力学计量-8压力与真空计量技术.ppt

2 3 在工农业生产 国防建设 科学研究 医疗卫生 安全防护以及人民日常生活的各个领域中 凡是利用液体 气体 蒸汽等介质作为动力 加热 密封试验等 都反应有 压力 这个物理量 压力如同其它的状态参数一样 是工业生产过程及自动化过程中极为重要的控制参数 因此 需要使用各种能显示压力的仪器仪表来计量压力的大小和变化 4 8 1压力的计量的概念 一 压力的概念压力又称压强 但在工程上都习惯称之为压力 1653年 法国科学家帕斯卡首先发现液体压力规律 从而有了著名的帕斯卡定律 当外力作用在密闭容器的流体上所产生的压力 垂直作用在密闭容器的内表面 并且传到流体的任何方向 其强度不变 因此压力的定义 指流体垂直且均匀的作用在物体单位面积上的力 P F A式中 P 压力量值 Pa F 作用力 N A 单位面积 5 二 压力的分类 1 大气压力 大气自重所产生的对地球表面的单位面积上的力 也称气压 以P0表示 大气压力量值随海拔高度 地理纬度和气象情况不同而改变 2 绝对压力 是以零作为参考点的压力的差压 又称全压力或总压力 以Pb表示 3 表压力 余压 即压力仪器仪表指示的压力 是以环境大气压为零参考点的压力 以P表示 习惯上指高于大气压的压力 6 4 疏空 即负表压 也称疏空压力或真空压力 以Pv表示 习惯上指低于大气压的压力 5 真空度 低于大气压的绝对压力 6 差压 两个相关压力之差 7 静态压力 压力稳定不变或有变化但可以不考虑随时间变化的压力 8 动态压力 随时间变化的压力 7 三 压力计量单位 1法定压力单位为帕 斯卡 1969年国际计量委员会通过一项决议 以1牛顿每平方米作为压力单位 1971年第14届国际计量大会批准采用 并以法国科学家的名字命名为帕 斯卡 符号Pa 是具有专门名称的导出单位 帕 斯卡 是我国法定压力计量单位 也是国际单位制 SI 压力单位 其物理意义是 1牛顿的力垂直作用在1平方米的面积上的分布力 所以1Pa 1N 1 或1Pa 1kg ms2 8 根据国务院规定 从1991年 月 日起全国一律执行法定计量单位 非国家法定计量单位应当废除 但考虑到医生的使用习惯 国家有关部门决定生产双刻度 a和mmHg 标尺的新型血压计 即在1991年后 mmHg仍然允许存在 另外我国实行开放 搞活的经济政策 在国际贸易中要扩大贸易范围 而世界各国推行国际单位制的进度快慢不一 进出口贸易中可能存在旧制单位 以上是可能存在的问题 不是主流 不影响法定计量单位的贯彻执行和废除非法定计量单位 但随着中国加入世贸组织后 这种现象将逐步消失 2非法定压力单位 9 几种主要的压力单位 公斤力 厘米 kgf cm2 它的定义是 公斤力垂直作用在 平方厘米的单位面积上所产生的压力 公斤力 厘米 与工程大气压 符号at 是相等的两个压力单位 毫米水柱 mmH2O 它的定义是当纯水温度值为4 密度值为1g cm3 重力加速度为980 665cm s2的条件下 水柱高度 mm 所表示的压力量值 10 毫米汞柱 mmHg 它的定义是汞在0 时密度为13 5951g cm3 重力加速度为980 665cm s2的条件下 汞柱高度 mm 所表示的压力 标准大气压 符号atm 又称物理大气压 1954年第十届国际计量大会定义为1atm 1013250达因 厘米2 1atm 101325Pa 托 符号Torr 是以一物理大气压的1 760所表示的压力 1Torr 101325 760 133 3224Pa 巴 bar 是以百万微巴表示的压力量值 即1bar 1 106byn cm2 1 106Pa 在气象工作中常用毫巴 mbar 为压力单位 11 8 2压力计量仪器 