压力的表示方法压力的表示方法

检测方法的分类检测方法的分类

液柱式压力检测液柱式压力检测

弹性式压力检测弹性式压力检测

电气式压力检测电气式压力检测

智能式压力变送器智能式压力变送器

压力检测仪表的选用和安装压力检测仪表的选用和安装

第第 22 章 压力检测实训章 压力检测实训

三种压力表示方法三种压力表示方法绝对压力 绝对压力 pp

aa

表压力 表压力 pp负压或真空度 负压或真空度 pp

hh

2.1 2.1 压力的表示方法压力的表示方法

pa

绝对压力零线

p

ph

pa

大气压 p0

1.01325×105Pa

绝对压力是指物体所受的实际压力。绝对压力是指物体所受的实际压力。

表压是指一般压力表所测得的压力，它是高于大气压力的绝对压力与大气压力之差，即表压是指一般压力表所测得的压力，它是高于大气压力的绝对压力与大气压力之差，即

0ap p p

真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差，有时也称为负压，即 真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差，有时也称为负压，即

0h ap p p

由于各种工艺设备和检测仪表通常是处于大气之中，本身就承受着大气压力，因此工程由于各种工艺设备和检测仪表通常是处于大气之中，本身就承受着大气压力，因此工程上通常采用表压或者真空度来表示压力的大小，一般的压力检测仪表所指示的压力也是上通常采用表压或者真空度来表示压力的大小，一般的压力检测仪表所指示的压力也是表压或者真空度。表压或者真空度。

除特殊说明之外，以后所提及的压力均指表压。除特殊说明之外，以后所提及的压力均指表压。

压力单位换算表 行 : 为 B列 : 为 A

牛顿 / 米 2 公斤力 / 米 2 公斤力 / 厘米 2 巴 标准大气压 毫米水柱 毫米水银柱 磅 / 英寸 2

(N/m2)(Pa) (kgf/m2) (kgf/cm2) (bar) (atm) 4℃ (mmH2O) 0℃ (mmHg) (lb/in2,psi)

牛顿 / 米 2

10.101972

10.1972×10-6 1×10-5 0.986923

×10-5

0.101972

7.50062×10-3

145.038×10-6(N/m2)(Pa)

公斤力 / 米 2

9.80665 1 1×10-4 9.80665×10-5

9.67841×10-5 1×10-8 0.073555

90.00142233(kgf/m2)

公斤力 / 厘米 2 98.0665

×103 1×104 1 0.980665 0.967841 10×103 735.559 14.2233(kgf/cm2)

巴1×105 10197.

21.01972 1 0.986923

10.1972×103 750.061 14.5038

(bar)

标准大气压 1.01325×105

10332.3

1.03323 1.01325 110.3323×103 760 14.6959

(atm)

毫米水柱0.101972

1×10-8 1×10-4 9.80665×10-5

9.67841×10-5 1

73.5559×10-3

1.42233×10-34℃

(mmH2O)

毫米水银柱133.322

13.5951

0.00135951

0.00133322

0.00131579

13.5951 10.01933680℃

(mmHg)

磅 / 英寸 2 6.89476×103

703.072

0.0703072

0.0689476

0.0680462

703.072 51.7151 1(lb/in2,psi)

2.2 2.2 压力检测方法的分类压力检测方法的分类

目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多，根据敏感元件和转换原理目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多，根据敏感元件和转换原理

的不同，一般分为四类：的不同，一般分为四类：

(1)(1) 液柱式压力检测液柱式压力检测 一般采用充有水或水银等液体的玻璃一般采用充有水或水银等液体的玻璃 UU 形管或单管进行测量。形管或单管进行测量。

(2)(2) 弹性式压力检测弹性式压力检测 它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移进它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移进行测量的。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。行测量的。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。

(3)(3) 电气式压力检测电气式压力检测 它是利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电量进行测量的它是利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电量进行测量的仪表，如电阻、电荷量等。仪表，如电阻、电荷量等。

(4)(4) 活塞式压力检测活塞式压力检测 它是根据液压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞它是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。面积上所加平衡砝码的质量来进行测量。

