第三章 压力测量

第三章第一节

压力及差压测量压力测量的基本知识

在生产过程中，压力是工质状态的一个参数。在火电厂中，压力是热力过程 的重要参数。如要使锅炉、汽轮机以及辅机设备等安全、经济地运行，就必须对 生产过程中的水、汽、油、空气等工质的压力进行检测，以便于对火电生产过程 的监视和控制。 一、压力的概念与表示方法 1.压力的概念 工程技术中的压力是物理学中的压强，即垂直作用在物体单位面积上的力的大 小。 2.压力的表示方法 压力的表示方法以其参考零点压力的不同而不同，可以分为绝对压力和表压力。 (1)绝对压力 以参考零点0所表示的压力称为绝对压力。 (2)表压力 以大气压力为参考零点所表示压力称为表压力 。 由管道或容器中直接取出的两个绝对压力值的差值，通常称为差压。

二、压力的单位压力的单位是一个导出单位。由压力的定义可知压力的单位会有多种。压力单位 帕 千克力 / 厘米2

毫米水柱

毫米汞柱

毫巴

标准大气压

1帕

1

1.02×10-5

0.102

7.5011×0-3

10-2

9.87×10-2

千克力/厘米2

9.806×1 04

1

104

735.56

980.5

0.9678

1毫米水柱

9.806

10-4

1

7.3556×10-2

9.806×10-2

0.9678×10-4

毫米汞柱

133.3

13.6×10-4

13.6

1

1.333

1.316×10-4

毫巴

100

0.102×10-2

10.2

0.7501

1

9.87×10-4

标准大气压

10.13×1 04

1.033

1.033×104

760

1013

1

三、压力测量仪表 在生产过程中和实验室里使用的压力仪表种类很多。对压力仪表可以从不 同的角度进行分类。如按被测压力可分为：压力表、真空表、绝对压力表、 真空压力表等。如按压力表使用的条件可分为：普通型、耐震型、耐热型、 耐酸型、禁油型、防爆型等压力表。如按压力表的功能可分为；指示式压力 表、压力变送器。如按压力表的工作原理可分为：液柱式压力计、弹性式压 力计、物性式压力计、活塞式压力计等。 四、压力标准与量值传递 压力标准分为：基准、一等标准、二等标准、三等标准。能够实现基准和各 级标准的仪器是基准器和标准器。基准器是国家最高的压力标准器，它又可 以分为基准器和工作基准器。基准器用于进行国际比对，还将压力基准传递 给工作基准器。工作基准器可复制多套保存在全国各地的主要部门，由它将 压力工作基准传递到一等标准器，再由一等标准器传递到二等标准器，然后 由二等标准器传递到三等标准器，最后由三等标准器传递到工作压力仪表。 基准器、工作基准器及各级标准器目前多采用活塞式压力计和液柱式压 力计。

第二节

液柱式压力计

工作原理：液柱式压力计是利用一定高度的液柱所产生的压力平衡被测压力， 而用相应的

液柱高度去显示被测压力的。 特点：这类压力计结构简单，显示直观，使用方便，精确度较高，价格便宜， 由于结构和显示上的原因，液柱式压力计的测压上限不高，一般显示的液往高度 上限为1~2 m。液柱是水银时，其测压上限可达到2000mmHg。液柱式压力计适用 于小压力、真空及差压的测量。 种类：有U形管压力计、单管压力计、多管压力计、斜管微压计、补偿式微 压计、差动式微压计、钟罩式压力计、水银气压计等。 一、 U形管压力计 1.结构与工作原理 U形管压力计如图所示。它的结构组成有三部分：U形的玻璃管、标尺及管内 的工作液体(称为封液)。U形管的两个平行的直管又称为肘管。精密的U形管压力 计尚有游标对线装置、水准器、铅锤等。

根据流体静力学原理，当管内的工作液柱产生的压力与被测压力平衡时，则有

p1 p2 ( 1 ) g (h1 h2 )实际测量中，如果封液上面的介质是气体，则可忽略封液上面的介质的影响，则 有 p1 p2 g (h1 h2 ) 如果被测量的是差压p1 p2

,则有

p p1 p2 g (h1 h2 )2.使用与测量误差 U形管压力计的型号为YYU,测压范围可达0~266kPa,其允许误差可达 2~0.2%。测量时要进行两次读数 ，读数时要注意液体表面的弯月面情况， 要求读到弯月面顶部位置处。 使用计算式计算被测压力或差压值时，要注意封液的密度是测量状态下 的密度，重力加速度是当地重力加速度。如果测量要求较高，则要考虑封液 的密度、毛细现象、重力加速度、U形管不竖直状态等对测量的影响。

