压力计量及仪表

1压力计量及仪表1.压力计量2.弹性式压力仪表3.弹簧管压力表的检定压力计量1.1压力基本概念垂直且均匀作用在物体表面积上的力称为压力，即P=F/S式中P－压力，Pa；F－垂直作用力，N；S－受力作用的面积，㎡从上式可知，压力与所承受力的面积成反比，而与所受的作用力成正比。在压力的作用下，受压物体的体积和形状都要发生变化。当作用于物体上的压力消失后，又能恢复原来的体积和形状，物体的这种性质称为弹性。因此，也可以用物体的弹性来表示压力量值。当液体处于平衡状态时，盛有液体容器的底部和侧壁也会受到液体重量所受的压力，在液体内部同一点各个方向的压力都相等，而且随深度增加，压力也增加，同一深度各点的压力都相等。若为某种液体的密度，所处地点重力加速度为g,则深度在h处的压力为P=gh41.2帕斯卡原理当外力作用于密闭流体所产生的压力，传播到流体的任何方向，其强度保持不变。压力这一传播规律，对液压技术的发展起了重要作用，同时也是压力计依据的基本原理。1.3压力的表示方法在工程技术中，对压力的测量，常有表压、绝压、差压、负压或真空度之分。（1）绝压即绝对压力，是相对于绝对真空所测得的压力，即从完全真空的零压力开始所测得的压力。它是液体、气体或蒸汽所处空间的全部压力。（2）大气压力就是地球表面上的空气重量所产生的压力，即围绕地球的大气层的重力对地球表面单位面积上所产生的压力（3）标准大气压在纬度45°海平面，当温度为0℃；重力加速度为9.80665m/；水银密度为13595.11㎏/m³时，760㎜水银柱所产生的压力为101.325KPa,此压力称为标准大气压。（4）表压是高于大气压力的绝对压力与大气压力之差，或者相对于大气压力的压力。一般的压力表，若无特殊装置，其零点压力就是大气压力。所以=+工程上所用的压力指示值，大多为表压（绝对压力计的指示值除外），即=－(5)负压（真空表压力）也叫真空度。当绝对压力小于大气压力时，大气压力与绝对压力之差（即比大气压力低的表压）称为负压，即=－压力术语关系示意图大气压力线绝对零压力线5（6）差压两个压力之间的差值称为差压（7）静压不随时间变化的压力叫做静压。把每秒钟变化量小于压力计分度值1%以下或每分钟变化量小于压力计分度值5%以下的压力认为是静压。（8）动压压力随时间的变化超过静压规定的限度的变化叫动压。工程上经常用表压来表示压力的大小，除特别说明外，均指表压。1.4法定计量压力单位由于历史的原因，在工程测量技术中曾使用的压力单位是比较多的，主要有kgf/（千克力/平方厘米），又称工程大气压；mmHg(毫米汞柱）；mmO（毫米水柱）；atm(大气压）；bar(巴）；psi（磅/平方英寸）在国际单位制（SI)和我国法定计量单位中，压力的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为“Pa”。压力单位不是基本单位，而是一个导出单位。国际单位制中只有7个基本单位7压力单位是由长度、质量和时间三个基本单位导出。按压力定义有P=F/S，压力的单位是由力的单位和面积的单位组成。在法定计量单位中，力的单位是具有专门名称的导出单位—牛顿（N）。其定义：当使1kg质量的物体产生1m/加速度的力为1N。即1N=1kg·m/按定义，1帕斯卡等于1牛顿每平方米，即1N的力作用在1平方米的面积上产生的压力为1Pa即1Pa=1N/㎡所以采用基本单位表示Pa时，有1Pa=1N/㎡=1㎏·m·/㎡=1·㎏·法定压力计量单位Pa与工程大气压（kgf/)关系工程大气压等于1kgf的力作用于1面积上产生的压力，用符号kgf/或at表示。平常人们习惯说几个气压就是指几个工程大气压，而不是自然大气压（或标准大气压）。在工程单位制中表示一千克的物体在北纬45度海平面上所受的重力，由G=mg得1kgf=9.80665N1kgf=9.80665N而1=㎡所以1kgf/=9.80665N/㎡=9.80665Pa反之，其逆关系为1Pa=1.0192kgf/法定压力计量单位Pa与毫米汞柱（mmHg)的关系1毫米汞柱等于在标准重力加速度g为9.80665m/，温度为0℃、水银密度为13595.1kg/时，1毫米水银柱高h产生的压力，用符号mmHg表示。