第9章934压力计量

9.3.6压力计量工程上的压力=物理学中的压强：压力计量仪器仪表分类：1.液体式2.弹簧式3.活塞式4.电测式和数字式FPA1．液体式利用液柱的高度差来测试压力的仪器常用液体式压力仪器：水银气压计U型(双管)和杯型(单管)压力计环天平式压力计钟罩式压力计补偿式微压计斜管微压计封闭式水银压力计2．弹簧式常见弹簧式压力仪表：弹簧管式膜片式膜盒式波纹管式弹性敏感元件弹性形变传动放大机构显示P0～1.6MPa弹簧管式精密压力表3．活塞式工作原理：流体静压原理＋帕斯卡原理主要用于标准压力量值的传递当前在所有的压力计量中，精度最高精密压力表检定装置YS-60型活塞压力计4．电测式常用电测式压力仪表：应变式固态压阻式压电式电感式电容式振频式压力→电信号转换材料PU,I,Qa．应变式压力传感器压力变化→电阻值变化应变片——金属导体或半导体阻值随压力所产生的应变而变化b．压电式压力传感器压电效应——某些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷常用材料：石英和钛酸钡c．光导纤维压力传感器利用光波传导压力信息特点：不受电磁干扰,电气绝缘好,耐腐蚀,无电火花,可以在高压、易燃易爆环境中测量压力灵敏高度，可挠性好，可插入狭窄空间进行测量5．数字式压力传感器信号分析处理A/D转换压力数字显示9.3.7真空计量真空——在给定的空间内，低于一个标准大气压的气体状态真空系统气体压强：＜1atm（0.1MPa）真空度=0.1MPa－真空系统气体压强（MPa）真空的划分：粗真空：105中真空：3×103高真空：10-1超高真空：10-4极高真空：10-7真空计量方法1.绝对法A.U型压力计（标准差压计）根据U型管内两液柱面的高度差来求得压力值适用对象：粗真空和低真空U型真空计B.麦克劳压缩式真空计（麦氏真空计）根据气体的压差及气体的压缩比等参数，由玻义耳—马略特定律求得绝对压力值适用对象：低真空P1V1=P2V2P1=（P2-P1）/（V1/V2-1）=ΔP/（V1/V2-1）P2，V2P1，V1PM-2麦氏真空计玻义耳—马略特定律：对于一定质量的气体，其温度保持不变时，其压强和体积成反比：PV=const.YB-150B精密真空表(标准真空表)-0.1～0MPa2.相对法高真空测量装置：热阴极电离真空计工作原理：气体分子被电离所产生的正离子数与气体分子密度成正比；测量出离子数目就可以测得真空系统的压强。电离气体的方法：用加速电子轰击气体分子ZDK热阴极电离真空计热阴极发射电子电离气体分子，离子被收集极收集，根据收集的离子流大小来测量气体压强低真空测量装置：电容薄膜真空计•根据弹性薄膜在压差作用下产生应变而引起电容变化的原理制成•组成：电容式薄膜规管(电容式压力传感器)+测量仪器•仪器结构（依测量电容方法):•A.偏位法•B.零位法——是一种补偿法，具有较高测量精度。低真空副标准真空计采用了零位法结构•组成：电容式薄膜规管•测量电桥电路•直流补偿电源•低频振荡器•低频放大器•相敏检波器•指示仪表零位法电容式薄膜真空计结构原理图•电容式薄膜规管的中间装着一张金属弹性膜片，在膜片的一侧装有一个固定电极，当膜片两侧的压差为零时，固定电极与膜片形成一个静态电容C0，它与电容C1串联后作为测量电桥的一条桥臂，电容C2、C3和C4与C5的串联电容组成其它三条桥臂。•金属弹性膜片将薄膜真空规管隔离成两个室，分别为接被测真空系统的测量室和接高真空系统(pb10-3Pa)的参考压力室。在这两个室的连通管道上设置一个高真空阀门7。测量时，先将阀门7打开，用高真空抽气系统将规管内膜片两侧的空间抽至参考压力pb。同时调节测量电桥电路，使之平衡，即指示仪表指零。然后，关闭阀门7，测量室接通被测真空系统。•当被测压力p1pb时，由于规管中的压力差p1-pb，膜片发生应变引起电容C0改变，破坏了测量电桥电路的平衡，指示仪表上亦有相应的指示。调节直流补偿电源电压对电容C0充电，使其静电力与压差相等，此时，电桥电路重新达到平衡，指示仪表又重新指零。