3.2 压力测量
在化工生产及科学实验中，压力和压差是非常重要的参数之一，而且压力测量的范围广泛，要求的精度不同，需要针对不同要求采取不同的测量方法。
根据测压原理，压力的测定方法分为以下两种：①根据压力的定义直接测量单位面积上受力的大小，如用液柱本身的重力去平衡被测压力，通过液柱的高低给出压力值，或者靠重物去平衡被测压力并通过砝码的数值给出压力值；②应用压力作用于物体后所产生的各种物理效应来实现压力测量，这方面以应用各种弹性测量元件的机械形变实现压力测量最为广泛，并且多是转换为电信号作为输出信号便于应用和显示。
3.2.1 液柱压力计
应用液柱测量的方法是以流体静力学原理为基础的。液柱所用液体种类很多，单纯物质和液体混合物均可，但所用液体与被测介质接触必须有一个清楚而稳定的分界面，以便准确读数。常用的工作液体有水、水银、酒精、甲苯等。
液柱压力计包括U形管（倒U形管）压力计、单管压力计、斜管压力计、微差压力计等，具体结构及特征见表3-1。它是最早用来测量压力的仪表，由于其结构简单，使用方便，价格便宜，在一定条件下精密度较高，目前还有广泛的用途。但是由于它不能测量较高压力，也不能进行自动指示和记录，所以应用范围受到限制，一般作为实验室低压的精密测量和用于仪表的校验。
表3-1 液柱压力计的结构及特性
因为液柱压力计存在耐压程度差、结构不牢固、容易破碎、测量范围小、示值与工作液体密度有关等缺点，所以在使用中必须注意以下几点。
①被测压力不能超过仪表测量范围。若被测对象突然增压或操作不当造成压力骤升，会将工作液冲走。如果是水银，还可能造成污染和中毒，要特别注意！
②被测介质不能与工作液混合或起化学反应，否则，应更换其他工作液或采取加隔离液的方法。常用的隔离液如表3-2所示。
表3-2 某些介质的隔离液
③液柱压力计安装位置应避开过热、过冷和有振动的地方。因为工作液过热易蒸发，过冷易冻结，振动太大会把玻璃管振破，造成测量误差，甚至根本无法指示。
④由于液体的毛细管现象及表面张力作用，读取压力值时，观察水（或其他对管壁浸润的工作液）时应看凹面最低处；观察水银（或其他对管壁不浸润的工作液）时应看凸面最高点。
⑤需要水平放置的仪表，测量前应将仪表放平，再校正零点。
⑥使用过程中要保持测量管和刻度标尺的清晰，定期更换工作液。
3.2.2 弹力压力计
当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹性变形（及机械位移），根据变形量的大小，可以测得被测压力的数值。在同样的压力下，不同结构、不同材料的弹性元件会产生不同的弹性变形。常用的弹性元件有弹簧管、波纹管、薄膜等，其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量，弹簧管可用于高、中、低压或真空度的测量。
根据这种原理制成的仪表，其性能主要取决于弹性元件的弹性特征，而它又与弹性元件的材料、加工和热处理质量有关，同时还与环境温度有关。由于温度变化会影响弹性元件的特征，因此要选择温度系数小的材料制作压力检测元件。高压弹性元件用钢和不锈钢制成，低压弹性元件大多采用黄铜、磷青铜和铍青铜合金。这样测压仪表结构简单，造价低廉，精度较高，便于携带和安装使用，测压范围宽（10-2～10-9Pa），目前在工业测量中应用最广。
弹性压力计中使用最广泛的是弹簧管压力计，它主要有弹簧管、齿轮传动机构、示数装置（指针和分读盘）以及外壳等几部分组成，其结构如图3-2所示。
图3-2 弹簧管压力计
1—指针；2—弹簧管；3—接头；4—拉杆；5—扇形齿轮；6—壳体；7—基座
为了保证弹簧管压力计正确指示和长期使用，仪表的安装与维护很重要。使用时注意以下几点。
①仪表应工作在允许范围内，静压力下一般不超过测量上限的70％，压力波动时不应超过测量上限的60％。
