压力测量及其仪表（PPT61页)

我们毕业啦其实是答辩的标题地方压力的测量1压力测量的目的确定流体输送管路的阻力；为选择流体机械设备提供依据；测定压力容器内部压力，保证容器安全工作。确定沿程阻力如水泵，等1.1基本概念•压力：介质垂直而均匀的作用在单位面积(S)上的力(F)，称为压力(p)也即物理学的压强。p=F/S•差压(Δp)：两个压力之差。•在压力测量中，由于参照点的不同，在工程上压力有不同表示方法：（1）绝对压力(pa)：被测介质作用在物体表面上的全部压力。（2）大气压力：由地球表面空气质量所形成的压力。（3）表压力(pg)：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）。（4）真空度(pv)（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。与地理纬度、海拔高度、气象条件有关（5）差压：任意两个压力之差称为差压。绝对压力=大气压力+表压力1.2压力的计量单位压力的单位是力和面积的导出单位，而各种单位制中力和面积的单位不同，则压力的单位也有多种。在国际单位中（SystemInternational，简称SI）：压力的单位是牛顿/米2（N/m2）称为帕斯卡（简称帕、Pa）1Pa=1N/m2≈0.1mmH2O(毫米水柱)，工程上常用的单位有kPa，MPa。在CGS(Centimeter-Gram-Second厘米-克-秒单位制，通常在重力学科及相关力学科目中使用)中，压力的单位是达因/厘米2（dyn/cm2）简称为巴（bar），1bar=0.1MPa。标准大气压（atm）大概为101.325kPa。1atm=760mmHg。•1.3压力的分类•压力分为静态压力和动态压力。•静态压力（缓变压力）：不随时间变化或者变化非常缓慢的压力。如大气压力、润滑油系统中的机油压力、冷却系统中冷却介质的压力、流量稳定时节流装置中的压力差等。•动态压力（瞬变压力）：随时间变化很快或者波幅很大的压力。如气缸内气体的压力波、进排气压力波、高压燃油系统中的压力波等。•压力的测量方法：•静态压力的测量仪表：一般采用压力表、压力变送器测量。•动态压力的测量：（1）塑性变形测压法：利用铜柱或者铜球的塑性变形进行测量。（2）弹性变形测压法：将敏感元件感受压力而产生的弹性变形量转换为电量再进行测量。1.4压力的常用测量方法•根据工作原理的不同划分为•又可分为机械式和电气式。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）我们毕业啦其实是答辩的标题地方重力平衡法压力仪表2.1液柱式压力计•分类：U型管压力计；单管压力计；斜管式微压计。•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。•优点：简单，使用方便，精度较高；•缺点：体积大，读数不便，不能远方测量，易损坏。2.2U型管压力计•假设被测的介质为气体，可忽略被测介质的高度形成的静压值。根据流体静力学原理可得：•U型管内径一般为5-20mm，为了减少毛细现象管子内径一般不少于10mm)(2121hhgPPP2.3单管式压力计•因为A1、A2为常数，这样可通过一次读数进行压差测量。当A1A2时，A2/A1≈0，此时h1可忽略，公式简化为：当A2/A1≤0.01时，因只读h2引起的误差≤1%12212211AAhhAhAh212212221)1()()(hAAghAAhghhgP212212221)1()()(hAAghAAhghhgP2hgPPdPx直管h1h22.4斜管式压力计•主要用于测量微小的压力、负压和压差。为了减少读数的相对误差，拉长液柱，将测量管倾斜放置。注意：倾角a不能小于15度，否则会引起读数困难。alhsin2laAAgallAAghhgP)sin()sin()(121221laAAgallAAghhgP)sin()sin()(121221laAAgallAAghhgP)sin()sin()(121221P2斜管h1h2LlAAhlAAh1212112.5液柱式压力计的测量误差•1．环境温度变化的影响对于一般的工业测量，主要考虑工作液密度变化对压力测量的影响。•2．重力加速度变化的影响在不同的工作地点，重力加速度g是不同的。•3．毛细现象（表面张力）影响：为了减少该误差，通常要求测量管的内径一般不小于10mm。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），不随液面的高低变化，属于系统误差，很易修正。•4．读数误差的影响正确读数方式：眼与液面的顶，底平。我们毕业啦其实是答辩的标题地方弹性式压力仪表3.1弹性式压力计•原理：弹性压力表是利用各种不同形状弹性感压元件在被测压力的作用下，产生弹性变形制成的测压仪表。弹性元件的形变大小是压力的函数，通过测量弹性元件的形变就可以间接得到被测压力的大小。•优点：结构简单、牢固可靠、可在一些恶劣环境下使用，测压范围广、使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远传。•缺点：频率响应低，不宜用于测量动态压力。•弹性元件材料：通常使用合金结构钢，如镍铬结构钢、镍铬钼结构钢等，也有使用碳钢、铜合金和铝合金等。•常用弹性压力表：弹簧管式、膜片（盒）式、波纹管式结构：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；膜盒式微压计通常用于测量炉膛和烟道尾部负压。精度等级为2.5，最高可达1.5级。3.2膜片类型原理：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。3.3波纹管类型特点：工作行程5～10mm；由于波纹管的位移相对较大，故灵敏度高，常用于测量较低的压力（1.0-106Pa）精度等级1.5级。