第四讲 压力、流量、气氛测试 压力信号的传感与变送 流量信号的传感与变送 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） 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/m3]，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/m3]、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：
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。 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）。
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： 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。
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0.75~1000μm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 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