，只 要满足测量精度要求即可。
弹簧管压力表量程和精度系列
我国目前弹簧管压力表量程系列，1, 1.6, 2.5, 4.0, 6.0kPa以及10n倍 精度系列，精密表 0.1, 0.16, 0.25, 0.4 工业表 1.0, 1.5, 2.5
压力单位
帕(Pa) N/m2，国际单位 兆帕(MPa) 106Pa 工程大气压， kgf/cm2 ，98070 Pa
约等于一个大气压（1.013e+5 Pa) ，“自来 水压头是5公斤”，用的就是这个单位。
mmH2O， 9.81 Pa mmHg ，133 Pa
二．压力测量仪表的分类
一、基本概念
垂直作用于物体表面上的力
PB
PJ PZ
垂直作用于单位面积物体表面上的力
在建筑环境与设备的测试中，并不严格区分压力 和压强。通常所说的压力实际上是指压强。
压差
测量两个压力之差称压差
表压力 压力仪表指示的压力值
缺省情况下，所说的压力值即指表压力 表压力可正 可负，为负时其绝对值称为真空度。
假设被测的介质为气体，可忽略 被测介质的高度形成的静压值。 根据流体静力学原理可得：
P1
P2
P P1 P2 g (h1 h2 )
h1
0
h2
U型管内径一般为5-20mm， 为了减少毛细现象管子内径 一般不少于10mm，
U型管
二．单管式压力计
h2 A2 h1 A1 h2 A2 h1 A1
ht 0 ht 1 (t t 0 )
2. 重力加速度变化的影响及修正
标准重力加速 度下的工作液 柱高度
hn
g gn
h
使用地点的工 作液柱高度
3．毛细现象的影响 为了减少该误差，通常要求测量管的内径一 般不小于10mm。
问题？
1. 斜管式微压计用水作介质，可以吗？ 2. 液柱式压力计，水作工作介质，为了便于读 数，在水中加入红墨水，可以吗？ 3. 斜管式微压计，测量时看不到液柱，是怎么 回事？
A2 h2 h1 A1 lA2 h1 l h1 A1 A2 A2 P g (h1 h2 ) g ( l l sin a) g ( sin a)l 斜管
A1
h2 l sin a
P2
L
四．液柱式压力计的测量误差及其修正
P gh
1．环境温度变化的影响及修正 对于一般的工业测量，主要考虑工作液密度变 化对压力测量的影响。修正公式为：