压力表计量基础知识讲座

戴孝华/上海市计量测试技术研究院

第一讲 压力定义及其计量单位

1 压力的定义

1.1 一般定义

压力一般定义是：垂直作用并均匀分布在单位面积上的力。从字面上看，定义用字不多，很简单；从另一面讲，是精炼，是对压力含义的高度概括。所以，在解读压力定义的时候，要着重理解其中两个重要因素，即力的垂直性和分布的均匀性，这两个重要的因素是从事压力计量和测试的出发点。

压力定义的科学性和可操作性还反映在可用简单的数学公式表示：

式中：p — 产生的压力；

F — 垂直作用力；

S — 承受作用力的单位面积由式（1）可以清楚地看出：压力的大小决定于作用力和受力面积的大小。压力的大小与作用力成正比，作用力大压力大，作用力小压力小；压力大小与受力面积成反比，受力面积大压力小，受力面积小压力大。活塞式压力计是实现式（1）的最理想的压力计量仪器。

提示1：压力在物理学上通常称为压强。

提示2：根据我国法定计量单位规定，式（1）中的压力符号p 是用小写斜体英文字母。不得使用符号大P字母。

1.2 广义定义

前面介绍了压力的一般定义，但在实际工程技术中常常需要使用到压力的广义定义。

现在假设有一任意平面S，如图1所示，它的法线方向为n — n，即n — n垂直面积S。有一任意方向的作用力F，与法线n — n的夹角为α，因此，作用力F在法线方向上的分力Fn大小为：

图1 压力广义定义示意图

根据压力一般定义，作用力F垂直作用在面积S上产生的压力为

可见，由式（3）所获得的压力p′比式（1）获得的压力p要小，压力减小的程度取决于夹角α的大小，α越大、p′越小，α越小、p′越大。因此，在检定或校准压力表时，通常要求压力表要垂直安装；在活塞式压力计的检定规程中，对活塞的安装位置也提出了垂直度的要求。道理就在这里。

压力的定义是设计、制造、使用、计量压力仪器仪表的依据，在压力计量的实践中应全面、深入理解压力定义的含义、并用它来指导压力计量技术工作和计量检定工作。

1.3 常用压力定义及其相互关系

1.3.1 几种常用的压力定义

（1）大气压力

地球表面大气层的空气柱重力产生的压力。通常以符号pb表示。

提示：大气压力随着海拔高度和地理纬度的不同而变化。

（2）绝对压力

以完全真空为参考点的压力。通常以符号pa表示。

（3）差压[力]

任意两个相关压力的差值。通常以符号pd表示。

（4）表压力

以大气压力为参考点，大于或小于大气压力的压力。

（5）正[表]压力 （又称 压力）

以大气压力为参考点，大于大气压力的压力。通常以符号p表示。

（6）负[表]压力（又称负压）

以大气压力为参考点，小于大气压力的压力。通常以符号ph表示。

（7）静态压力

在所研究的领域内，不随时间而变化或随时间缓慢变化的压力。

（8）动态压力

在所研究的领域内，随时间而变化的压力。

（9）脉动压力

随时间而作周期性变化的压力。

（10）真空度

表示真空状态下气体的稀薄程度，通常也用压力值表示。

1.3.2 几种常用压力的相互关系

如图2所示，用一只压力容器与一台U形管压力计相连通的装置，来说明几种常用压力之间的关系：

图2 几种静态压力的相互关系

图2（a）的状态是压力容器与大气相通，而U形管也与大气相通，两者都受大气压力的作用，当压力平衡时，U形管两边工作介质两端面处于同一水平面O - O上，即pb= pb，所以，通常大气压力pb是用气压计来测量的。

图2（b）的状态是压力容器内的绝对压力大于大气压力，使左边管子内的工作介质下降，而右边管子内的工作介质上升。当压力平衡时，在U形管内形成了液位差h1，在同一水平面O - O上压力相等，所以，绝对压力pa等于大气压力pb与正[表]压力p (p =ρg h1)之和，即pa= pb+ p， 又有p = pa-pb。由此可知，由压力表测量的压力是大于大气压力的正[表]压，又称为压力。

图2（c）的状态是压力容器内的绝对压力小于大气压力，使左边管子内的工作介质上升，而右边管子内的工作介质下降。当压力平衡时，在U形管内形成了液位差h2，在同一水平面O - O上压力相等，所以，绝对压力pa等于大气压力pb与负[表]压力p ( p = ρ gh2)之差，即 pa= pb- ph，又有 ph= pb- pa。由此可知，由真空表所测量的压力是小于大气压力的负[表]压，又称为负压。

图2（d）的状态是压力容器内的绝对压力pa等于大气压力pb，即 pa= pb，所以，U形管内工作介质两端面处于同一水平面O - O上。这是图2（a）状态的特殊形式，由气压计进行测量。

