压力及压差测量(上)
压力和压差测量-
三、弹性式压力计
弹性压力计是根据弹性元件受到压力作用后，所产 生的变形与压力大小具有一一对应的确定关系的 力平衡原理进行压力测量的。 1）弹性元件是指在受到外力作用时产生变形，而 撤去外力后能够恢复原状的原件。 2）输出特性: 变形位移X与弹性力F、被测压力PX有如下关系: F=f(px) x=f(px)
压力的概念
• 压力 垂直作用在单位面积上的力，或流体中单位面积上承受的 力。物理学上称之为“压强”，俗称“压力”。
绝对压力与表压力之间的关系 表压力=绝对压力-大气压 绝对压力=表压力+大气压
• 1.重力平衡方法
• 常用压力测量方法
• （1）液柱式压力计
•
基于液体静力学原理。被测压力与一定高度的工
电容式压力传感器 测量原理: 将弹性元件的位移转换为电容量的变化。
平行板电容器的电容量:
ε为电容极板间介质的介电常数；A为两平行板相对面积；d 为两平行板间距。
实际测量中，大多采用保持其中两个参数不变，而仅改变 A 或 d 一个参数的方法，把参数的变化转换为电容量的变化。 故有变极距式电容压力传感器和变面积式电容压力传感器。
大家学习辛苦了, 还是要坚持
继续保持安静
一、压力表的选用
压力表的选用应根据使用要求，针对具体情况作具体 分析，我们常见的压力表为弹簧管压力表，除普通弹簧 管压力表之外，还有耐腐蚀的氨用压力表和禁油的氧用 压力表。我们根据以下依据做出种类、型号、量程和精 度等级的选择。
压力、压差测量仪表
6
3 压力、压差测量仪表
3. 负荷式压力检测仪表
原理
基于静力平衡原理进行压力测量
分类
活塞式 浮球式 钟罩式
特点
普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行标定
2008-11-2
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3 压力、压差原理
利用敏感元件将被测压力转换成各种电量，如电阻、 电感、电容、电位差等
优点
具有较好的动态响应 量程范围大 线性好 便于进行压力的自动控制
一、U型管压力计
1.原理
P = P1 − P 2 = ρ g h
（1）可测差压或表压 （2）若提高U型管工作液的密度，则可扩 大仪表量程，但灵敏度降低，即在相同压 力的作用下，h值下降
2. 误差分析
（1）温度误差 刻度标尺长度变化，一般可忽略 工作液密度的变化，应进行适当修正 例如，当水从10℃变化到20℃时，其密度从999.8kg/m2 减 小到998.3 kg/m2，相对变化量为0.15％
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10~102 10-5~10-2 10-2~10-1 10-2~1 10-2~10-1 10~104 10~102 1~102 10~102
膜片 波纹管
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3 压力、压差测量仪表
三、单圈弹簧管压力计
特点
结构简单，使用方便，价格低廉 测压范围宽，为-105~109 Pa 准确度最高可达0.1级
第三章 压力、压差测量仪表
东北大学信息学院 张华
本章主要内容
3.1 概述 3.2 液柱式压力计 3.3 弹性式压力计 3.4 负荷式压力计 3.5 电气式压力计
了解压力检测的基本概念、主要方法和分类 了解各种液柱式压力计的工作原理 了解弹性元件的原理和结构 掌握单圈弹簧管压力计的原理、结构和因素分析 掌握活塞式压力计的原理、结构、误差分析和使用注意事项 了解浮球式压力计 掌握压电式压力计和电阻式压力计的原理、结构和特点 了解弹性振动式压力计和真空度的测量原理 掌握电容式压力变送器的原理、结构和特点 了解电感式和霍尔式压力变送器 了解压力表选择与安装的有关规定 2
压差检测原理
压差检测原理
压差检测原理是基于物质的流动或流体的流动产生的压力差来测量流体流动状态的一种方法。
压力差是流体流动过程中产生的两点之间的压力差异，通常以单位面积上的力的大小来表示。
当流体在管道或通道中流动时，由于管道或通道的几何形状、流速以及流体的黏性等因素的影响，产生了一定的压力差。
压差检测原理主要根据以下两个基本原理进行测量：
1. 流体阻力原理：流体在管道或通道中流动时，会受到管道或通道表面及流体自身的阻力作用，产生一定的压力差。
根据流体的流速、管道或通道的参数以及流体特性，可以计算出流体阻力对应的压力差。
