压力测量

第七章压力测量第一节概述垂直作用在单位面积上的力称压力。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”。即1N的力垂直均匀作用在1m2的面积上所形成的压力值为1Pa。21222kgm1Pa1N/m11kgmsms过去采用的压力单位“工程大气压”（kgf/cm2）、“毫米汞柱”（mmHg）、“毫米水柱”（mmH2O）、“物理大气压”（atm）、“巴”（bar）、“PSI”等均应改成法定计量单位“帕”。1kgf/cm2=0.9807×105Pa1mmH2O=0.9807×10Pa1mmHg=1.332×102Pa1atm=1.01325×105Pa1bar=105Pa1PSI=6.89×103Pa一、压力表示方式绝对压力大气压力表压力表压力=绝对压力－大气压力真空度（负压）真空度(负压)＝大气压力－绝对压力二、压力检测方法1.平衡法：通过仪表使液柱高度的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理测量压力2.弹性法：利用各种形式的弹性元件，在被测介质的表压力或负压力作用下产生的弹性变形来反映被测压力的大小3.电气式：用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化三、压力测量仪表的分类测量压力的仪表，按信号原理不同，大致可分为四类：液柱式：根据流静体力学原理，把被测压力转换成液柱高度机械式：根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移电气式：将被测压力转换成各种电量，如电感、电容、电阻、电位差等，依据电量的大小实现压力的间接测量活塞式：根据水压机液体传送压力的静压平衡原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量第二节液柱式压力计利用工作液的液柱重力与被测压力相平衡的原理，通过液柱高度来反映被测压力的大小优点：结构简单，使用方便，可达到很高的准确度缺点：量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管容易损坏及读数不方便采用水银或水等为工作液，用U形管或单管进行测量，常用于低压、负压或压力差的检测被广泛用于实验室压力测量；内燃机进气道压力、锅炉烟、风道各段压力、通风空调系统各段压力的测量一、U形管压力计△P=P1－P2=ρg(h1+h2)提高工作液密度将增加压力的测量范围，但灵敏度要降低。二、单管压力计由于U形管压力计需两次读取液面高度，为使用方便，设计出一次读取液面高度的单管压力计。因则故由于Dd，所以P=ρgh2122244hdhD2212dhhD21222dpg(hh)g(1)hD三、斜管微压计主要用于测量微小压力、负压和压差，它将单管液柱压力计的测量管倾斜放置，这样可以提高灵敏度，减少读数相对误差。倾斜式微压计2111B1222APg(hh)g(shlsiin)lAhlAnA倾斜角度越小，l越长，测量灵敏度就越高；但不可太小，否则液柱易冲散，读数较困难，误差增大。这种倾斜管液柱式压力计可以测量到0.98Pa的微压。为了进一步提高微压计的精确度，应选用密度小的酒精作为工作液体。四、液柱式压力计的测量误差及其修正1.环境温度变化2.重力加速度变化3.毛细现象4.其它误差t0t0hh1ttng10.00265cos2g2H1Bnnghhg第三节弹性式压力计用弹性传感器（又称弹性元件）组成的压力测量仪表称为弹性式压力计。弹性元件受压后产生的形变输出（力或位移），可以通过传动机构直接带动指针指示压力（或压差），也可以通过某种电气元件组成变送器，实现压力（或压差）信号的远传。弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形大小与被测压力成正比关系。PkCPACFxxCFPAF1.膜片按剖面形状分为平膜片和波纹膜片常用材料可与其他转换元件合用电容式压力传感器2.波纹管优点：灵敏高，可测较低压力缺点：迟滞误差较大，精度一般只有1.5级P3.弹簧管截面为非圆形（椭圆形或扁圆形），并弯成圆弧状的空心管子一端为封闭（自由端），一端为开口（固定端）2222201RaP(1)EbhbkP（1）弹簧管压力表结构简单，使用方便，价格低廉，使用范围广，测量范围宽可测负压、微压、低压、中压和高压精度有0.5、1.0、1.5、2.5级等（2）电远传式弹簧压力仪表霍尔压力传感器电位器式压力传感器(a)电位器式(b)霍尔元件式第四节典型测压传感器（电气式检测）电气式压力检测方法一般是用压力敏感元件直接将压力转换成电荷、电容、电阻、电感量等电量的变化。能实现压力－电量转换的压敏元件主要有压电材料、电容器、应变片和压阻元件等。1.压电式压力传感器a.变换原理:压电效应某些物质，如石英，当沿它的某个结晶轴施加力的作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷Q（Q=kpF）；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为正压电效应（习惯也称压电效应）。F+Q=kpF—kp---压电常数压电材料：单晶体、多晶体下面为单晶体---石英Z轴称光轴X轴称电轴Y轴称机械轴xy纵向及横向压电效应Qx=kpFx纵向压电效应，机械强度高，适用于高压测量Qy=kpFy·b/a横向压电效应，机械强度低，但可增大b/a提高灵敏度，适用于低压测量yxba纵向及横向压电效应纵向压电效应（适用于高压）在纵向力作用下石英表面产生电荷横向压电效应（适用于低压）在横向力作用下石英表面产生电荷+—++++++++++++++FYFYFYFYFYFYFYFYFYFYFY-------------------+串联+并联b、测量电路压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。