由于工农业生产 国防 科研和计量部门使用的压力计量仪器仪表品种繁多 测量范围广泛 又由于仪表使用环境条件及要求的多样性 所以压力计量仪器仪表分类的方法也多种多样 一般情况下 可以根据仪表的工作原理 准确度等级 测量范围和显示方法来分类 压力计量仪器仪表的分类 12 按工作原理 液柱式 弹性式 活塞式及电测式等按被测压力种类 余压计 绝对压力计 气压计和差压计等 按被测压力范围 微压 5kPa以下 低压 5 4 105kPa 中压 0 4 10MPa 高压 10 600MPa 和超高压 600MPa以上 13 一 液体式压力计 液体式压力计又称液柱式压力计 它是基于流体静力学原理 利用液柱自重产生的压力去平衡未知压力的方法来测量压力的仪表 常用的液体压力计有 U形压力计 双管 单管 杯形 压力计倾斜式微压计补偿式微压计水银气压计钟罩式压力计 14 1U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 15 2 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 当精密测量时 h1不可忽略 为了方便读数 也可使用特制的专用标尺 16 3倾斜式微压计 P1 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 放大比 17 18 倾斜式微压计管子的倾斜角通常不小于15度 是为了避免管内由于自由表面拉得长而冲散 反而导致读数不准确 工作介质常采用酒精 19 4补偿式微压计 补偿式微压计可用于处理微压 差压和疏空压力的精密仪器 工作原理 1一容器连接胶管 2一大容器 疏空 接嘴 3一旋转标尺 4一垂直标尺 5一小容器 加压 接嘴 6一三通导压管 7一连接基准 或标准 器的管口 8一调压器 9一读数尖头 20 二弹性式压力计 1概述原理 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 可远传常用弹性压力表 弹簧管式波纹管式膜片 盒 式 21 22 2弹簧管压力表 弹簧管压力表又称波登管压力表 由弹簧管 传动机构 指示机构及表壳组成 23 假设被测压力大于外界大气压力 产生短轴变长 长轴变短的弹性形变 使管子在弯曲方向上的刚度增大 自由端向管子伸直的方向运动 管子的位移变动通过传动机构转变成中心齿轮轴的转动 从而带动指针转动 产生读数 弹簧管是怎样产生形变的呢 R1 R2 24 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 弹簧管压力表的使用范围非常广 一般的压力表 氧气压力表都属于此类 25 3波纹管压力计 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 26 4膜片式压力计 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 27 三活塞式压力计 活塞式压力计具有量程宽 准确度高 使用方便等特点 在科研单位及计量部门有广泛的应用 为使活塞恢复到平衡位置 需要加上质量为m的砝码 活塞式压力计的测量准确度主要由活塞有效面积的测量不确定度决定 28 根据测量范围不同 活塞式压力计有多种结构形式 带简单活塞的压力计 测量中高压 带压力倍增器的活塞式压力计 测量超高压 可控间隙型活塞式压力计 新型测量超高压 单或是压力真空计 测量压力和疏空带平衡液柱活塞式压力计 测量范围宽 可以从零开始出来压力 双活塞式压力真空计 可以从零开始测量 浮球式压力计 灵敏度高 常用作标准压力计 29 四电测式压力计 