第五章压力、压差测量及仪表2

– 薄膜式压力表
P
– 波纹管式压力表
P
弹簧管式弹性元件
膜片式弹性元件
三、弹性元件
弹性元件是弹性压力表的敏感元件，测压范围不同，所用 的弹性元件亦不同。常用的弹性元件有弹簧管式、薄膜式和波 纹管式。
P
P
弹簧管式弹性元件
膜片式弹性元件
（1）弹簧管式弹性元件
弹簧管式弹性元件的测压范围较宽，可测量高达1000MPa 的压力。单圈弹簧管是弯成圆弧形的金属管子，它的截面做成 扁圆形或椭圆形。为了增加自由端的位移，可以制成多圈弹簧 管。
电气式压力计传感器分类
按测量原理不同分为
霍尔片式压力传感器 应变式压力传感器 压阻式压力传感器 电容式压力变送器 力矩平衡式压力变送器 智能型压力变送器
一、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的， 即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移 转换成霍尔电势，从而实现压力测量。霍尔片是一 种半导体转换元件。
端 变相弹生与片同性轴r为1不r。筒向沿1测和锈当轴应应量r钢膜向变2用变片密片受，胶筒封；受压阻合轴膜到，值r剂2片向外使变沿贴3力应小贴径紧紧作 变 ；放向密在用 片 而贴，接应时 应r1触变放作产， 变，筒应的 外片壁r2，受，作到与为轴筒向温体压之度缩间补，不偿引发片起生。径相向对拉滑动。
伸，阻值变大。实际上，r2的变 化量比r1的变化量要小，r2的主要 作用是温度补偿。
斜管式微压计应用范围：一般100~2500pa
2、活塞式压力计
YS/YU-6，60，250，600活塞式压力计
测量原理
P=G/S 所以 G=P•S 精确度高 常用作标准仪表，检验其它
压力计
3、弹性式压力计
一、原理
将被测压力转换成弹性元件变形的位移
二、根据敏感元件形式的不同可以分为以下3类：
– 弹簧管式压力表
所测差压：
P (h1 h2 )(1 2 )g h2 (1 f A)(1 2 )g
三、斜管式微压计
P (h1 h2 )(1 2 )g
h2 l sin
h1
l
d2 D2
P
(sin
d2 D2
)(1
2
)gl
特点： 因为l比h2放大了1/sinα倍，所以读数得相对误差小
改变α可改变k值，但不得小于150，倾斜角度越小， l越长，测量灵敏度就越高；但不可太小，否则液拉 长且易冲散，读数较困难，误差增大。
电气式压力计的结构
压力 传感器 电量
感受压力，并 把被测压力转 换为电信号， 送到测量电路 进行测量。
测量线路
指示器 记录仪 控制器
把传感器输出信
辅助电源
号转换成适应显 示装置输入要求
电气式压力计一般有压力传感器、测量信电号。路和
信号处理装置组成。
标准信号：直流电流4~20mA、空气压力 0.02~0.1MP。我国当前还有一些变送器以直流 电流0~10mA为输出信号。
1、液柱式压力计
测量原理
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。
单管压力计
U型管压力计
斜管压力计
Ｕ形管压力计
当被测介质的压力px 大于大气压力p时，管1 中的工作液体液面下降， 管2中的工作液体液面 上升，一直到两液面差 的高度h产生的压力与 被测压力相平衡时为止。
如果被测介质是气体，可得到被测压力值px 为
是应变片阻值变化量的测量电桥，图中R3和R4是
r1 A
R3
＋
－
Ui
＋ BE
－
r2
R4
两个阻值相等的精密固定电阻。
不受压时
r1= r2=r0 R3=R4=r
U ( R3 r1 )E， 不受压时U 0
R3 R4 r1 r2
(b)测量电桥
若应变片受压，则：r1= r0+Δr1；r2= r0+Δr2 (Δr1≠Δr2)
（２）工业用压力表应在环境温度为-40℃~60℃， 相对湿度不大于80%的条件下使用；
（３）仪表安装处与测量点间的距离应尽量短，以 免指示迟缓；
（４）在振动情况下使用仪表时要装减振装置；
（5） 测量结晶或粘度较大的介质时，要加装隔离器； （6）仪表必须垂直安装，无泄漏现象； （7）仪表的测定点与仪表的安装处应处于同一水平 位置，否则将产生附加高度误差，必要时需加修正值；
（2）薄膜式弹性元件
