流体压强测量方法优化探讨

在化工生产和实验中，经常遇到流体静压强的测量问题。常见的流体静压强测量方法有三种：

（1）液柱式测压法，将被测压强转变为液柱高度差；

（2）弹性式测压法，将被测压强转变为弹性元件形变的位移；

（3）电气式测压法，将被测压强转变为某种电量（比如电容或电压）的变化。

一般而言，由上述方法测得的压强均为“表压值”，即以物理大气压为基准的压强值。表压值加物理大气压值等于绝对压强值。

4.2.1 液柱式压强计

液柱式压强计是基于流体静力学原理设计的，结构比较简单、精度较高，既可用于测量流体的压强，又可用于测量流体管道两点间的压强差。它一般由玻璃管制成。由于指示液与玻璃管会发生毛细管现象，所以在自制液柱式压强计时应选用内径不小于5mm（最好大于8mm）的玻璃管，以减小毛细现象引起的误差。同时，因玻璃管的耐压能力低和长度所限，只能用于0.1MPa以下的正压或负压（或压差）的场合。液柱式压强计的常见形式有以下几种。

（1）U形管压强计

如图4-1所示，这是一种最基本的液柱式压强计，用一根粗细均匀的玻璃管弯制而成，也可用两支粗细相同的玻璃管做成连通器形式。玻璃管内充填某种工作指示液，如水银、水等。使用前，U形管压强计的工作液处于平衡状态，当作用于U形管压强计两端的势能不同时，管内一侧液柱下降而另一侧上升。当外界势能差达到稳定时，两侧液柱达到新的平衡状态。此时两侧液柱的液面高度差为R，可表示为

图4-1 U形管压强计

p1＋Z1ρg＋Rρg＝p2＋Z2ρg＋Rρig

或

（p1－p2）＋（Z1－Z2）ρg＝R（ρi－ρ）g

（2）单管式压强计

单管式压强计是U形管压强计的一种变形，即用一只杯形物代替U形管压强计中的一根管子，如图4-2所示。由于杯形物的截面远大于玻璃管的截面（一般两者的比值须大于或等于200倍），所以在其两端作用不同压强时，细管一边的液柱从平衡位置升高到h1，杯形一边下降到h2。根据等体积原理，h1远大于h2，故h2可忽略不计。因此，在读数时只要读取h1即可。

图4-2 单管式压强计

图4-3 倾斜式压强计

（3）倾斜式压强计

倾斜式压强计是把单管压强计或U形管压强计的玻璃管作与水平方向成α角度的倾斜，如图4-3所示。倾斜角度的大小可根据需要调节。它使读数放大了倍，即

可用于测量流体的小压差，且提高了读数分辨率。

（4）倒U形管压强计

倒U形管压强计如图4-4所示，指示剂为空气，一般用于测量液体小压差的场合。由于工作液体在两个测量点上压强不同，故在倒U形的两根支管中上升的液柱高度也不同，则

p1－p2＝R（ρ－ρ空气）g≈Rρg

图4-4 倒U形管压强计

图4-5 双液液柱压差计

（5）双液液柱压差计

双液液柱压差计如图4-5所示，它一般用于测量气体压差的场合。ρ1和ρ2分别代表两种指示液的密度。由流体静力学原理知

p2－p1＝R（ρ2－ρ1）g

当△p很小时，为了扩大读数R，减小相对读数误差，可以减小（ρ2－ρ1）来实现。（ρ2－ρ1）越小， R就越大，但两种指示液必须有清晰的分界面。工业实际应用时常以石蜡油和工业酒精为指示介质，实验室中常以苯甲基醇和氯化钙溶液为指示介质。氯化钙溶液的密度可以用不同的浓度来调节。

4.2.2 弹性式压强计

弹性式压强计是以弹性元件受压后所产生的弹性形变作为测量基础。一般分为三类：（1）薄膜式；（2）波纹管式；（3）弹簧管式。

利用各种弹性元件测压的压力表，多是在力平衡原理基础上，以弹性形变的机械位移作为转换后的输出信号。弹性元件应保证在弹性形变的安全区域内工作，这时被测压力p与输出位移x之间一般具有线性关系。这类压力表的性能主要与弹性元件的特性有关。各种弹性元件的特性则与材料、加工和热处理的质量有关，并且对温度的敏感性较强。弹性压力表由于测压范围较宽、结构简单、价格便宜、现场使用和维修方便，所以在化工和炼油生产乃至实验室中获得广泛的应用。