活塞式压力计的测量精度较高，允许误差可以小到活塞式压力计的测量精度较高，允许误差可以小到 0.050.05 ％～％～ 0.020.02 ％，它％，它普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行检定。普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行检定。

2.3 2.3 液柱式压力检测液柱式压力检测以液体静力学原理为基础，一般采用水银或水为工以液体静力学原理为基础，一般采用水银或水为工作液，用作液，用 UU 型管进行测量，常用于较低压力、负压型管进行测量，常用于较低压力、负压或压力差的检测。 或压力差的检测。

p1 p2 p1 p2

h

(a) (b)

2 1p p p gh

特点：特点：直观、可靠、准确度较高等直观、可靠、准确度较高等，但，但 UU 形管只能测量形管只能测量较低的压力或差压，为了便于读数，较低的压力或差压，为了便于读数， UU 形管一般是用玻形管一般是用玻璃做成，易破损，另外它只能进行现场指示。 璃做成，易破损，另外它只能进行现场指示。

用用 UU 形管进行压力检测，其误差来源主要有：形管进行压力检测，其误差来源主要有：①① 温度误差——由使用环境温度的变化引起的测量误差，如工作液密度变化。温度误差——由使用环境温度的变化引起的测量误差，如工作液密度变化。 例如例如水水，当温度从，当温度从 10℃10℃ 变到变到 20℃20℃ 时，其密度从时，其密度从 999.8kg/m999.8kg/m33 减小到减小到 998.3kg/m998.3kg/m33 ，，

相对变化量为相对变化量为 0.150.15 ％。％。②② 安装误差——当安装误差——当 UU 形管安装不垂直时将会产生安装误差。例如 若倾斜形管安装不垂直时将会产生安装误差。例如 若倾斜 5°5° ，读数误，读数误

差约差约 0.380.38 ％。 ％。

2.4 2.4 弹性式压力检测弹性式压力检测弹性式压力检测是用弹性元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。弹性式压力检测是用弹性元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。

xp xpxp xp

xp

x x x

x

x

平薄膜 波纹膜 波纹管 单圈弹簧管 多圈弹簧管

膜 片膜 片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但更多的是和其他转换元件受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号；合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号；

波纹管波纹管的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其特点的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（ 1.01.0 ～～ 101066PaPa ），但波纹管），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到迟滞误差较大，精度一般只能达到 1.51.5 级；级；

弹簧管弹簧管结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达微压、低压、中压和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达0.150.15 级。级。

———— 弹簧管和弹簧管压力表弹簧管和弹簧管压力表

横截面呈非圆形（椭圆形或扁圆形），弯成横截面呈非圆形（椭圆形或扁圆形），弯成圆弧状（中心角常为圆弧状（中心角常为 270°270°）的空心管子。）的空心管子。

管子的一端为封闭，另一端为开口。闭口管子的一端为封闭，另一端为开口。闭口端作为自由端，开口端作为固定端。端作为自由端，开口端作为固定端。

被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔，由于弹簧管的非圆横截面，使它有被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔，由于弹簧管的非圆横截面，使它有变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生位移，同时改变其变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生位移，同时改变其中心角。位移量（中心角改变量）和所加压力有如下的函数关系： 中心角。位移量（中心角改变量）和所加压力有如下的函数关系：

22

222

0

)1(1

a

b

bh

R

EP

式中式中 θθ00 为弹簧管中心角的初始角；为弹簧管中心角的初始角； ΔθΔθ 为受压后中心角的改变量；为受压后中心角的改变量； RR 为弹簧管弯曲圆弧的为弹簧管弯曲圆弧的

外半径；外半径； hh为管壁厚度；为管壁厚度； aa、、 bb为弹簧管椭圆形截面的长、短半轴。 为弹簧管椭圆形截面的长、短半轴。

0

P

1 －弹簧管 2 －拉杆 3 －扇形齿轮4 －中心齿轮 5 －指针 6 －－面板

7 －游丝 8 －调节螺钉 9 －接头图 3-6 弹簧管压力表

弹簧管自由端弹簧管自由端 BB 的位移量一般很小，需要的位移量一般很小，需要通过放大机构才能指示出来通过放大机构才能指示出来 ,, 为了加大弹为了加大弹簧管自由端的位移量，也可采用多圈弹簧簧管自由端的位移量，也可采用多圈弹簧管，其原理与单圈弹簧管相似。管，其原理与单圈弹簧管相似。

