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第五章 压力测量 基本教学内容 u压力的 基本概念 u液柱式压力计 U型管压力计、单管压力计、斜管式微压计 u弹性式压力计 弹簧管式、膜片（盒）式、波纹管式 u电气式压力测量 电容式压力压差变送器、霍尔压力变送器、压 电 式压力传感器、固体压阻式压力压差传感器 u压力检测仪表的选择与校验 o压力 垂直作用于物体表面上的力 o压强 垂直作用于单位面积物体表面上的力 o 在建筑环境与设备的测试中，并不严格区分压力 和压强。通常所说的压力实际上是指压强。 o压差 测量两个压力之差称压差 o 表压力 压力仪表指示的压力值 缺省情况下，所说的压力值即指表压力 表压力可正 可负，为负时其绝对值称为真空度。 第一节 概述 PJ PB PZ 一、基本概念 o 帕(Pa) N/m2，国际单位 o 兆帕(MPa) 106Pa o 工程大气压， kgf/cm2 ，98070 Pa n 约等于一个大气压（1.013e+5 Pa) ，“自来水 压头是5公斤”，用的就是这个单位。 o mmH2O， 9.81 Pa o mmHg ，133 Pa 压力单位 二压力测量仪表的分类 o 1液柱式压力计 o 2弹性式压力计 o 3电气式压力计 o 4活塞式压力计(作为标准仪器) 第二节 液柱式压力计 v 分类 o U型管压力计 o 单管压力计 o 斜管式微压计 v 特点：结构简单，使用方便，准确度比较 高，常用于测量低压、负压、差压。 v 缺点：体积大，读数不方便，玻璃管易损 坏。 一U型管压力计 o 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， P2P1 U型管 h1 h2 0 二单管式压力计 因为A1、A2为常数，这样可通过一 次读数进行压差测量。当A2/A1很 小时，h1可忽略，公式简化为： Pd Px 直管 h1 h2 三、斜管式微压计 P1 P2 斜管 h1 h2 L 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。 四液柱式压力计的测量误差及其修正 1环境温度变化的影响及修正 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。修正公式为： 2. 重力加速度变化的影响及修正 标准重力加速度 下的工作液柱高 度 使用地点的工 作液柱高度 3毛细现象的影响 为了减少该误差，通常要求测量管的内径一般不小 于10mm。 第三节 弹性式压力计 1、概述 o 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 o 特点：结构简单、牢固可靠、测压范围广、 使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远 传 o 常用弹性压力表： n 弹簧管式 n 膜片（盒）式 n 波纹管式 二弹性元件及其特性 1膜片：使用时周边夹紧，测低压、微压。 将两块膜片沿周边对焊起来，形成一膜盒 ，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。 PxPx Px Px 平薄片波纹片膜盒 2波纹管：开口端固定，封闭 端的位移作为输出，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。 Px 3弹簧管： 单圈弹簧管 多圈弹簧管 二弹性元件及其特性 弹簧管在量程范围内自由端的位移一般为 7-8o，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180o，通常作成90度的回转 角。最常用的传动机构为杠杆扇形齿轮 机构，可使指针转动270o。 弹簧管压力计 弹簧管压力计 弹簧管压力计 o 电接点压力表： 不仅可实现压力的测量，而且可实现压力 的报警和控制。 第四节 电气式压力检测 一位移式压力压差变送器： 将弹性元件的位移转变成 电信号。 1电容式压力压差变送器 ：采取差动电容方式。 膜 片d7.575，0.050.2， maxd=0.1mm。 o 特点：灵敏度高、精度高，精度可达0.2、0.25， 稳定可靠。尤适用于测高静压微压差的场合。 由C1、C2可得 设测量膜片在p作用下 的位移d，d=k1p。 1电容式压力压差变送器 2霍尔压力变送器 （1）霍尔效应：把半导 体单晶薄片置于磁场B中 ，如果在它的两个纵向面 上通以一定大小的电流， 则在晶体的两个横向端面 之间出现电势UH，叫霍 尔效应，产生的电势称为 霍尔电势。 