第四讲 压力、流量、气氛测试一 压力信号的传感与变送二 流量信号的传感与变送三 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=9.80665× 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
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 。
2．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=
RR
RU 0
RI 0
3,变磁式压力传感器
4,电容式压力传感器
5 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
（ mmHg）；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 Ie
L: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
I
I
L
1?
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(
g2
F 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 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
1 1 红外线气体分析仪 红外线是一种波长在
0.75~1000μ m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
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 自动平衡式仪表携带式直流电位差计台式记录仪
（ 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=9.80665× 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
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 。
2．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=
RR
RU 0
RI 0
3,变磁式压力传感器
4,电容式压力传感器
5 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
（ mmHg）；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 Ie
L: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
I
I
L
1?
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(
g2
F 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 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
1 1 红外线气体分析仪 红外线是一种波长在
0.75~1000μ m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
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 自动平衡式仪表携带式直流电位差计台式记录仪
