壓力和差壓的概念及表示方法

在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，壓力和差壓的檢測(cè)使用相當(dāng)廣泛，正確測(cè)量和控制壓力是保 證生產(chǎn)良好運(yùn)行，達(dá)到高產(chǎn)、低功耗的重要環(huán)節(jié)^例如，在化工生產(chǎn)合成氨時(shí)氮和氫 必須在一定的壓力下合成，壓力太低，反應(yīng)不充分，產(chǎn)量低I另外，壓力的測(cè)量和控制也是 安全生產(chǎn)所必需的。例如發(fā)電廠的高溫高壓鼓形鍋爐，若爐內(nèi)水位過(guò)低，就會(huì)迅速蒸發(fā)出大 量的水蒸氣，使壓力突增，就會(huì)造成鍋爐的爆炸。此外，在一定的條件下，通過(guò)測(cè)量壓力或 差壓還可間接測(cè)得溫度、流量和液位等其他物理量。、因此，壓力和差壓的測(cè)量在石油、化工 及冶金等各類工業(yè)生產(chǎn)中都占有重要的地位。

本章討論了幾種在實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)中使用較多的壓力檢測(cè)儀表的檢測(cè)原理、組成結(jié)構(gòu)和 使用方法等。本章教學(xué)內(nèi)容緊密生產(chǎn)實(shí)際，介紹了常用壓力檢測(cè)儀表及壓力、差壓變送 器的實(shí)際應(yīng)用，zui后還介紹了壓力檢測(cè)儀表的安裝、使用及校驗(yàn)方法.概述

壓力和差壓的概念及表示方法在工程技術(shù)上，壓力定義為垂直均勻地作用在單位面積上的力，即為物理概念中的壓 強(qiáng)。表達(dá)式為

式中，P表示壓力；F表示垂直均勻的作用力；4表示受力面積。

在工程上，'壓力有幾種不同的表示方法：

1. 大氣壓Pfl

大氣壓表示地球表面空氣因I重在物體單位面積上產(chǎn)生的壓力，它隨地理緯度、海拔高 度及氣象情況的變化而變化。可&用.門的大氣壓力表（簡(jiǎn)稱氣壓表）測(cè)量。

2. 壓力

壓力以零壓力為基準(zhǔn)，表示被測(cè)介質(zhì)作用在物體表面上的全部壓力，又稱總壓 力或全壓力

3. 表壓力p

表壓力以大氣壓為基準(zhǔn)，表示超出|地大氣壓P。的壓力它們之間的關(guān)系可表示為

Pa =P +Po 

P =P, -Po 

由于在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，各種工藝設(shè)備和檢測(cè)儀表通常都是處于大氣壓中，因此壓力檢. 則儀表的指示值均是指超出大氣壓的壓力值，即表壓力本文后面所述各種壓力檢測(cè)儀表 奸指示的壓力，若無(wú)特殊說(shuō)明，均指表壓力表壓力根據(jù)數(shù)值的正負(fù)又分別稱為正壓力和負(fù) 五力。

4. 真空度pv

壓力小于大氣壓，即表壓力為負(fù)值（負(fù)壓力）時(shí)，在工程上，經(jīng)常用真空度來(lái) g示，真空度的數(shù)值為負(fù)壓力的值數(shù)，即

P, =Po -P^)S差壓Ap

工程上的差壓是指任意兩點(diǎn)壓力的差，即=Pl -h。-#差壓在各種熱工量、機(jī)械量的

測(cè)量中應(yīng)用很多，差壓用差壓計(jì)進(jìn)行測(cè)量，在差 壓計(jì)中通常將較大的壓力稱為正壓，較小的壓力 稱為負(fù)壓。注意這個(gè)負(fù)壓是相對(duì)正壓而言的，不 一定低于大氣壓，不要和上面說(shuō)的負(fù)壓力混渚

圖3-1表示了上述各壓力概念間的相‘互關(guān)系

3.1.2壓力的度量單位

根據(jù)壓力的定義式可知，壓力由作用力與受 力面積的比值所決定因此，在任何一種單位制 中，壓力的度量單位都是一個(gè)導(dǎo)出單位。由于表

示面積與力的單位很多，在不同的單位制中可以導(dǎo)出不同的壓力度量單位。目前常用的壓力 度鮮位有以下幾種

1.帕斯卡

帕斯卡簡(jiǎn)稱帕（Pa),這是壓力的制導(dǎo)出單位。

1帕（Pa) =1牛頓/平方米（N/m2)

表示1N的力垂直均勻地作用在lm2面積上所產(chǎn)生的壓力。

此單位被規(guī)定為單位制中計(jì)量壓力量值的單位，它已代替其他所有單位在上通 用_我國(guó)規(guī)定，從1986年起律用帕斯卡作為壓力的度量單位工程上，因Pa單位太小，常用其倍數(shù)單位kPa (千帕）、MPa (兆帕）來(lái)表示，lkPa = lOOOPa、lMPa = l xl06Pao 2.其他常用壓力度量單誶

