压力和压差测量

1第三章压力和差压测量2主要内容主要内容3.13.1压力和差压的基本概念压力和差压的基本概念3.23.2液柱式压力计液柱式压力计3.33.3弹性元件及弹性压力表弹性元件及弹性压力表3.43.4压阻、压电式压力计压阻、压电式压力计3.53.5压力计的选择、安装和校准压力计的选择、安装和校准33.13.1压力和差压的基本概念压力和差压的基本概念43.1.13.1.1基本概念基本概念‡压力：介质垂直作用在单位面积上的力，即物理学的压强。‡差压：两个压力之差。‡表示方法：¾绝对压力：介质垂直作用在单位面积上的全部压力；¾大气压力：由地球表面空气质量所形成的压力；¾表压力：绝对压力与当地大气压之差（压力计的显示值都是表压力，即通入仪表的压力是绝对压力，显示的是表压力）。¾真空度（负压）：当绝对压力小于大气压力时，表压力为负值（负压力），其绝对值为真空度。¾差压：任意两个压力之差称为差压。负压绝对压力=大气压力+表压力53.1.23.1.2压力单位压力单位国际单位：帕斯卡（帕、Pa）1Pa=1牛顿/米2（N／m2），工程上常用kPa，MPa。习惯常用：工程大气压kgf／cm2、mmH2O、mmHg等。3.1.33.1.3压力的常用测量方法压力的常用测量方法‡重力平衡方法：液柱式压力计、活塞式压力计‡弹性力平衡方法：弹簧管式压力计‡物性测量法：应变式、压电式、电容式压力传感器‡机械力平衡方法：用已知外力平衡压力产生的力1、根据工作原理的不同划分6‡机械式：液柱式、活塞式、弹性元件式；（结构简单，使用方便，价格低廉）‡电气式：压电式、压阻式、压磁式。（动态性能好，灵敏度高，易于小型化，便于远传，目前正在发展）2、根据信号不同划分73.23.2液柱式压力计液柱式压力计‡原理：流体静力学原理，流体内某一点的静压力，由这一点的高度，流体的密度和外加压力决定。‡应用：0.1MPa以下的压力、差压和负压，也常作为校验低压和微压仪表的标准仪器。‡特点：简单，使用方便，精度较高；体积大，读数不便，不能远方测量，易损坏。83.2.1U3.2.1U型管压力型管压力9数学模型：‡设P1—被测压力；P2—参比压力（多为大气压），当P1≠P2时，液柱的高度差（h1+h2）：‡由流体静力学知：在连续同一均质液体中，同一高度上的静压力相等。以A—A面为基准高度，由压力平衡知：)hg(h)h-g(HP)hg(HP212211+++=++ρρρ2110特殊情况：若ρ1=ρ2，则：P1=P2+g(ρ-ρ1)(h1+h2)若ρ1=ρ2且ρ1ρ，则P1=P2+gρ(h1+h2))h)(hg()h-)(Hg(PP21121221+−+−+=ρρρρ展开整理这是普遍公式，给出了P1与h1，h2的关系。))(())((21121221hhghHgPPP+−+−−=−=Δρρρρ差压测量（若P2=PD，即为表111、单管压力计用h2代替（h1+h2），解决了两次读数的不便。2、斜管压力计当α、ρ一定时，α越小l越大，lh读数的相对误差越小。(α不能小于15度，否则会引起读数困难。)3.2.2几种变形仪121.公式可见，P1一定时P2，g，ρ1，ρ2，ρ参数变化可能引起误差；2.毛细现象（表面张力）影响：管中封液的分界面也不是水平的，呈弯月面，从而使得液面升高或是降低，引起附加误差；此误差与封液的种类、管内径有关;内径细，则误差高，一般要求内径大于6～8mm。对于一定的结构的封液的压力计，毛细现象引起的读数误差是一定的。（水2mm,Hg1mm），不随液面的高低变属于系统误差，很易修正。3.温度变化的影响：温度变化可导致毛细现象的变化，标尺的变化以及封液密度的变化（其中封液密度变化是主要的误差源）；4.重力加速度修正：使用实际重力加速度；5.读数误差：正确读数方式：眼与液面的顶，底平；6.位置倾斜的误差（安装误差）。3.2.3液柱式压力计的误133.3弹性元件及弹性压力表•应用：测压范围广，从几mmH2O到上万个大气压。•组成：弹性元件变换放大机构指示机构调整机构pp141516作用：压力→弹性元件的变形位移；原理：当流体的压力作用于有确定受压面积的弹性元件时，弹性元件产生变形。在弹性形变范围内，当形变产生的弹性反作用力平衡于作用力时，形变过程即终止。3.3.1弹性元件弹性元件达到的形变即反映了被测压被测压力面积力弹性变形（位移）输出弹性元件弹性恢复力17种类：弹簧管（波登管）结构：结构：弯曲成圆弧形，螺旋形或S形的非圆截面的管子，封闭一端（自由端），另一端通入被测压力。截面短方向与管子弯曲的径向方向一致。原理原理：：短轴方向受力面积比长轴方向受力面积大，受力也大，使管子有变圆的趋势（短轴要伸长，长轴要缩短），产生弹性形变。