2. 流体静压力原理：当流体静止不动时，流体自身的重力作用会形成静压力。
当流体流动时，流体的动能将转化为流体的压力能，即动压力，该压力被称为动压。
基于这两个原理，可以通过设置压差传感器或压力传感器在管道或通道中的不同位置，测量不同位置的压力差，从而判断流体的流动状态以及其它相关参数，如流速、流量等。
压差检测原理广泛应用于工业自动化、流体控制以及流体力学实验等领域，可对流体流动过程进行监测和控制。
第四章 压力测量
图4-7是单波纹管式 压差计结构原理图。高 压端与波纹管外部的容 器相通，低压端接入波 纹管内部。由于波纹管 外部压力大于内部压力， 波纹管将压缩并带动磁 棒下移。磁棒的移动使 电磁传感器输出相应电 信号，并经放大器放大 后输出。这种压差计最 大工作压力为0.025MPa， 压差测量范围为1000～ 4000Pa。测量精确度为 1.5级。
四、弹性压力计的误差及改善途径
1)采用无迟滞误差或迟滞误差极小的“全弹性” 材料和温度误差很小的“恒弹性”材料制造 弹性元件，如合金Ni42CrTi、Ni36CrTiA是用 得较广泛的恒弹性材料，熔凝石英是较理想 的全弹性材料和恒弹性材料。 2) 采用新的转换技术，减少或取消中间传动机 构，以减少间隙误差和摩擦误差，如电阻应 变转换技术。 3) 限制弹性元件的位移量，采用无干摩擦的弹 性支承或磁悬浮支承等. 4)采用合适的制造工艺，使材料的优良性能得 到充分的发挥。
绝对压力：以绝对真空为计值零点的压力称为绝
对压力 。
相对压力：以环境大气压力为计值零点所得的
压力称为相对压力。各种普通压力表 的指示值都是相对压力，所以相对压 力也称为表压力，简称表压。
真空度：如果容器或管道里的流体比外界环境
大气压力低，表压就为负值，这种情 况下的表压称为真空度，意即接近真 空的程度。
相对压力
大气压 相对压力 真空度 绝对真空
绝对压力
第一节
液柱式压力表
一、液柱式压力表测压原理
液柱式压力表是利用液柱所产生的压力与 被测压力平衡，并根据液柱高度来确定被测压 力大小的压力计。所用液体叫做封液，常用的 有水、酒精、水银等。常用的液柱式压力计有 U型管压力计、单管压力计和斜管微压计。它 们的结构形式如图4-1所示。
实验室压差标准
实验室压差标准在实验室中，压差测量是流体动力学研究、气体分析、压力容器检测等领域里一个非常重要的实验项目。
本文将详细介绍实验室压差标准的各个方面。
1.压差测量原理压差测量是基于流体静力学的基本原理，即静止流体中压力与重力等效。
在两个高度不同的参考点上，测量流体静压之差即可得到压差。
一般情况下，压差测量需要使用压力传感器和高精度压力表等设备。
2.压差计量单位在实验室中，压差的计量单位通常为帕斯卡（Pa）或毫巴（mbar）。
1帕斯卡等于10000毫巴，即1Pa=10000mbar。
同时，常用的工程压力单位为大气压（atm）或巴（bar），1大气压等于101325帕斯卡，即1atm=101325Pa。
3.压差测量仪表实验室中常用的压差测量仪表有压力传感器、差压计、微差压计等。
这些仪表的原理各不相同，如压力传感器基于压电效应，差压计则是利用两个开口容器中气体压力平衡的原理。
使用时需要按照实际情况选择合适的仪表并正确安装。
4.压差标准装置建立压差标准装置需要了解装置的设计原理，选择精度高、稳定性好的压力传感器和数据处理系统。
在装置调试完成后，需要定期进行校准和维护以保证其精度和稳定性。
5.压差测量不确定度压差测量不确定度主要来源于传感器误差、环境干扰、测量方法误差等。
这些误差可以通过对各不确定度来源的统计分析来评估，并使用不确定度传播公式计算总不确定度。
6.压差测量系统实验室压差测量系统主要由压力传感器、数据采集器和计算机组成。
在构建系统时，需要选择精度高、稳定性好的传感器，并配备合适的数据采集器。
同时，要合理设计数据传输和存储方式，以便于对大量数据进行处理和分析。
7.压差校准方法实验室压差校准一般采用标准压力发生器作为标准装置，对被校准仪表进行逐级校准。
首先使用高一级的标准压力发生器产生已知压力值，然后通过级联方式逐渐传递至被校准仪表。
在每个压力级上，对被校准仪表的示值进行比对和修正，最终得到被校准仪表的校准结果。
压力及压差测量
二、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（1.013×105 Pa) 1mmH2O= 9.81 Pa 1mmHg =133 Pa
