第一節(jié)參數(shù)檢測的一般方法和原理一、自然規(guī)律守恒定律場的定律物質(zhì)定律統(tǒng)計法那么第一節(jié)參數(shù)檢測的一般方法和原理一、自然規(guī)律1.守恒定律守恒定律是自然界最根本的定律，它包括能量守恒、動量守恒、電荷量守恒等等。例如：比托管流量計、孔板流量計、轉(zhuǎn)子流量計等就是根據(jù)流體的動能和靜壓能之間的變化(能量守恒)來測量流體的流速。參見P23第一節(jié)參數(shù)檢測的一般方法和原理一、自然規(guī)律2、場的定律:是關(guān)于物質(zhì)作用的定律,如靜電場、電磁場的感應(yīng)定律、動力場的運(yùn)動定律等等。典型例子：電容傳感器。C=εS/dε——兩平行板間物質(zhì)的介電常數(shù)，S——平行板面積，d——兩平行板之間的距離。⑴、如果把一個極板固定，把另一個極板與可產(chǎn)生位移的敏感元件相連，即可將敏感元件的位移轉(zhuǎn)換成電容量的大小。⑵

、改變面積測物位。

第一節(jié)參數(shù)檢測的一般方法和原理一、自然規(guī)律3.物質(zhì)定律是關(guān)于各種物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律、法那么、規(guī)律。如電阻的熱阻效應(yīng)，溫度變化其電阻會變化。4、統(tǒng)計法那么是利用統(tǒng)計方法把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來的物理法那么。二、參數(shù)檢測的一般方法參數(shù)的檢測是利用敏感元件把被測參數(shù)的信息轉(zhuǎn)換為另一種形式的信息，便于進(jìn)一步進(jìn)行信息處理〔變換〕或顯示參數(shù)檢測一般可分為：光學(xué)法力學(xué)法熱學(xué)法電學(xué)法聲學(xué)法磁學(xué)法射線法壓力測量三種壓力表示方法絕對壓力pa表壓力p負(fù)壓或真空度ph3.1壓力的表示方法pa1絕對壓力零線pphpa2大氣壓p01.01325×105Pa絕對壓力是指物體所受的實際壓力。

表壓是指一般壓力表所測得的壓力，它是高于大氣壓力的絕對壓力與大氣壓力之差。真空度是指大氣壓與低于大氣壓的絕對壓力之差，有時也稱為負(fù)壓。

由于各種工藝設(shè)備和檢測儀表通常是處于大氣之中，本身就承受著大氣壓力，因此工程上通常采用表壓或者真空度來表示壓力的大小，一般的壓力檢測儀表所指示的壓力也是表壓或者真空度。除特殊說明之外，以后所提及的壓力均指表壓。

3.2壓力檢測方法的分類目前工業(yè)上常用的壓力檢測方法和壓力檢測儀表很多，根據(jù)敏感元件和轉(zhuǎn)換原理的不同，一般分為四類：(1)液柱式壓力檢測

一般采用充有水或水銀等液體的玻璃U形管或單管進(jìn)行測量。(2)彈性式壓力檢測

它是根據(jù)彈性元件受力變形的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成位移進(jìn)行測量的。常用的彈性元件有彈簧管、膜片和波紋管等。

(3)電氣式壓力檢測它是利用敏感元件將被測壓力直接轉(zhuǎn)換成各種電量進(jìn)行測量的儀表，如電阻、電荷量等。(4)負(fù)荷式壓力檢測它是根據(jù)靜力平衡原理進(jìn)行測量，典型儀表有活塞式、浮球式和鐘罩式三種。3.2壓力檢測方法的分類3.3液柱式壓力檢測液柱式壓力檢測是以液體靜力學(xué)原理為根底的，它們一般采用水銀或水為工作液，用U型管進(jìn)行測量，常用于較低壓力、負(fù)壓或壓力差的檢測。p1p2p1p2h(a)(b)

特點：直觀、可靠、準(zhǔn)確度較高等，但U形管只能測量較低的壓力或差壓，為了便于讀數(shù)，U形管一般是用玻璃做成，易破損，另外它只能進(jìn)行現(xiàn)場指示。

