建筑环境测试技术第5章压力测量.ppt

1,第五章压力测量,5.1概述5.2液柱式压力计5.3弹性压力计5.4电气式压力检测5.5压力检测仪表的应用与校准,2,5.1概述,压力：垂直作用在物体单位面积上的力。绝对压力=表压力+大气压如果绝对压力高于当地大气压力，则高出的部分为正压；如果绝对压力低于当地大气压力，则低处的部分为负压。单位：国际单位制：帕（Pa）1Pa1N/m210-5bar巴（bar）、工程大气压(kgf/m2)、标准大气压(atm)、毫米水柱(mmH2O)、毫米汞柱(mmHg),3,5.1.1压力测量方法,平衡法压力测量液柱高度的重力或砝码的重量与被测压力相平衡。弹性法压力测量利用弹性元件在压力作用下产生的弹性变形（位移）。电气式压力检测使用压力传感器直接将压力转换成电阻、电荷量等电量变化。,4,5.1.2压力测量仪表的分类,从工作原理及结构的角度，将压力传感器分为四大类：液柱式压力计根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度。如U形管压力计、单管压力计和斜管压力计等。弹性式压力计根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移的测量，如弹性压力表。电气式压力检测将被测压力转换成各种电量（电感、电容、电阻、电位差等），依据电量的大小实现压力的间接测量。如压电式压力传感器、压阻式压力传感器等。负荷式压力计将被测压力转换成砝码的质量，如活塞式压力计、钟罩式微压计。,5,5.2液柱式压力计,原理：利用液柱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，玻璃管易损、读数不方便。,6,5.2.1U形管压力计,结构：由U形玻璃管、工作液、刻度尺组成。,测量过程：两个管口分别接压力P1和P2。当P1P2时，左右两管的液体的高度相等。当P2P1时，U形管的两管内的液面便会产生高度差。,7,5.2.1U形管压力计,式中：U形管内所充工作液的密度；gU形管所在地的重力加速度；h1，h2U形管左右两管的液面相对于0刻度的高度差。,8,5.2.2单管压力计,结构：U形管，但两侧管子的直径相差很大。,原理：在两侧压力作用下，一侧液面下降，另一侧液面上升。下降液体的体积与上升液体的体积相等。,式中：h1,2宽口容器内液面的下降高度及测量管内液面的上升高度；1,2宽口容器及测量管的横截面积。,9,5.2.2单管压力计,只需要读取h2的数值，就可以求得被测压力P。当A1A2时，上式可近似为：当A1/A2100时，误差小于1%。,10,5.2.3斜管微压计,结构：一种变形的单管压力计，用于测量微小压力。测量原理：为了减小读数相对误差，拉长液柱，把测量管斜放一个角度。,11,5.2.3斜管微压计,角越小，l则越长，测量灵敏度就越高；但是，角不能太小（一般不小于15），否则读数困难，反而增加读数误差。,12,13,5.2.4液柱式压力计的测量误差及其修正,1、环境温度变化2、重力加速度变化3、毛细管现象环境温度偏离规定温度时，工作液（水银）的密度、标尺长度都会发生变化。工作液（水银）的密度变化是修正的重点，因为水银的体积膨胀系数比标尺的线膨胀系数大得多。精密测量时，需要对标尺长度变化的影响进行修正。压力计读数修正公式：工作液在t0t之间的平均体积膨胀系数。,14,5.2.4液柱式压力计的测量误差及其修正,1、环境温度变化2、重力加速度变化3、毛细管现象仪器使用地点的重力加速度：,压力读数的修正公式：,15,5.2.4液柱式压力计的测量误差及其修正,1、环境温度变化2、重力加速度变化3、毛细管现象毛细管现象能使测量管内的液柱升高或降低。,当管内工作液表面张力小时，如水、酒精，液面会形成凹面，产生正误差；当管内工作液表面张力大时，如水银，液面会形成凸面，产生负误差；,为了减小读数误差，通常采用加大管径来减小毛细管的影响。使用水/酒精时，管径d3mm。使用水银时，管径d8mm。,水银,水,16,5.3弹性压力计,原理：利用弹性元件作为压力敏感元件，把压力转换成弹性元件的位移，位移的大小与被测压力成正比关系。目前，作为压力检测的弹性元件主要有膜片、波纹管和弹簧管。,17,5.3弹性压力计,常用弹性元件示意图：,弹性元件受外部压力P作用后，通过受压面表现为力的作用，作用力的大小为FAP式中：A弹性元件承受压力的有效面积P作用力的大小,18,同时，根据虎克定律，弹性元件在一定范围内的变形与所受外力成正比关系，即FCx式中：C弹性元件的刚度系数；x弹性元件在受到外力F作用下所产生的位移。