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过去采用的压力单位“工程大气压力” （kgf/cm2）、“毫米汞柱”（mmHg）、“毫米水 柱”（mmH2O）、“物理大气压”（atm）、“巴” （bar）、“PSI”等均应改成法定计量单位帕。见 教材p96表5-1 1 kgf/cm2 = 0.9807×105Pa 1 mmH2O = 0.9807×10Pa 1 mmHg = 1.332×102Pa 1 atm = 1.01325×105Pa 1 bar=105Pa 1 PSI=6.89×103Pa（Pounds per Square Inch ）
（4）仪表准确度等级的选择
压力检测仪表的准确度主要根据生产允许的最大误差 来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应 小于仪表的基本误差。
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例题：
有一压力容器，压力范围0.40.6MPa，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%.
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3.3.1 活塞式压力计 原理：
是根据流体静力平衡原理工作的，利 用压力作用在活塞上的力与砝码的重力 相平衡的原理设计而成的。如图所示。 主要由压力发生部分和测量部分组成。
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测量 部分
压力发 生部分
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常用校验压力表的标准仪器
－－活塞式压力计
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超高压活塞压力计
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3.3.2使用注意事项
实验七、流体压强及其测量演示实验
流体压强及其测量演示实验一、实验目的1、掌握绝对压强、表压强和真空度之间的区别和联系。
2、掌握流体液柱高度、压头与压强之间的区别和联系。
3、掌握用U 形管测流体压强、压差的方法。
二、基本原理1、 压力定义及表征静止流体所受的外力有质量力和压应力两种，其中在单位面积上所收的压应力称为压强，习惯上又称为静压力。
因为静止流体中任一点不同方向的静压力数值相等，所以静压力只要说明其大小即可，通常用符号p 表示。
在国际单位制（SI ）中，压力的单位是2/N m ，称为帕斯卡Pa ，帕斯卡与其他压力单位之间的换算关系为51.013101(()Pa atm at ⨯=标准大气压)=1.033工程大气压276010.33m m H g m H O== 当使用压力的实际数值来表示压力大小时，称为绝对压力，简称绝压。
另外，因为整个地球都处在大气层的压力下，故压力还可以当地大气压为基准来计量，通常用压力表或真空表测出，称为表压或真空度。
表压或真空度与绝压的关系为表压＝绝压－当地大气压真空度＝当地大气压－绝压在同一地理位置，表压越大，绝压也越大；真空度越大，绝压越小，真空度就高。
而大气压即大气层压力的大小，与经纬度、海拔高度等因素有关，当地大气压可用气压计测得。
2、 测压原理及仪器对于连续、均质且不可压缩流体，流体密度ρ为常数，在静止状态下，有2112()p p g z z ρ=+- 式中1p 、2p 为静止流体任意两点处压强，1z 、2z 为该两点的竖直高度，g 为重力加速度。
将上式两边同除以g ρ，得2112()p p z z g gρρ=+- 式中，1p g ρ、2p gρ有高度单位，称为静压头；相应地，1z 、2z 称为位头。
工程实际中应用静力学原理测量流体压力和压力差相当广泛，液柱压差计就是利用流体静力学原理测量静压力的仪器，主要形式介绍如下。
（1） 单管压力计如图1所示，将一单管与被测压力容器A 相连通，单管另一端通大气，这就构成了单管压力计。
[工程类试卷]压力及压差测试练习试卷1及答案与解析
![[工程类试卷]压力及压差测试练习试卷1及答案与解析](https://img.taocdn.com/s3/m/94c2391bf111f18583d05aa2.png)