二、单管压力计 单管压力计是U形管压力计的变形仪表，又称杯形压力计，可测量小压力、 真空及差压等。 1.结构与工作原理 单管压力计的结构如图所示。 单管压力计是由一个宽容器(杯形容器)、一支肘管、标尺、封液等构成的。 标尺可以是单独的，也可以是直接刻在肘管的玻璃上。作为实验室仪表，一般都 是把分度线刻到肘管的玻璃上。其工作原理与U形管压力计是相同的。根据流体 静力学：

读数是在肘管上读数，宽容器上不能读数，由于

所以

可得到：

由于肘管内径远小于宽容器的内径，所以 d 《1。在测量要求不高时，可忽略 d D D 项而直接读出h1即可。 2.使用 单管压力计在测量正压力时，宽容器接被测压力，肘管通大气。测量负压力 时，肘管接被测负压，宽容器通大气。测量差压时，宽容器接压力高一侧的压力， 肘管接压力低一侧的压力。 单管压力计的型号为TG,其精确度等级可达0.02~1级。当进行精密测量或 用作标准仪表时，则要进行密度和重力加速度的修正。 在火力发电厂测量风压

或烟道负压时，常使用单管压力计的变形仪表——多管压 力计，2 2 2 2

多管压力计在使用上与单管压力计的区别是它可以同时 接入多个被测量的正压或多个被测量的负压，它的宽容器的内径比肘管的内径要 大许多。可以忽略对肘管上被测压力示值的影响。封液多是带颜色的水。多管压 力计的型号有：测量正压的YY型，测量负压的ZY型，测量正压和负压的YZY型。 测压范围一般可达到2500Pa,4000Pa,6300Pa。

三、斜管微压计 斜管微压计是一种测量微小压力的测量仪表。它可以测量微小正压、负压及 差压。它的一支肘管可以倾斜，使用方便。 1.结构与工作原理 斜管微压计由杯形容器、肘管、弧形支架、标尺、封液等组成，如图所示。其 工作原理与U形管压力计相同。当被测压力与封液液柱产生的压力平衡时，有

式中由于 所以

得到：

肘管的倾斜角是可调节的，为使用方便，弧形支架板上设计了一些固定肘管的 孔。在每个孔处刻有一数字，使用时读出液柱长度(mm),则 斜管微压计的分度条件是：标准重力加速度和20℃时确定密度(808.38kg/m3) 的酒精溶液。显然刻在弧形支架板上的数字为

式中 —4℃时纯水的密度。 不同的值对应着不同值。角度不宜太小，因为角太小时，读数困难且准确性 差。一般角在20°~60°之间。 2.使用及示值修正 斜管微压计的型号为KST。实际的斜管微压计还具有零位调整及水平调整机 构。使用时通过零位调整机构可以调整杯形容器中封液液面，使之为零；通 过水平调整螺丝和水平仪使仪表为水平。使用时要注意封液的密度是仪表标 明的工作液密度。所以在分度条件下，被测差压。实际的测量经常是偏离仪 表分度条件，而经常发生的是测量时温度不是 20℃,而其他某个温度，在测 量要求高的时候，则要对温度时的示值进行修正，把值修正分度温度时的示 值，再使用仪表上给出的值计算得到测量值，示值修正系数

式中 ——工作液(酒精)在20℃对的密度(确定值); ——工作液(酒精)在工作温度时的密度。 20

t

第二节

弹性式压力计

弹性式压力计是生产过程中使用最为广泛的一类压力计。 特点：它的结构简单，使用操作方便，性能可靠，价格便宜，可以直接测量 气体、油、水、蒸汽等介质的压力。其测量范围很宽，可以从几十帕到数吉帕。 它可以测量正压、负压和差压。 分类：可分为机械弹性式压力计和弹性式压力变送器两类。不论哪一类压力 计在结构上都有一弹性元件。弹性元件是压力计的核心器件，它把被测量的压力 转换成弹性元件的弹性位移输出。当结构、材料一定时，在弹性限度内弹性元件

发生弹性形变而产生的弹性位移与被测量的压力值有确定的对应关系。 准确度：目前金属弹性式压力计的精确度可达到0.16级、0.25级、0.4级。 工业生产过程中使用的弹性压力计，其精确度大都是1.5级、2.0级、2.5级。 测量条件：弹性式压力表适用的也测量条件较广泛，有抗振型、抗冲击型、 防水型、防爆型、防腐型等。