压力传感器 液体式 弹性式及活塞式压力计属于静态压力测试仪器 电测式压力计可以适用于动态测量电测式压力计通常由压力变换器 测量电路和显示 记录或打印三部分构成 根据传感器的原理不同可以分为 电阻应变式 电感式 电容式 压电式 振弦式等多种 30 原理 电阻的尺寸例如电阻的长度 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 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 1 电阻应变式压力传感器 31 32 电阻分布及测量桥路 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 优点 温度补偿 使输出信号加倍 33 电感式压力传感器 磁阻式压力传感器 的工作基础 电磁感应在压力作用下使衔铁位移 使线圈的电感发生变化而工作 1 工作原理根据结构形式的不同 可以分为变间隙式和螺管式两种 2电感式压力传感器 34 变间隙式 变间隙式传感器由线圈 铁芯和衔铁三部分组成 铁芯和衔铁由导磁材料制成 35 螺管式电感压力传感器 在变间隙式传感器的线圈中心插入铁芯 就成了螺管式电感压力传感器 36 差动电感传感器 a变间隙式差动变压器 37 b螺线管式差动变压器 38 a带相敏整流的交流电桥当衔铁上移 D点电位高于C点电位当衔铁下移 C点电位高于D点电位 2 电感式传感器的测量电桥 39 b紧耦合电感比例臂电桥 当传感器工作 1 3两点的输出电压 40 3电容式压力传感器 电容式传感器是把被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器 电容式压力传感器一般由弹性体和可变电容组成 工作原理与电容式力值传感器相似 电容式传感器不但广泛用于位移 振动 角度 加速度等机械量的精密测量 而且还逐步地扩大到用于压力 差压 液位 物位或成份含量等方面的测量 41 电容传感器的基本理想公式 电容极板间介质的介电常数 A 两平行板所覆盖的面积 d 两平行板之间的距离 平板 2 圆筒 l 圆筒长度 r R 内 外圆筒半径 定片 定片 动片 动片 1 工作原理 42 改变A d 三个参量中的任意一个量 均可使平板电容的电容量C改变 固定三个参量中的两个 可以做成三种类型的电容传感器变间隙型变面积型变介电常数型 43 2 差动式电容压力传感器 在实际应用中 为了提高灵敏度 减小非线性误差 大都采用差动式结构 44 3 测量电路 用于电容式传感器的测量电路很多 常见的电路有 普通交流电桥 脉冲调制电路 调频电路 紧耦合电感臂电桥 变压器电桥 双T电桥电路 运算放大器测量电路 电容C C0和阻抗Z Z 组成的普通交流电桥测量电路 C 电容传感器的电容Z 等效配接阻抗C0 Z 固定电容 固定阻抗 45 4振弦式压力传感器 46 5数字式压力计 47 8 3压力计量器具的检定 一检定系统1压力计量基准器具中高压检定系统中的计量基准器具包括国家压力基准和压力工作基准国家压力基准 用于复现和保存压力 由五台不同量程的基准活塞压力计组成 压力工作基准 四台不同量程的活塞压力计 其中低量程的一台是带有平衡装置的活塞压力计 微压检定系统中的计量基准器具仅有国家压力基准 它是一种补偿式液体压力计 48 中高压检定系统中的计量标准器具包括一等 二等和三等标准压力计 其中有活塞式 双活塞式 浮球式 液体式 弹性式及电测式等微压检定系统中的计量标准器具也包括一等 二等和三等标准压力计 其中有补偿式 钟罩式 数字式 弹性式及电子式等 2压力计量标准器具 49 中高压检定系统中的计量工作器具包括弹性式压力计 