热工测量及仪表_第5章_压力仪表

第五章压力测试技术5.1压力的力学测量方法5.2压力的电学测量方法5.3电阻应变式压力传感器5.4压阻式压力传感器5.5电感式压力传感器5.6压电式压力传感器5.7压力检测仪表的安装5.8传感器的标定格里克(Guericke)格里克是个博学多才的军人，从小就喜欢读书，爱好科学；莱比锡大学毕业．1621年又到耶拿大学攻读法律；1623年，再到莱顿大学钻研数学和力学．他1631年入伍，在军队中担任军械工程师，工作很出色．后来，投身政界，1646年当选为马德堡市市长．无论在军旅中，还是在市府内，都没停止科学探索．马德堡半球试验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FpS:表压（Gaugepressure）:相对于大气压力的差压。绝对压力和大气压力之间的差压,用符号Pg表示。正压力（Positivepressure）：绝对压力高于大气压力时的表压，简称正压。负压力（Negativepressure）：绝对压力低于大气压力时的表压，简称负压。真空度（Vacuum）：低于大气压力的绝对压力,用符号Pv表示，Pv=|Pg|。绝对压力（Absolutepressure）:相对于绝对真空所测得的压力,用符号Pi表示。几种通用的非法定的压力计量单位1工程大气压（单位符号为：at）（kgf/cm2）1kg的力垂直作用在1cm2面积上所形成的压力。2标准大气压（单位符号为：atm）最初规定在摄氏温度0℃、纬度45°、晴天时海平面上的大气压强为标准大气压，其值大约相当于76厘米汞柱高。但是汞的密度大小受温度的影响。为了确保标准大气压是一个定值，1954年第十届国际计量大会决议声明，规定标准大气压值为1标准大气压＝101325牛顿／米2，即为101325帕斯卡（Pa)4约定毫米水柱（单位符号为：mmH2O）在标准重力加速度下，4℃时1mm高的水柱在1cm2的底面上所产生的压力。3约定毫米汞柱（单位符号为：mmHg）在标准重力加速度下，0℃时1mm高的水银柱在1cm2的底面上所产生的压力。托里拆利用1米长一端封闭的玻璃柱做的实验，注满水银后倒立在水银槽内，水银的高度为760mm，如果是水，应该是10.336m过去采用的压力单位“工程大气压力”（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=6.89×103PaPSI:磅/平方英寸，换算关系：1公斤力/平方厘米=14.223磅/平方英寸=0.1MPaBar:1巴(bar)=100,000帕(Pa)=10牛顿/平方厘米表压、绝对压力和负压（真空度）的关系1001p表压大气压力线绝对压力零线p绝对压力p负压（真空）p绝对压力压力测量方法一、力学测量方法：液体压力平衡、弹性力平衡二、电学测量方法：电位式、应变式、电容式、电感式、电涡流、压电式、压阻式重力平衡方法：利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量与被测压力相平衡。弹性力平衡方法：利用弹性元件受压力作用发生弹性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡。机械力平衡方法：将被测压力经变换元件转换成一个集中力，用外力与之平衡。物性测量方法：利用敏感元件将被测压力直接转换为各种电量。压力测量方法（续）5.1.1液体压力平衡利用液柱对液柱底面产生的静压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，有相当高的准确度，在本专业中应用很广泛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5.1压力的力学测量方法基本原理：流体静力学原理一般是采用充有水或水银等液体的玻璃U形管、单管或斜管进行压力测量的。采用水银或水为工作液，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或现场锅炉烟、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。静止液体的压力流量孔板的压降测速管压力测量在气固两相流中的应用完整的压力测量系统二、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。singLghp由于Lh，所以斜管压力计比单管压力计更灵敏，可以提高测量精度L—斜管内液柱的长度；α—斜管倾斜角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。5.1.2弹性力平衡方法用弹性传感器（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。基本原理：当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹性变形(即机械位移)。根据变形量的大小，可以测得被测压力的数值。弹性压力计组成框图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。常用的有弹簧管、波纹管、薄膜等。同样压力下，不同结构、不同材料的弹性元件产生不同的弹性变形。波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于高中低压或真空度测量。（1）波纹管是一种表面有许多同心环状波纹的薄壁圆筒。开口端焊接于固定基座上,并将流体通入管内，在流体压力作用下，密封的自由端会产生一定的位移。在弹性范围内，自由端的位移与作用压力成线性关系。（2）波登管是横截面为空心椭圆形或扁圆形的金属管。