一、弹性元件 1.弹性元件的结构形式 弹性式压力计中的弹性元件主要有膜片、膜盒、弹簧管、波纹管等。每种弹 性元件在结构上又有不同的形式，如膜片分为平面膜片、波纹膜片和挠性膜片等，

膜片结构示意

(a)平面膜片；(b)波纹膜片； (c)挠性膜片

膜盒结构示意图

弹簧管结构示意图

波纹管(筒)结构示意图

(a)单圈弹簧管；(b)盘旋形弹簧(c)螺旋形弹簧管；(d)组合弹簧管

(a)波纹筒结构示意；(b)与弹簧组合使用的波纹筒

2.弹性元件的特性

弹性元件是弹性压力计中的敏感元件，它的特性直接关系到压力计性能的好 坏。弹性元件工作在弹性范围内，而且弹性元件工作的安全系数(——弹性极限 压力，——工作压力的上限)一般在2以上。尽管如此，由于弹性元件的不完全 弹性方面的特性，如蠕变、弹性迟滞、弹性后效以及温度特性等都将直接影 响到压力计的性能，使测量产生误差。 (1)蠕变和疲劳形变 弹性元件经过长时间的负荷作用，当负荷取消后，不能 恢复原来的形态，这种特性称为弹性元件的蠕变。 (2)弹性迟滞 弹性元件在弹性范围内加负荷与减负荷时其弹性形变输出特性 曲线不重合，这种特性称为弹性迟滞。 (3)弹性后效 当加在弹性元件上的负荷停止变化或被取消时，弹性元件的形 变并不是立即就完成，而是要经过一定的时间才完成相应的形变，这种特性 称为弹性后效。

(a)弹性迟滞；(b)弹性后效；(c)弹性滞环

(4)输出- 输入特性 目前只是通过实验和理论相结合的方法，得出弹性元件 的输出—输入关系。 对于膜片和膜盒，其输出-输入关系一般是非线性的。实用的平面膜片位移不 超过0.1mm时，可以使输出-输入的关系达到较好的线性程度，即

l kp

对于波纹膜片，其弹性位移与被测压力关系为p E [a 2 l b( l ) 2 ] 4 R

对于弹簧管，经过精心设计制造加工后，在一定压力范围内，其输出-输出关 系一般为线性。对于截面是扁圆结构的弹簧管，其自由端弹性位移与被测压 力的关系为 l

R[( sin ) (1 cos ) ]2

2 0.5

1 2 R2 b2 p (1 2 ) C1 p E b a x2

(5)温度的影响 由于温度的变化，弹性元件材料的弹性模量相应变化，所以弹 性元件的

刚度发生变化，这将影响弹性元件的输出特性。很容易理念，温度 升高，刚度减小，灵敏度增大，压力表示值将会偏离。由于温度对弹性元件 输出特性的影响，所以弹性压力表的使用要注意它的适用温度范围。

二、膜盒压力表

膜盒压力表是用于生产过程的工业仪表，它适用于测量微小压力和真空。测 量范围一般在一2000~4000Pa,精确度等级一般为2.5级。目前在生产过程中 使用的国产膜盒压力表的型号有MW系列、YE系列、YEJ系列等。 膜盒压力表的结构主要由膜盒、传动机构、调整机构、游丝指针、表盘等构成，

膜盒风压表 1一膜盒；2一刻度盘；3一零位调整；4一弧形架；5一指针； 6一弹簧片；

7一曲柄；8一 调整螺丝；9一拉杆；10一拐臂；11一固定指针套； 12一固定铀；13一形丝；14一引压管接头

三、弹簧管压力表 弹簧管压力表是生产过程中和实验室应用非常普遍的测压仪表。它可以测量 压力，也可以测量真空。按照使用的弹簧管的种类可分为单圈和多圈弹簧管 压力表。按照适用的条件可分为耐振型、耐热型、耐腐蚀型、抗冲击防爆型 以及专用压力表等。它们的工作原理是相同的。 1.单圈弹分管压力表的结构及工作原理 结构组成如图所示，它主要由弹簧管、传动机构、游丝、指针、表盘等组成。 扇形齿轮、中心齿轮、游丝安装在彼此平行的夹板之中。中心齿轮和扇形齿 轮能以各自的轴转动并相互啮合；指针固定在中心齿轮上，夹板固定在仪表 的支架上，从自由端到扇形齿轮的尾端由拉杆连接。

