武汉大学第三章压力测量

1、课件制作：洪冶 一压力概述一压力概述 压力是重要的工业参数之一, 正确测量和控制压力对保证生产工艺过程的安全性和经济性有重要意义。压力及差压的测量还广泛地应用在流量和液位的测量中。 工程技术上所称的“压力”实质上就是物理学里的“压强”, 定义为均匀而垂直作用于单位面积上的力。 其表达式为 P=F/A （ 11 - 21）式中 P-为压力; F-为作用力; A-为作用面积。 课件制作：洪冶 国际单位制（SI）中定义: 1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面上, 形成的压力为1“帕斯卡”, 简称“帕”, 符号为Pa。 过去采用的压力单位“工程大气压”（即kgf/cm2）、 “毫米汞柱”（即mmHg）、

2、 “毫米水柱”（即mmH2O）、物理大气压（即atm）等均应改为法定计量单位帕, 其换算关系如下: 1 kgf/cm2=0.9807105Pa 1mmH2O=0.980710Pa 1mmHg=1.332102Pa 1atm=1.01325105Pa 课件制作：洪冶 压力有几种不同表示方法 (1)绝对压力 指作用于物体表面积上的全部压力, 其零点以绝对真空为基准, 又称总压力或全压力, 一般用大写符号P表示 (2)大气压力指地球表面上的空气柱重量所产生的压力, 以P0表示。 (3)表压力 绝对压力与大气压力之差, 一般用p表示。 测压仪表一般指示的压力都是表压力, 表压力又称相对压力。 当绝对压

3、力小于大气压力, 则表压力为负压, 负压又可用真空度表示, 负压的绝对值称为真空度。如测炉膛和烟道气的压力均是负压。 (4) 真空压力：真空压力：当绝对压力小于大气压力时，大气压当绝对压力小于大气压力时，大气压力与绝对压力之差。力与绝对压力之差。PG P0Pa又称：真空度、负压力、疏空压力。又称：真空度、负压力、疏空压力。（1）帕斯卡）帕斯卡:国际单位，简称帕（国际单位，简称帕（Pa）1 Pa = 1 N/m2工程上经常使用兆帕（工程上经常使用兆帕（MPa）1 MPa = 1106 Pa压力的单位换算压力的单位换算（2）标准大气压力（）标准大气压力（atm）:温度为温度为0，重力加速度，重力加

4、速度为为9.80665m/s2、高度为、高度为0.76m、密度为、密度为13.5951103kg/m3的水银柱所产生的压力。的水银柱所产生的压力。1 atm =101 325 Pa课件制作：洪冶 (5)差压 任意两个压力之差称为差压。 如静压式液位计和差压式流量计就是利用测量差压的大小知道液位和流体流量的大小。 测量压力的传感器很多, 如应变式、电容式、差动变压器、霍尔、压电等传感器等都能用来测量压力。下面介绍几种工程上常用的测压传感器或测压仪表。 二液柱式压力计二液柱式压力计 液柱式压力计是以流体静力学原理来测量压力的。 它们一般采用水银或水为工作液, 用U型管或单管进行测量, 常用于低压、

5、 负压或压力差的测量。 课件制作：洪冶 图 11 - 24所示的U形管内装有一定数量的液体, U形管一侧通压力p1, 另一侧通压力p2。当p1= p2时, 左右两管的液体高度相等。 当p1（Ca+Cc+Ci）上一页下一页返 回课件制作：洪冶（一）压电元件的连接方式 在压电传感器中，为了提高灵敏度，压电材料一般不只用一片而是用两片或两片以上组合在一起，称为叠层式压电组合器件。图8-3 两压电片的连接方式课件制作：洪冶在8-3a图中，两压电片的负极都集中在中间电极上，正电极在两边的电极上，这种接法称为并联。其输出电容C为单片电容C的两倍，但输出电压U等于单片电压，即C=2C，U=U，q=2q图8-

6、3b的接法是正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消，这种接法称为串联。从图中可知，输出的总电荷q等于单片电荷q，输出电压U为单片电压口U的两倍，总电容C为单片电容C的一半，即：q=q，U=2U， C=C/2课件制作：洪冶（二）等效电路 可以把压电传感器看成一个静电发生器，也可以把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，其电容值为： 式中， S压电片面积； h压电片厚度； 压电材料相对介电常数； 真空介电常数( )； 压电元件的内部电容。hSCra/0r0mF1201085. 8aC课件制作：洪冶图8-4 压电传感器的等效电路课件

