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第三章 压力检测与仪表 压力(真空度)是工业生产过程中一种常见而又重要的检测参数，正确的检测和控制压力是保证工业生产过程良好地运行，达到高产、优质、低耗及安全生产的重要环节。此外，生产过程的一些其它参数，如物位、流量等也可以通过测量压力或差压的测量而获得。 第三章 压力检测与仪表 第一节 概述 第二节 弹性式压力计 第三节 压力(差压)传感器 第四节 真空计 第五节 压力检测仪表的选用 第一节概述 一、压力定义与单位 垂直作用在单位面积上的力称压力。 在国际单位制(SI)和我国法定计量单位中，压力的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为“Pa”。 由于历史原因，其它一些压力单位还在使用，表3-1给出了各种压力单位之间的换算关系。 表3-1 常用压力换算表 二、压力的表示方法 压力有三种表示方法，即绝对压力、表压力、负压力或真空度，它们的关系如下图所示。 三、压力检测方法 (1) 弹性力平衡法： 利用弹性元件受压力作用发生弹性形变而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理。 (2) 重力平衡方法： 利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理。 (3) 机械力平衡方法： 将被测压力经变换元件转移成一个集中力，用外力与之平衡，通过测得平衡时的外力来得到被测压力。 (4)物性测量方法： 基于敏感元件在压力的作用下某些物理特性发生与压力成确定关系变化的原理。 第二节 弹性式压力计 用弹性传感器(又称弹性元件)组成的压力测量仪表称为弹性式压力计。弹性元件受压后产生的形变输出(力或位移)，可以通过传动机构直接带动指针指示压力(或压差)，也可以通过某种电气元件组成变送器，实现压力(或压差)信号的远传。 一、 测量原理 当弹性元件在轴向受到外力作用 时，就会产生拉伸或压缩位移x，即 x=pA/C 式中p—为压力，Pa； A—承受压力的有效面积，m2； C—弹性元件的刚度系数。 当弹性元件材料、尺寸等确定后，则弹性元件产生拉伸或压缩位移x与被测压力p成正比，这就是弹性式压力表的测量原理。 弹性元件结构和特点 二、弹性式压力计 (一)弹簧管压力计 弹簧管压力表在弹性式压力表中更是历史悠久，应用广泛。 弹簧管压力表中压力敏感元件是弹簧管。弹簧管的横截面呈非圆形(椭圆形或扁形)，弯成圆弧形的空心管子，如图所示。 (二)波纹管差压计 波纹管的特点是灵敏度高(特别是在低压)，但是迟滞误差较大，波纹管压力表的测量范围较小，一般为0～0.4MPa，仪表的准确度等级为1.5～2.5级。 (三)膜盒压力表 膜盒压力表主要用于测量较低压力或负压的气体压力，压力测量范围为-20～40kPa，仪表的准确度等级一般为1.5～2.5级。 第三节 压力(差压)传感器 压力传感器结构型式多种多样，常见的型式有压电式、压阻式、应变式、电感式、电容式、霍尔式及振弦式等。 电气式压力检测方法一般是用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。能实现这种压力-电量转换的压敏元件有：压电材料、应变片和压阻元件。 一、霍尔压力传感器 霍尔压力传感器属于位移式压力(差压)传感器。它是利用霍尔效应，把压力作用所产生的弹性元件的位移转变成电势信号，实现压力信号的远传。 (一)霍尔效应 把半导体单晶薄片(霍尔片)置于磁场B中，当在晶片的y轴方向上通以一定大小的电流I时，在晶片的x轴方向的两个端面上将出现电势，这种现象称霍尔效应，所产生的电势称为霍尔电势UH。 霍尔效应原理 霍尔电势UH与电流I以及磁场强度B的关系如下： UH=RHIB 式中RH为霍尔系数，与霍尔片材料、结构尺寸有关。改变磁场强度B或电流I都可使UH发生变化。 (二)霍尔式压力传感器 它由压力-位移转换部分、位移-电势转换部分和稳压电源等三部分组成。 二、电容式压力传感器 电容式压力传感器是通过弹性膜片位移引起电容量的变化从而测出压力(或差压)的。平行极板电容器的电容量C与极板间介质的介电常数ε 、极板面积S以及极板间距d的关系为： C=εS/d 只要保持上式中任何两个参数为常数，电容就是另一个参数的函数。故电容变换器有变间隙式、变面积式和变介电常数式三种。电容式压力(差压)传感器器常采用变间隙式。 电容式压力变送器的压力-电容转换关系 (1)压差ΔP与移动距离Δd 近似线性关系： Δd=K1ΔP (K1-比例系数) (2) ΔP使一个平板电容器的极板间距增加，变为d1=d0+Δd；另一个电容器的间距减少至d2=d0－Δd。电容量分别为： C1=K2/(d0+Δd ) C2=K2/(d0-Δd ) (K2-比例系数