薄膜式弹性元件根据其结构不同还可以分为膜片与膜盒等。 它的测压范围较弹簧管式的为低。膜片式弹性元件，它是由金 属或非金属材料做成的具有弹性的一张膜片(有平膜片与波纹膜 片两种形式)，在压力作用下能产生变形。有时也可以由两张金 属膜片沿周口对焊起来，成一薄壁盒子，内充液体(例如硅油)， 称为膜盒。
•
– 单位面积所受到的力
相对压力（表压）
– 绝对压力与大气压之差
绝对 压力
• 真空度
– 大气压与绝对压力之差
p表
P绝
P真
大气压力线
P绝 绝对压力的零线
p表压 p绝对压力 p大气压力
图 绝对压力、表压、负压 （真空度）的关系
当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。
p真空度 p大气压力 p绝对压力
（3）波纹管式弹性元件
波纹管式弹性元件 波纹管式弹性元件是一个周围为波纹 状的薄壁金属筒体。这种弹性元件易于变形，而且位移很大， 常用于微压与低压的测量(—般不超过1Mpa)。
弹性元件结构和特点
当弹性元件在轴向受到外力作用 时，就 会产生拉伸或压缩位移，即
F CS
式中 F——轴向外力 S——位移 C——弹性元件的刚度系数
锅炉烟、风道各段压力、通风空调系统各段压力的测量。
某些介质的隔离液
●液柱压力计安装位置应避开过热、过冷和有震动 的地方。
●由于液体的毛细现象，在读取压力值时，视线应 在液柱面上，观察水时应看凹面处，观察水银面时 应看凸面处。
单管式压力计
原理：大容器中封液的减少等于管 中封液的增加
h2f=h1A （f,A,分别为管子截面积和大容器 的截面积)
波纹管是一种轴对 称的管状波纹薄壳， 受到轴向作用力时， 在其线性特性内能 产生较大的位移。 波纹管可分为两类： 无缝波纹管，有缝 波纹管
4、电气式压力计
电气式压力计的原理
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。 通常把将弹性元件 感受到的位移变化转换为与压力相对应的电信 号输出。
霍尔效应：将一个半导体薄片放置在一磁场B中 ，在薄片两端垂直于磁场方向通以电流I，则在垂直 于磁场和电流方向薄片的另外两侧会产生一个电势 UH，此电势的大小与电流、磁场强度成正比，这种 现象称霍尔效应。
B
UH I
霍尔效应原 理
霍尔元件是一 种四端元件
霍尔电势的大小与半导体材料、所通过的电流， 磁感应强度以及霍尔片的的几何尺寸等因素有关。
压力单位
工程上的“压力”与力学中的“压力”不表 示同一个概念。
二、测压仪表
1643年，意大利人托里拆利首先测定标准 的大气压力值为760毫米汞柱，奠定了液柱式 压力测量仪表的基础。1847年，法国人波登制 成波登管压力表，由于结构简单、实用，很快 在工业中获得广泛应用，一直是常用的压力测 量仪表。
●弹簧管压力计特点
结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、 价格低廉、测量范围宽及有足够的精确度。可实现 压力的记录、远传、信号报警和自动控制等。是工 业上应用最广泛的测压仪表。
●弹簧管压力计使用安装中注意事项
（1）仪表应工作在正常允许的压力范围内，在 静压力下一般不应超过测量上限的70%，在波动压 力时，不应超过测量上限的60%；
金属导体在外界力的作用下产生机械应变
时，其几何尺寸和电阻率都要发生变化，从 而引起导体电阻值发生变化的现象，称为金 属的电阻应变效应。
原理演示
金属丝受拉时，l变 长、r 变小，导致R 变大 。
金属丝式应变片的内部结构
箔式应变片的外形
WFXB悬臂式张力传感器(WFXB)
利用金属或半导体材料制成的电阻体的阻值可表示为：R l
UH = RH B I 电流强度
霍尔电势
霍尔常数
磁感应强度
霍尔片式压力传感器组成
霍尔片压力传感器主要由两个部分组成：一部分 是感受压力的弹性元件及固定在弹性元件自由端上 的霍尔元件；另一部分是产生非均匀磁场（线性梯 度磁场）的磁极组。
磁钢
弹簧管
UH = RH B I
霍尔片
二、应片式压力传感器
应变式压力传感器的组成 应变式压力传感器由弹性元件、电阻应变片和
Px=ρgh 式中：ρ---工作液体的密度（kg/m3）；
g---重力加速度（m/s2）。
