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壓力是工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)之一。在許多生產(chǎn)過程中，要求系統(tǒng)只有在一定的壓力條件下工作，才能達(dá)到預(yù)期效果，同時(shí)，壓力也是監(jiān)控安全生產(chǎn)的保證。因此，壓力檢測(cè)與控制是保證工業(yè)生產(chǎn)過程經(jīng)濟(jì)性和安全性的重要環(huán)節(jié)。
壓力常識(shí)
由于參照點(diǎn)不同，在工程技術(shù)中壓力分為以下幾種：
大氣壓：地球表面上的空氣質(zhì)量所產(chǎn)生的壓力。它和所處的海拔高度、緯度及氣象狀況有關(guān)。
差壓（壓差）：兩個(gè)壓力之間的相對(duì)差值。
壓力：壓力是相對(duì)零壓力（真空）而言的壓力。
表壓力（相對(duì)壓力）：如果壓力和大氣壓的差值是一個(gè)正值，那么這個(gè)正值就是表壓力，即表壓力=壓力-大氣壓>0。
負(fù)壓（真空表壓力）：和“表壓力“相對(duì)應(yīng)，如果壓力和大氣壓的差值是一個(gè)負(fù)值，那么這個(gè)負(fù)值就是負(fù)壓力，即負(fù)壓力=壓力-大氣壓<0。
在工程上，按壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系分為以下兩類：
1、靜態(tài)壓力：一般理解為“不隨時(shí)間變化的壓力，或者是隨時(shí)間變化較緩慢的壓力，即在流體中不受流速影響而測(cè)得的表壓力值"。
2、動(dòng)態(tài)壓力：和“靜態(tài)壓力"相對(duì)應(yīng)，“隨時(shí)間快速變化的壓力，即動(dòng)壓是指單位體積的流體所具有的動(dòng)能大小。"通常用1/2ρν2計(jì)算。式中ρ為流體密度；v為流體運(yùn)動(dòng)速度。"
壓力單位換算關(guān)系見下表：
牛頓/米2 | 公斤力/米2 | 公斤力/厘米2 | 巴 | 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 | 毫米水柱 | 毫米水銀柱 | 磅/英寸2 | |
牛頓/米2 | 1 | 0.101972 | 10.1972×10-6 | 1×10-5 | 0.986923×10-5 | 0.101972 | 7.50062×10-3 | 145.038×10-6 |
公斤力/米2 | 9.80665 | 1 | 1×10-4 | 9.80665×10-5 | 9.67841×10-5 | 1×10-8 | 0.0735559 | 0.00142233 |
公斤力/厘米2 | 98.0665×103 | 1×104 | 1 | 0.980665 | 0.967841 | 10×103 | 735.559 | 14.2233 |
巴 | 1×105 | 10197.2 | 1.01972 | 1 | 0.986923 | 10.1972×103 | 750.061 | 14.5038 |
標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 | 1.01325×105 | 10332.3 | 1.03323 | 1.01325 | 1 | 10.3323×103 | 760 | 14.6959 |
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 | 1.42233×10-3 |
毫米水銀柱 | 133.322 | 13.5951 | 0.00135951 | 0.00133322 | 0.00131579 | 13.5951 | 1 | 0.0193368 |
磅/英寸2 | 6.89476×103 | 703.072 | 0.0703072 | 0.0689476 | 0.0680462 | 703.072 | 51.7151 | 1 |
常見壓力儀表及工作原理
1、液柱式壓力計(jì)