根据补偿电压的大小，就能得出被测压力p1故有p1-pb=KU2式中p1——被测压力pb——参考压力U——补偿电压K——规管常数，其值K=Co/d0,Co和d0分别为固定电极与膜片在平衡状态下的静态电容和间距。当p1＞＞p0时，测量结果就是绝对压力，即p1=KU2•电容式薄膜真空计测量范围为10-1～101Pa，其规管常数K可通过校准得到。近年来，电容式薄膜真空计取得了重大进展，新型的双电容式薄膜真空计的问世，提高了该类真空计的精度，扩展了测量范围，使其测量下限可达10-3Pa。9.3.8流量计量体积流量——对流体的体积进行计量质量流量——对质量进行计量流体流量计量——对流体的体积流量、质量流量和总量的计量1．流量计量方法1)液体流量计量方法•容积法——使液体流人工作量器，根据从量液位标尺上读出的数值和计时器上得到的时间来确定流量值•称量法——使液体流人称量容器中，通过计量容器中的液体的质量来获得流量值•标准体积管法——在标准体积管内放置一个可移动的活塞和两个检测开关；当液体流入体积管时，推动活塞在管内移动；只要确定活塞通过两个检测开关的时间，就可求得流量值2)气体流量计量方法a.钟罩法b.活塞法c.音速喷嘴法a.钟罩法适用于常压下气体流量的计量原理：将一钟罩型容器扣置于水或油槽中，并被槽中的水或油密封，与外部大气隔绝；当被测气体充入钟罩或将气体从钟罩内排除时，根据钟罩上升或下降的高度(对应被测气体的体积)和所需的时间，就可以求得流量值使用条件：常压b.活塞法使被测气体冲入密闭气缸，推动其中的活塞，由于气缸的内径是固定的，因而只要确定了活塞移动的距离和时间，即可求出流量值。dc.音速喷嘴法适用于高压，大流量气体当气体流过音速喷嘴，且其上游和下游压力比达到临界状态时，通过喷嘴喉部的气体流速就达到了音速，并且不再受下游压力变化的影响。于是便可以根据经音速喷嘴流入定容槽的气体的压力和温度来求出进入槽内的气体流量。音速喷嘴法气体流量标准装置•1.真空泵2.储气罐3.汇流管(容器)4.开关阀5.音速文丘利喷嘴6.滞止容器温度计7.滞止容器压力计8.滞止容器9.流量调节阀10.被检表后温度计11.被检流量计12.被检表前压力计（1）检定原理用真空泵1将空气由被检表的上游直管段入口吸入，经过被检表前直管段、被检表11和被检表下游直管段进入滞止容器8，在滞止容器的下游，有一组音速喷嘴5，控制音速喷嘴下游的开关阀门4，可以任意选择所要开关的音速喷嘴，以达到改变被检表流量的目的，滞止容器需要测温6测压7，代入公式计算可以得到通过音速喷嘴的质量流量，亦即通过被检表处的质量流量。通过测量被检表处的温度10和压力12，可以计算出空气密度，进而得到标准体积流量。流量调节阀9一般只用于开关，也可作为调节流量的辅助手段。在进行小流量检定时，可以不用开启真空泵，只要储气罐2的真空度能够满足要求即可。真空泵的能力应满足下列两个条件：第一，真空泵所提供的流量应大于被检流量计的最大流量；第二，在测量过程中，真空泵所提供的真空度应满足音速喷嘴的临界压力比。（2）流量计算公式当气流处于亚音速时，喉部的气体流速将随节流压力比（即出口压力P1与上游滞止压力P0之比）的减小而增大。当节流压力比减小到一定值时，喉部流速达到最大流速——音速，即达到所谓的临界流，此时，如果P0不变，再减小P1（即再减小节流压力比）流速将保持不变，即流速不再受下游压力的影响。此时的喷嘴称为音速喷嘴，又称临界流喷嘴，此时的节流压力比称为临界压力比。理想条件下，即气流是一维流动、等熵、完全气体，可导出临界压力比的计算公式：（1）式中，k——气体等熵指数，对于完全气体，k等于比热比。