①电压放大器②电荷放大器电荷放大器电路Qeep电荷放大器的显著特点电荷放大器的输出电压仅与电荷量及反馈电容量有关，增益A及电缆分布电容CC的变化都不影响放大器的输出。FiCPiCACCCQe)1(当A＞＞1时，有ACQeFiFiCQAee0•传感器电缆与电荷放大器连接之前先放电•保持电缆插头清洁,干燥•试验测量之前仪器预热时间尽量长(隔夜)•非测量阶段置零(“Reset“)正确使用电荷放大器采用下述措施可减少仪器故障,提高测量精度：温度变化引起的误差压电式压力传感器的压电元件的压电常数因温度的变化而改变，使测量系统的输出发生漂移，应对其适度冷却。其他传感器和测量线路的绝缘性能标定安装操作环境振动噪声电磁场等各种干扰特点结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，线性度好，高频特性良好，但不适合静态压力测量。将弹性元件的位移转换为电容量的变化。将测压膜片作为电容器的可动极板，它与固定极板组成可变电容器。当被测压力变化时，由于测压膜片的弹性变形产生位移改变了两块极板之间的距离，造成电容量发生变化。测量原理2.电容式压力传感器（变送器）图2-5电容式差压变送器测量部件1-隔离膜片；2，7-固定弧形电极；3-硅油；4-测量膜片；5-玻璃层；6-底座电容式压力变送器外形3.电阻应变式压力传感器应变片是基于应变效应工作的一种压力敏感元件，当应变片受外力作用产生形变时，应变片的电阻值也将发生相应变化。应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及相应的桥路组成的。r＝0，εr、εt达最大值r=0.58r0，εr=0r=r0，εr达负的最大值r=r0，εt=04.压阻式压力传感器压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件，它指在半导体材料的基片上用基成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。扩散电阻正常工作需依附弹性元件，常用的是单晶体硅膜片。优点：体积小，结构简单，能直接反映微小的压力变化，动态响应好缺点：敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数的大小压电(石英)Outamp准静态测量无源敏感原理压阻(半导体)静态测量(无„Reset“按钮)有源敏感原理Const.Current1...4mAWheat-stonebridgeOutampAmplifierOutpPressureChargeChargeamp.QuarzRangecapacitorpOutPressureReset压电与压阻测量原理Chargeamp.QuarzRangecapacitorpOutPressureResetChargeamp.QuarzRangecapacitorpOutPressureResetChargeamp.QuarzRangecapacitorpOutPressureReset第五节压力测量仪表的选择1.仪表量程的选择被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的3/4被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的1/3优先满足最大工作压力条件2.仪表精度的选择压力测量仪表的精度主要根据生产允许的最大误差来确定。3.仪表类型的选择从被测介质压力大小来考虑被测介质的性质对仪表输出信号的要求使用的环境校验就是将被校验压力表和标准压力表通以相同压力，比较它们的指示数值，如果被校表对于标准表的读数误差，不大于被校表规定的最大允许绝对误差时，则认为被校表合格。常用的校验仪器是活塞式压力计，它由压力发生部分和测量部分组成，它的精度等级有0.02、0.05和0.2级，可用来校准0.25级精密压力表，也可校准各种工业用压力表，被校压力的最高值为60MPa。第六节压力测量仪表的校验与标定压力发生部分测量部分使用情况一a不需要标准压力表压力发生部分---只起调节活塞柱位置的作用测量部分-----测量活塞产生标准压力使用情况二标定标定是一般是对传感器组成的压力测量系统而言静态标定利用活塞式压力计、标准弹簧压力表或液柱式压力计进行标定逐点校准(静态)活塞压力计tc=200...600sp100%pEpDeadweighttesterQtestsensor对于测量动态压力的测量系统，除了静态标定外，还要进行动态标定。动态标定的目的是要得到频率响应特性，确定动态误差、固有频率、阻尼比、适用范围等。动态标定准静态/动态压力校准系统6904型压力发生器•准静态压力范围:0-700bar•动态压力范围:250bar6907型通用校准仪•双通道精密电荷放大器•配标定软件准静态校准与动态检验准静态校准对比参考传感器，校准传感器的线性和灵敏度需要考虑参考传感器的线性和6907B1型压力发生器的精度动态快速检验比较被测传感器与参考传感器的峰值比较压力曲线，需要双通道示波器与6907B1型的模拟输出连接激波管动态标定（教P.126）激波管法校准压力传感器动态特性系统图试验装置包括激波管、气源、测量和记录部分。TheEnd