1.3.3 几种常用静态压力之间的相互位置关系，如图3所示

图3 大气压力、绝对压力、表压力相互位置关系

2 压力计量

压力计量是实现压力单位统一、量值准确、可靠、一致而进行的压力计量活动。所谓活动，包括技术工作、法制要求、计量管理等内容。实现压力单位统一，就是在我国统一实行法定计量单位。量值的准确，是指量值准确在一定的不确定度、误差极限或允许误差范围内；量值的可靠，是指量值是可重复、可再现（复现）、可比较的，是被确认为具有有效性的；量值的一致，就是量值不仅在国内是一致的，在国际上进行量值比对时也是一致的。

3 压力计量单位及其换算

由前面压力定义可知，压力大小决定于作用力大小和承受作用力面积大小。因此，压力单位是一个导出单位，它是由力的单位和面积单位组合而成的单位。下文介绍压力的法定单位和几种常用的非法定计量单位及它们之间的换算关系。

3.1 压力法定计量单位

1969年，国际计量委员会（CIPM）通过一项决议，建议给压力一个专门单位“牛顿每平方米”（N/m2）。这就是国际单位制单位中具有专门名称的导出单位“帕斯卡”（Pascal），符号为Pa。经过1971年第十四届国际计量大会（CGPM）批准，正式规定压力计量单位为帕斯卡。其目的是为了纪念法国科学家布莱斯·帕斯卡的功绩，这就是国际单位制单位中压力计量单位帕斯卡的由来。

压力计量单位帕斯卡的物理意义是：1 N（牛顿）的重力垂直并均匀地作用在1 m2的面积上产生的压力为1 Pa。由于Pa表示的量值过小，使用时可以在前面加词头，如k(千)、M（兆）、G（吉）等，可根据测量压力的大小选择GPa、MPa、kPa作计量单位。

帕斯卡在国际单位制中的量纲表示如下：

3.2 由物理学的绝对单位制形成的三种压力单位

3.2.1 米·千克·秒制（MKGS制）

在米·千克·秒单位制中，力的单位是牛顿（简称牛，符号N），面积的单位是平方米（m2），因此，压力单位是 牛顿 / 平方米（N/m2）。

1 N的物理意义：使质量为1 kg 的物体产生1 m/s2加速度的力，称为1 N。

3.2.2 厘米·克·秒制（CGS制）

在厘米·克·秒单位制中，力的单位是达因（dyn），面积的单位是平方厘米（cm2），因此，压力单位是 达因 / 平方厘米（dyn/cm2）。

1 dyn的物理意义：使质量为1 g 的物体产生1 cm/s2加速度的力，称为1 dyn。

压力单位达因 / 平方厘米又称为巴利（barye）或微巴（μbar），1 μbar = 10-3mbar = 10-6bar。在气象学中，曾用毫巴（mbar）做大气压力单位，现在已用百帕（hPa）做计量单位。

3.2.3 米·千克力·秒制（MKGFS制）

在米·千克力·秒单位制中，力的单位是千克力（kgf），面积的单位是平方米（m2），因此，压力单位是 千克力/平方米（kgf/m2）。

3.3 由历史条件形成的几种压力单位

3.3.1 工程大气压 － 来源于压力定义

工程大气压的单位为kgf / cm2，符号为at，没有专门名称，定义是1 kg f 垂直并均匀地作用在1 cm2面积上产生的压力。这是在法定计量单位使用前应用最多的压力单位。

1 kg f 的物理意义：使质量为1 kg 的物体，产生9.806 65 m / s2加速度的力。

1 kg f ＝ 9.806 65 kg·m / s2＝ 9.806 65 N

3.3.2 标准大气压 － 来源于大气压力

标准大气压的单位为Pa，符号为 atm，没有专门名称，定义是水银（汞）在温度为0℃、密度为13.595 1 g /cm3、重力加速度为980.665 m / s2时，760 mm高的汞柱在海平面上产生的压力称为1个标准大气压力。标准大气压力又称为物理大气压力。

由于大气压力随海拔高度、地理纬度的不同而变化，为了方便工程技术和科学研究中的使用，科学工作者对大气压力规定了一个标准大气压力值，1954年第十届国际计量大会定义：

3.3.3 毫米汞柱 － 来源于液体高度

毫米汞柱的单位为mmHg，符号为mmHg，没有专门名称，定义是水银在温度为0 ℃、密度为13 595.1 kg/m3、重力加速度为9.806 65 m /s2时，1 mm高的汞柱产生的压力称为1 mmHg。

3.3.4 毫米水柱 － 来源于液体高度

毫米水柱的单位为mmH2O，符号为mmH2O，没有专门名称，定义是水在温度为4℃、密度为1 000 kg /m3、重力加速度为9.806 65 m / s2时，1 mm高的水柱产生的压力称为1 mmH2O。

3.3.5 英制压力单位－磅力 / 英寸2

磅力 / 英寸2的单位为 bf / in2或 简写为 psi ，没有专门的名称，定义是1 bf垂直并均匀地作用在1 in2面积上产生的压力。

1 bf 的物理意义：就是使1 b的物体，产生320 174 ft / s2加速度的力为1 bf。

3.4 压力计量单位的换算关系

见表1。

表1 常用压力计量单位换算