弹性元件受压力为P时。其位移量为：xF/CPA/C比值A/C的大小决定了弹性元件的压力测量范围。A/C越小，可测压力越大。,5.3弹性压力计,19,5.3.1膜片,形状：膜片是一种片状测压弹性元件，外缘固定。按剖面形状分为平膜片和波纹膜片。,20,5.3.1膜片,特性：一般用中心的位移和被测压力的关系来表征。当膜片的位移很小时，压力与位移之间有良好的线性关系。膜片和转换元件相结合，可以把压力转换成电信号。常用的有电容式压力传感器、光纤式压力传感器及力矩平衡式压力变送器等等。,1.电容式压力传感器1）单端式电容压力传感器2）差动式电容压力传感器2.光纤式压力传感器3.力矩平衡式压力变送器,21,1.电容式压力传感器单端式,在膜片的一侧，安装一个与该膜片平行并且固定不动的电极板，使膜片与电极板构成一个平行板电容器。,当膜片受压产生位移时，改变了极板与膜片间的距离，从而改变了电容器的电容值。通过测量电容的变化即可测得被测压力。可以用来测量单端压力。,22,1.电容式压力传感器差动式,在膜片的两侧，各安装一个与膜片相平行并且固定不动的极板（位于金属镀层内部），使膜片与极板构成一对平行板电容器。当膜片受压产生位移时，改变了极板与膜片间的距离，一个电容器的电容量增大，另一个则减小。,测量这对电容值的变化，并且经过测量电路转换成电流或电压信号传输，就构成了差动式电容压力传感器。,23,2.光纤式压力传感器,原理：采用光纤及其调制机构实现位移光强的转换。当入射光纤的光束照射到膜片上，其反射光分别被接收光纤1、接收光纤2接收，其光强分别是x1和x2以及光纤至膜片间的距离d的函数。,24,3.力矩平衡式压力变送器,应用杠杆、电磁反馈等机构，根据力矩平衡原理将膜片的位移变换成标准电信号输出。,25,5.3.2波纹管,波纹管是一种具有等间距、同轴的环状波纹，能沿轴向伸缩的测压弹性元件。波纹管受沿轴向的作用力F时，产生的位移为：,波纹管的位移相对较大，因此一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。特点：灵敏度高，常用于检测较低的压力。但是迟滞误差较大。,26,5.3.3弹簧管,弹簧管：截面是非圆形（椭圆形或扁圆形），弯成圆弧状。管子一端固定（开口端），另一端是自由端（封闭）。工作原理：被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔，并使弹簧管的自由端产生位移，同时改变其中心角。,27,5.3.3弹簧管,弹簧管可以通过传动机构直接指示被测压力，也可以使用适当的转换元件把弹簧管自由端的位移变换成电信号输出。,1.弹簧管压力表,2.电远传式弹簧管压力表,28,1.弹簧管压力表,指示型仪表。工作原理：被测压力P由接头9接入，使弹簧管1的自由端产生位移。,通过拉杆2的端点8使扇形齿轮3做逆时针偏转，于是指针5通过同轴的中心齿轮4的带动而作顺时针偏转。在面板6的刻度标尺上显示出被测压力的数值。,自由端,29,2.电远传式弹簧管压力表,电感式压力远传将处于电感线圈中的衔铁与压力表的弹簧管自由端相连，把弹簧管自由端的位移转换成线圈的电感量变化。电阻式压力远传将滑动电阻与压力表的弹簧管自由端相连，把弹簧管自由端的位移转换成电阻值的变化。霍尔片压力远传霍尔效应。,30,霍尔效应,将矩形半导体薄片置于磁场中，磁感应强度B与薄片的Z轴相同。沿着薄片的Y轴方向通入恒定的控制电流I，在X轴方向就会产生电子运动，使得薄片的左侧带负电，右侧带正电。这时沿着薄片X轴的两侧就会产生电势霍尔电势。,霍尔电势：,将弹簧管的位移量转换成I或B值，就可以得到霍尔电势，实现远传。,I：霍尔片的电流B：霍尔片所处的磁感应强度d：霍尔片的厚度,31,霍尔压力传感器,霍尔片与弹簧管的自由端相连，处于两对磁极（两块磁钢）所形成的非均匀磁场之中。霍尔片的四个端面引出四根导线。其中两根导线与直流稳压电源相连。另两根导线用来输出霍尔电动势信号。,霍尔片,弹簧管,磁钢,32,5.4电气式压力检测,测量压力变化快、高真空、超高压。方法：使用压力敏感元件，直接将压力转换成电阻、电容及电荷量等电量的变化。5.4.1压电材料及压电式压力传感器5.4.2应变片与应变式压力传感器5.4.3压阻元件与压阻式压力传感器,33,5.4.1电气式压力检测1压电材料及压电式压力传感器,原理：压电效应，即压电材料受压时会在其表面产生电荷，其电荷量与所受的压力成正比。