第五部分壓力測量

1、第五章第五章 壓力測量壓力測量 垂直作用在單位面積上的力稱垂直作用在單位面積上的力稱壓力壓力。在國際單位制（在國際單位制（si）和我國法定計(jì)量單位）和我國法定計(jì)量單位中，壓力的單位是中，壓力的單位是“帕斯卡帕斯卡”，簡稱，簡稱“帕帕”，符號為，符號為“pa”。 即即1n的力垂直均勻作用在的力垂直均勻作用在1m2的面積上所的面積上所形成的壓力值為形成的壓力值為1pa。 2122 2kgm1pa1n/m11kgm sm s 過去采用的壓力單位過去采用的壓力單位“工程大氣壓力工程大氣壓力”（kgf/cm2）、）、“毫米汞柱毫米汞柱”（mmhg）、）、“毫米毫米水柱水柱”（mmh2o）、）、“物理大氣

2、壓物理大氣壓”（atm）、）、“巴巴”（bar）、）、“psi”等均應(yīng)改成法定計(jì)量等均應(yīng)改成法定計(jì)量單位帕。單位帕。1 kgf/cm2 = 0.9807105pa1mmh2o = 0.980710pa1 mmhg = 1.332102pa1atm = 1.01325105pa1bar=105pa 1psi=6.89103pa一、壓力表示方式一、壓力表示方式u絕對壓力絕對壓力pju大氣壓力大氣壓力pdu表壓力表壓力pb pb= pj pdu真空度真空度pz（負(fù)壓）（負(fù)壓） pz pd pj二、壓力檢測方法二、壓力檢測方法1.平衡法平衡法：通過儀表使液柱高度的重力或砝碼：通過儀表使液柱高度的重力或

3、砝碼的重量與被測壓力相平衡的原理測量壓力的重量與被測壓力相平衡的原理測量壓力2.彈性法彈性法：利用各種形式的彈性元件，在被測：利用各種形式的彈性元件，在被測介質(zhì)的表壓力或負(fù)壓力作用下產(chǎn)生的彈性介質(zhì)的表壓力或負(fù)壓力作用下產(chǎn)生的彈性變形來反映被測壓力的大小變形來反映被測壓力的大小3.電氣式電氣式：用壓力敏感元件直接將壓力轉(zhuǎn)換成：用壓力敏感元件直接將壓力轉(zhuǎn)換成電阻、電荷量等電量的變化電阻、電荷量等電量的變化三、壓力測量儀表的分類三、壓力測量儀表的分類u壓力傳感器從其原理及結(jié)構(gòu)來看可分為：壓力傳感器從其原理及結(jié)構(gòu)來看可分為：液柱式、機(jī)械式及電氣式液柱式、機(jī)械式及電氣式u測量壓力的儀表，按信號原理不同，

4、大測量壓力的儀表，按信號原理不同，大致可分為四類：致可分為四類：液柱式液柱式：根據(jù)流體靜力學(xué)原理，把被測壓：根據(jù)流體靜力學(xué)原理，把被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度力轉(zhuǎn)換成液柱高度機(jī)械式機(jī)械式：根據(jù)彈性元件受力變形的原理，：根據(jù)彈性元件受力變形的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成位移將被測壓力轉(zhuǎn)換成位移電氣式電氣式：將被測壓力轉(zhuǎn)換成各種電量，如：將被測壓力轉(zhuǎn)換成各種電量，如電感、電容、電阻、電位差等，依據(jù)電量電感、電容、電阻、電位差等，依據(jù)電量的大小實(shí)現(xiàn)壓力的間接測量的大小實(shí)現(xiàn)壓力的間接測量活塞式活塞式：根據(jù)水壓機(jī)液體傳送壓力的原理，：根據(jù)水壓機(jī)液體傳送壓力的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞面積上所加平衡砝將被測壓力轉(zhuǎn)換成

5、活塞面積上所加平衡砝碼的質(zhì)量碼的質(zhì)量第二節(jié)第二節(jié) 液柱式壓力計(jì)液柱式壓力計(jì) u利用液柱對液柱底面產(chǎn)生的靜壓力與被測壓利用液柱對液柱底面產(chǎn)生的靜壓力與被測壓力相平衡的力相平衡的原理原理，通過液柱高度來反映被測，通過液柱高度來反映被測壓力的大小壓力的大小u優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，有相當(dāng)高的準(zhǔn)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，有相當(dāng)高的準(zhǔn)確度，在本專業(yè)中應(yīng)用很廣泛確度，在本專業(yè)中應(yīng)用很廣泛u缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：量程受液柱高度的限制，體積大，玻量程受液柱高度的限制，體積大，玻璃管容易損壞及讀數(shù)不方便璃管容易損壞及讀數(shù)不方便u采用水銀或水為工作液，用采用水銀或水為工作液，用u形管或單管進(jìn)形管或單管進(jìn)行測量，常用于低壓

6、、負(fù)壓或壓力差的檢測行測量，常用于低壓、負(fù)壓或壓力差的檢測u被廣泛用于實(shí)驗(yàn)室壓力測量或現(xiàn)場鍋爐煙、被廣泛用于實(shí)驗(yàn)室壓力測量或現(xiàn)場鍋爐煙、風(fēng)道各段壓力、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)各段壓力的測風(fēng)道各段壓力、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)各段壓力的測量量一、一、u形管壓力計(jì)形管壓力計(jì)p=p1p2 =g(h1+h2)提高工作液密度將提高工作液密度將增加壓力的測量范增加壓力的測量范圍，但靈敏度要降圍，但靈敏度要降低。低。二、單管壓力計(jì)二、單管壓力計(jì) 由于由于u形管壓力形管壓力計(jì)需兩次讀取液面高計(jì)需兩次讀取液面高度，為使用方便，設(shè)度，為使用方便，設(shè)計(jì)出一次讀取液面高計(jì)出一次讀取液面高度的單管壓力計(jì)。度的單管壓力計(jì)。 因因 則則 故故 由

