3.2 壓力測量
在化工生產及科學實驗中，壓力和壓差是非常重要的參數之一，而且壓力測量的范圍廣泛，要求的精度不同，需要針對不同要求采取不同的測量方法。
根據測壓原理，壓力的測定方法分為以下兩種：①根據壓力的定義直接測量單位面積上受力的大小，如用液柱本身的重力去平衡被測壓力，通過液柱的高低給出壓力值，或者靠重物去平衡被測壓力并通過砝碼的數值給出壓力值；②應用壓力作用于物體后所產生的各種物理效應來實現壓力測量，這方面以應用各種彈性測量元件的機械形變實現壓力測量最為廣泛，并且多是轉換為電信號作為輸出信號便于應用和顯示。
3.2.1 液柱壓力計
應用液柱測量的方法是以流體靜力學原理為基礎的。液柱所用液體種類很多，單純物質和液體混合物均可，但所用液體與被測介質接觸必須有一個清楚而穩定的分界面，以便準確讀數。常用的工作液體有水、水銀、酒精、甲苯等。
液柱壓力計包括U形管（倒U形管）壓力計、單管壓力計、斜管壓力計、微差壓力計等，具體結構及特征見表3-1。它是最早用來測量壓力的儀表，由于其結構簡單，使用方便，價格便宜，在一定條件下精密度較高，目前還有廣泛的用途。但是由于它不能測量較高壓力，也不能進行自動指示和記錄，所以應用范圍受到限制，一般作為實驗室低壓的精密測量和用于儀表的校驗。
表3-1 液柱壓力計的結構及特性
因為液柱壓力計存在耐壓程度差、結構不牢固、容易破碎、測量范圍小、示值與工作液體密度有關等缺點，所以在使用中必須注意以下幾點。
①被測壓力不能超過儀表測量范圍。若被測對象突然增壓或操作不當造成壓力驟升，會將工作液沖走。如果是水銀，還可能造成污染和中毒，要特別注意！
②被測介質不能與工作液混合或起化學反應，否則，應更換其他工作液或采取加隔離液的方法。常用的隔離液如表3-2所示。
表3-2 某些介質的隔離液
③液柱壓力計安裝位置應避開過熱、過冷和有振動的地方。因為工作液過熱易蒸發，過冷易凍結，振動太大會把玻璃管振破，造成測量誤差，甚至根本無法指示。
④由于液體的毛細管現象及表面張力作用，讀取壓力值時，觀察水（或其他對管壁浸潤的工作液）時應看凹面最低處；觀察水銀（或其他對管壁不浸潤的工作液）時應看凸面最高點。
⑤需要水平放置的儀表，測量前應將儀表放平，再校正零點。
⑥使用過程中要保持測量管和刻度標尺的清晰，定期更換工作液。
3.2.2 彈力壓力計
當被測壓力作用于彈性元件時，彈性元件便產生相應的彈性變形（及機械位移），根據變形量的大小，可以測得被測壓力的數值。在同樣的壓力下，不同結構、不同材料的彈性元件會產生不同的彈性變形。常用的彈性元件有彈簧管、波紋管、薄膜等，其中波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測量，彈簧管可用于高、中、低壓或真空度的測量。
根據這種原理制成的儀表，其性能主要取決于彈性元件的彈性特征，而它又與彈性元件的材料、加工和熱處理質量有關，同時還與環境溫度有關。由于溫度變化會影響彈性元件的特征，因此要選擇溫度系數小的材料制作壓力檢測元件。高壓彈性元件用鋼和不銹鋼制成，低壓彈性元件大多采用黃銅、磷青銅和鈹青銅合金。這樣測壓儀表結構簡單，造價低廉，精度較高，便于攜帶和安裝使用，測壓范圍寬（10-2～10-9Pa），目前在工業測量中應用最廣。
彈性壓力計中使用最廣泛的是彈簧管壓力計，它主要有彈簧管、齒輪傳動機構、示數裝置（指針和分讀盤）以及外殼等幾部分組成，其結構如圖3-2所示。
圖3-2 彈簧管壓力計
1—指針；2—彈簧管；3—接頭；4—拉桿；5—扇形齒輪；6—殼體；7—基座
為了保證彈簧管壓力計正確指示和長期使用，儀表的安裝與維護很重要。使用時注意以下幾點。
①儀表應工作在允許范圍內，靜壓力下一般不超過測量上限的70％，壓力波動時不應超過測量上限的60％。