常用的弹性元件有波纹膜片和波纹管，多做微压和低压测量；单圈弹簧管（又称波登管）和多圈弹簧管可做高、中、低压直到真空度的测量。几种弹性元件的结构及其特性如表4- 1所列。(www.xing528.com)

表4-1 弹性元件的结构和特性

①1kgf/cm2＝98.0665kPa。

现以最常见的单圈弹簧管式压强计为例，说明弹性式压强计的工作原理。

单圈弹簧管是弯成圆弧形的空心管子，如图4-6所示。它的截面呈扁圆形或椭圆形，圆的长轴a与图面垂直的弹簧管中心轴O相平行。管子封闭的一端为自由端，即位移输出端。管子的另一端则是固定的，作为被测压力的输入端。图4-6中：

A——弹簧管的固定端；

B——弹簧管的自由端；

O——弹簧管的中心轴；

γ——弹簧管中心角的初始值；

△γ——中心角的变化量；

R，r——弹簧管弯曲圆弧的外径和内径；

a，b——弹簧管椭圆截面的长半轴和短半轴。

作为压力-位移转换元件的弹簧管，当它的固定端A通入被测压力p后，由于椭圆形截面在压力p的作用下将趋向圆形，弯成圆弧形的弹簧管随之产生向外挺直的扩张形变，其自由端就由B移到B′，如图4-6上虚线所示，弹簧管的中心角随即减小△γ。根据弹性形变原理可知，中心角的相对变化值△γ/γ与被测压力p成比例。通过机械传递，将中心角的相对变化转变为指针变化，即可测得压强值。

图4-6 单圈弹簧管

4.2.3 电气式压强计

电气式压强计一般用于测量快速变化、脉动压力和高真空、超高压等场合，比如应变片式压强计。应变片常由半导体材料制成，它的电阻值R随压力p所产生的应变而变化。在受压的情况下，半导体材料的电阻变化率远远大于金属材料的电阻变化率。这是因为在半导体（如单晶硅）的晶体结构上施压后，会暂时改变晶体结构的对称性，从而改变了半导体的导电性能，表现为它的电阻率的变化。应变片式压力传感器就是利用应变片作为转换元件，把被测压强转换为应变片电阻值变化，然后经桥式电路得到毫伏级电量并传输给显示单元，组成应变片式压强计。

4.2.4 测压仪表的选用

压强计的选用应根据使用要求，针对具体情况做具体的分析。在符合工艺生产过程所提出的技术要求条件下，本着节约原则，合理地选择种类、型号、量程和精度等级。有时还需要考虑是否需带有报警、远传变送等附加装置。

选用的依据主要有：

（1）工艺生产过程对压力测量的要求，例如压力测量精度、被测压力的高低、测量范围以及对附加装置的要求等；

（2）被测介质的性质，例如被测介质温度、黏度、腐蚀性、脏污程度、易燃易爆等；

（3）现场环境条件，例如高温、腐蚀、潮湿、振动等。

除此之外，对弹性式压强计，为了保证弹性元件能在弹性形变的安全范围内可靠地工作，在选择压强计量程时必须考虑到留有足够的余地。一般地，在被测压力较稳定的情况下，最大压力值应不超过满量程的3/4；在被测压力波动较大的情况下，最大压力值应不超过满量程的2/3。为保证测量精度，被测压力最小值以不低于全量程的1/3为宜。

测压仪表的种类、特点和应用范围可参阅表4-2。

表4-2 测压仪表的种类、特点和应用范围

4.2.5 测压仪表的安装

为使压强计发挥应有的作用，不仅要正确地选用，还需特别注意正确地安装。安装时一般有如下要求。

（1）测压点。除正确选定设备上的具体测压位置外，在安装时应使插入设备中的取压管内端面与设备连接处的内壁保持平齐，不应有凸出物或毛刺，且测压孔不宜太大，以保证正确地取得静压力。同时，在测压点的上、下游应有一段直管稳定段，以避免流体动能对测量的影响。

（2）安装地点应力求避免振动和高温的影响。

（3）测量蒸气压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸气与测压元件直接接触；对于腐蚀性介质，应加装充有中性介质的隔离罐。总之，针对被测介质的不同性质（高温、低温、腐蚀、脏污、结晶、沉淀、黏稠等），采取相应的防温、防腐、防冻、防堵等措施。

（4）取压口到压强计之间应装有切断阀门，以备检修压强计时使用。切断阀应装设在靠近取压口的地方。需要进行现场校验和经常冲洗引压导管的场合，切断阀可改用三通开关。

（5）引压导管不宜过长，以减少压力指示的迟缓。