7、制作：洪冶压电传感器在测量时要与测量电路相连接，于是就得考虑于是就考虑电缆电容 、放大器的输入电阻 、输入电容 ，以及压电传感器的泄漏电阻 。考虑这些因素，等效电路就如图8-5所示，它们的作用是等效的。将图8-5简化后的电路电路如图8-6所示。cCiRiCaR图8-5 压电传感器完整的等效电路图8-6 完整电路的等效电路课件制作：洪冶 压电式传感器本身的内阻很高，而输出的能量又非常微弱，因此它的测量电路通常需要由一个高输入阻抗的前置放大器作为阻抗匹配，然后方可采用一般的放大、检波、指示等电路，或者经功率放大至记录器。 压电传感器的前置放大器有两个作用：一是把压电传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输

8、出：二是放大压电传感器输出的弱信号。因此设计前置放大器也有两种形式，一种是电压放大器，其输出电压与输入电压(传感器的输出电压)成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。课件制作：洪冶（一）电压放大器压电传感器与电压放大器的连接电路如图8-7所示。 图8-7 电压放大器课件制作：洪冶（二）电荷放大器 电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其等效电路如图8-8所示。 在使用压电传感器时需注意该传感器不能测量静态参数，而采用电压放大器，更换电缆时，须重新校正；采用电荷放大器，更换电缆时，无须重新校正。图8-8 电荷放大器课件制作：洪冶 图8-9所示为 压电式压力传感器 的结构，

9、压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。被测压力均匀作用在膜片上，使压电原价按受力而产生电荷。电荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电流输出，输出信号与被测压力值相对应。 合理的设计使压电式压力传感器体积小，结构简单，具有较强的抗干扰能力，测量范围宽等特点，所以是一种应用较为广泛的测力传感器。但它不能测量频率太低的被测量，特别是不能测量静态参数，因此目前多用来测量加速度和动态力或压力。课件制作：洪冶图8-9 压电式压力传感器结构mimacidFUCCC=+课件制作：洪冶第七节第七节 电感式压力（差压）变送器电感式压力（差压）

10、变送器（1 1）工作原理）工作原理线圈中的电感为：线圈中的电感为：N：线圈匝数；RM：磁路中的总磁阻，1/H 当空气隙当空气隙较小时，可以忽略磁路的铁损，总磁较小时，可以忽略磁路的铁损，总磁阻可以表为：阻可以表为： 自感式传感器自感式传感器 一般导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比要小一般导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比要小的多，所以上式中前项可以忽略不计，即的多，所以上式中前项可以忽略不计，即故：故： 由式上可知，当线圈匝数由式上可知，当线圈匝数N确定后，只要改确定后，只要改变变或或A均可引起电感均可引起电感L的变化，因此自感式传感的变化，因此自感式传感器可分为变气隙长度和变气隙面积两种。器可分为变

11、气隙长度和变气隙面积两种。 如图为电感如图为电感L与气隙长度与气隙长度的的关系曲线。下面分析变气隙式电关系曲线。下面分析变气隙式电感传感器的输出特性。感传感器的输出特性。 设衔铁处于起始位置时，设衔铁处于起始位置时，初始气隙长度为初始气隙长度为 0，对应，对应的初始电感为的初始电感为当衔铁上移当衔铁上移时：时：)(2020ANL电感的变化量为电感的变化量为0000200)(2LANLLL电感的相对变化量为电感的相对变化量为)11(0000LL上式可展开成级数形式时，当10 3020020000)()()(1 LL 同理，当衔铁下移时，传感器的气隙增大， 0+ ，电感的变化量为00-LL)11(

12、-000LL展开成级数形式 302000)(-)(-LL（1）（2） 式式(1)和式和式(2)均为非线性特性。然而，若忽略二次项以均为非线性特性。然而，若忽略二次项以上的高次项，则有上的高次项，则有00LL 可见高次项的存在是造成非线性的原因。若可见高次项的存在是造成非线性的原因。若 / 越小，越小，高次项将迅速减小。非线性可以得到改善，但这样又会使高次项将迅速减小。非线性可以得到改善，但这样又会使得传感器的测量范围减小。所以输出特性的线性度与测量得传感器的测量范围减小。所以输出特性的线性度与测量范围之间需要折中考虑，一般取范围之间需要折中考虑，一般取 / 0.10.2。 差动式自感传感器。差

13、动式自感传感器。 为了改善变气隙式传感器的非线性，为了改善变气隙式传感器的非线性，采用限制测量范围即减小衔铁移动范围采用限制测量范围即减小衔铁移动范围的方法，并构成差动结构。的方法，并构成差动结构。 起始位置时，衔铁处于中间位置，起始位置时，衔铁处于中间位置，上下两侧气隙相同，上下两侧气隙相同，021当衔铁上移当衔铁上移时：时： 3020001)()(LL同理衔铁下移同理衔铁下移时：时：差动式结构：差动式结构： 3020002)(-)(-LL)()( 2503000210 LLLLL 由于不存在偶数项，显然其非线性远小于单个电感传由于不存在偶数项，显然其非线性远小于单个电感传感器。它比单个传感