提高灵敏度的措施：增大中心角γ（可做成多圈、S形）降低管壁厚增大长短轴比a/b值（越扁越灵敏）减小材料的刚度（单位变形所对应的弹性力）应用：应用：大小压力、负压均可，但是一般不用它测量差压。1819膜片结构：结构：原理：P→△x种类：种类：按膜片的形状：平膜片（刚性、挠性）、波纹膜片（三角波、梯形波、正弦波）；按刚度分：弹性膜片、挠性膜片；平薄膜波纹膜挠性膜2021结构：原理：P→△x，开口端固定，封闭端的位移作为输出，位移与压力、有效面积和波纹数成正比。特点：工作行程5～10mm；受压时线性范围大于受拉式的范围，整个线性范围较小。改善线性关系和量程的方法：力加弹簧，这时弹性元件的特性主要由弹簧来决定，弹黄管主要起隔离介质以及压力转换成作用力的作用波纹管22弹簧管压力表结构：单圈为例位移传递过程：材料：材料：测低压、负压：黄铜，磷青铜等。测高压：测高压：钢，不锈钢等。3.2.2弹性压力23测量小压力或者是负压的膜式微压计一般均为膜盒式，基本结构原理一致。结构（图）膜式微压2425远距离测压的两种方法：远距离测压的两种方法：‡用长管道传递压力信号，再由直接指示仪表显示（不经济，不安全）；‡弹性元件就地把位移转换成电量，用电气表表示（常用，对应的是远传压力表，它的关键在于位移与电量的转换原理以及方法。）电位计式；电位计式；霍尔元件式；电感式；差动变压器式霍尔元件式；电感式；差动变压器式3.3.3弹性元件位移的远263.43.4压阻、压电式压力计压阻、压电式压力计3.4.1压阻式压力计（应变片）‡压阻效应：固体受力后电阻率发生变化的现象。‡压阻式压力传感器：¾基于半导体材料（单晶硅）的压阻效应支撑的传感器；¾基于普通基底的常规应变片。‡特点:(1)灵敏度高，频率响应高；(2)测量范围宽，可测低至10Pa的微压到高至60MPa的高压；(3)精度高，工作可靠，其精度可达0.2～0.02级；(4)易于微小型化，目前国内生产出直径φ1.8～2mm的压阻式压力传感器。27应变片的选用应变片的粘贴2829应变片的共性问题：应变片的共性问题：¾工作温度影响——需补偿；¾材料选择——硅、锗¾加工工艺——缠绕、箔片、印刷、扩散、溅射…¾安装位置及方法——应变大小。303.4.2压电式压力计某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。31压电式压力传感器特点:(1)体积小，结构简单，工作可靠；(2)测量范围宽，可测100MPa以下的压力；(3)测量精度较高；(4)频率响应高，可达30KHz，是动态压力检测中常用的传感器，但由于压电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。323.5压力计的选择、安装和校准量程、精度、外形尺寸、显示功能、是否带变送器量程、精度、外形尺寸、显示功能、是否带变送器1、量程选择：为保护弹性元件，压力表的上限应大于被测压力的上限，并有一定的安全系数；若被测压力稳定、脉动、高压，额定压力的指示值应为最大刻度的2/3、1/2、3/5。为了降低相对误差，额定压力通常不小于最大刻度的1/3。另外，表的上限应当按照国家系列选择。2、精度：所选精度等级≤工艺要求仪表的允许最大引用误差3、外形尺寸：对于弹簧管压力表有Φ100（次要表就地）、150（一般）、200和250（重要参数，如饱和蒸汽和过热蒸汽的压力表）等。3.5.1压力计选择项334、显示功能：由需要来选择（是否能报警、记录等）。5、是否带变送器：远方测量和记录功能需要带变送器。3.5.23.5.2测压仪表的安装测压仪表的安装总的要求：应当取得实际的静压力（真实压力）1、取压口的形状和位置形状：一般为圆；尺寸：孔径大，对流体流动的扰动就大，取得的静压矢量程度大，但是孔径小，动态误差就大，所以，二者要综合考虑342、取压开口的原则：在保证加工方便和不堵塞的情况下，尽可能的小，特别是流速高时。但是在压力波动较大、压力计的测量空间容积变化较大和动态特性要求比较高时，孔径应适当的加大。取压孔轴线尽可能垂直于流束，倾角在5到10度之间，避免倾角倒向流束方向。取压孔表面无毛刺、无明显倒角或豁口。3、取压口的位置：应保证取的静压有代表性，应避开局部阻力件，以防止涡流干扰。具体要求：离上游阻力件的距离2D，离下游阻力件的距离3D；在管壁的位置：保证只有单相流体进入压力信号管，防止水塞，气塞。35•1、静态校准•校准方法•常用的压力校准仪器将被校表与标准表的示值在相同条件下比较将被校表的示值与标准压力比较液柱式压力计活塞式压力计高精度标准表的压力校验泵3.5.33.5.3压力检测仪表的校压力检测仪表的校3637•2、动态校准•标准动态压力信号分为两类：（1）稳态周期性压力信号源机械正弦压力发生器、凸轮控制喷嘴、电磁谐振器（2）非稳态压力信号源激波管、闭式爆炸器、快速卸载阀、落锤液压动校装置38