②工业用压力表的使用条件为环境温度的-40～+60℃，相对湿度小于80％。
③仪表安装处与测定点之间的距离应尽量短，以免指示迟缓。
④在震动情况下使用仪表时要安装减震装置。
⑤测量结晶或黏度较大的介质时，要加装隔离器。
⑥仪表必须垂直安装，无泄漏现象。
⑦仪表测量点与仪表安装处应处于同一水平位置，否则，会产生附加高度误差。必要时需加以修正值。
⑧测量爆炸、腐蚀、有毒气体的压力时，应使用特殊仪表。氧气压力表严禁接触油类，以免爆炸。
⑨仪表必须定期校正，合格的表才能使用。
3.2.3 压力的电测方法
随着工业自动化程度不断提高，仅仅采用就地指示仪表测定待测压力远远不能满足要求，往往需要转换成容易远传的电信号，以便于集中检测和控制。能够测量压力并将电信号远传的装置称为压力传感器。电测法就是通过压力传感器直接将被测压力变成电阻、电流、频率等形式的信号来进行压力测量。这种方法在自动化系统中具有广泛用途和重要作用，除用于一般压力测量外，尤其适用于快速变化和脉动压力的测量。其主要类别有压电式、压阻式、电容式、电感式、霍尔式等。
（1）压电式压力传感器
这种传感器根据“电压效应”原理把被测压力变换成电信号。当某些晶体沿着某一方向受压或受压发生机械变形时，在其相对的两个表面上会产生异性电荷。当外力去掉后，它又重新回到不带电状态，此现象称为“电压效应”。常用的电压材料有压电晶体和压电陶瓷两大类。它们都具有很好的特性，均是理想的电压材料。
常用的电压晶体为石英晶体，而压电陶瓷是人造晶体，其压电常数比石英晶体高，但机械能不如石英晶体好。压电式压力传感器可测量100MPa以内的压力，频率响应可达30kHz。
（2）压阻式压力传感器
固体受到作用力后，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。压阻式压力传感器就是利用半导体材料（单晶硅）的压阻效应原理制成的传感器。半导体的灵敏系数比金属导体大得多，但其受温度的影响也比金属材料大得多，且线性较差，因此使用时应考虑补偿和修正。
压阻式压力传感器主要由压阻芯片和外壳组成，图3-3所示为其典型的结构原理。这种传感器的特点是易于小型化，国内可生产直径1.8～2mm的产品，灵敏度高，其灵敏系数比金属的高50～100倍；响应时间短，频率响应可达数十千赫；测量范围很宽，可以测低至10Pa的微压，也可测高至60MPa的高压；精度高、工作可靠，精度可达0.1％，高精度的产品甚至可达0.02％。
图3-3 压阻式压力传感器
1—硅杯；2—膜片；3—扩散电阻；4—内部引线；5—引线管；6—压力接管
（3）电容式压力传感器
利用平板电容测量压力的传感器如图3-4所示。当压力p′作用于膜片时，膜片产生位移，改变两平行板间距d，从而引起电容量的变化，经测量线路可求出作用压力p的大小。忽略边缘效应时，平板电容器的电容C为
（3-7）
图3-4 平板电容器
式中 ε——介电常数；
S——极板间重叠面积；
d——极板间距。
由式（3-7）可知，电容量与S、ε和d有关。当被测压力控制S、ε和d三者中任一参数，就可以得到电容量的增量ΔC随压力p变化的函数关系ΔC=f（p）。所以电容式压力传感器可分为三类：变面积式、变极间距式和变介电质式（可以用空气或固体介质，如云母等）。
由于电容压力传感器只完成被测压力p与电容C的函数转换，因此还需要进行二次转换U=f（C），这样测出电压U就可求出被测压力p。
电容式压力传感器的主要特点是：灵敏度高，特别适用于低压和微压测试；内部几乎不存在摩擦，本身也不消耗能量，减少了测量误差；具有极小的可动质量，因而有较高的固有频率，保证了良好的动态响应能力；由于用气体或真空作绝缘介质，介质损失小，本身不引起温度变化；结构简单，多数采用玻璃、石英或陶瓷作绝缘支架，所以能在高温、辐射等恶劣条件下工作。