单圈弹簧管压力表是工业现场使用最普遍单圈弹簧管压力表是工业现场使用最普遍的就地指示式压力检测仪表（也有电接点的就地指示式压力检测仪表（也有电接点输出的弹簧管压力表）输出的弹簧管压力表）

弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉、测量范围宽，可以测量负压、微压、低廉、测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压低压、中压和高压

一般的工业用弹簧管压力表的精度等级为一般的工业用弹簧管压力表的精度等级为 1.51.5 级或级或 2.52.5 级，但根据级，但根据制造的要求，其精度等级最高可达制造的要求，其精度等级最高可达 0.150.15 级。 级。

2.5 2.5 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。

组成：压力传感器 测量电路 信号处理装置

常用电参数有：电阻、电感、电容、电压等。

常见压力传感器有： 霍尔片式压力传感器； 应变式压力传感器； 阻式压力传感器； 力矩平衡式压力传感器； 电容式压力传感器。

应变片式压力压变送器应变片式压力压变送器

利用金属或半导体材料制成的电阻体的阻值可表示为：利用金属或半导体材料制成的电阻体的阻值可表示为： S

lR

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。这种生变化。这种因尺寸变化引起阻值变化因尺寸变化引起阻值变化称为称为应变效应应变效应。。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

3P

(a) 传感器1 －外壳 2 －弹性筒 3 －膜片

应变筒的上端与外壳固定在一起，下端与不锈钢密封膜片应变筒的上端与外壳固定在一起，下端与不锈钢密封膜片 33

紧密接触，应变片紧密接触，应变片 rr11 和和 rr22 用胶合剂贴紧在应变筒的外壁，用胶合剂贴紧在应变筒的外壁，与筒体之间不发生相对滑动。与筒体之间不发生相对滑动。

rr11 沿应变筒轴向贴放，作为测量片；沿应变筒轴向贴放，作为测量片； rr22 沿径向贴放，作为沿径向贴放，作为温度补偿片。温度补偿片。

图中应变片图中应变片 rr11 、、 rr22 的静态性能完全相同。当膜片受到外力的静态性能完全相同。当膜片受到外力

作用时，弹性筒轴向受压，使应变片作用时，弹性筒轴向受压，使应变片 rr11 产生轴向应变，阻产生轴向应变，阻

值变小；而应变片值变小；而应变片 rr22 受到轴向压缩，引起径向拉伸，阻值受到轴向压缩，引起径向拉伸，阻值

变大。实际上，变大。实际上， rr22 的变化量比的变化量比 rr11 的变化量要小，的变化量要小， rr22 的主要的主要作用是温度补偿。作用是温度补偿。

压阻式（扩散硅）压力差压变送器压阻式（扩散硅）压力差压变送器

因电阻率变化引起阻值变化称为压阻效应。半导体材料的压阻效应比较明显。

用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于单晶硅材料纯、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的使用。

测量部分——测量部分——扩散硅压阻传感器扩散硅压阻传感器

——把被测差压ΔP成比例地转换为不平衡电压 US

1. 负压室 2.正压室 3.硅杯

4. 引线 5.硅片

Ri1 Ri2 Ri3 Ri4

测量部分——测量部分——惠斯顿电桥惠斯顿电桥

Ri1 Ri2 Ri3 Ri4 US

Ri1

Ri2

Ri3

Ri4

US

不受压时： Ri1＝ Ri2＝ Ri3＝ Ri4

＝ R

Ri1

Ri2

Ri3

Ri4

压阻式压力传感器的主要优点是体积小，结构简单，其核心部分就是一个既是弹性元件又是压敏元件的单晶硅膜片。扩散电阻的灵敏系数是金属应变片的几十倍，能直接测量出微小的压力变化。

这种传感器的缺点则是扩散电阻存在温度效应，容易受环境温度的影响。

结论：

霍尔效应及霍尔元件霍尔效应

置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。如后图所示，在垂直于外磁场 B 的方向上放置一导电板，导电板通以电流 I ，方向如图所示。导电板中的电流使金属中自由电子在电场作用下做定向运动。此时，每个电子受洛伦兹力 fl 的作用，fl 的大小为 fl=eBv