液体式压力计和压力传感器微压检定系统中的计量工作器具是指倾斜式微压计 弹性式微压计 数字式微压计 微压传感器和差压计等 3压力工作计量器具 50 1压力国家基准的检定部件检定法检定国家压力基准流体静力平衡法检定国家工作基准活塞压力计 二检定 51 2标准压力计和工作压力计的检定 1 液体式压力计的检定密封性的检定 零位误差检查 压力示值检定 2 弹性式压力计的检定零点检查 压力示值检定 52 3 活塞压力计的检定压力校验器密封性检查 称重盘屏幕对活塞中心垂直型的检查 活塞转动延续时间的测定活塞下降速度的测定活塞有效面积的测定灵敏限的测定专用砝码 活塞及其连接零件质量的检定 53 8 4动态压力标准装置及其压力传感器的检定 静态压力 压力随时间不变化或者缓慢变化动态压力 压力随时间变化用于动态测试的压力传感器是在动态压力标准装置上进行动态检定的 根据产生的压力波形的不同 动态压力装置主要有正弦压力发生器和瞬态压力发生器两种 54 一 正弦压力发生器 按工作原理分为 谐振腔式 非谐振腔式 喇叭式正弦式压力发生器适合于中低频 小压力的压力传感器检定 1谐振腔式压力发生器 55 2非谐振腔式压力发生器3喇叭式压力发生器 56 二 瞬态压力发生器 瞬态压力发生器根据产生压力波形的不同 有产生阶跃压力波的激波管 快开阀式压力发生器 以及产生钟形脉冲压力波的落锤式压力发生器 瞬态压力发生器的应用比正弦压力发生器广泛 其中激波管宜用于高频传感器的检定 快速阀门压力发生器宜用于较低频高压传感器的动态检定 57 1快开阀式压力发生器小容器通过快开阀们与大容器相接 大容器内部压力与小容器压力的高低决定了阀门打开后小容器压力的阶跃方向 2落锤式压力发生器 58 三压力传感器的动态检定 动态检定的目的 产生满意的周期或阶跃压力 并能可靠地确定其真实压力 时间关系 动态技术指标分为时域和频域两种 时域指标包括 上升时间tr 阻尼比 自振频率 过冲量x及灵敏度s等 频域指标有幅频特性A w 相频特性f w 和共振频率w0检定频域指标 可以在正弦压力发生器上用正弦压力激励 所得频域特性经傅里叶变换可得时域特性 59 8 5真空计量的概念 一真空的概念真空是指一个系统的压力低于标准压力的气态空间 它可用 真空度 进行定量表示 二真空区域的划分 低真空 105 102Pa中真空 102 10 1Pa高真空 10 1 10 5Pa超真空 10 5 10 10Pa极高真空 10 10Pa 60 三真空度的计量单位 法定计量单位 帕 Pa非法定计量单位 托 Torr在真空计量中 通常用负指数表示小于0 1Pa的情况 0 1Pa 10 1Pa0 002Pa 2 10 2Pa0 00003Pa 3 10 5Pa 61 四理想气体的状态方程 理想气体 气体分子是弹性质点 发生碰撞时不损失能量 分之间不存在应力和斥力 其重力可忽略 气体分之间的体积比分子活动的空间小得多 因此 分子大小可以忽略对于容器内的理想气体 在平衡态下 其压强 体积和温度满足以下关系 理想气体状态方程或者克拉伯龙方程 62 由理想气体状态方程可导出不同条件下的三个气体定律玻义耳 马略特定律 盖 吕萨克定律查理定律 63 理想气体混合物中某一组分B的分压pB等于该组分单独存在于混合气体的T V时产生的压力 而理想气体混合物的总压等于各组分单独存在于混合气体的T V时产生的压力总和 道尔顿分压定律P P1 P2 P3 Pn 64 8 6真空的获得与检漏 一真空的获得为了获得真空 必须利用设备将容器中的气体分子抽掉 通常把用来获得真空状态的设备总称为真空泵 为得到不同范围的真空度 用多种不同形式的真空泵 65 1机械泵可以作为获得低真空的独立设备 也可以作为高真空泵的前级泵 