按液柱压力定义，得P=gh所以1mmHg=13595.1kg/9.80665m/1m=133.3221Pa反之，其逆反关系为1Pa=7.50062mmHg压力单位换算如下表1.5压力仪器仪表的分类一按工作原理分类1.液体压力计液体压力计的工作原理是基于流体静力学原理，是利用液柱自重产生的压力与被测压力平衡的方法而制成的压力计，是一种比较经典的压力计。常用的液体压力计有U型管压力计，补偿式微压计、水银气压计等2.活塞式压力计活塞式压力计是基于帕斯卡定律和流体静力学原理，它是一种高准确度、高复现性的标准压力计量仪器。即利用压力作用在活塞上的力与专用砝码的重力相平衡来测量压力。依传压介质不同有气体和液体两类活塞式压力计。活塞式压力计主要用于标准压力的量值传递。基准器、工作基准器及各级标准器目前多采用活塞式压力计。压力标准分为：基准、一等标准、二等标准、三等标准。能够实现基准和各级标准的仪器是基准器和标准器。基准器是国家最高的压力标准器，它又可以分为基准器和工作基准器。基准器用于进行国际比对，还将压力基准传递给工作基准器。工作基准器可复制多套保存在全国各地的主要部门，由它将压力工作基准传递到一等标准器，再有一等标准器传递到二等标准器，然后由二等标准器传递到三等标准器，最后有三等标准器传递到工作压力仪表。11ConST118便携气压泵压力自动校验装置123.弹性式压力仪表由于使用的弹性敏感元件不同，有弹簧管压力表、膜片压力表、膜盒压力表和波纹管压力表。（见下页）因被测压力介质不同，有氧气压力表，氨气表，乙炔表和其他适用的、特殊（例禁油型和密封型）压力表等。4.电子测量式压力装置或仪表电子测量式压力装置或仪表主要有压力传感器、压力变送器或数字式压力计。电子式测量压力装置或仪表的核心元件是压力传感器，它能感受（或响应）规定的被测压力量并按照一定规律转换称可用信号（通常为电信号）输出。当输出为规定的标准信号是（例4-20mA直流电流、1―5V直流电压），则变为压力传感器。压力传感器加上信号处理器和数字显示器即成为数字压力计。若再增加控制不见和记录装置，则可适合于自动控制、数据采集、数据处理和记录打印。二按准确度等级分类根据原国家质量技术监督局颁布的现行有效的压力计量检定系统和压力计量检定规程，压力仪器仪表按准确度等级分类主要有以下几种：13（1）弹簧管式弹性元件单圈弹簧管是弯成圆弧形的金属管子，它的截面做成扁圆形或椭圆形，如图（a）所示。当通入压力后，它的自由端就会产生位移。这种单圈弹簧管自由端位移较小，因此能测量较高的压力。为了增加自由端的位移，可以制成多圈弹簧管，如图（b)所示。（2）薄膜式弹性元件根据结构不同还可以分为膜片和膜盒。它的测压范围较弹簧管的低。（C）为膜片式弹性元件，它是由金属或非金属材料做成的具有弹性的一张膜片（有平膜片与波纹片两中形式），在压力作用下能产生变形。有时也将两张金属膜片做称一膜盒，内充液体（例如硅油）如图（d)所示。（3）波纹管式弹性元件是一个周围为波纹状的薄壁金属筒体，如图（e)所示，这种弹性元件易于变形，而且位移很大，常用与微压与低压的测量（一般不超过1MPa)1.活塞式压力计国家基准器基本误差±0.002%工作基准器基本误差±0.005%一等标准器基本误差±0.02%二等标准器基本误差±0.05%三等标准器基本误差±0.2%2.弹性式压力表精密压力表分为0.06、0.1、0.16、0.25、0.4级一般压力表分为1、1.6、2.5、4级3.