第四讲 压力、流量、气氛测试第四讲 压力、流量、气氛测试壹 压力信号的传感与变送贰 流量信号的传感与变送叁 气氛信号的传感与变送四 测试仪表

一 压力信号的传感与变送 一 压力信号的传感与变送 （一）压力的定义、单位及分类在工程上的压力，经常以符号 P 表示： P=F/S （ 1-22 ）式中 F—— 流体介质垂直作用与物体表面的力； S—— 承受力的面积。压力的单位是力和面积的导出单位，由于单位制不同以及使用场合及历史状况的差别，导致压力单位也有很多种，下面介绍几种常用的压力单位。1 ． 帕斯卡 [Pa] ：每平方米的面积上作用有一牛顿的力。它是国际单位制（ SI ）中规定的压力单位，也是我国国标中规定的压力单位 ----1[Pa]=1[N/m2] 。 2 ． 标准大气压 [atm] ：当温度为 0[ ]℃ 、重力加速度为 9.80665[m/s2

] 、高度为 0.760[m] 、密度为 13.5951×103[kg/m3] 的水银柱所产生的压力。 1[atm]=101325[Pa]

3 工程大气压 [at] 。一平方厘米的面积上均匀作用有一公斤力时所产生的压力。 1[at]=1[kgf/cm2]=9.80665×104[Pa]4 ． 巴 [bar] 。一平方厘米的面积上均运作用有 106 达因力是所产生的压力。 1[bar]=106[dyn/cm2]=105[Pa]5 ． 毫米汞柱。以液柱（水银或水或其他液体）高度来表示压力的大小。常用的有毫米汞柱 [mmHg] 和毫米水柱 [mmH2O] 。 1[ 毫米汞柱 ] 压力又称为 1 托 [1Torr] 。在标准情况（温度 t=0[ ]℃ 、重量密度 γn=1.33322×106[N/m

3] ，重力加速度 ɡn=9.80665[m/s2] ）下， 1[mmHg]=1[Torr]=1/760[atm]=133.322[Pa] 而对于水柱来说，在其标准情况（温度 t=4[ ]℃ 、重量密度 γn=9.8

0665×103[N/m 3] 、重力加速度 ɡn=9.80665[m/s2] 下，

1[mmH2O]=9.80665[Pa]6 ． 磅 / 英寸 2 [psi] 。一平方英寸的面积上均匀作用有一磅力时所产生的压力。 1[psi]=1[lbf/in2]=6.89476×103[Pa]

在工程技术中流体压力可分为：1 ．大气压。地球表面上的空气重量所产生的压力。它随所在地的海拔高度、纬度和气象情况而变。2 ．压差（差压）。两个压力之间的相对差值。3 ．绝对压力。相对于零压力（真空）所测得的压力。4 ．表压力（相对压力）。当绝对压力大于大气压时，该绝对压力与大气压之差。5 ．负压（真空表压力）。当绝对压力小于大气压时，大气压与该绝对压力之差。

在工程上，还按压力随时间的变化关系分为：1 ． 静态压力。不随时间变化或随时间变化缓慢的压力。2 ． 动态压力。随时间作快速变化的压力。工程容器压力范围的划分：

微压 0~105 帕低压 105~107 帕（ 100 公斤力 / 厘米 2 ）高压 107~6X108 帕超高压 〉 6X108 帕真空 可分粗真空、低真空、高真空等

（二）压力的测量（二）压力的测量1 ．液柱式压力计P0 、 P1 ， U 型管内液面间的高度差（ h ）与被测压力 P1 和 P0 差值间关系可表示为： ΔP = P1- P0=γh=ρɡnh式中 γ—— 液体（常用的是水银和水）的重量密度；ρ—— 液体的密度； ɡn—— 当地的重量加速度；h —— 液面间的高度差；ΔP—— 被测压力间的差压。

由式上可知，只有当 ρ 和 ɡn 为已知常数时，差压（ ΔP ）才与液面间的高度差（ h ）成正比。而液面的密度（ ρ ）往往要随使用时的环境温度而变，重力加速度（ ɡn ）也随使用地的纬度和海拔高度而 异 ， 在 测 量 压 力 时 都 需 要 实 测 液 体 的 密 度（ ρ ）和重力加速度（ ɡn ）或按一定的理论公式进行修正。当 P0=0 时，被测压力的差值 ΔP= P1 为绝对压力。当 P0=1 时，被测压力的差值 ΔP= P1-1 为表压或负压。当 P0 为任意值（除 0 和 1 大气压外）时，被测压力的差值 ΔP = P1- P0 为差压。

22 ．膜片应变式．膜片应变式

膜片式压力传感器的结构示意图如图 1-16 。当膜片两侧压力不同时，紧贴其上的应变片随其一起变形而产生电阻变化。电阻的变化率可表示为： △R/R=S0ε 式中 S0 为导电材料的灵敏系数； ε 为材料的轴向线应变。对于周边夹紧的平膜片来说，沿半径（ r ）的径向应变（ εr ）、切向应变（ εt ）与所承受的压力（ P ）间的关系为： εr=3P/8Eh2(1-γ2)(R2-3r2) εt=3P/8Eh2(1-γ2)(R2-r2) 式中， E—— 平膜材料的弹性模量； R —— 平膜片的工作半径； h —— 平膜片的厚度； γ—— 平膜片的泊松系数。

为了将电阻的变化转换为电压的变化，往往都将应变电阻接成桥式电路，为了提高电桥的灵敏度和使其具有良好的线性及温度补偿性能，其测量电桥最好是接成全桥电路，即组成电桥的四个桥臂电阻均随压力改变，其中两个感受正应变，另外两个感受负应变。且当压力为零时，四个桥臂的电阻值相互相等，电桥输出电压为零。图 1-17 是应变电阻的电桥电路。