灵敏度常数 (2)霍尔电势的产生： 将固定在弹性元件上的霍尔片放 置在一非均匀磁场中，在这区 间，磁场强度具有均匀的梯度 ，当霍尔片在弹性元件的带动 下偏离正中位置，通过霍尔片 的磁场强度发生变化，霍尔片 就有正比于位移的霍尔电势产 生。 o 注意： RH受温度影响较大，在实际当中常采用恒温 措施或采用温度补偿措施，例如在电势输出回 路中串一温度补偿电桥。 要注意减少由于霍尔片两电极不对称焊接引起 的不等位电势，因不等位电势的存在，使霍尔 片处于正中时，电势输出不为0。 霍尔电势 二压电式压力传感器 压电效应：压电材料在受压时会在其表面 产生电荷，产生的电荷量与所受的压力成 正比。 o 压电材料：单晶体，例如石英、酒石酸钾 钠等 o 多晶体，例如压电陶瓷，在没有极化之前 ，因各单晶体的压电效应都互相抵消表现 为电中性，为此必须对压电陶瓷先进行极 化处理，经极化处理的压电陶瓷具有非常 高的压电系数，为石英的几百倍。 v 特点：结构简单、紧凑 ，小巧轻便，工作可靠 ，具有线性度高量程范 围大等优点。 v 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，因此不能用 于稳态测量。 压电式压力 传感器结构 二压电式压力传感器 三固体压阻式压力压差传感器 1原理： 电阻的尺寸发生变化，例如电阻的长度、横截面 积发生变化将引起电阻的变化。 电阻的电阻率发生变化也将引起电阻阻值的变化。 分类：应变片：受压时，电阻的尺寸L、S发生变 化，引起电阻的变化。 半导体扩散硅：在压力的作用下，电阻 率发生变化。 o 通常半导体扩散硅电阻变化的灵敏度要远远高于 应变片，大约为100倍。 公式： o 2膜片的应力分析 其膜片受到从下向上的压力时，中心区受拉应力 （假设应力为正），周边区受压应力（应力为负 ），在R=0处应力达到正的最大值，而在大约距 中心60%的地方应力为0。 注意：供给桥路的电流要恒定，即为一恒流源。输出电 压为10-100多毫伏，后续一般要加电压放大电路。 3电阻分布及测量桥路 优点：温度补 偿， 使输出信 号加倍。 第五节 压力检测仪表的选择与校验 一压力检测仪表的选择 测压范围，被测介质的物理化学性质 ，测试精度要求。 1.仪表量程选用 为保证安全性，压力较稳定时，最大工作压力不 超过仪表量程的3/4，压力波动较大时，最大工作 压力不超过仪表量程的2/3。 为保证准确度，最小工作压力不低于满量程的1/3 。 2仪表精度的选择 v 根据在测量时允许的最大测量误差选择仪表 ，可根据仪表的精度等级算出用该仪表测量可 能引起的最大示值绝对误差。 v 另外在选择仪表时不需一味追求高精度，只 要满足测量精度要求即可。 弹簧管压力表量程和精度系列 我国目前弹簧管压力表量程系列，1, 1.6, 2.5, 4.0, 6.0kPa以及10n倍 精度系列，精密表 0.1, 0.16, 0.25, 0.4 工业表 1.0, 1.5, 2.5 例题：有一压力容器，压力范围0.40.6MPa， 压力变化速度较缓，不要求远传。试选择压力 仪表（给出量程和精度等级）测量该压力，测 量误差不大于被测压力的4%。 根据最大工作压力根据最小工作压力 被测压力的最大示值绝对误差 所选仪表的基本误差 所以可选择量程范围为01.0MPa弹簧管压力表 可选择1.5级的压力表 3仪表类型选择 被测介质压力大小， 被测介质的性质，例如，氧气、乙炔都有 专门的测量仪表，对腐蚀性介质要采用不 锈钢或其他耐腐蚀的材料， 对仪表输出信号的要求，例如是否需要为 电信号， 使用环境。 二压力表的安装 气 侧上部 防堵，防液，防气 液 侧下部 防堵，防汽 1取压口的选择 o取压口位置 n 稳定无涡流区（直线管段，避开拐弯、分叉等） 。 n 除了被测介质以处，不接触其它物质 n 不易堵塞 o取压孔形状 n 孔径要小 n 要与壁面垂直 n 孔口应无毛刺 1取压口的选择 2导压管的敷设 为了使导压管正确传递压力或压差，应作到： 导压管长度小于50m，内径为6-10mm。 对于水平敷设，导压管要有1:101:20的坡度， 测量液体介质时下坡，测量气体介质时上坡。 3当被测介质易冷凝或冻结，必须加装伴热管后 再行保温；当测量腐蚀性介质时，应加装隔离罐 ；当测量高温蒸气压力时，应加装冷凝盘管；测 量含尘气体时，应加装灰尘捕集器；测量高于60 度的介质时，应加装环行圈； 二压力表的安装 4当测量液体压力时，在导压管系统最高处 应安装集气瓶；当测量气体压力有可能有 液体冷凝时，在导压管系统最低处应加装 水分离器；当被测介质有可能产生沉淀时 ，应在仪表前安装沉降器。 5取压口与压力表之间应加装隔离阀。 6在测量较小压力时，若仪表与取压口不在 同一水平高度，则应对测压进行校正。 二压力表的安装 三压力表的校验 o 活塞式静重压力计 1工作原理：加压