液柱式壓力計(jì)是基于液體靜力學(xué)的原理工作的，用于測(cè)量小于200KPa以下的壓力、負(fù)壓或壓差。常用的液柱式壓力計(jì)有U型壓力計(jì)，單管壓力計(jì)和斜管壓力計(jì)。根據(jù)所測(cè)壓力的范圍及使用要求，液柱式壓力計(jì)一般采用水銀、水、酒精、*、甘油等為工作液。液柱式壓力計(jì)既可用于工業(yè)測(cè)量、實(shí)驗(yàn)室儀器，也可作為標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)來檢驗(yàn)其它壓力儀表。
液柱高度和壓力的換算關(guān)系：
P=ρgh N/m2
式中 ρ——液體密度，kg/m3；
h——液體高度，m；
g——重力加速度，m/s2（標(biāo)準(zhǔn)重力加速度ρ=980.665cm/s2）。
液柱式壓力計(jì)計(jì)算標(biāo)尺的zui小分格一般為1mm，較精密的分格有0.5mm。
U型管壓力計(jì)液柱高度誤差估計(jì)為±1mm，則其zui大的誤差可能達(dá)2mm，其原因在于用U型壓力計(jì)是要進(jìn)行2次讀數(shù)；單管壓力計(jì)則讀數(shù)誤差可以減小一半，其原因是使用單管壓力計(jì)時(shí)讀數(shù)只需讀一次。
在液柱式壓力計(jì)中考慮封液在管內(nèi)的毛細(xì)現(xiàn)象，因此細(xì)管內(nèi)徑不要小于6~10mm。液柱式壓力計(jì)讀數(shù)時(shí)，為了減少視差，須正確讀取液面位置，如用浸潤(rùn)液體（如水）時(shí)須讀其凹面的zui低位，用非浸潤(rùn)液體（如水銀）時(shí)須讀其凸面的zui高位。U型管壓力計(jì)和單管壓力計(jì)的結(jié)構(gòu)形式如下：
使用單管壓力計(jì)測(cè)量壓力高于大氣壓的壓力時(shí)，被測(cè)壓力引入單管壓力計(jì)的盅型容器中；當(dāng)被測(cè)壓力低于大氣壓時(shí)，壓力引入單管壓力計(jì)的單管中。
在精密壓力測(cè)量時(shí)，一般采用直徑較小的玻璃U形管，工作液通常用酒精或甲苯，而不用水，因?yàn)樗拿?xì)作用會(huì)造成大的測(cè)量誤差。
2、活塞式壓力計(jì)
活塞式壓力計(jì)是基于靜壓平衡的原理工作的，一般有單活塞和雙活塞兩種?；钊麎毫τ?jì)根據(jù)其精度分為一等、二等、三等，精度等級(jí)誤差分別為0.02級(jí)，0.05級(jí)，0.2級(jí)。活塞的有效面積一般取1cm2、0.5cm2或0.1cm2。傳壓介質(zhì)常用的有變壓器油。
活塞壓力計(jì)的工作原理:
活塞壓力計(jì)的結(jié)構(gòu)原理如圖所示，它由測(cè)量部份和壓力發(fā)生部分組成，工作時(shí)，手輪1向前轉(zhuǎn)動(dòng)，使工作活塞2擠壓油液，并把壓力傳遞給測(cè)量活塞4。當(dāng)活塞4下端因壓力P作用所產(chǎn)生的向上頂?shù)牧突钊旧怼⑼斜P及加在上面的砝碼的重力相平衡時(shí)，活塞4就穩(wěn)在某一平衡位置。此時(shí)的平衡關(guān)系式為：
m、m0——分別為砝碼盒測(cè)量活塞（含托盤）的質(zhì)量；
g——重力加速度。
如果針型閥6活8上面裝備校壓力表，則當(dāng)平衡時(shí)有所加砝碼的數(shù)值上，便可知道被校表的誤差。
活塞式檢驗(yàn)壓力表的操作步驟：
校驗(yàn)前，先把壓力計(jì)上的水平泡的氣泡調(diào)到中心位置，然后檢查油路是否暢通，若無問題，便可裝上被校壓力，其操作步驟如下：
（1）打開油杯閥門7，左旋手輪1，使壓力泵油缸充滿油液。
（2）關(guān)閉閥門7，打開針型閥3、6。右旋手輪，產(chǎn)生初壓使托盤托起，直到與定位指示筒的墨線刻度相齊為止。
（3)右旋手輪，同時(shí)增加砝碼數(shù)量，增加砝碼時(shí)需用手輕輕拔動(dòng)砝碼（轉(zhuǎn)速在30~120轉(zhuǎn)/分），借以克服摩擦阻力的影響，保證測(cè)量準(zhǔn)確性。
（4）校驗(yàn)完畢，左旋手輪，逐步卸去砝碼，zui后打開油杯閥門，卸去全部砝碼。
用活塞壓力計(jì)校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)彈簧管壓力表時(shí)，加取砝碼都應(yīng)平取平放，并應(yīng)上下對(duì)齊。讀數(shù)時(shí)，為減少測(cè)量活塞和活塞柱之間的靜摩擦而造成的誤差，必須使測(cè)量活塞和砝碼保持一定的旋轉(zhuǎn)度。