恒电压电桥输出信号可表示为：Uout=

恒电流电桥输出信号可表示为：Uout=

RRRU0

RI0

33 ．． 变磁式压力传感器变磁式压力传感器

44． 电容式压力传感器． 电容式压力传感器

5 5 真空测量方法真空测量方法 真空测量也属压力测量的一个领域，其测量范围指低于大气压的压力。1 热导式真空计一条被电流加热的金属丝，在低压气体中，随着真空度的提高，气体愈加稀薄，热丝传导给气体的热量愈来愈少，热量在热丝上积累，使它的温度升高。利用测量热丝的温度的方法可间接测出其真空度。图 2-20为加热丝热损失与气压的关系。图2-21为热偶式真空计的结构示意图，其中热电偶紧贴热丝，导管真空系统连通。整个形状象玻璃灯泡。

2 电离式真空计 热阴极电离真空极测量范围为 10-3~10-8 托（ m

mHg ）；它很像一个三极电子管，如图 2-22 所示。不同的是它的阳极 A （称为收集极）加负电压（如 -25V ），作圆筒形。而栅极 G （称加速极）加较高电压（ +200V ） .热阴极式电离真空计阴极 K 被通电加热，发射出热电子，由于加速极正电位的作用，使电子动能增加，与管内气体碰撞时使其电离，其正离子被具有负电位的 A 所收集，形成离子流。而负离子（电子）被加速极吸收形成电子流。

Ii=L P IeL: 电离管灵敏度；P: 被测气体压力；

Ie:发射电流。或： P=

即只要 Ie 保持不变（可用稳流源），可根据 Ii的大小来确定被测压力 P（真空程度）。

e

i

II

L1

二 流量信号的传感与变送二 流量信号的传感与变送1 节流式流量计 节流式流量计是一种速度式流量计；又称为压差式流量计，它使目前工业中测量气体、液体最常用的仪表。它是利用安装在管道中的节流装置（如孔板、喷嘴、文丘利管等），使流体流过时，产生局部收缩，节流装置前后产生静压差。压差大小与流体体积流量一一对应，测出压差即可测出流量。

节流装置流过体积流量 Q 和压力差的平方根成正比：Q= α—— 流量系数（推导略）；ρ—— 流体密度；F0——开孔面积；g—— 重力加速度；p1 ,p2——节流装置前后端面处的压力。

)pp(g2F 210

2 变面积式流量计（转子流量计）这是目前工业和实验室中广泛使用的一种小流量测量仪表。主体是垂直放置的锥形管（图 1-24 a ），管中有一自由浮动的转子。流体自下而上流动，在气流冲击下浮子向上浮起。浮子受两个力的作用：一是上升力，它与浮子最大迎气流面积成正比，与四周气流流速平方成正比，另一个力是浮子自重力。当两个力平衡时浮子稳定在一定高度上，实际对一个具体浮子，要它稳定在某一位置，它周围环形通道面积中气流流速是固定的。当被测流体流量不同时，获得上述固定流速的高度是不同的。因流量计主体是倒锥管（变面积）。经推导（略）体积流量为

3 涡轮流量计涡轮流量计也是一种速度式流量计。如图1-25所示，流体流过时，冲击涡轮叶片使涡轮旋转。叶片为导磁材料，对着叶轮的部位的壳体内装有感应线圈，线圈中心是永久磁铁， 叶轮旋转时，周期性地改变线圈磁路的磁阻，线圈中感应出同步的脉冲信号。流量越大，涡轮转速越高，脉冲信号频率越高，容积流量和线圈脉冲频率 f成正比。

4 4 质量流量计质量流量计 科里奥利质量流量计是广泛使用的一种先进的质量流量计，不仅用于航空航天，近期也广泛用于材料加工过程中。该种流量计是根据牛顿第二定律建立起力、加速度和质量三者关系的直接式质量流量计。其内部有一振动测量管，当无流体流过时测量管不产生形变，当有流体流过时产生扭曲变形（科里奥利现象），通过两端电磁信号检测器来获得相位差，该相位差与流过的质量流量成正比。

三 气氛信号的传感与变送三 气氛信号的传感与变送1  1 红外线气体分析仪 红外线是一种波长在 0.75

~1000μm 之间的电磁波，所占频带比可见光宽的多。热的物体可以产生红外辐射，红外辐射被物体接受可以产生热量。因此有时红外辐射称“热辐射”。红外辐射穿过某种气体时，可对某一特定波长的红外辐射有吸收作用，使透过的辐射强度减弱。而这种气体浓度愈大，吸收作用愈强，基于这个性质，人们制成红外线气体分析器。图 1-27a 和图 1-27b 分别为 CO2和 CO 对红外线的吸收光谱图。

2 氧浓差电势探头氧化锆传感器是一种新型测氧仪表，其核心部分指氧化锆探头。它的结构简单，反应快，是一种很有前途的传感器。最早用在监测锅炉的燃烧情况。后来在金属热处理领域中用其测炉气氧量，从而间接检测炉气碳势。为可控气氛热处理提供新型检测方法。 氧化锆测氧探头是利用氧浓差电池原理工作的。如图 1-29a 所示，在氧化高两面烧结一层多孔铂电极。当两面气体中氧分压不同时，例如 PA>PC ，在氧化锆内部即产生氧离子迁移，由高氧侧向低氧侧扩散，形成固体电解质氧浓度电池，

四 测试仪表四 测试仪表1 动圈式仪表动圈式仪表本质上是磁电式电压表。它与不同的传感器配用可以给于不同的物理量度。如温度表、压力表、湿度表等。

2 2 自动平衡式仪表自动平衡式仪表 携带式直流电位差计

台式记录仪台式记录仪