14、器的灵敏度提高了感器。它比单个传感器的灵敏度提高了1倍。倍。(2) K系列变送器结构及变换电路系列变送器结构及变换电路 变送器结构变送器结构引压接口引压接口外壳外壳测量膜片测量膜片隔离膜片隔离膜片固定电极及固定电极及电感线圈电感线圈可动衔铁可动衔铁灌充液灌充液(硅油、氟油硅油、氟油) 差动电感脉冲调宽电路差动电感脉冲调宽电路 L1和和L2为传感器中差动电感线圈，为传感器中差动电感线圈，A1和和A2为电压比较器，为电压比较器，UF是基准电压。是基准电压。若在某瞬时双稳触发器输出端若在某瞬时双稳触发器输出端A点由点由低电位阶跃为高电位时，低电位阶跃为高电位时，L1通过通过R1充充电，则电，则C点电

15、压为点电压为)e1 (u1/-t1CUU1双稳触发器输出高电平；双稳触发器输出高电平；1-1LlRl，为充电回路时间常数，为充电回路时间常数 当当uC =UF时，比较器时，比较器Al产生一脉冲使双稳触发器翻转，产生一脉冲使双稳触发器翻转，A点为低电位，点为低电位，B点为高电位。同时点为高电位。同时Ll通过通过R1放电，此时在放电，此时在D点点重复上述过程。重复上述过程。如此周而如此周而复复始，在双稳触发器的输出端各自始，在双稳触发器的输出端各自产生一个宽度受产生一个宽度受L1和和L2调制的方波脉冲。调制的方波脉冲。当当L1L 2时波形如图（时波形如图（a）当当L1L 2时波形如图（时波形如图（

16、b）U0是矩形波电压通过低通滤波是矩形波电压通过低通滤波器后得到的直流分量，器后得到的直流分量，当当L1L 2时时U0=0当当L1L 2时时U00212110UTTTTUUUBA其中其中FFUUURLTUUURLT-ln-ln1111111所以所以121210UULLLL如果如果U1保持不变，输出电压保持不变，输出电压U0随随Ll和和L2变化而成线性变化。变化而成线性变化。 当压力或差压达到测定上限时，相应地，当压力或差压达到测定上限时，相应地，L1增大到增大到L0+L，L2减小到减小到L0-L ，由于两个电感充电回路时间常数，由于两个电感充电回路时间常数的不同，使双稳触发器的上下脉冲宽度发生

17、变化的不同，使双稳触发器的上下脉冲宽度发生变化T1 T2，其输出端获得电平为其输出端获得电平为当当L1L 2= L 0时时U0=0 将将U0送到输出级电压送到输出级电压/电流转换电路，转换成电流信号电流转换电路，转换成电流信号I04mA。BAUU0U对应输出级电压电流转换电路，将其变换成电流信号对应输出级电压电流转换电路，将其变换成电流信号I020mA 当被测压力或差压在给定量程之间变化时，输出级电当被测压力或差压在给定量程之间变化时，输出级电流信号将在流信号将在420mA标准信号之间变化。标准信号之间变化。ABB 型号型号264ds 精度：0.075%； 范围：0.0516000kPa； 最

18、大工作压力：210bar； 通讯协议：HART 420mA现场总线；第八节第八节 振弦式压力（差压）变送器振弦式压力（差压）变送器振弦的固有频率振弦的固有频率f0l：振弦的有效长度，：振弦的有效长度，m；：振弦的线密度（单位长度的质量），kg。 对于对于为定值的振弦，其固有频率为定值的振弦，其固有频率f0由张力由张力T或有效长度或有效长度l决定。因此张力决定。因此张力T或长度或长度l可由可由f0来测定。利用振弦的固有频来测定。利用振弦的固有频率与其张力率与其张力T的函数关系，可以作成压力、力、力矩或加速的函数关系，可以作成压力、力、力矩或加速度传感器；利用振弦的固有频率与其长度度传感器；利用振

19、弦的固有频率与其长度l的函数关系，可的函数关系，可以作成温度、位移式传感器。以作成温度、位移式传感器。第九节第九节 压力表的选择、校验和安装压力表的选择、校验和安装9.1 压力表的选择压力表的选择种类、型号、量程和精度等级的选择种类、型号、量程和精度等级的选择 根据被测压力的大小，确定仪表量程根据被测压力的大小，确定仪表量程 对于弹性式压力表，为了保证弹性元件在弹性变形的安对于弹性式压力表，为了保证弹性元件在弹性变形的安全范围内可靠地工作，在选择压力表量程时，必须考虑到留全范围内可靠地工作，在选择压力表量程时，必须考虑到留有充分的余地，一般在被测压力较稳定的情况下，最大压力有充分的余地，一般在