用U形管進(jìn)行壓力檢測，其誤差來源主要有：1、溫度誤差——由使用環(huán)境溫度的變化引起的測量誤差。它主要包括兩個方面：一是標(biāo)尺長度隨溫度的變化〔要求U形管材料的溫度系數(shù)極小〕；二是工作液密度隨溫度的變化。例如水，當(dāng)溫度從10℃變到20℃時，其密度從999.8kg/m3減小到998.3kg/m3，相對變化量為0.15％。2、安裝誤差——當(dāng)U形管安裝不垂直時將會產(chǎn)生安裝誤差。例如假設(shè)傾斜5°，讀數(shù)誤差約0.38％。液體壓力計的誤差3、重力加速度變化誤差；4、傳壓介質(zhì)誤差:傳壓介質(zhì)是指工作液上方的介質(zhì)〔一般是氣體〕，當(dāng)U形管兩個引壓管的高度差相差較大，而氣體的密度又較大時，引壓管內(nèi)傳壓介質(zhì)對工作液的壓力作用會引起測量誤差。5、讀數(shù)誤差；其他液柱式壓力計測量原理：P=h

所以h=P/單管壓力計：P=P0+ρghP0P斜管壓力計：P=P0+ρghPPP0PP0P液體壓力計的使用液體壓力計在使用時，須注意以下問題：壓力計工作時，如實際工作溫度和當(dāng)?shù)刂亓铀俣绕x儀表設(shè)計值；應(yīng)對儀表讀數(shù)進(jìn)行修正;壓力計應(yīng)垂直安裝使用;應(yīng)根據(jù)被測介質(zhì)的特性和壓力的測量范圍選擇適宜的工作液;在使用時，被測壓力的瞬時值不能超過測量范圍。特點：應(yīng)用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、