壓力效驗(yàn)儀只有壓力發(fā)生部分，沒有砝碼等測(cè)量部分。它是作為壓力泵用來校驗(yàn)一般壓力表的，方法是在它上面裝二塊壓力表，一塊是標(biāo)準(zhǔn)表，一塊是被校表，利用標(biāo)準(zhǔn)表來校驗(yàn)被校表的誤差。而活塞壓力計(jì)也是用來校驗(yàn)壓力表的，但它校的不是一般壓力表，而主要是精密壓力表。它除了有壓力發(fā)生部分，還有活塞、托盤、水準(zhǔn)泡等壓力測(cè)量部分。它是一砝碼的多少來校驗(yàn)被校表的，所它不應(yīng)裝標(biāo)準(zhǔn)壓力表。活塞壓力計(jì)上砝碼標(biāo)的是壓力。
在校驗(yàn)氧氣壓力表前應(yīng)首先檢查表內(nèi)有無油脂。檢查方法是先將純凈的溫水注入彈簧管內(nèi)，經(jīng)過搖蕩，再將水倒入盛有清水的器皿內(nèi)。如水面上沒有彩色的油影，即可以認(rèn)為沒有油脂。校驗(yàn)時(shí)應(yīng)使用油水隔離裝置，用水將油分離開，防止油脂進(jìn)入彈簧管內(nèi)，同時(shí)也要用校驗(yàn)設(shè)備和工具。如果發(fā)現(xiàn)校驗(yàn)設(shè)備或根據(jù)上有油污，可以用*進(jìn)行清洗。
3、彈性式壓力計(jì)
彈性式壓力計(jì)有彈簧管式、膜片式、膜盒式和波紋管式等；
工業(yè)上常用的彈性測(cè)壓元件有彈簧管、波紋管及膜片三類。
彈性式壓力計(jì)是根據(jù)彈性元件的變形和所受壓力成比例的原理來工作的。當(dāng)作用于彈性元件上的被測(cè)壓力越大時(shí)，彈性元件的變形也越大。常用的彈性式壓力表有彈簧管式壓力表、膜片式壓力表、波紋管式壓力表，其中彈簧管式壓力運(yùn)用zui廣。
彈性元件的鋼度就是指彈性元件變形的難易程度。鋼度大的彈簧管受壓變形后形變小。用不銹鋼、合金鋼制作的鋼度大，一般用來測(cè)量大于20MPa以上壓力；磷銅、黃銅制作的鋼度小，一般測(cè)量小于20MPa以下的壓力。
彈簧壓力表一般由彈簧管、連接桿、扇形齒輪、游絲、指針和刻度盤等幾部分組成。
彈簧管壓力表中彈簧管都是由一根彎成270°圓弧狀、截面呈橢圓形的金屬管制成。因?yàn)闄E圓形截面在介質(zhì)壓力的作用下將趨向圓形，使彎成圓弧形的彈簧管隨之產(chǎn)生向外挺直擴(kuò)張的變形，使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，并通過連接帶動(dòng)扇形齒輪進(jìn)行放大，帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，指針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和壓力程線性關(guān)系，這樣就通過刻度盤讀出被測(cè)壓力的大小。游絲的作用是產(chǎn)生一個(gè)反作用力。
膜片式壓力表一般由測(cè)量膜片、傳動(dòng)系統(tǒng)、指示系統(tǒng)和表殼接頭幾部分組成。
在彈性式壓力表型號(hào)中，常用漢語拼音的*個(gè)字母表示某種意義，如Y表示壓力，Z表示真空（阻尼），B表示標(biāo)準(zhǔn)（防爆），J表示精密（矩形），A表示氨壓力表，X表示信號(hào)（電接點(diǎn)），P表示膜片，E表示膜盒，后面的數(shù)字表示表面尺寸（mm），尺寸后的符號(hào)表示結(jié)構(gòu)或配接儀表。
如：Y100ZQ表示壓力表，表面尺寸為100mm，并且結(jié)構(gòu)為軸向帶前邊；
Y100T表示壓力表，表面尺寸為100mm，并且結(jié)構(gòu)為徑向帶后邊；
YB-160A（B、C）表示標(biāo)準(zhǔn)壓力表，表面尺寸為160mm，并且結(jié)構(gòu)為徑向，并且儀表零點(diǎn)克調(diào)（A——表示儀表零點(diǎn)可調(diào)；B——表示儀表帶有鏡面；C——表示帶鏡面且零點(diǎn)克調(diào)）。
壓力表的讀數(shù)方法：
（1）首先應(yīng)確定儀表的有效數(shù)字位數(shù)。按儀表讀數(shù)的一般要求，應(yīng)估讀到zui小分度的1/10，即有效數(shù)字位數(shù)=zui小分度值位數(shù)+1。
（2）根據(jù)zui小分度值的形式估讀其末位數(shù)。
zui小分度值A(chǔ)=αX10n A=1，2，5
