壓力測量儀錶

1643年，義大利人E.托里拆利首先測定標準的大氣壓力值為760毫米汞柱，奠定了液柱式壓力測量儀錶的基礎。1847年，法國人E.波登製成的波登管壓力表，由於結構簡單、實用，很快在工業中獲得廣泛應用，一直是常用的壓力測量儀錶。20世紀上半葉出現遠傳壓力表和電接點壓力表，從而解決壓力測量值的遠距離傳送和壓力的報警、控制問題。60年代以後，為適應工業控制、航空工業和醫學測試等方面的要求，壓力測量儀錶日益向體積輕巧、耐高溫、耐衝擊、耐振動和數字顯示等方向發展。

壓力測量儀錶按工作原理分為液柱式、彈性式、負荷式和電測式等類型。

常稱為液柱式壓力計。它是以一定高度的液柱所產生的壓力與被測壓力相平衡的原理測量壓力的。大多是一根直的或彎成U形的玻璃管，其中充以工作液體。常見的有單管壓力計、U形壓力計。常用的工作液體為蒸餾水、水銀和酒精。因玻璃管強度不高並受讀數限制，所測壓力一般不超過0.3兆帕。它的特點是靈敏度高。液柱式壓力計主要用作實驗室中的低壓基準儀錶，以校驗工作用壓力測量儀錶。由於工作液體的重度在環境溫度、重力加速度改變時會發生變化，對測量的結果常需要進行溫度和重力加速度等方面的修正。

利用各種不同形狀的彈性元件在壓力下產生變形的原理製成的壓力測量儀錶。彈性式壓力測量儀錶按採用的彈性元件不同分為彈簧管壓力表、膜片壓力表、膜盒壓力表和波紋管壓力表等；按功能不同分為指示式壓力表、電接點壓力表和遠傳壓力表等。這類儀錶的特點是結構簡單，結實耐用，測量範圍寬(-0.1～1500兆帕)，是壓力測量儀錶中應用最多的一種。

圖2為彈簧管壓力表，又稱為波登管壓力表。壓力表中的彈簧的自由端是封閉的，它通過拉杆帶動扇形齒輪轉動。測壓時，彈簧管在被測壓力作用下產生變形，因而彈簧管自由端產生位移，位移量與被測壓力的大小成正比，使指針偏轉，在度盤上指示出壓力值。如果錶殼內通有大氣，壓力表測出的壓力為正壓或負壓；如果將錶殼密封並抽真空，壓力表測出的壓力就是絕對壓力。彈簧管壓力錶帶有隔離裝置時，尚可測量溫度較高或腐蝕性、粘稠狀、易結晶和粉塵狀介質的壓力。在精確度較高（如0.25級以上）的彈性式壓力測量儀錶中，彈性元件多用恆彈性合金以至石英玻璃製成。傳動機構的軸孔中鑲嵌寶石軸承或滾動軸承。度盤標尺長，有的還能進行數字顯示。

常稱為負荷式壓力計。它是直接按壓力的定義製作的，常見的有活塞式壓力計、浮球式壓力計和鐘罩式壓力計。圖3為活塞式壓力計的結構示意圖。砝碼和活塞系統的重力作用於工作介質（油或氣），產生的壓力按帕斯卡原理（見流體靜力學）傳至壓力計各處，其值等於砝碼和活塞系統的重力除以活塞有效面積。調整砝碼即可獲得不同的壓力值。由於活塞和砝碼均可精確加工和測量，這類壓力計誤差很小，主要作為壓力基準儀錶使用，測量範圍從數十帕至2500兆帕。提供的標準壓力值為斷續值，故操作較複雜。當活塞式壓力計的精確度在0.05級以上時，則需要對測量結果進行修正。修正的內容有環境溫度變化引起的活塞有效面積變化的影響、空氣浮力的影響、活塞底部和被校儀錶中心的高度差的影響等。壓力高於25兆帕時，尚須考慮高壓時活塞桿變形造成的誤差的修正。

這類儀錶利用金屬或半導體的物理特性直接將壓力轉換為電壓、電流信號或頻率信號輸出，或是通過電阻應變片等將彈性體的形變轉換為電壓、電流信號輸出。代表性產品有由壓電式、壓阻式、振頻式、電容式和應變式等壓力感測器所構成的電測式壓力測量儀錶。精確度可達0.02級，測量範圍從數十帕至700兆帕不等。

圖4為壓阻式壓力感測器的原理示意。它是利用半導體材料硅受壓后電阻率改變與所受壓力有一定關係的原理製做的。用集成電路工藝在單晶硅膜片的特定晶向上擴散一組等值應變電阻，將電阻接成電橋形式。當壓力發生變化時，單晶硅產生應變，應變使電阻值發生與被測壓力成比例的變化，電橋失去平衡，輸出一電壓信號至顯示儀錶顯示。

壓力測量儀錶所測量的壓力，實際上是物理概念中的壓強，即垂直作用在單位面積上的力。被測介質作用在容器單位面積上的全部壓力稱為絕對壓力pi(圖1),用來測量絕對壓力的儀錶稱為絕對壓力表。大氣在地面上產生的平均壓力值稱為大氣壓力pq，用來測量大氣壓力的儀錶稱為氣壓表。通常壓力測量儀錶所測得的壓力值等於絕對壓力值與大氣壓力值之差，稱為表壓力pb。絕對壓力值小於大氣壓力值時，表壓力為負值（即負壓力），此負值的絕對值稱為真空度pz，相應的測量儀錶稱為真空表（或稱負壓表）。既能測量壓力值又能測量真空度的儀錶稱為壓力真空表。

垂直均勻地作用於單位面積上的力稱為壓力，又稱壓強。壓力表可以指示、記錄壓力值並可附加報警或控制裝置。儀錶所測壓力包括絕對壓力、大氣壓力、正壓力（習慣上稱表壓）、負壓 (習慣上稱真空)和差壓。工程技術上所測量的多為表壓。壓力的國際單位為帕(Pa)。壓力的其他單位還有：工程大氣壓(kgf/cm2)、巴(bar)、毫米水柱(mmH2O)、毫米汞柱(mmHg)(即托)等。

在現代工業生產過程中，壓力是工業生產中的重要參數，它決定生產過程能否正常進行。如高壓容器的壓力超過額定值時便是不安全的，必須進行測量和控制。在某些工業生產過程中，壓力還直接影響產品的質量和生產效率，如生產合成氨時，氮和氫不僅須在一定的壓力下合成，而且壓力的大小直接影響產量高低。

此外，在一定的條件下，測量壓力還可間接得出溫度、流量和液位等參數。化學工業生產過程中的壓力既影響化學反應的平衡關係，也影響反應速率，只有按工藝條件的規定保持一定的壓力才能保證化學反應正常進行。在研製一些新產品時，例如工業汽輪機、內燃機、航空發動機等，必須測出壓力與其他參數之間的關係，才能確定其性能。因此壓力測量儀錶的應用非常廣泛。

隨著工業技術的發展和工業計算機控制系統的廣泛應用，各種新型的電測壓力計，即壓力感測器將得到更大的發展。它們可以輸出電阻、電流、電壓或頻率等信號，以適應各種不同應用場合的需要，並可與測量線路和信號測量裝置組成壓力測量控制系統（圖2）。常見的信號測量裝置有電流表、電壓表、應變儀以及計算機等。有時，在這類測量系統中還需要加入輔助電源。這類壓力感測器正向小型化和數字化方向發展。利用壓阻效應、壓電效應或其他物理特性的壓力感測器正在和集成電路技術、數字技術相結合，直接把壓力轉換為數字信號輸出。