压电元件的压电特性：当压电元件沿着Z轴方向受到FZ的作用力时，压电元件将在垂直于Z轴的平面上产生电荷QZ：,压电材料主要有3大类：压电晶体压电陶瓷有机压电材料特点：结构简单、紧凑；响应快、量程大。,34,原理：当应变片受外力作用产生形变（伸长或缩短）时，应变片的电阻值也将发生相应变化。为了使应变片（金属或合金丝、箔）能在受压时发生变形，一般要和弹性元件（金属膜片）一起使用。,5.4.2电气式压力检测2应变片及应变式压力传感器,35,应变片R1、R2、R3、R4贴在膜的上表面。被测压力P作用在膜的下方。当膜片受压力作用变形向上凸起时，膜片上半径为r处发生径向应变r和切向应变t。,应变片分布图,径向应变r和切向应变t的应力分布曲线,5.4.2电气式压力检测2应变片及应变式压力传感器,36,原理：压阻元件的压阻效应。核心部分是一块圆形的单晶硅膜片。膜片上布置四个电阻，组成一个全桥测量电路。当两侧存在压差时，膜片产生变形，使两对电阻的阻值发生变化，其输出电压与膜片承受的压差成比例。,压阻式压力传感器的结构示意图1低压腔；2高压腔；3硅杯；4引线；5硅膜片,5.4.3电气式压力检测3压阻元件与压阻式压力传感器,37,5.5压力检测仪表的应用与校准,5.5.1压力检测仪表的选择（量程、精度、压力表类型）1、量程被测压力较稳定时，最大工作压力不应超过仪表满量程的3/4。被测压力波动较大或测量脉动压力时，最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3。为了保证测量准确度，最小工作压力不应低于满量程的1/3。最大和最小工作压力不能同时满足上述要求时，选择仪表量程应首先要满足最大工作压力条件。2、精度精度主要根据生产允许的最大误差来确定。要求实际被测压力允许的最大绝对误差应大于仪表的满度相对误差。,38,5.5压力检测仪表的应用与校准,3、压力表类型被测压力的大小测量微压（几百至几千帕），宜采用液柱式压力表或膜盒式压力表；对于被测压力不大（15kPa以下），不要求迅速读数的，可选U形压力计或单管压力计；要求迅速读数的，可选膜盒压力表；压力在50kPa以上，一般选用弹簧管式压力表。,39,5.5压力检测仪表的应用与校准,3、压力表类型（被测压力的性质、使用环境、仪表信号输出）被测介质的性质对腐蚀性较强的介质，应使用像不锈钢之类的弹性元件或敏感元件；对氧气、乙炔等介质，应选用专用的压力仪表。使用环境对爆炸性较强的环境，在使用电气式压力仪表时，应选择防爆型压力仪表；对于温度特别高或特别低的环境，应选择温度系数小的敏感元件以及带有温度补偿的测量仪表。,40,5.5压力检测仪表的应用与校准,3、压力表类型对仪表输出信号的要求对于只需要观察压力变化的情况，选用液柱式、弹簧管式压力表以及其它可以直接指示型的仪表。如需将压力信号远传到控制室或传送给其它电动仪表，则选用具有电信号输出的各种压力测量仪表，如霍尔压力传感器。如果要检测快速变化的压力信号，可用电气式压力检测仪表，或一体化压力变送器。,41,5.5.2压力仪表的校准,校准：将被校准的压力表和标准压力表通以相同压力，比较它们的指示数值。如果被校准的压力表对于标准表的读数误差，不大于最大准许绝对误差，则认为合格。,常用的校准仪器：活塞式压力计。压力发生部分：手摇泵4，通过手轮7旋转丝杆8，推动工作活塞9挤压工作液5，经工作液传给测量活塞1。,42,5.5.2压力仪表的校准,测量部分：活塞1上端的托盘12上放有砝码2。活塞1插在活塞柱3内，下端承受手摇泵4向上挤压工作液5所产生的压力P的作用。当作用在活塞1下端的油压与活塞1、托盘12、砝码2的质量所产生的压力相平衡时，活塞就被托起并稳定在一定位置上。,13-标准压力表11-进油阀手轮10-油杯6-被校压力表,43,5.5.3压力表的安装简介,1、取压口的选择2、导压管的敷设3、压力计、压差计的安装,44,5.5.3压力表的安装简介,1、取压口的选择,取压口应能代表被测压力的真实情况。（1）取压点要选在被测介质流动的直线管道上。（2）测量流动介质的压力时，取压管与流动方向应该垂直。,（3）测量气体介质的管道上取压时，宜在水平及以上45间取压，使导压管内不积存液体。测量液体介质的管道上取压时，宜在水平及以下45间取压，使导压管内不积存气体。,45,5.5.3压力表的安装简介,2、导压管的敷设,（1）导压管的粗细长短合适。（2）保持1:101:20的坡度。（3）如果被测介质易冷凝或冻结，必需加装伴热管后再行保温。（4）测量液体压力时，在导压管系统的最高处应安装集气瓶(a);测量气体压力时，在导压管系统的最低处应安装水分离器(b);