£« £«£« £« £« £« £« £« £«

£ £ £ £ £ £ £ £

bB

fl

fE

l

I

d

EH

霍尔效应原理图

霍尔电势的计算公式

IBRU HH 式中 , RH 称为霍尔常数。

由上式可见，霍尔电势正比于激励电流、磁感应强度及其

霍尔常数 RH 。为了提高霍尔常数，霍尔元件常制成薄片形状。

目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、 锑化铟等半导

体材料。

几种霍尔式转速传感器的结构

12

43

(a )

12

4 3

(b )

12

4 3

1

2

3

4

(c ) (d )

N S NS

NS

NS

N

SN

SN

S1¡ªÊäÈëÖ᣻

2¡ª×ªÅÌ£»

3¡ªÐ¡´ÅÌú£»

4¡ª»ô¶û´«¸ÐÆ÷

应用实例：

¸ÖÇò

¾øÔµ°å

N

S

´ÅÌú»ô¶û¿ª¹Ø´«¸ÐÆ÷

(a )

AA741£«12 V

SL3051

S

R 1

10 k

22 C 1

R 31 k

R 4470 k

R5

470 k

V cc

¼ÆÊýÆ÷

V2N5812

R2

11 k

(b )

霍尔计数装置的工作示意图及电路

图

电容式差压变送器电容式差压变送器

电容式差压变送器采用差动电容作为检测元件

主要包括测量部件和转换放大电路两部分：

差压电容膜盒

电容 - 电流转换电路

调零、零迁电路

电流放大器

反馈电路

Δp ΔC Ii

If

＋

＋Iz

－

Io

测量部分测量部分 转换放大部分转换放大部分

电容式压力变送器，目前在工业生产中应用非常广泛，其输出信号也是标准 4 ～ 20mADC 电流信号。 电容式压力变送器是先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量的。 电容式差压变送器的原理图可见传感器有左右固定极板，在两个固定极板之间是弹性材料制成的测量膜片，作为电容的中央动极板，在测量膜片两侧的空腔中充满硅油。 电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达 0.2 级。

在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。

特点：可进行远程通信。

2.6 2.6 智能型压力变送智能型压力变送器器

通过编制各种程序，使变送器具有自修正、自补偿、自诊断及错误方式告警等多种功能。

AP-40 放大器分离型压力传感器

AP-40 放大器分离型压力传感器规格参数

主模组 主模组型号 AP-40A

适用的感侧头 AP-41 AP-43 AP-44

反应时间 2.5/5/100/500 ms

分辨率 0.1kPa, 1mmHg 0.1inchHg, 0.001bar

0.001Mpa, 0.01kgf/cm2 0.2Psi,

0.01bar

0.2kPa, 2 mmHg 0.1inchHg, 0.002bar

控制输出 NPN: 最大 100mA (最大 40V), 剩余电压 : 最大 1V 双输出 (可选择N.O./N.C.)

模拟输出 1至 5V

电源 12至 24 VDC ±10%, 起伏 (p-p): 最大 10%

环境温度 0至 50°C (32至 122°F), 无冻结相对湿度 35至 85%, 无凝结抗振性 10至 55Hz, X, Y, 及 Z方向 1.5mm双重振幅，分别 2小时冲击 X, Y, 及 Z方向 100 m/S2，分别 3次

材质 前方外壳：聚酰胺，前方面板： PET, 后方外壳：聚磺胺，线组：耐油橡胶绝缘线缆

2.7 2.7 压力检测仪表的选用和安装压力检测仪表的选用和安装

选用＋安装选用＋安装

其它仪表也基本适用其它仪表也基本适用

———— 压力检测仪表的选用 压力检测仪表的选用

三个方面——三个方面—— 选用时应根据生产工艺选用时应根据生产工艺对压力检测的要求、被测介质对压力检测的要求、被测介质的特性、现场使用的环境等条的特性、现场使用的环境等条件本着节约的原则合理地考虑件本着节约的原则合理地考虑仪表的仪表的量程量程、、精度精度、、类型（材类型（材质）质）等。等。

仪表的量程是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围仪表的量程是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围