当管的固定端通入有一定压力的流体时，管内外的压力差(管外一般为大气压力)迫使管截面趋于圆形，这种变形导致波登管封闭的自由端产生线位移或角位移。（3）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）弹簧管压力计弹簧管式压力计是工业生产上应用很广泛的一种直读式测压仪表，以单圈弹簧管结构应用最多。其一般结构如右图所示。被测压力弹簧管位移通过拉杆使扇形齿轮偏转啮合的中心齿轮转动指针同时偏转指示出被测压力。弹簧管压力计结构1-弹簧管；2-连杆；3-扇形齿轮；4-底座；5-中心齿轮；6-游丝；7-表盘；8-指针；9-接头；10-横断面；11-灵敏度调整槽调放大比、量程调隙直接调零弹簧管压力表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等（4）弹性压力计信号远传方式弹性压力计结构上增加转换部件实现信号的远传。多采用电远传方式，常见的转换方式有电位计式、霍尔元件式、电感式、差动变压器式等。(a)电位器式(b)霍尔元件式弹性压力计信号电远传方式原理（5）力平衡式压力计采用反馈力平衡的原理，反馈力的平衡方式可以是弹性力平衡或电磁力平衡等。41弹性力平衡式压力测量系统的原理示意图弹性式压力计的误差1．迟滞误差相同压力下，同一弹性元件正反行程的变形量不一样，产生迟滞误差。2．后效误差弹性元件的变形落后于被测压力的变化，引起弹性后效误差。3．间隙误差仪表的各种活动部件之间有间隙，示值与弹性元件的变形不可能完全对应，引起间隙误差。4．摩擦误差仪表的活动部件运动时，相互间存在摩擦力，产生摩擦误差。5．温度误差环境温度的变化会引起金属材料弹性模量的变化，造成温度误差。弹性式压力计误差的改善途径1．用无迟滞误差或迟滞误差极小的“全弹性”材料和温度误差很小的“恒弹性”材料制造弹性元件。2．采用新的转换技术，减少或取消中间传动机构，以减少间隙误差和磨擦误差。3．限制弹性元件的位移量，采用无干磨擦的弹性支承或磁悬浮支承等。4．采用合适的制造工艺，使材料的优良性能得到充分的发挥。压力仪表的校验常用的校验仪表是活塞式压力计。校验就是将被校压力表和标准压力表通以相同压力，比较它们的指示值，如果被校表对于标准表的读数误差不大于被校表的最大允许绝对误差时，则认为被校表合格。1-油杯；2-针阀；3-进油阀；4-油缸；5-活塞；6-砝码；7-托盘；8-联接螺母；9-导管；10-手摇油泵；11-水平调节螺钉；12-底盘5.2压力的电学测量方法压力量的电测系统1.传感器；2.测量回路；3.记录或显示器5.3电阻应变式压力传感器电阻应变测量系统①电阻应变计——传感元件；②电阻应变仪——转换部分，它将构件表面的应变转换为电阻值的相对变化，并将应变计电阻的相对变化(以电桥转换的方式)转换成电压或电流信号。③记录仪器——记录电阻应变仪的输出。应变式压力传感器工作原理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。一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为R=式中:ρ——电阻丝的电阻率;L——电阻丝的长度;S—电阻丝的截面积。应变效应:导体或半导体材料沿一定方向受力时,其阻值将发生变化,这种现象称为应变效应。SL.工作原理当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长ΔL,横截面积相应减小ΔS,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ,故引起电阻值相对变化量为SSLLRR式中ΔL/L是长度相对变化量,用应变ε表示LLΔS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即rrSS2由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为LLrr式中:μ——电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。)21(RR)21(RR通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。21K灵敏度系数受两个因素影响:①受力后材料几何尺寸的变化,即（1+2μ）;②受力后材料的电阻率发生的变化,即（Δρ/ρ）/ε。对金属材料电阻丝来说,灵敏度系数表达式中（1+2μ）的值要比（（Δρ/ρ）/ε）大得多,而半导体材料的（（Δρ/ρ）/ε）项的值比（1+2μ）大得多。大量实验证明,在电阻丝拉伸极限内,电阻的相对变化与应变成正比,即K为常数。用应变片测量应变或应力时,根据上述特点,在外力作用下,被测对象产生微小机械变形,应变片随着发生相同的变化,同时应变片电阻值也发生相应变化。ΔR时,便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系,得到应力值σσ=E·ε式中:σ——试件的应力;ε——试件的应变;E——试件材料的弹性模量。由此可知,应力值σ正比于应变ε,而试件应变ε正比于电阻值的变化,所以应力σ正比于电阻值的变化,这就是利用应变片测量应变的基本原理。电阻应变计测量特点①测量方法简单，价格低廉；②灵敏度高，测量应变的灵敏度可达l微应变，即等于10-6～mm／mm，准确度可达1％～2％；③频率响应好，可测量0～500000Hz的动态应变,惯性极小；④测量应变范围大，量程宽；⑤可在高温(800～1000℃)低温(-100～-270℃)高压液(高达上万个大气压)、高速旋转(几千转～几万转／分)强磁场、核幅射等特殊条件下进行测量。⑥输