如果被测介质是液体，平衡时还要考虑被测介 质的密度，被测压力为
Px=h(ρ-ρx)g
式中： ρx---被测介质的密度（kg/m3）
液柱式压力计的特点
结构简单、使用方便、价格便宜，在一定 的条件下比较容易得到较高的精度，目前还有 广泛的用途。但是由于它不能测量较高的压力， 也不能进行自动的指示和记录，所以它的应用 范围受到限制。一般可作为实验室中低压的精 密测量方法以及用于仪表的检定校验。
（8）测量爆炸、腐蚀、有毒气体的压力时，应使用 特殊的仪表，氧气压力表严禁接触油类，以免爆炸；
（9) 仪表必须定期校验，合格的表才能使用。
膜式压力计精度等级一般为2.5级，是用于生产过程的 工业仪表。膜盒压力表测量范围一般在一40000～ 40000Pa；膜片适用于真空或0－6x106Pa。
波纹管
S~ P
式中 A——弹性元件承受压力的有效面积 P——被测压力
弹簧管压力表
●弹簧管压力表的工作原理
弹簧管压力表 主要由弹簧管、 齿轮传动机构、 指示装置（指针 和分度盘）以及 外壳等几个部分 组成
刻度盘 游丝
弹簧管压力表
接头
中心齿轮 弹簧管 指针 扇形齿轮
拉杆
调整螺钉
电接点压力表
124 35
~
二十世纪上半叶出现了远传压力表和电接 点压力表，从而解决了压力测量值的远距离传 送和压力的报警、控制等问题。60年代以后， 为适应工业控制、航空工业和医学测试等方面 的要求，压力测量仪表日益向体积轻巧、耐高 温、耐冲击、耐振动和数字显示等方向发展。
工业压力表的分类
根据敏感元件和转换原理的不同，一般分为四类：
S 当电阻体受外力作用时，电阻体的长度、截面积或电阻率会发生变化， 即其阻值也会发生变化。这种因尺寸变化引起阻值变化称为应变效应。
应变片多以金属材料为主，一般和弹性元件一起使用。
r1
r2
1
2
P
3
(a)传感器 1－外壳 2－弹性筒 3－膜片
应图变中筒应的变上片端r1、与r外2的壳静固态定性在能一完起全，下
液柱式压力计使用注意事项
Ø 为减小毛细现象，U型管的内径一般为5-20mm, 内径最好不小于 10mm
Ø 使用时保持垂直 Ø 减小两次读数误差，读数时眼睛与液面平齐，以封液弯月面顶部切
线为准读取液面高度。 Ø 应选择密度小的封液，以增大左右管液体的高度差，减小读数误差
。（水，汞，四氯化碳） Ø 常用于低压、负压或压力差的检测,广泛用于实验室压力测量或现场
第五章 压力检测及仪表
主讲人：王海军
一、压力的基本概念
垂直而均匀地作用在单位面积上的力
F S
式中 Ｐ——压力（Pa） Ｆ——均匀垂直作用力（N） Ｓ——受力面积（m2）
单位: 牛顿/米2（N/m2），简称“帕”，用符号“Pa”
压力的表示与单位
பைடு நூலகம்绝对压 力
压力的表示
• 绝对压力
表压 标准大气压 真空度
(1) 液柱式压力检测 一般采用充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管进行测量。
(2) 弹性式压力检测 根据弹性元件受力变形的位移进行测量。 弹簧管/膜片/波纹管
(3) 电气式压力检测 利用敏感元件将被测压力转换成电量进行测量的。电势、电阻。
(4) 活塞式压力检测 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 加平衡砝码的质量来进行测量。 测量精度很高，允许误差可以小到0.05％～0.02％。 标准仪表。
测量电路三部分组成。
压力
压力-位移型 F 力-应变型弹 ε
弹性元件
性元件
应变片
R R 测量电桥
U,I 显示仪表
应变式压力传感器的原理
应变片式压力传感器是利用电阻应变原理构成 的。被测压力引起弹性元件应变，通过粘贴在弹性 元件上电阻应变片将应变转换为电阻值的变化，最 后通过测量电路把电阻值变化成电压或电流的变化。
U ( 1
r0 r1
)E
r1 r2
E
2r0 r1 r2
r1
r2
E
P
2 r0 r1 r0 r2
4r0 2r1 2r2
4r0
结论由：此可应变见片，式由压压检力测仪作表用具时有，较r大1和的r测2一量范减围一，增被，测使压电力可桥达有几较大
百M的Pa输，并出具；有当良环好境的动温态度性发能生，变适用化于时快，速r变1、化r的2同压时力增测量减。，但不是影，响