关键：关键：根据被测参数的大小来确定，同时必须考虑到被测对象可能发生的异根据被测参数的大小来确定，同时必须考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地。常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地。

测量稳定压力：最大工作压力测量稳定压力：最大工作压力 PPimaximax 不超过上限值不超过上限值 PPmaxmax 的的 2/2/

33

测量脉动压力：最大工作压力测量脉动压力：最大工作压力 PPimaximax 不超过上限值不超过上限值 PPmaxmax 的的 1/1/

22

测量高压压力：最大工作压力测量高压压力：最大工作压力 PPimaximax 不超过上限值不超过上限值 PPmaxmax 的的 3/3/

55

最小工作压力最小工作压力 PPiminimin 不低于上限值不低于上限值 PPmaxmax 的的 1/31/3

在选用仪表量程时，应采用相应规程或者标准中的数值。在选用仪表量程时，应采用相应规程或者标准中的数值。

这只是一个这只是一个一般经验要一般经验要求，不是绝求，不是绝

对的！！对的！！

⑴⑴量程量程

⑵⑵ 仪 表 精仪 表 精度 度

———— 根据生产允许的最大误差来确定，即要求实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际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。基本误差。

———— 在选择时应坚持节约的原则，只要测量精度在选择时应坚持节约的原则，只要测量精度能满足生产的要求，就不必追求用过高精度的能满足生产的要求，就不必追求用过高精度的仪表。仪表。

⑶⑶仪表类型仪表类型正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的前提。主要应考虑以下几个方面的前提。主要应考虑以下几个方面 ::

•仪表的材料仪表的材料

•输出信号类型输出信号类型

•使用环境使用环境

仪表的材料仪表的材料

压力检测压力检测 (( 检测仪表检测仪表 )) 的特点是压力敏感元的特点是压力敏感元件往往要与被测介质直接接触，因此在选择件往往要与被测介质直接接触，因此在选择仪表材料的时候要综合考虑仪表的工作条件。仪表材料的时候要综合考虑仪表的工作条件。 例如：对腐蚀性较强的介质应使用像不锈钢之类例如：对腐蚀性较强的介质应使用像不锈钢之类

的弹性元件或敏感元件；氨用压力表则要求仪表的弹性元件或敏感元件；氨用压力表则要求仪表的材料不允许采用铜或铜合金，因为氨气对铜的的材料不允许采用铜或铜合金，因为氨气对铜的腐蚀性极强；如氧用压力表在结构和材质上可以腐蚀性极强；如氧用压力表在结构和材质上可以与普通压力表完全相同，但要禁油，因为油进入与普通压力表完全相同，但要禁油，因为油进入氧气系统极易引起爆炸。 氧气系统极易引起爆炸。

输出信号类型输出信号类型 只需观察压力变化的只需观察压力变化的，可选如，可选如弹簧管压力表弹簧管压力表、、液柱液柱

式压力计式压力计那样的直接指示型的仪表；那样的直接指示型的仪表； 如需将压力信号远传到控制室或其他电动仪表如需将压力信号远传到控制室或其他电动仪表，则，则

可选用电气式压力检测仪表或其他具有电信号输出可选用电气式压力检测仪表或其他具有电信号输出的仪表；的仪表；

如果要检测快速变化的压力信号如果要检测快速变化的压力信号，则可选用电气式，则可选用电气式压力检测仪表，如压阻式压力传感器；压力检测仪表，如压阻式压力传感器；

如果控制系统要求能进行数字量通信如果控制系统要求能进行数字量通信，则可选用智，则可选用智能式压力检测仪表。 能式压力检测仪表。

使用环境使用环境 对爆炸性较强的环境，在使用电气压力仪表对爆炸性较强的环境，在使用电气压力仪表

时，应选择防爆型压力仪表；对于温度特别时，应选择防爆型压力仪表；对于温度特别高或特别低、环境温度变化大的场合，应选高或特别低、环境温度变化大的场合，应选择使用温度适当、温度系数小小的敏感元件择使用温度适当、温度系数小小的敏感元件以及其他变换元件。以及其他变换元件。

上述选型原则也适用于差压、流量、液位等上述选型原则也适用于差压、流量、液位等其它检测仪表的选型其它检测仪表的选型