压力和压差测量

4.2压力和压差测量

在化工生产和实验过程中，操作压力是非常重要的参数。例如在精馏、吸收等化工单元操作中需要测量塔顶、塔釜的压力，以便检测塔的操作是否正常；泵性能实验中泵的进出口压力的测量，对于了解泵的性能和安装是否正确都是必不可少的。

化工生产和实验中测量的压力范围很广，要求的准确度各不相同，而且还常常测量高温、低温、强腐蚀及易燃易爆介质的压力。如果压力不符合要求，不仅会影响生产效率，降低产品质量，有时还会造成严重的生产事故。此外，压力测量的意义还不局限于它自身，有些其他参数的测量，如物位、流量等往往是通过测量压力或压差来进行的，即测出了压力或压差，便可以确定物位或流量。

压力测量仪表很多，按照其转换原理的不同可分为液柱式压力计、弹性式压力计、电气式压力计等。下面分类介绍各种常用测量仪表及方法。

4.2.1 液柱式压力计

液柱式压力计是根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量的。即可用于测量流体的压力，又可用于测量流体管道两点间的压力差。按其结构形式的不同，有U型管压力计、倒U型管压力计、单管压力计、斜管压力计、微差压力计等，具体结构及特性见表4.2-1。

这类压力计结构简单，使用方便，但其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。

4.2.2弹性式压力计

弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。这种仪表具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。若增加附加装置，如记录机构、电气变换装置、控制元件等，则可以实现压力的记录、远传、信号报警、自动控制等，弹性式压力计可以用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力，因此在工业上是应用最为广泛的一种测压仪表。

弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。它不仅是弹性式压力计的测压元件，也经常用来作为气动单元组合仪表的基本组成元件。弹性式压力计中常用的弹性元件有弹簧管、膜片、膜盒、波纹管等，结构如图1所示，其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量，单圈和多圈弹簧管可用于高，中，低压直到真空度的测量。

(a)单圈弹簧管 (b)多圈弹簧管 (c)膜片 (d)膜盒 (e)波纹管

图1 弹性元件示意图

弹簧管压力表的测量范围极广，品种规格繁多，按其所使用的测压元件不同，可有单圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表。按其用途不同，除普通弹簧管压力表外，还有耐腐蚀的氨用压力表，禁油的氧气压力表等。

图2 弹簧管式压力计示意图

1—弹簧管；2—拉杆；3—扇形齿轮；

4—中心齿轮；5—指针；6—分度盘；

7—游丝；8—调整螺钉；9—接头

弹簧管式压力计主要有弹簧管齿

轮传动机构，示数装置（指针和分度

盘）以及外壳等几部分组成，其结构

如图2所示。弹簧管1是压力表的测

量元件。图中所示为单圈弹簧管，它

是一根弯成270°圆弧的椭圆截面的空心金属管子。管子的自由端B封闭，管子的另一端固定在接头9上。当通入被测的压力p后，由于椭圆形截面在压力p的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生向外挺直的扩张变形。由于变形，使弹簧管的自由端B 产生位移，输入压力p越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端

B的位移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反映压力p的大小，这就是弹簧管压力表的基本测量原理。

4.2.3 电气式压力计

电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。它一般由压力传感器，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。压力传感器的作用是把压力信号检测出来，并转换成电信号进行输出，当输出的电信号能够被进一步变换为标准信号时，压力传感器又称为压力变送器。常用的有霍尔片式、应变片式、压阻式压力传感器和力平衡式、电容式压力变送器等。

（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，即利用霍尔元件将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。

霍尔片为一半导体（如锗）材料制成的薄片。如图3所示，在霍尔片的Z

轴方向加一磁感应强度为B的恒定磁场，在Y轴方向加一外电场（接近直流稳压电源），便有恒定电流沿Y轴方向通过。电子在霍尔片中运动（电子逆Y轴方向运动）时，由于受电磁力的作用，而使电子的运动轨道发生偏移，造成霍尔片的一个端面上有电子积累，另一个端面上正电荷过剩，于是在霍尔片的X轴方向上出现电位差，这一电位差称为霍尔电势，这样一种物理现象就称为“霍尔效应”。霍尔电势的大小与半导体材料、所通过的电流（一般称为控制电流）、磁感应强度以及霍尔片的几何尺寸等因素有关，可用下式表示：

U

BI

R

H

H

U--霍尔电势；

式中

H

R--霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状有关；

H

B--磁感应强度；

I--通过电流。

由上式可知，霍尔电势与磁感应强度和电流成正比，随它们的增大而增大。但两者都有一定的限度，一般I为3~20mA,B约为几千高斯，所得的霍尔电势

U

H 约为几十毫伏数量级。

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4

所示。被测压力由弹簧管1的固定端引入，弹簧管的自由端与霍尔片3相连接，在霍尔片的上下方垂直安放两对磁极，使霍尔片处于两对磁极形成的非均匀磁场中，霍尔片的四个端面引出四根导线，其中与磁钢2相平行的两根导线和直流稳压电源相连接，另两根导线用来输出信号。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，因而改变霍尔片在非均匀磁场中的位置，使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。

图3 霍尔效应图4 霍尔片式压力传感器

1—弹簧管；2—磁钢；3—霍尔片

（2）应变片式压力传感器

应变片式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。电阻应变片有金属应变片（金属丝或金属箔）和半导体应变片两类。被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩应变时，其阻值减小；当应变片产生拉伸应变时，其阻值增加。应变片阻值的变化，再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测，从而组成应变式压力计。