用途：1、用作檢驗、檢定壓力表和壓力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)儀器

2、標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器3.4負(fù)荷式壓力檢測活塞式壓力計測量原理：P=G/S所以G=P?S精確度高，允許誤差可以小到0.05％～0.02。常用作標(biāo)準(zhǔn)儀表，檢驗其它壓力計參見以下圖活塞式壓力計活塞式壓力計1、手輪2、手搖泵3、活塞4、被校壓力表5、7、切斷閥 8、標(biāo)準(zhǔn)壓力表9、貯油杯、10、測量活塞、11、砝碼托盤、12、砝碼壓力表的示值：P=(m1+m2)g/AP-被測壓力；m1-活塞及托盤的質(zhì)量；m2-砝碼質(zhì)量；A-活塞承受壓力的有效面積；g-重力加速度101211活塞式壓力計活塞式壓力計誤差分析1、重力加速度的影響：重力加速度與所在的海拔、緯度有關(guān)；2、空氣浮力的影響：空氣對砝碼會產(chǎn)生浮力；3、溫度變化的影響：當(dāng)環(huán)境溫度不是20度時，要引入溫度修正因子；活塞式壓力計浮球式壓力計浮球式壓力計的用途：在氣體壓力儀器儀表的生產(chǎn)、科研和各級計量檢定、校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)使用?？捎糜跍y量各種氣體壓力，大多用來檢驗各種氣體壓力測量儀器儀表。特點：傳壓介質(zhì)是壓縮空氣，克服了活塞式壓力計因油的外表張力、粘度等產(chǎn)生的摩擦力，也沒有活塞式壓力計的漏油問題，特別適用于禁油類壓力計和傳感器的檢定。組成：浮球、噴嘴、砝碼支架、專用砝碼、流量調(diào)節(jié)器、氣體過濾器、底座、水平調(diào)節(jié)器等。工作原理：浮球式壓力計是以氣體作為壓力源，以精密浮球處于工作狀態(tài)時的壓力作用面積為浮球有效面積的一種氣動負(fù)荷式壓力計。精密浮球置于氣流噴嘴內(nèi)部，專用砝碼通過砝碼架作用在浮球體的頂端，當(dāng)噴嘴內(nèi)的氣體壓力作用在浮球體下部時，會使浮球在噴嘴內(nèi)飄浮起來。在浮球處于飄浮狀態(tài)下時，專用砝碼質(zhì)量所產(chǎn)生的重力與氣壓的作用力相平衡，浮球式壓力計便輸出一個穩(wěn)定而精確的壓力值。3.5彈性式壓力檢測彈性式壓力檢測是用彈性元件把壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件位移的一種檢測方法。平薄膜波紋膜波紋管單圈彈簧管多圈彈簧管膜片受壓力作用產(chǎn)生位移，可直接帶動傳動機(jī)構(gòu)指示。但是膜片的位移較小，靈敏度低，指示精度不高，一般為2.5級。膜片更多的是和其他轉(zhuǎn)換元件合起來使用，通過膜片和轉(zhuǎn)換元件把壓力轉(zhuǎn)換成電信號；波紋管的位移相對較大，一般可在其頂端安裝傳動機(jī)構(gòu)，帶動指針直接讀數(shù)。其特點是靈敏高〔特別是在低壓區(qū)〕，常用于檢測較低的壓力〔1.0～106Pa〕，但波紋管遲滯誤差較大，精度一般只能到達(dá)1.5級；彈簧管結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格低廉，它使用范圍廣，測量范圍寬，可以測量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓，因此應(yīng)用十分廣泛。根據(jù)制造的要求，儀表精度最高可達(dá)0.15級?！獜椈晒芎蛷椈晒軌毫Ρ韽椈晒苁菣M截面呈非圓形〔橢圓形或扁圓形〕，彎成圓弧狀〔中心角常為270°〕的空心管子。管子的一端為封閉，另一端為開口。閉口端作為自由端，開口端作為固定端。被測壓力介質(zhì)從開口端進(jìn)入并充滿彈簧管的整個內(nèi)腔，由于彈簧管的非圓橫截面，使它有變成圓形并伴有伸直的趨勢而產(chǎn)生力矩，其結(jié)果使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，同時改變其中心角?！獜椈晒芎蛷椈晒軌毫Ρ砦灰屏俊仓行慕歉淖兞俊澈退訅毫τ腥缦碌暮瘮?shù)關(guān)系：式中θ0為彈簧管中心角的初始角；Δθ為受壓后中心角的改變量；1－彈簧管2－拉桿3－扇形齒輪4－中心齒輪5－指針6－－面板7－游絲8－調(diào)節(jié)螺釘9－接頭圖3彈簧管壓力表彈簧管自由端的位移量一般很小，需要通過放大機(jī)構(gòu)才能指示出來,為了加大彈簧管自由端的位移量，也可采用多圈彈簧管，其原理與單圈彈簧管相似。

彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格低廉、測量范圍寬，可以測量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓。一般的工業(yè)用彈簧管壓力表的精度等級為1.5級或2.5級，但根據(jù)制造的要求，其精度等級最高可達(dá)0.15級。

單圈彈簧管壓力表是工業(yè)現(xiàn)場使用最普遍的就地指示式壓力檢測儀表〔也有電接點輸出的彈簧管壓力表〕。電源下限上限指針——電接點壓力表在普通彈簧管壓力表的根底上改進(jìn)而成，除能就地顯示外，還能進(jìn)行上限值與下限值的報警。波紋管差壓計波紋管差壓計波紋管的特點是靈敏度高〔特別是在低壓〕，但是遲滯誤差較大，波紋管壓力表的測量范圍較小，一般為0～0.4MPa，儀表的準(zhǔn)確度等級為1.5～2.5級。其它彈性式壓力表膜盒壓力表

膜片和膜盒也常常被用作壓力測量的彈性元件，從而構(gòu)成膜片壓力表和膜盒壓力表。膜盒壓力表主要用于測量較低壓力或負(fù)壓的氣體壓力，壓力測量范圍為－20～40kPa，儀表的準(zhǔn)確度等級一般為1.5～2.5級。