20、被测压力较稳定的情况下，最大压力值应不超过满量程的值应不超过满量程的34，在被测压力波动较大的情况下，在被测压力波动较大的情况下，最大压力值不应超过满量程的最大压力值不应超过满量程的23。为了保证测量精度，被。为了保证测量精度，被测压力值应以不低于全量程的测压力值应以不低于全量程的13为宜。为宜。 根据生产允许的最大测量误差确定仪表的精度根据生产允许的最大测量误差确定仪表的精度 选择时在满足生产要求的情况下尽可能选用精度较低，选择时在满足生产要求的情况下尽可能选用精度较低，价廉耐用的压力仪表。价廉耐用的压力仪表。目前中国规定的精度等级如下。目前中国规定的精度等级如下。标准仪表：标准仪表：0.0

21、3，0.1，0.16，0.2，0.25，0.35工业仪表：工业仪表：0.5，1.0，1.5，2. 5，4.0等。等。选择时要考虑被测介质的特性。如温度高低、黏度大小、选择时要考虑被测介质的特性。如温度高低、黏度大小、腐蚀性、脏污程度、易燃易爆等。还要考虑现场环境条件，腐蚀性、脏污程度、易燃易爆等。还要考虑现场环境条件，如高温、腐蚀、潮湿、振动等。以此确定压力表的种类及如高温、腐蚀、潮湿、振动等。以此确定压力表的种类及型号。型号。9.2 压力表的校验压力表的校验 校验是指将被校压力表和标准压力表通以相同的压力，校验是指将被校压力表和标准压力表通以相同的压力，比较它们的指示数值。所选择的标准表其绝

22、对误差一般应小比较它们的指示数值。所选择的标准表其绝对误差一般应小于被校表绝对误差的于被校表绝对误差的l/3，所以它的误差可以忽略，认为标准，所以它的误差可以忽略，认为标准表的读数就是真实压力的数值。如果被校表对于标准表的读表的读数就是真实压力的数值。如果被校表对于标准表的读数误差，不大于被校仪表的规定误差，则认为被校仪表合格。数误差，不大于被校仪表的规定误差，则认为被校仪表合格。组成组成:压力发生部分压力发生部分测量部分测量部分工作原理工作原理:gmmApgmmpA)()(00 如果把被校压力表如果把被校压力表9上的指示值上的指示值p与这一准确的标准压力与这一准确的标准压力值值p相比较，便可

23、知道被校压力表的误差大小。也可以在相比较，便可知道被校压力表的误差大小。也可以在b阀阀上接上精度为上接上精度为0.35级以上的标准压力表，由压力发生器改变级以上的标准压力表，由压力发生器改变工作压力，比较被校表和标准表上的指示值进行校验，当然，工作压力，比较被校表和标准表上的指示值进行校验，当然，这时这时a阀要关掉。阀要关掉。 活塞式压力计主要适用于校验标准压力表或活塞式压力计主要适用于校验标准压力表或0.25级以上级以上的精密压力表，也可用于校验各种工业用压力表或各类压力的精密压力表，也可用于校验各种工业用压力表或各类压力测量仪器。测量仪器。 用标准表比较法校验压力表时，一般校验零点、满量程

24、用标准表比较法校验压力表时，一般校验零点、满量程和和25，50，75三点三点便携式手动压力泵便携式手动压力泵(油压油压)电动液压源电动液压源-西安特种仪表研究所西安特种仪表研究所便携式电动压力泵(油压油压)全自动便携式压力校验台(气压气压)9.3 压力表的安装压力表的安装（1）取压口的选择原则：）取压口的选择原则： 取压口要选在被测介质直线流动的管段部分，取压口要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管道弯曲、分叉及流束形成涡流的地方。不要选在管道弯曲、分叉及流束形成涡流的地方。 当管道中有突出物（如温度计套管）时，取当管道中有突出物（如温度计套管）时，取压口应在突出物的上游方向一侧。压口应

25、在突出物的上游方向一侧。 取压口处在管道阀门、挡板之前或之后时，取压口处在管道阀门、挡板之前或之后时，其与阀门、挡板的距离应大于其与阀门、挡板的距离应大于2D及及3D（D为管为管道内径）道内径） 流体为液体介质时，取压口应开在管道横截面的流体为液体介质时，取压口应开在管道横截面的下侧部分，以防止介质中气泡进入压力信号导管，下侧部分，以防止介质中气泡进入压力信号导管，引起测量延迟，但也不宜开口在最低部，以防沉渣引起测量延迟，但也不宜开口在最低部，以防沉渣堵塞取压口。堵塞取压口。 如果是气体介质，取压口应开在管道横截面上侧，如果是气体介质，取压口应开在管道横截面上侧，以免气体中析出液体进入压力信号导管，产生测量以免气体中析出液体进入压力信号导管，产生测量误差，但对水蒸气压力测量时，由于压力信号导管