3.4弹簧管（波登管）类型•C型弹簧管：一根弯成270°圆弧的扁圆或椭圆形截面的空心金属管。管子封闭的一端称为自由端，即位移输出端，管子开口的一端称为固定端，被固定在接头上，作为被测压力的输入端。•弹簧管又名波登管，由于1852年E.波登取得波登管的专利权，而被命名的。根据形状和用途的不同，弹簧管可分为4种形式，如图。常见的为C型弹簧管。3.4弹簧管（波登管）类型•提高灵敏度的措施：1.增大中心角γ（可做成多圈、S形）；2.降低管壁厚；3.增大长短轴比a/b值（越扁越灵敏）4.减小材料的刚度（单位变形所对应的弹性力）•弹簧管在量程范围内自由端的位移一般为7-8°，弹簧管作成多圈时，自由端的位移可达45o。弹簧管的自由端的位移可通过杠杆机构带动指针转动，这种机构的指针最大转角为180°，通常作成90°的回转角。最常用的传动机构为杠杆—扇形齿轮机构，可使指针转动270°。3.5弹簧管压力计•工作原理：弹簧管固定端输入压力，在压力的作用下，其自由端产生位移，并通过拉杆带动放大传动机构，使指针偏转并在刻度盘上指示出被测压力值。•测量范围宽：0.2Pa~10MPa•不同材料的弹簧管适用于不同的被测压力和被测流体介质。当压力低于20MPa时，一般采用磷铜；压力高于20MPa时，可采用不锈钢或高强度合金钢。•压力表的其他特殊结构：表壳内装有带阻尼元件和阻尼液（一般为硅油或者甘油）的压力表即是耐震压力表，其主要特点是具有良好的抗震性，特别适宜于介质有剧烈脉动或瞬时冲击的流体压力的测量。•此外，有些压力表还具有泄气孔，是为了减少压力表意外爆炸而导致表玻璃飞溅的力道而设计。膜盒风压表1一膜盒；2一刻度盘；3一零位调整；4一弧形架；5一指针；6一弹簧片；7一曲柄；8一调整螺丝；9一拉杆；10一拐臂；11一固定指针套；12一固定铀；13一形丝；14一引压管接头3.6膜片压力计由于盒内抽成真空，当大气压力作用于盒面上时，盒面被压缩，并带动传动杠杆使指针转动，根据指针转动的幅度即可读得大气压力数值。适用于测量微小压力和真空，测量范围一般在-2000~4000Pa.波纹管是外周沿轴向有深槽形状的波纹褶皱，可沿轴向伸缩的薄壁管子。它受压时的线性输出范围比受拉时的大，故常在压缩状态下使用。波纹管式压差计以波纹管为感压元件来测量压差信号，有单波纹管、双波纹管两种，主要用作流量和液位测量的显示仪表。3.7波纹管压力计当其与设定指针上的触头（上限或下限）相接触（动断或动合）的瞬时，致使控制系统中的电路得以断开或接通，以达到自动控制和发信报警的目的3.8电接点压力表特殊的测压仪表，即测量某一过程的最高压力，比如内燃机气缸内的最高燃烧压力，包括机械式和气电式。3.9最高压力表I.迟滞误差：同一压力正反行程变形量不一致、弹性衰退。II.温度误差：温度变化带来弹性模量的变化。III.间隙和摩擦误差、安装误差等。3.10弹性压力计的误差分析我们毕业啦其实是答辩的标题地方压力（差压）变送器弹性元件检测压力的输出只是机械位移信号，该信号可以就地显示，也可以变换为电信号以供远传。这种变换一般称为电变送。电阻式、电感式、电容式、应变式、力平衡式、霍尔式、振弦式、光纤式等。目前工业生产使用的电变送后的压力信号都是标准化的电流或电压信号，其变送器都是定型的产品。组成：电阻栅、基底、覆盖层工作原理：应变传感器变形时，由于电阻栅的几何尺寸和电阻率改变，导致其电阻值发生变化。原理：电阻率变化引起电阻变化。金属电阻应变片工作原理：压力引起尺寸变化，导致电阻变化。包括丝绕式和箔式。4.1电阻应变式1、压阻效应：固体受力后电阻率发生变化的现象。2、压阻式压力传感器就是基于半导体材料（单晶硅）的压阻效应制成测量压力的传感器。3、结构：硅杯：敏感元件高弹薄膜、硅油：传递压力和隔热膜片：起隔离作用以保证硅杯面引线良好的绝缘性能4.2半导体压阻式其核心部分是一圆形的硅膜片，膜片厚度一般为0.1mm左右，材料通常是N型硅。膜片的四周用一圆环（硅环）固定。目前多采用圆形的硅杯一体结构。在膜片上有4个用集成电路工艺制成的等值P型硅电阻。在0.635r半径之内各分布两个电阻R2、R3，在半径之外各分布两个电阻R1、R4。膜片的两边有两个压力腔。一个是和被测系统相连接的高压腔，一个是低压腔，通常和大气相通。4个电阻接到电桥电路的4个臂上。当膜片两边存在压力差时，膜片上各点存在应力。4个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压。此电压和膜片两边的压力差成正比，这样电桥的输出电压就反应了压力的变化。4、压阻式压力传感器的特点:(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％；(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。5、应变片的共性问题：工作温度影响——需补偿；材料选择——硅、锗加工工艺——缠绕、箔片、印刷、扩散、溅射…安装位置及方法——应变大小。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”。优点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，线性度高，测量精度高，量程范围大可测100MPa以下的压力。缺点：但是由于产生的电荷量少，因此后续需加高阻抗的直流放大器。由于晶体边缘上存在漏电现象，不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。单晶体：如石英、酒石酸钾钠等；多晶体：压电陶瓷，有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）；其他还有：压电半导体，如硫化锌等；高分子压电材料如聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PV