弹性式压力测量.doc

弹性式压力测量弹性式压力测量是利用弹性元件作为压力敏感元件把压力信号转换成弹性元件的位移或力的一种测量方法。该方法只能测量表压和负压，通过传动机构直接对被测的压力进行就地指示。为了将压力信号远传，弹性元件常和其他转换元件一起使用组成各种压力传感器。该测量方法具有结构简单、使用方便和价格低廉的特点，应用范围广，测量范围宽，因此在工业生产中使用十分普遍。但是基于弹性元件的各种压力测量共同特点是只能测量静态压力。1、弹性元件的测量原理弹性元件的测量原理是弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形的大小与被测压力成正比关系。弹性元件受压力作用后通过受压面表现为力的作用，假设被测压力为，力为，其大小为 其中，弹性元件承受压力的有效面积。根据虎克定律，弹性元件在弹性限度内形变与所受外力成正比关系，即 其中，弹性元件的刚度系数；弹性元件在受到外力作用下所产生的位移（即形变）。因此，当弹性元件所受压力为时，其位移量为 其中弹性元件的有效面积和刚度系数与弹性元件的性能、加工过程和热处理等有较大关系。当位移量较小时，它们均可近似看作常数，压力与位移成线性关系。比值的大小决定了弹性元件的压力测量范围，一般地，越小，可测压力就越大。2、弹性元件目前，用作压力测量的弹性元件主要有弹性膜片、波纹管和弹簧管。（1）弹性膜片弹性膜片是一种沿外缘固定的片状形测压弹性元件，厚度一般在0.050.3。按其剖面形状分为平薄膜和波纹膜，如图所示。波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄膜，有时也将两块弹性膜片沿周边对焊起来，形成一薄膜盒子，称之为膜盒，其内部抽成真空，并且密封起来。弹性膜片的特性一般用中心的位移和被测压力的关系来表征。当膜片的位移较小时，它们之间有良好的线性关系。此外，波纹膜的波纹数目、形状、尺寸和分布情况既与压力测量范围有关，也与线性度有关；当膜盒外压力发生变化时，膜盒中心将产生位移，这种真空膜盒常用来测量大气的绝对压力。弹性膜片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是，由于弹性膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度也不高。更多的是弹性膜片和其他转换元件合起来把压力转换成电信号，如电容式压力传感器、光纤式压力传感器、力矩平衡式传感器等。(2)波纹管波纹管是一种具有等间距同轴环状波纹，能沿轴向伸缩的测压弹性元件。当波纹管受轴向的被测压力时，产生的位移为： 其中，系数，与泊松系数、弹性模数、非波纹部分的壁厚、完全工作的波纹数、波纹平面部分的倾斜角、波纹管的内径以及波纹管的材料有关；波纹管承受压力的有效面积。波纹管受压力作用产生位移，由其顶端安装的传动机构直接带动指针读数。相对于弹性膜片而言，波纹管的位移较大，灵敏度高，尤其是在低压区，因此常用于测量较低的压力。但是波纹管存在较大的迟滞误差，指示精度一般只能达到级。(3)弹簧管弹簧管（又称波登管）是用一根横截面呈椭圆形或扁圆形的非圆形管子弯成圆弧形状而制成的，其中心角常为270。弹簧管的一端开口，作为固定端，固定在仪表的基座上。另一端封闭，作为自由端。当由固定端通入被测介质时，被测介质充满弹簧管的整个内腔，弹簧管因承受内压，其截面形状趋于变圆并伴有伸直的趋势，封闭的自由端产生位移，其中心角改变，该位移的大小与被测介质压力成比例。自由端的位移可以通过传动机构带动指针转动，直接指示被测压力，也可以配合适当的转换元件，比如霍尔元件和电感线圈中的衔铁把弹簧管自由端的位移变换成电信号（霍尔电势、线圈的电感量的变化）输出。单圈弹簧管受压力作用后，中心角变化量一般较小，灵敏度较低。在实际测量时，可采用多圈弹簧管以提高测量的灵敏度。3、弹性元件的应用下面将介绍几个以弹性膜片、波纹管和弹簧管为弹性元件的就地弹性式压力指示仪表。（1）膜盒压力表膜盒压力表的弹性元件为膜盒，适用于测量空气或其他无腐蚀性气体的微压或负压。被测介质一般由内径为8的橡皮软管插到压力表接头上引入。其结构见图所示。（2）双波纹管差压表双波纹管差压表是一种机械位移变换就地显示压差的仪表，主要作为流量和水位等测量的中间变换或显示仪表。通入仪表正、负压室的静压一般很高，但所测量的静压差不大。双波纹管差压表的结构和工作原理如图所示。当被测正、负压信号、分别引入测量室的高压侧和低压侧时，高压侧波纹管被压缩，其中的填充液（硅油）通过阻尼旁路10和环形间隙流向低压侧波纹管，使其自由端右移。整个连接轴系统就向低压侧方向移动，同时拉伸量程弹簧，直至差压（）在波纹管底面上形成的作用力与量程弹簧7及波纹管的变形力相平衡为止。连接轴系统移动时，通过轴上的挡板3拨动摆杆4，使摆杆摆动，扭力管5扭转，芯轴6把扭转信号传给显示部件显示差压信号。仪表量程是通过改变波纹管的刚度和有效面积以及量程弹簧的刚度和数量来实现，就能改变仪表量程。另外，调节微调量程螺母亦能细调量程。阻尼调整阀9可以调节填充液受压流动时的流动阻力，以改善仪表阻尼特性，使仪表对短促的差压脉动不发生反应。波纹管用于收容由于温度变化造成填充液体积变化而多出的填充液，起温度补偿作用。（3）单圈弹簧管压力表单圈弹簧管压力表的弹性元件是弹簧管，广泛用于测量对铜合金不起腐蚀作用的液体、气体和蒸汽的压力，其结构见右图所示。被测压力由接头9输入，弹簧管1因承受压力而使自由端产生一定的直线位移，通过拉杆2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，在表盘面6的刻度标尺上显示出被测压力的数值。其中游丝7是用来克服因扇形齿轮和中心齿轮之间存在的间隙所产生的仪表变差。压力表的量程调节是通过调节调整螺钉8的位置，也就是改变机械传动的放大系数来实现的。（4）压力开关压力开关是一种简单的压力控制装置。当被测压力