N為正、負(fù)整數(shù)或零。
當(dāng)α=1時(shí)，末位數(shù)可以是0~9中的任何一個(gè)數(shù)。
α=2時(shí)，末位數(shù)是2、4、6、8、0。
α=5時(shí)，末位數(shù)是5或0。
如1塊0~1MPa，0.4級(jí)精密壓力表，分格總數(shù)200格讀數(shù)方法是：
首先算出zui小分度值為：1MPA÷200=0.005MPa/格；因此，其有效位數(shù)就為小數(shù)點(diǎn)后第4位，末位數(shù)字應(yīng)讀作5或零。讀數(shù)方法是當(dāng)指針指示在zui小分度值的1/10、3/10、5/10、7/10、9/10是，末位應(yīng)讀5；而當(dāng)指在2/10、4/10、6/10、8/10時(shí)，末位應(yīng)讀零。
又如一塊0~6MPa，0.4級(jí)精密壓力表，分格總數(shù)300格的讀數(shù)方法：
首先算出zui小分度值：6÷300=0.02MPa/格，因此，其有效位數(shù)就是小數(shù)點(diǎn)后第3位，末位數(shù)字讀作偶數(shù)，即2、4、6、8，不應(yīng)出現(xiàn)奇數(shù)。
選擇使用彈性式壓力表時(shí)，在測(cè)穩(wěn)定壓力時(shí)，zui大壓力值不應(yīng)超過滿量程的3/4；測(cè)波動(dòng)壓力時(shí)，zui大壓力值應(yīng)不超過滿量程的2/3。zui低測(cè)量壓力值應(yīng)不低于全量程的1/3。
4、電遠(yuǎn)傳式壓力表
當(dāng)需要遠(yuǎn)傳壓力信號(hào)時(shí)，為了安全、方便和減少延遲時(shí)，廣泛采用把就地壓力計(jì)彈性元件的位移或力變化量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該儀表的測(cè)量范圍較廣，分別可測(cè)7×10-5Pa至5×102MPa的壓力，允許誤差可至0.2％；由于可以遠(yuǎn)距離傳送信號(hào)，所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中可以實(shí)現(xiàn)壓力自動(dòng)控制和報(bào)警，并可與工業(yè)控制機(jī)聯(lián)用。
由壓力傳感器、測(cè)量電路和信號(hào)處理裝置所組成。常用的信號(hào)處理裝置有指示儀、記錄儀以及控制器、微處理機(jī)等。
5、霍爾片式壓力傳感器
霍爾片式壓力傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的，即利用霍爾元件將由壓力所引起的彈性元件的位移轉(zhuǎn)換成霍爾電勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量。
式中，UH為霍爾電勢(shì)；RH為霍爾常數(shù)，與霍爾片材料、幾何形狀有關(guān)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；I為控制電流的大小?；魻栯妱?shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流成正比。提高B和I值可增大霍爾電勢(shì)UH，但兩者都有一定限度，一般I為3～20mA，B約為幾千高斯，所得的霍爾電勢(shì)UH約為幾十毫伏數(shù)量級(jí)。導(dǎo)體也有霍爾效應(yīng)，不過它們的霍爾電勢(shì)遠(yuǎn)比半導(dǎo)體的霍爾電勢(shì)小得多。將霍爾元件與彈簧管配合，就組成了霍爾片式彈簧管壓力傳感器，如圖所示：
當(dāng)被測(cè)壓力引入后，在被測(cè)壓力作用下，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，因而改變了霍爾片在非均勻磁場(chǎng)中的位置，使所產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)與被測(cè)壓力成比例。利用這一電勢(shì)即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離顯示和自動(dòng)控制。
6、應(yīng)變片壓力傳感器