膜片壓力表工作原理與膜盒壓力表相近，測量準(zhǔn)確度也差不多，但膜片壓力表的可測壓力范圍較寬，最高可達(dá)2.5MPa。另外，作為彈性元件的膜片常常和其他轉(zhuǎn)換元件一起使用構(gòu)成電遠(yuǎn)傳式壓力儀表.其它彈性式壓力表3.6電氣式壓力檢測應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)電阻體受外力作用時，電阻體的長度、截面積或電阻率會發(fā)生變化，即其阻值也會發(fā)生變化。這種因尺寸變化引起阻值變化稱為應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變片多以金屬材料為主，一般和彈性元件一起使用。如左圖，r1和r2為應(yīng)變片。r1r2123P(a)傳感器1－外殼2－彈性筒3－膜片應(yīng)變片式壓力計霍爾壓力變送器〔YSH型〕壓力變化——位移變化——霍爾電勢VH變化。Z方向，有恒定的非均勻的磁場BY方向，有恒定的電流I通過由于受電磁力的作用，電子運(yùn)動的軌跡發(fā)生偏移，造成霍爾片的一個端面電子積累，另一端面正電荷過剩，這樣在X方向上形成一個電位差〔VH〕，這一電位差稱為霍爾電勢。這一物理現(xiàn)象稱為“霍爾效應(yīng)〞。ZYX霍爾電勢：VH=RH×B×IVH:霍爾電勢，大小約幾十mV；RH：霍爾常數(shù)，單位：mV/mA(千高斯)I：控制電流〔通過霍爾片的電流〕，大小約3-20mAB:垂直作用于霍爾片的磁感應(yīng)強(qiáng)度，一般為幾千高斯導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比半導(dǎo)體小得多，因而霍爾片用半導(dǎo)體做比較多。霍爾片與彈簧管自由端連在一起，壓力變化，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，霍爾片在非均勻磁場中的位置改變〔相當(dāng)于B會改變〕，進(jìn)而VH改變。這樣就實現(xiàn)了把壓力轉(zhuǎn)變成位移再轉(zhuǎn)變成VH的變化。壓阻式〔擴(kuò)散硅〕壓力/差壓變送器因電阻率變化引起阻值變化稱為壓阻效應(yīng)。壓阻元件是指在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻。擴(kuò)散電阻正常工作需依附于彈性元件，常用的是單晶硅膜片。構(gòu)成框圖：擴(kuò)散硅壓阻傳感器前置放大器調(diào)零電路V－I轉(zhuǎn)換△PUSU01UZIO檢測局部電磁放大局部測量局部——擴(kuò)散硅壓阻傳感器——把被測差壓ΔP成比例地轉(zhuǎn)換為不平衡電壓US

1.負(fù)壓室2.正壓室3.硅杯4.引線5.硅片Ri1Ri2Ri3Ri4測量局部——惠斯頓電橋Ri1Ri2Ri3Ri4USRi1Ri2Ri3Ri4IS不受壓時：Ri1＝Ri2＝Ri3＝Ri4＝R測量局部——電壓轉(zhuǎn)換＋US－Ri1Ri2Ri3Ri4IS受壓時：△Ri1＝△Ri4＝r1

△Ri2＝△Ri3＝r2結(jié)論：流經(jīng)兩個橋臂的電流始終相等；計算如下：結(jié)論：1、壓阻式壓力傳感器主要優(yōu)點是體積小，結(jié)構(gòu)簡單。2、擴(kuò)散電阻的靈敏系數(shù)是金屬應(yīng)變片的幾十倍，能直接測量出微小的壓力變化。3、壓阻式壓力傳感器還具有良好的動態(tài)響應(yīng)，遲滯小，可用來測量幾千赫茲乃至更高的脈動壓力。4、壓阻式壓力傳感器是一種開展比較迅速，應(yīng)用十分廣泛的一類壓力傳感器。5、缺點是擴(kuò)散電阻存在溫度效應(yīng)，容易受環(huán)境溫度的影響，要采用溫度補(bǔ)償電路，提高傳感器的性能。3.7壓力檢測儀表的選用和安裝

選用＋安裝——壓力檢測儀表的選用

三個方面——選用時應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝對壓力檢測的要求、被測介質(zhì)的特性、現(xiàn)場使用的環(huán)境等條件本著節(jié)約的原那么合理地考慮儀表的量程、精度、類型〔材質(zhì)〕等。⑴量程儀表的量程是指該儀表可按規(guī)定的精確度對被測量進(jìn)行測量的范圍關(guān)鍵：根據(jù)被測參數(shù)的大小來確定，同時必須考慮到被測對象可能發(fā)生的異常超壓情況，對儀表的量程選擇必須留有足夠的余地。測量穩(wěn)定壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的2/3~3/4