（B）可测量瞬时流量
（C）仪表常数应根据被测介质的黏度加以修正
（D）上下游必须有足够的直管段长度
9空调管道系统安装完毕且外观检查合格后，应按设计要求进行水压试验。当设计无规定时，试验压力应符合下列规定( )(P为工作压力)。
（A）P≤1.0MPa时，为1.25p且≥0.6MPa；p＞1.0MPa时，为p+0.5MPa
（C）以窗作为泄压面积
（D）以混凝土作为泄压面积
3关于室内供暖系统的试压，以下论述中错误的是( )。
（A）对低压蒸汽供暖系统，试验压力为系统顶点工作压力的2倍，同时系统底部压力不得小于0.25MPa
（B）对低温热水供暖系统和高压蒸汽供暖系统，试验压力为系统顶点工作压力加0.2MPa，同时系统顶点的试验压力≥0.3MPa
12为了保证弹性式压力计的使用寿命和精度，当测量脉动压力时，正常操作压力应为( )，最高不得超过( )。
（A）测量上限的1/3～1/2量程的3/5
（B）量程的1/3～1/2测量上限的2/3
（C）量程的1/3～2/3测量上限的3/4
（D）量程的1/3～2/3测量上限的3/4
13制冷剂阀门安装前应进行严密性试验，严密性试验的压力为阀门公称压力的( )倍，时间不少于( )。
（D） 
19室内采暖系统安装后的系统压力试验，不正确的是( )(P为系统顶点的工作压力)。
（A）蒸汽、热水采暖系统p+0.1MPa，且不小于0.3MPa
（B）高温热水采暖系统p+0.4MPa
（C）复合管系统p+0.2MPa，且不小于0.3MPa
（D）塑料管系统p+0.2MPa，且不小于0.4MPa
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结构
在常用的1151系列电容式 变送器中，电容式传感部 分又被称为δ室，如图所 示。
δ室为对称结构，有完全 相同的左、右两室。
将玻璃与金属杯体烧结后， 在玻璃上磨出球形凹面， 然后在凹面上蒸镀一层金 属薄膜，构成电容的固定 极板。
图 电容部分传感示意图
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测量膜片焊接在两个杯体之间，成为电容的活动极板。
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图 差动变压器结构
1铁芯；2初级线圈；3次级线圈；4骨架
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差动变压器的工作原理
当铁芯处于线圈中间位置时，由于初级线圈与上下两端次级 线圈的耦合情况相同，两端次级线圈的感应电势e1和e2大小 相等。又由于次级线圈反相串联，故e1和e2相位相反，所以 总的输出电势为0。
当铁芯偏离中间位置时，输出一交流电势u，其大小取决于 铁芯位置偏移中间位置的大小，而相位取决于铁芯处于中间 位置以上还是以下，因此也决定了与初级线圈的输入电势是 同相还是反相。
杯体外侧焊上隔离膜片，在两室的空腔中充满硅油（或 氟油）以便传递压力。
当被测压力作用于隔离膜 片时，通过硅油使测量膜 片产生与压力成正比的位 移，从而改变了可动极板 与固定极板间的距离，引 起电容变化，此电容变化 通过引线传给测量电路。 为了提高灵敏度和改善非 线性可采用差动式结构。
图 电容部分传感示意图
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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第二部分
压力信号的电变送方法
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引言
目前，一般将能够感受压力（差压）并按一定 规律将压力（差压）转换成同种或别种性质的 输出变量的仪表，称为压力传感器。 输出为标准信号的传感器也称为变送器。 由于电信号传送方便，易于处理，大多数压力 传感器以电量的形式输出。
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一、电位器式压力传感器
2
压力常用的基本单位
压力单位
1Pa 1kgf/cm^2 1mmH2O 1mmHg 1mbar 1atm
Pa
1 9.806*10^ 4 9.806 133.3 100 10.13*10^ 4
Kgf/cm^2 mmH2O