电子测量式压力装置或仪表压力传感器基本误差为（均指对满量程输出）±0.01%，±0.02%±0.05%，±0.1%，±0.2%，±0.5%，±1.0%，±1.5%，±2.5%，±4%压力变送器基本误差分（均指对满量程输出）±0.2%，±0.5%，±1.0%，±1.5%，±2.5%数字压力计允许误差有（以量程的百分数表示）±0.05%，±0.1%，±0.2%，±0.5%，±1.0%三按测量范围分类为了表示压力的大小，习惯上将压力划分为几个范围微压＜10kPa低压(10-600)kPa中压600kPa－6MPa高压(6-250)MPa超高压＞250MPa弹性式压力仪表弹性式压力仪表的制造原理是：根据胡克定律，利用弹性元件在弹性范围内的变形与所受外界压力成正比的原理制成的测压仪器。F=k•x式中：F―作用力k―弹性系数x－位移量下面介绍一下弹性元件的有关特性和力学性能。一、弹性元件在工业自动化装置中，通常把利用材料的弹性特性完成各种功能的元件称为弹性元件。弹性元件所能完成的功能有如下几个方面：1.对被测物理量进行变换17如把一些难以直接测量的压力、流量、温度等物理量转换成便于测量的长度、角度、或把流量、温度、电流、电压方便的转换成力、压力和力矩来测量。2.介质隔离如在强腐蚀性或粘滞介质中使用的仪表，为防止这些介质进入测量元件的内部，可采用弹性元件进行隔离。（膜片）3.温度补偿有些仪表要求对工作环境变化造成的误差进行补偿，弹性元件能在一定范围内完成这一功能。如热敏双金属用温度变化产生变形，可改变传动机构的某个参数，从而补偿仪表的温度变化。4.贮能计时仪表和钟表中的发条就是弹性元件，发条就是典型的弹性元件。很明显，弹性元件是一种十分重要的功能元件，其质量的优劣直接影响仪表的精度和可靠性。一、弹簧管压力表的特点早在1849年，法国机械师波登就制造出弹簧管，并利用弹簧管制了压力表。一个半世纪以来，弹簧管压力表始终作为一种主要测压仪表被广泛地用于工农业生产的第一线及军事科研和日常生活中，它与其它测压仪表相比，具有如下特点：1.结构简单，安装使用方便（不要其它辅助设备和特殊的保养和维护法）2.读数直观（直接精读及了解工作运行状态）3.价格便宜（几十元、几百元，而同样目的的数显仪表几乎上万元）4.测量范围广，且能满足必要的精度5.直接测量蒸汽、油、水和气体等的表压力、气压、分压和绝压。缺点：（1）有弹性迟滞误差（弹性后效和弹性滞后叠加），精度不高（2）反应速度慢，不宜作动态测量。19二、弹簧管压力表的结构型式及工作原理弹簧管压力表主要由弹簧管、传动放大机构、指示机构和表壳四大部分组成。①弹簧管：它是一跟弯曲成圆弧形状、常常为椭圆形横截面的空心管子。它的一端焊接在压力表的管座上固定不动，并与被测压力的介质相连通，管子的另一端是封闭的自由端，在压力的作用下，管子的自由端产生位移，在一定的范围内，位移量与所测压力呈线性关系。②传动机构：一般称为机芯，它包括扇形齿轮、中心齿轮、游丝和上下夹板、支柱等零件。传动机构的主要作用是将弹簧管自由端的微小位移加以放大，并转换成仪表指针的圆弧形旋转位移。③指示机构：包括指针、刻度盘等，其作用是将指针的旋转位移通过刻度盘的分度指示出对应的被测压力值。④表壳：它的主要作用是固定和保护上述三部分以及其他的零部件。一般压力表和精密压力表结构基本一致，区别在于：精密压力表零件加工装配要求比较精细、严密，传动部分一般镶有微压宝石轴承，在油压调节增加微调装置和温度补偿装置。21压力表的工作原理：利用弹性敏感元件（如弹簧管）在压力作用下产生弹性形变，其形变量的大小与作用的压力成一定的线性关系，通过传动机构放大，由指针在分度盘上指示出被测的压力。三、弹簧管前面我们已经知道，弹簧管为一个弯曲的金属空管，一端封密，称为自由端，另一端固定在基体上，称为开口端（进压端）。1.管子截面均是非圆形截面：有椭圆形，平椭圆形，哑铃形，弓形。特征除单圈的外（C型）还有：盘旋形，螺旋形，“S”型。22平椭圆形、椭圆形和D形是常见的横截面形状。椭圆形截面和平椭圆形截面制造简单，在相同的外形尺寸具有较大的灵敏度，D形截面的灵敏度相对来讲要小一些，工艺比较困难，但是它的测压范围比椭圆形及平椭圆形截面要宽。双零形截面主要用于某些要求弹性元件具有最小起始容积的仪表中。8字形和厚壁平