工作过程 气体从入口进入转子和定子之间偏轴转子压缩空气并输送到出口气体在出口累积到一定压强 喷出到大气工作范围及特点 大气压 10 3torr耐用 便宜油润滑 污染机械振动 66 2扩散泵 工作原理扩散泵油被外电炉加热产生油蒸气油蒸气沿蒸气导管上升到管顶油蒸气经伞形喷嘴向下喷出产生射流气体分子与射流中油分子碰撞发生动量交换气体分子与射流一起向下运动油蒸气与水冷的泵壁相遇而冷却回流气体分子则被带到排气口附近被抽走油扩散泵一般能抽到10 1 10 5Pa 优点耐用成本低 抽速快无震动和声音缺点油污染 67 原理 气体分子被高速转动的涡轮片撞击 向出口运动 多级速度 30 000 60 000rpm 转子的切向速度与分子运动速率相当 Atmosphereto10 10Torr是最常见的HV UHV泵 3分子泵 68 优点基本没有油的污染启动和关闭很快 缺点噪声大 有振动 电磁污染 比较昂贵 69 4钛泵 原理 加热Ti丝使其蒸发到冷壁 Ti原子与气体反应 优点及缺点 工作范围10 8 10 11Torr便宜 可靠 无噪音 无振动 无断电问题需要再生 很难排除惰性气体和甲烷 钛泵需要1 10 2的预备真空才能启用 常与扩散泵 分子泵联合使用 70 4钛泵 钛泵利用活性金属钛对气体有强烈的吸附作用的原理制成的 为了使得钛表面能持续吸附气体分子 必须不断更新其吸气表面 钛泵就是靠连续或断续地蒸发钛来达到不断更新金属表面的目的 钛泵需要1 10 2的预备真空才能启用 常与扩散泵 分子泵联合使用 71 二真空检漏 a容器内压强不变 系统既不放气 也不漏气 b压强开始上升较快 后逐渐减慢后趋于平衡 系统无漏气而存在放气c压强随时间直线上升 系统存在漏气d压强上升较快 然后逐渐减慢 最后变成直线上升 系统同时存在漏气和放气 漏空通常很小 为了判断漏空位置 通常的检测方法有 高频火花检漏仪法 真空计法 氦质谱探漏仪法 72 1 高频火花检漏法 高频火花检漏器是高频高压对地放电器件 可以用于真空检漏 1 工作原理与结构图示一种电容 电感串联谐振式高频火花检漏器的原理图 接通K 当接触器CD闭合时 电流流经L1 CD 电流很大 L1产生足够大的电磁力吸引CD断开 于是形成L1 C L2的回路 由于阻抗增加 电流减小导致电磁力下降 从而使CD重新闭合 如此反复 在L2上施加高频脉冲电压 因此高压线圈L3便感应出高频高压脉冲电压 而L3的一端对地放电产生高频火花击穿现象 这就是高频火花检漏器的工作原理 73 将高频火花检漏器的放电簧F沿着已抽空的玻璃系统外表面慢慢移动 没有漏孔时放电火花束呈杂乱分散状态 当遇到漏孔时火花束集中成一条细束 且指向系统上亮点 漏孔内空气电离率远远大于玻璃的结果 该亮点就是漏孔的位置 3 金属真空系统的检漏各种气体和蒸汽的辉光放电颜色如表 选用表中示漏物质施加在金属真空系统的可疑处 用高频火花检漏器激发系统上玻璃质规管或盲管内的气体 使之放电 观察放电颜色的变化便可实现检漏 这种方法的工作压力为5 10 1 102Pa 检漏灵敏度为10 3Pam3 s 2 玻璃真空系统的检漏 74 表3各种气体和蒸汽的辉光放电颜色 75 2 真空计检漏法 真空计检漏法利用示漏气体或蒸气喷射涂覆可疑之处 遇到漏孔 示漏气体就会通过漏孔进入到真空设备内 使真空计的指示产生突然的变化 这就指示了漏孔的位置 热传导真空计 10 10 1Pa电离真空计 5 10 2Pa示漏气体 H2 CO2 丁烷 丙酮 乙醚 酒精 76 3氦质谱仪检漏法 氦质谱检漏仪是用氦气为示漏气体的专门用于检漏的仪器 它具有性能稳定 灵敏度高的特点 是真空检漏技术中灵敏度最高 用得最普遍的检漏仪器 氦质谱检漏仪通过测量探漏仪中氦气分子的压强变化情况 