1.02*10^(- 0.102 5) 1 10^(-4) 10^4 1
mmHg
实验证明铁芯在一定范围内的位移与输出电势大小的关系是 线性的。
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差动变压器的注意事项
供电电流将受到线圈发热的限制，特别是在低频恒压供电情况 下，初级线圈发热所引起电阻值变化会造成电流的变化，使输 出漂移。故初级线圈宜采用恒流供电。 由于铁芯等处涡流损失，供电频率不宜太高使得灵敏度下降。 由于谐波分量的存在，实际上两端次级线圈对称也不能保证铁 芯处于中间位置时输出为零。另外由于两线圈的电容不可能完 全相同，所以两个次级线圈的相位差不可能正好是180。故在 使用中应对这种残存电势加以限制，一般不超过最大输出电势 的0.5％。
7.501*10^ (-3) 735.56 7.3556*10 ^(-2) 1 0.7501 760
mbar
10^(-2) 980.6 9.806*10^ (-2) 1.333 1 1013
atm
9.87*10^(-6) 0.9678 0.9678*10^(-4) 1.1316*10^(-3) 9.87*10^(-4) 1
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二、 电感式压力（差压）传感器
工作原理：弹性元件受压力作用后产生的位移 可改变磁路中空气隙大小，或改变铁芯与线圈 之间的相对位置，使得线圈的电感量发生改变， 从而使压力变化的信号转换为线圈电感量变化 的信号。
根据这种原理构成的压力传感器形式很多，其 中以差动变压器式应用最广泛，如下页图所示。
热工测量仪表
压力及差压测量
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压力测量的意义
压力是工质热力状态的主要参数之一。热力发 电厂中需要测量压力和差压的地方很多，待测 压力范围很宽，约从1KPa到24MPa。
保证压力测量的准确性对于机组安全、经济运 行具有重要意义。例如：给水压力、主蒸汽压 力、凝汽器真空、各处的油压和烟风道压力等， 都是运行中需要经常监视的重要参数。 此外，差压测量还用于液位和流量的测量中。
真空度：表压低于大气压力的表压力的绝对值。
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压力测量的分类
依据测压原理不同，分为：
1. 利用重力与被测压力平衡测压力 (平衡法 )：如 液柱式压力计和活塞式压力计 2. 利用弹性力和被测压力平衡测压力 (变形法 或 弹 性法)：如弹性式压力计 3. 利用物质其它与压力有关的物理性质测压力： 如半导体压阻式传感器和压电式传感器 (电气法)。
在测量波动压力时，所选频率至少要比压力波动的频率高10倍。
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三、 电容式压力（差压）变送器
电容式压力（差压）变送器的基本工作原理： 电容式 压力变送器中，以测压弹性膜片为电容器的可动极板， 它与固定极板之间形成一可变电容。随被测压力变化， 膜片产生位移，使电容器的可动极板与固定极板之间 的距离改变，从而改变了电容器的电容量，这样就完 成了压力信号与电容量之间的变换。 将激励电压加于电容器，产生的交变电流经整流、控 制、放大，输出4—20mA直流电流。
13.6*10^(- 13.6 4) 0.102*10^ (-2) 1.033 10.2 10.13*10^ 4
表中mmH2O值是按水温4摄氏度和重力加速度9.80665m/s^2为计算，mmHg 3 值是按水银温度为0摄氏度和重力加速度为9.80665m/s^2计算
压力测量中的常用概念
计示压力（表压力）：工程上压力计的指示值，是 被测绝对压力与当地大气压力之差 (可正可负)。 绝对压力：真实压力 相对压力（压差）（可正可负） 正压：压力测量与差压测量 负压：压力测量与差压测量
电位器式压力传感器的原理是：把测压弹性元件的输 出位移转换成微型电位器滑动触点的位移，从而把被 测压力的变化转换成电阻值的变化，然后用动圈式仪 表或电子自动平衡电桥来测量电阻值的变化。 由于存在滑动摩擦阻力（一般希望滑动触点在电位器 上的滑动力矩小于0.25g*cm），以及电位器易磨损、 污染等问题，因此这种电位器式压力变送器在有振动 和有腐蚀性气氛的环境中不宜采用。