應(yīng)變片壓力傳感器是把壓力的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化進(jìn)行測(cè)量的。應(yīng)變片是金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻體，其阻值隨壓力所產(chǎn)生的應(yīng)變而變化對(duì)于金屬導(dǎo)體，電阻變化率 的表達(dá)式為：
式中：μ——材料的泊松系數(shù)；
ε——應(yīng)變量。
應(yīng)變式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖所示：
從圖中可以看出：應(yīng)變筒的上端與外殼2固在一起，下邊與密封膜片3緊密接觸，兩片康銅絲應(yīng)變片R1和R2用特殊膠合劑貼在應(yīng)變筒的外壁上。R1沿應(yīng)變筒軸向粘貼作為測(cè)量片，R2沿應(yīng)變筒徑向粘貼作為溫度補(bǔ)償片。應(yīng)變片與筒體之間不能產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，并且要保持電氣絕緣。當(dāng)被測(cè)壓力P作用于膜片而使應(yīng)變筒作軸向受壓時(shí)，沿軸向貼置的應(yīng)變片R1也將產(chǎn)生軸向壓縮應(yīng)變?chǔ)?，于是R1的阻值變??；而沿徑向貼放的應(yīng)變片R2，由于應(yīng)變筒的徑向產(chǎn)生了拉伸變形，也將產(chǎn)生拉伸應(yīng)變?chǔ)?，于是R2阻值變大。應(yīng)變片R1、R2與另外兩個(gè)固定電阻R3、R4組成一個(gè)橋式電路（見圖b），由于R1和R2的阻值變化使橋路失去平衡，從而獲得不平衡電壓作為傳感器輸出信號(hào)。
7、 壓阻式壓力傳感器
壓阻式壓力傳感器利用單晶硅的壓阻效應(yīng)而構(gòu)成。采用單晶硅片為彈性元件，在單晶硅膜片上利用集成電路的工藝，在單晶硅的特定方向擴(kuò)散一組等值電阻，并將電阻接成橋路，單晶硅片置于傳感器腔內(nèi)。當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)，單晶硅產(chǎn)生應(yīng)變，使直接擴(kuò)散在上面的應(yīng)變電阻產(chǎn)生與被測(cè)壓力成比例的變化，再由橋式電路獲得相應(yīng)的電壓輸出信號(hào)。
8、力矩平衡式壓力變送器
力矩平衡式壓力變送器是一種典型的自平衡檢測(cè)儀表，它利用負(fù)反饋的工作原理克服元件材料、加工工藝等不利因素的影響，使儀表具有較高的測(cè)量精度（一般為0.5級(jí)）、工作穩(wěn)定可靠、線性好、不靈敏區(qū)小等一系列優(yōu)點(diǎn)。
該變送器是按力矩平衡原理工作的。根據(jù)主、副杠桿的平衡條件可以推導(dǎo)出被測(cè)壓力p與輸出信號(hào)I0的關(guān)系。
9、電容式壓力變送器
電容式壓力變送器是一種開環(huán)檢測(cè)儀表，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、過載能力強(qiáng)、可靠性好、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，其輸出信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA（DC）電流信號(hào)。
原理圖如下：
1—隔離膜片；2，7—固定電極；3—硅油；4—測(cè)量膜片；5—玻璃層；6—底座；8—引線
電容式差壓變送器的結(jié)構(gòu)可以有效地保護(hù)測(cè)量膜片，當(dāng)差壓過大并超過允許測(cè)量范圍時(shí)，測(cè)量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上，因此不易損壞，過載后的恢復(fù)特性很好，這樣大大提高了過載承受能力。與力矩平衡式相比，電容式?jīng)]有杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而尺寸緊湊，密封性與抗振性好，測(cè)量精度相應(yīng)提高，可達(dá)0.2級(jí)。
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