測量脈動壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的2/3

測量高壓壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的3/5

最小工作壓力Pimin不低于上限值Pmax的1/3

儀表的量程等級：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它們10n倍。在選用儀表量程時，應(yīng)采用相應(yīng)規(guī)程或者標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)值。⑴量程

⑵儀表精度

——根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定，即要求實際被測壓力允許的最大絕對誤差應(yīng)小于儀表的根本誤差?！谶x擇時應(yīng)堅持節(jié)約的原那么，只要測量精度能滿足生產(chǎn)的要求，就不必追求用過高精度的儀表。例：有一壓力容器在正常工作時壓力范圍為0.4～0.6MPa，要求使用彈簧管壓力表進(jìn)行檢測，并使測量誤差不大于被測壓力的±4％，試確定該表的量程和精度等級。

解：

由題意可知，被測對象的壓力比較穩(wěn)定，設(shè)儀表量程為0～AMPa，那么根據(jù)工作壓力的要求：根據(jù)儀表的量程系列，可選用量程范圍為0～1.0MPa的彈簧管壓力表。由題意，被測壓力的允許最大絕對誤差為：Δmax=±0.4*4%=±0.016MPa這就要求所選儀表的相對百分誤差為：0.016/〔1-0〕*100%=1.6%按照儀表的精度等級，可選擇1．5級的壓力表。⑶儀表類型正確選用儀表類型是保證儀表正常工作及平安生產(chǎn)的前提。主要應(yīng)考慮以下幾個方面:儀表的材料

壓力檢測(檢測儀表)的特點是壓力敏感元件往往要與被測介質(zhì)直接接觸，因此在選擇儀表材料的時候要綜合考慮儀表的工作條件。例如：對腐蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)應(yīng)使用像不銹鋼之類的彈性元件或敏感元件；氨用壓力表那么要求儀表的材料不允許采用銅或銅合金，因為氨氣對銅的腐蝕性極強(qiáng)；又如氧用壓力表在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上可以與普通壓力表完全相同，但要禁油，因為油進(jìn)入氧氣系統(tǒng)極易引起爆炸。只需觀察壓力變化的，可選如彈簧管壓力表、液柱式壓力計那樣的直接指示型的儀表；如需將壓力信號遠(yuǎn)傳到控制室或其他電動儀表，那么可選用電氣式壓力檢測儀表或其他具有電信號輸出的儀表；如果要檢測快速變化的壓力信號，那么可選用電氣式壓力檢測儀表，如壓阻式壓力傳感器；如果控制系統(tǒng)要求能進(jìn)行數(shù)字量通信，那么可選用智能式壓力檢測儀表。輸出信號類型使用環(huán)境對爆炸性較強(qiáng)的環(huán)境，在使用電氣壓力儀表時，應(yīng)選擇防爆型壓力儀表；對于溫度特別高或特別低、環(huán)境溫度變化大的場合，應(yīng)選擇使用溫度適當(dāng)、溫度系數(shù)小小的敏感元件以及其他變換元件。

上述選型原那么也適用于差壓、流量、液位等其它檢測儀表的選型——壓力檢測儀表的安裝

分三種情況介紹：一般壓力檢測儀表的安裝特殊壓力檢測儀表的安裝〔高溫、高壓、腐蝕等〕壓力變送器的安裝一般壓力測量儀表的安裝無論選用何種壓力儀表和采用何種安裝方式，在安裝過程中都應(yīng)注意以下幾點：壓力儀表必須經(jīng)檢驗合格后才能安裝壓力儀表的連接處，應(yīng)根據(jù)被測壓力的上下和被測介質(zhì)性質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)牟牧献鳛槊芊鈮|圈，以防泄漏壓力儀表盡可能安裝在室溫，相對濕度小于80％，振動小，灰塵少，沒有腐蝕性物質(zhì)的地方，對于電氣式壓力儀表應(yīng)盡可能防止受到電磁干擾壓力儀表應(yīng)垂直安裝。一般情況下，安裝高