②工業用壓力表的使用條件為環境溫度的-40～+60℃，相對濕度小于80％。
③儀表安裝處與測定點之間的距離應盡量短，以免指示遲緩。
④在震動情況下使用儀表時要安裝減震裝置。
⑤測量結晶或黏度較大的介質時，要加裝隔離器。
⑥儀表必須垂直安裝，無泄漏現象。
⑦儀表測量點與儀表安裝處應處于同一水平位置，否則，會產生附加高度誤差。必要時需加以修正值。
⑧測量爆炸、腐蝕、有毒氣體的壓力時，應使用特殊儀表。氧氣壓力表嚴禁接觸油類，以免爆炸。
⑨儀表必須定期校正，合格的表才能使用。
3.2.3 壓力的電測方法
隨著工業自動化程度不斷提高，僅僅采用就地指示儀表測定待測壓力遠遠不能滿足要求，往往需要轉換成容易遠傳的電信號，以便于集中檢測和控制。能夠測量壓力并將電信號遠傳的裝置稱為壓力傳感器。電測法就是通過壓力傳感器直接將被測壓力變成電阻、電流、頻率等形式的信號來進行壓力測量。這種方法在自動化系統中具有廣泛用途和重要作用，除用于一般壓力測量外，尤其適用于快速變化和脈動壓力的測量。其主要類別有壓電式、壓阻式、電容式、電感式、霍爾式等。
（1）壓電式壓力傳感器
這種傳感器根據“電壓效應”原理把被測壓力變換成電信號。當某些晶體沿著某一方向受壓或受壓發生機械變形時，在其相對的兩個表面上會產生異性電荷。當外力去掉后，它又重新回到不帶電狀態，此現象稱為“電壓效應”。常用的電壓材料有壓電晶體和壓電陶瓷兩大類。它們都具有很好的特性，均是理想的電壓材料。
常用的電壓晶體為石英晶體，而壓電陶瓷是人造晶體，其壓電常數比石英晶體高，但機械能不如石英晶體好。壓電式壓力傳感器可測量100MPa以內的壓力，頻率響應可達30kHz。
（2）壓阻式壓力傳感器
固體受到作用力后，其電阻率會發生變化，這種現象稱為壓阻效應。壓阻式壓力傳感器就是利用半導體材料（單晶硅）的壓阻效應原理制成的傳感器。半導體的靈敏系數比金屬導體大得多，但其受溫度的影響也比金屬材料大得多，且線性較差，因此使用時應考慮補償和修正。
壓阻式壓力傳感器主要由壓阻芯片和外殼組成，圖3-3所示為其典型的結構原理。這種傳感器的特點是易于小型化，國內可生產直徑1.8～2mm的產品，靈敏度高，其靈敏系數比金屬的高50～100倍；響應時間短，頻率響應可達數十千赫；測量范圍很寬，可以測低至10Pa的微壓，也可測高至60MPa的高壓；精度高、工作可靠，精度可達0.1％，高精度的產品甚至可達0.02％。
圖3-3 壓阻式壓力傳感器
1—硅杯；2—膜片；3—擴散電阻；4—內部引線；5—引線管；6—壓力接管
（3）電容式壓力傳感器
利用平板電容測量壓力的傳感器如圖3-4所示。當壓力p′作用于膜片時，膜片產生位移，改變兩平行板間距d，從而引起電容量的變化，經測量線路可求出作用壓力p的大小。忽略邊緣效應時，平板電容器的電容C為
（3-7）
圖3-4 平板電容器
式中 ε——介電常數；
S——極板間重疊面積；
d——極板間距。
由式（3-7）可知，電容量與S、ε和d有關。當被測壓力控制S、ε和d三者中任一參數，就可以得到電容量的增量ΔC隨壓力p變化的函數關系ΔC=f（p）。所以電容式壓力傳感器可分為三類：變面積式、變極間距式和變介電質式（可以用空氣或固體介質，如云母等）。
由于電容壓力傳感器只完成被測壓力p與電容C的函數轉換，因此還需要進行二次轉換U=f（C），這樣測出電壓U就可求出被測壓力p。
電容式壓力傳感器的主要特點是：靈敏度高，特別適用于低壓和微壓測試；內部幾乎不存在摩擦，本身也不消耗能量，減少了測量誤差；具有極小的可動質量，因而有較高的固有頻率，保證了良好的動態響應能力；由于用氣體或真空作絕緣介質，介質損失小，本身不引起溫度變化；結構簡單，多數采用玻璃、石英或陶瓷作絕緣支架，所以能在高溫、輻射等惡劣條件下工作。