对于空气，k=1.4，则（P1/P0）=0.528（3）理想条件下的质量流量(2)式中，qmi——理想条件下质量流量（kg/s）A*——音速喷嘴的喉部面积（m2）C*i——气体在理想条件下的临界流函数(3)P0——音速喷嘴前端气体滞止绝对压力（Pa）T0——音速喷嘴前端气体滞止绝对温度（K）RM——气体常数（J/（kg×K））对于空气，RM=287.1（4）实际条件下的质量流量在实际条件下,音速喷嘴的质量流量公式：(4)式中，qmi——音速喷嘴在实际条件下的质量流量（kg/s）C*i——气体在实际条件下的临界流函数，假定气体为一维、等熵流动,利用实际气体的热力学性质表，可用计算机计算出来。C——流出系数，C是对“一维、等熵流动”等假设条件的修正。C只是雷诺数Red的函数。（5）式中，Red——音速喷嘴喉部雷诺数（无量纲）d——音速喷嘴喉部直径（m）μ0——气体在滞止条件下的动力粘度（kg/（m·s）从式(4)中见，只要用试验的方法求得流出系数C，就可按测得的滞止压力P0和滞止温度T0（由查表可得C*）计算出质量流量qmi。2．流量计量仪器a.容积式b.推理式a.容积式流量计——以流体本身的动力推动其运动部件移动或转动，使流体不断地充满或离开壳体与运动部件构成的空间，达到连续计量的目的腰轮流量计椭圆齿轮流量计活塞式流量计适用对象：高粘度流体•装于计量室内的一对共轭转子在流通气体的出口压力差（Pin＞Pout）作用下，两转子交替承受转动力矩。转子每转动一周，则输出四倍计量室有效容积的气体，转子的转数通过磁性密封连轴装置及减速机构，传递到积算指示器，从而显示输出气体的累计体积流量。（图中仅表示了四分之一周期）。腰轮流量计腰轮流量计外观图椭圆齿轮流量计容积式流量计的一种，用于精密的连续或间断的测量管道中液体的流量或瞬时流量。特别适合于重油、聚乙烯醇、树脂等粘度较高介质的流量测量。•在被测介质压差△p＝pl-p2作用下，产生作用力矩使其转动。•(a)所示位置时，由于P1＞P2，在P1和P2的作用下所产生的合力矩使轮1产生顺时针方向转动，把轮1和壳体间的半月形容积内的介质排至出口，并带动轮2作逆时针方向转动，这时1为主动轮，2为从动轮•(b)上所示为中间位置，1和2均为主动轮•在（c）所示位置，P1和P2作用在1轮上的合力矩为零，作用在2轮上的合力矩使2轮作逆时针方向转动，并把已吸入半月形容积内的介质排至出口，这时2为主动轮，1为从动轮，与(a)上所示情况刚好相反•如此往复循环，轮1和轮2互相交替地由一个带动另一个转动，将被测介质以半月形容积为单位一次一次地由进口排至出口．显然，图上(a)、(b)、(c)所示，仅仅表示椭圆齿轮转动了1／4周的情况，而其所排出的被测介质为一个半月形容积．所以，椭圆齿轮每转一周所排比的被测介质量为半月形容积的4倍活塞式流量计特点：稳定性高、重复性好等优点，具有流量标准装置所需的功能气体活塞式流量装置的内压力最高可达200kPa，能满足高压损流量计工作原理：活塞向下运动，将缸内气体通过管路、流量计排出。在活塞向下匀速运动时，气缸内压力经过一上升过程后逐步达到稳定值。气体在这个过程中温度、压力、体积被认为不发生变化。由于缸体内径已知，可计算出活塞运行一定距离排出气体的体积值。以此作为标准体积流量，与流量计示值相比较，从而检测流量计。旋转活塞式流量计优点：通流能力较大缺点：在工作过程有一定泄漏，故准确度较低工作原理:旋转活塞位于固定的内外圈3，4之间，活塞的轴6靠着导辊5滚动，中间隔板1将计量空间分成两部分，活塞2的上缺口和隔板1咬合，当活塞依箭头方向运动时与隔板1成直线运动。活塞在进出口流体压力差的作用下，始终与内外圆桶壁紧密接触旋转，交替不断地将活塞与内外圆筒之间的流体排出。通过计算活塞旋转次数可得到流量。b.推理式流量计——利用流体在流动过程中的物理现象或物理特性(如压力、冲量、电磁感应、光/声多普勒效应等)与流速和流量之间的关系来实现流量计量节流式或差压式流量计叶轮式或速度式流量计面积式流量计超声流量计电磁流量计激光流量计电磁流量计在磁感应强度为B的均匀磁场中，垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道，当导电液体在管道中以流速u流动时，导电流体就切割磁力线测量原理若在管道截面上垂直于磁场的直