来实现检漏目的 目前使用最多的检漏方法为喷吹法 77 优点 灵敏度高 缺点 仪器复杂 78 8 7真空计量仪器 真空计 按测量方式 绝对真空计相对真空计按测量范围 低真空计中真空计高真空计超高真空计极高真空计 79 一低真空计 低真空度测量常用弹簧管式真空表和U型管真空计1弹簧管式真空表原理结构与压力表相同 刻度标识不同 结构简单 测量准确度高 用于1atm 103Pa的低真空 80 2U型管真空计 U型管真空计与压力计结构相同 比较简单 通常是用玻璃管制成 其工作液体有多种 通常为水银和油 管的一端与待测压力的真空容器相连 另一端是封死的或开口与大气相通 以U型管两端的液面差来指示真空度 它是一种绝对真空计 水银U型管真空计的测量范围为10 5 5 102Pa 油型管真空计的测量下限可达40Pa 81 开式U型管真空计 将U型管内充入适量的工作液 如水银 一端开口接大气 即环境大气压p0 另一端与被测真空系统相连接 待测压力p 1 开式U型管真空计 82 把管内预先抽至压力为10 1Pa以下 关闭阀门 然后将工作液 如水银 注入管内 其开口端与待测真空系统相连接 两端液面处于液面静压力平衡时 则待测压力值可用下式求得 忽略封闭端内压力对液面的影响 2 闭式U型管真空计 83 二中真空计 中真空度测量常用热导式真空计和电容式薄膜真空计1热导式真空计原理 根据气体分子的热传导与压强有关 热量损失与气体压强的关系 84 根据上述原理 只要测得热丝的热量损失 便可知管内气体的真空度 热丝的热量损失与温度有关 因此 热导式真空计关键是测量热丝的温度 根据测温方法的不同 分为膨胀式真空计 电阻真空计和热偶真空计 其中热偶式真空计使用最多 膨胀式真空计因测量误差大和使用不变很少使用 85 1 电阻真空计 原理 利用热丝电阻随温度变化的性质 也称皮喇式真空计 主要由电阻规管和测量电路组成 测量电路可采用定压式 定流式或定温式等几种 定压式和定流式虽然结构简单 但测量范围窄 故常采用定温式 定温式电路维持热丝的加热温度不变 通过测量热丝的输出电压来确定温度 86 定温式测量电路原理图 87 2 热偶真空计 原理 利用热电偶来测定真空度 应用非常广泛 测量范围一般为102 10 1Pa 88 2 电容薄膜真空计 原理 利用弹性薄膜在压力差作用下产生形变 从而引起电容变化的原理制成的 优点 测量结果为全压强 反应时间快 线性好 便于远距离测量 耐大气冲击 耐腐蚀耐烘烤等 缺点 受环境温度影响严重 零点漂移测量范围 105 10 1Pa 89 三高真空计 测量高真空度的主要仪表是电离式真空计 利用气体分子的电离原理制成 根据气体电离源的不同 可以分为热阴极电力真空计 简称热规 冷阴极电离真空计 冷规 和放射线电离真空计 I 收集级形成的离子流 Ie 加速级吸收电子形成的电子流也称发射电流 S 规管常数 其值与规管各电极的相对位置和电位 以及被测气体的种类等因素相关 1热阴极电离真空计 热规特征方程 热规的测量范围一般为10 1 10 5Pa 高压强式102 10 4Pa 90 1收集级2阴极3加速级 热阴极电离真空计电路结构 91 2冷阴极电离真空计 原理与热阴极典礼真空计相同 不同点是没有阴极加热 但电场外增加了磁场 需要注意的是冷规放电电路与气压之间并非简单的线性关系 因此必须要校准定度 冷阴极电离真空计的测量范围一般为1 10 5Pa 92 四超高真空计 超高真空计的测量 一般采用B A超高电离真空计 当规管内压强很低时 收集级接收到的离子流很小 而光电流却显得大 离子流不再随气压压强的降低而减弱 在超过10 5Pa时 普通的电离规管无法测量真空度 B A超高电离真空计