单圈弹簧管压力表

1一表盘面；2一弹簧管；3一拉杆；4一扇形齿轮；5一指针；6一中心齿轮；7一接头； 8一表壳；9一调整螺丝； 10一曲柄；11一游丝

2.多圈(螺旋形)弹簧管压力表单圈弹簧管的自由端位移一般不大，所能提供的转动力矩也不大，所以单圈 弹簧管多适用于指示型压力表。如要实现记录指示，则需要有较大的弹性位 移和较大的转动力矩，这就要使用多圈弹簧管。 在一定的压力范围内，多圈弹簧管自由端输出的角位移与被测压力是线性关系。 多圈弹簧管压力表的内部结构如图所示。在测量状态下记录纸是随时间匀速 运的，记录笔下的曲线代表压力随时间的变化。 多圈弹簧管压力表结构示意 1一引压管，2一螺旋弹簧管，3一轴； 4一可调臂；5—调整螺丝；6一拉杆； 7一记录笔；8一曲柄；9一弓形架； 10一三角孔

四、双波纹管差压计 双波纹管差压计在火力发电厂中主要用于流量和水位测量指示记录的二次仪 表。如果用于流量测量，差压计往往还带有积算装置。各种功能的双波纹管 差压计测量部分的作用原理都是相同的。

测量的差压值上限可达 0.4MPa,耐 工作压力上限可达40MPa,精确度可达1.0~1.5级。 双波纹管差压计主要由测量机构、传动机构、记录机构以及机械积算装置等 部分组成。 1.测量机构及工作原理

1一节流装置；2一导压管；3 一阀；4一导压管；5一扭管； 6一中心基座；7一低压波纹 管；8一范围弹簧；9一低压 测量室；10一填充液；11一 摆杆；12一推板；13一阻尼 阀；l4一高压波纹管；15一 高压测量室；16一连杆，l7 一补偿波纹管18、l9—单向 阀；20一支撑板

第四节

压力(差压)变送器

弹性元件检测压力的输出只是机械位移信号，该信号可以就地显示，也 可以变换为电信号以供远传。这种变换一般称为电变送，其方法很多，如电 阻式、电感式、电容式、应变式、力平衡式、霍尔式、振弦式、光纤式等。 目前工业生产使用的电变送后的压力信号都是标准化的电流或电压信号，其 变送器都是定型的产品。 一、1151系列电容式压力(差压)变送器 1.概述 1151系列电容式压力(压差)变送器是我国引进美国罗斯蒙特公司技术并自 己开发生产的一类新型压力(差压)变送器。 特点：它具有精确度高，性能稳定，单向过载保护性能好，调整方便，体积 小，重量轻等一系列优点。 应用：使用在电力、石油、化工等各领域的生产过程中。在火力发电厂使用 1151电容式压力(差压)变送器几乎有一种替代其他种类压力(差压)变送器的 趋势。 组成： 变送器由两部分组成：差动式压力(差压)—电容转换和测量电路。 差动式压力(差压)—电容转换是将被测压力(差压)转换成差动变化的电容 CL、CH,其结构如图所示。

部分1151电容式压力(差压)变送器

2.结构

感压元件是膜片，它是能产生弹性变形的极板。两电容的固定极板为球面形 结构。测量膜片位于两固定极板的中央，它与固定极板构成两个小室，称为 室，两室结构对称。固定极板是将玻璃绝缘体磨成球形凹面，并在该表面镀 上一层金属薄膜而成。金属薄膜和弹性膜片都接有输出引线。测量膜片与固 定极板形成的电容在30~150pf范围内。室通孔与自己一侧隔离膜片腔室连通， 室和隔离腔室内充有硅油。

差动式压力(差压)—电容转换关系 1、2一固定电极； 3一测量膜片；4、 5-隔离膜片；6一隔离膜片；.5一密 封圆；7一绝缘体；8—硅油；11—外壳， 10一电容引出线；

4.测量电路及工作原理 测量电路的任务是将电容变化量转换成4~20mA,DC输出，输出特性是线性 的。电路能实现仪表零点、量程、阻尼、线性等调整。 1151系列变送器有三种测量电路：E型(普通型)J型(有开平方功能)、F型(用 于微差压测量 )。现以 E型电路为

例分析其转换工作原理，电路组成原理框图 如图所示。

变送器测量电路原理框图

测量电路由解调器、振荡控制放大器、振荡器、基准电压电路、调零电路、 量程调整电路、电流控制放大器、电流转换电路、电流限止电路、阻尼调整电路、 反极性保护电路等组成。

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