目前我國(guó)壓力測(cè)量?jī)x表^生產(chǎn)和使用中，由于習(xí)慣的原因，還在采用的非法定壓力度量 單位有：

(1) 工程大氣壓表親1千克力垂直均勻地作用于1平方厘米面積上所產(chǎn)生的壓力， 用符號(hào)kgf/cm2表7

t程大氣壓=1千克力/厘米2 (或公斤力/厘米2 )

(2) 毫米汞柱1毫米汞柱表示在重力加速度為9. 80665米/秒2時(shí)，1mm高的汞柱在. 01時(shí)（汞密度為13.5951克/厘米3 )所產(chǎn)生的壓力，用符號(hào)mmHg表示。

(3) 毫米水柱1毫米水柱表示在重力加速度為9.80665米/秒2時(shí)，1mm高的水柱在 4T時(shí)（水密度為1.0克/厘米3 )所產(chǎn)生的壓力，用符號(hào)mmH20表示。

各壓力度量單位的換算關(guān)系如表3-1所示。

3.2液柱式壓力計(jì)

液柱式壓力計(jì)的測(cè)壓是基于液體靜力學(xué)原理，利用已知密度的液柱高度對(duì)底面產(chǎn)生的靜 壓力來(lái)平衡被測(cè)壓力，根據(jù)液柱高度來(lái)確定被測(cè)壓力的大小。液柱式壓力計(jì)是zui早用來(lái)測(cè)量 壓力的一種儀表，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，測(cè)量可靠、直觀，準(zhǔn)確度高，使用方便及價(jià)格 低廉等優(yōu)點(diǎn)，所以目前還在廣泛地使用。但是這種壓力計(jì)的量程受到液柱高度的限制，只能 測(cè)量微小的正壓、負(fù)壓或差壓，測(cè)壓范圍為10_6 ~0.3MPa。而且玻璃管易損壞，用汞作工 作介質(zhì)時(shí)存在污染和有毒等問(wèn)題，只能就地指示，不能遠(yuǎn)傳和記錄，所以它的應(yīng)用范圍也受 到限制，一般可用于實(shí)驗(yàn)室檢定和校驗(yàn)其他形式的壓力表。

3.2.1 U形管壓力計(jì)

1. U形管壓力計(jì)的結(jié)構(gòu)

U形管壓力計(jì)是液柱式壓力計(jì)中zui常用、結(jié)構(gòu)zui簡(jiǎn)單的測(cè)壓儀表。如圖3-2所示，它是 一根彎成U形、內(nèi)截面積相同的玻璃管，被固定在底板上，在U形管中間設(shè)一個(gè)刻度標(biāo)尺，

零點(diǎn)在標(biāo)尺的中央。在U形玻璃管內(nèi)充人水銀或水等工作 液，液體到零點(diǎn)處。

2. U形管壓力計(jì)的工作原理

測(cè)量時(shí)，U形管壓力;十的兩個(gè)管口分別通入壓力Pl、 p2c當(dāng)巧二巧時(shí)，兩管中自由液面同處于標(biāo)尺中央零刻度 處。當(dāng)/>2>九時(shí)，右邊管中液面下降，左邊管中液面上升， 一直到液面的高度差H產(chǎn)生的壓力與被測(cè)差壓平衡為止。 根據(jù)流體靜力學(xué)原理，有

Ap -p2 -px -pgH (3-5)

式中，p為U形管壓力計(jì)的工作液密度；g為U形管壓力計(jì) 所在地的重力加速度；為U形管左右兩管液面的高度差。

如果兩管分別通大氣壓凡和被測(cè)壓力p”則測(cè)得的壓力為表壓力：

P =P, ~Po =PgH

由此可見(jiàn)：

1) U形管壓力計(jì)可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)被測(cè)壓力之間的差值（即差壓），或測(cè)量某個(gè)表壓力。

2) 當(dāng)工作液密度p—定時(shí)，不同的液面高度差//就對(duì)應(yīng)著不同的被測(cè)壓力（或差壓）: 這樣壓力（或差壓）測(cè)量就轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的液面高度的測(cè)量。被測(cè)壓力（或差壓）可以直接 用液面高度差來(lái)表示，其單位采用毫米水柱mmH20 (填充工作液為水）或毫米汞欄 mmHg (填充工作液為隸）。

3) 若減小U形管內(nèi)工作液的密度p，在相同壓力的作用下，//值變大，即儀表靈敏虔 提高，但同時(shí)量程范圍變小（受玻璃管高度的限制）；相反，為了擴(kuò)大儀表的量程，可提肩 p,但靈敏度降低。因此，當(dāng)測(cè)量較大的壓力時(shí)，可采用密度比較大的工作液，如汞；當(dāng)泖 量較小的壓力時(shí)，為了提高靈敏度，可采用密度比較小的工作液，如水、酒精。

另外，為了滿足不同要求的測(cè)量，工作液要求物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，不易揮發(fā)，密度不 變，與工作介質(zhì)不相混，并有清楚的液面，另外不與玻璃吸附，以保證讀數(shù)準(zhǔn)確。

由于U形管壓力計(jì)很難保證兩管的內(nèi)徑一致，因而在確定液面高度差丹時(shí)，必須同N 讀出兩管的液面高度變化/h和否則就可能造成較大的讀數(shù)誤差。