7、于由于 dd，所以，所以 p =gh2 122244hdhd2212dhhd21222dpg(hh )g(1)hd 問：問：u形管壓力計(jì)兩肘管的內(nèi)徑分別為形管壓力計(jì)兩肘管的內(nèi)徑分別為d1 = 6mm，d2 = 6.5mm，管內(nèi)封液為水，被測，管內(nèi)封液為水，被測壓力作用于較細(xì)肘管，使水柱從零位下降壓力作用于較細(xì)肘管，使水柱從零位下降195mm。如果以該值的。如果以該值的2倍作為被測壓力倍作為被測壓力值，試確定由于沒有讀取較粗肘管的水柱值，試確定由于沒有讀取較粗肘管的水柱從零位的升高值而造成的測量誤差。從零位的升高值而造成的測量誤差。 解：解：%100ppp%001pg 2h 012pg(hh )

8、 221122d hd h 212122dhhd%99. 7hhhh%2121三、斜管微壓計(jì)三、斜管微壓計(jì) 主要用于測量微小壓力、負(fù)壓和壓主要用于測量微小壓力、負(fù)壓和壓差，它將單管液柱壓力計(jì)的測量管傾斜差，它將單管液柱壓力計(jì)的測量管傾斜放置，這樣可以提高靈敏度，減少讀數(shù)放置，這樣可以提高靈敏度，減少讀數(shù)相對誤差。相對誤差。2111b1222apg (hh )g (shlsiin)lahlana 傾斜角度越小，傾斜角度越小，l越長，測量靈敏度就越高；越長，測量靈敏度就越高；但不可太小，否則液柱易沖散，讀數(shù)較困難，但不可太小，否則液柱易沖散，讀數(shù)較困難，誤差增大。誤差增大。這種這種傾斜管液柱式壓力

9、計(jì)傾斜管液柱式壓力計(jì)可以測量到可以測量到0.98pa的微壓。為了進(jìn)一步提高微壓計(jì)的精確度，的微壓。為了進(jìn)一步提高微壓計(jì)的精確度，應(yīng)選用密度小的酒精作為工作液體。應(yīng)選用密度小的酒精作為工作液體。 四、液柱式壓力計(jì)的測量誤差及其修正四、液柱式壓力計(jì)的測量誤差及其修正1. 環(huán)境溫度變化環(huán)境溫度變化2. 重力加速度變化重力加速度變化3. 毛細(xì)管現(xiàn)象毛細(xì)管現(xiàn)象t0t0hh1ttng1 0.00265cos 2g2h1bnnghhg第三節(jié)第三節(jié) 彈性式壓力計(jì)彈性式壓力計(jì) 用彈性傳感器（又稱彈性元件）組成的壓用彈性傳感器（又稱彈性元件）組成的壓力測量儀表稱為力測量儀表稱為彈性式壓力計(jì)彈性式壓力計(jì)。彈性元件受

10、壓。彈性元件受壓后產(chǎn)生的形變輸出（力或位移），可以通過傳后產(chǎn)生的形變輸出（力或位移），可以通過傳動機(jī)構(gòu)直接帶動指針指示壓力（或壓差），也動機(jī)構(gòu)直接帶動指針指示壓力（或壓差），也可以通過某種電氣元件組成變送器，實(shí)現(xiàn)壓力可以通過某種電氣元件組成變送器，實(shí)現(xiàn)壓力（或壓差）信號的遠(yuǎn)傳。（或壓差）信號的遠(yuǎn)傳。 彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓后會產(chǎn)生彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓后會產(chǎn)生變形，變形大小與被測壓力成正比關(guān)系。變形，變形大小與被測壓力成正比關(guān)系。cpacfxcxfpaf1. 膜片膜片u按剖面形狀分為平膜片和波紋膜片按剖面形狀分為平膜片和波紋膜片u常用材料常用材料u可與其他轉(zhuǎn)換元件合用可與其他轉(zhuǎn)換元件合用u

11、電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器u光纖式壓力傳感器光纖式壓力傳感器u力矩平衡式壓力變送器力矩平衡式壓力變送器2. 波紋管波紋管u優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：靈敏高，可測較低壓力：靈敏高，可測較低壓力u缺點(diǎn)缺點(diǎn)：遲滯誤差較大，精度一般只有：遲滯誤差較大，精度一般只有1.5級級3. 彈簧管彈簧管截面為非圓形（橢圓截面為非圓形（橢圓形或扁圓形），并彎形或扁圓形），并彎成圓弧狀的空心管子成圓弧狀的空心管子一端為封閉（自由一端為封閉（自由端），一端為開口端），一端為開口（固定端）（固定端）2222201rap(1)ebhbk（1）彈簧管壓力表）彈簧管壓力表u結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低廉，使用范圍價格低

12、廉，使用范圍廣，測量范圍寬廣，測量范圍寬u可測負(fù)壓、微壓、低可測負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓壓、中壓和高壓u精度有精度有0.5、1.0、1.5、2.5等等（2）電遠(yuǎn)傳式彈簧）電遠(yuǎn)傳式彈簧壓力儀表壓力儀表 u霍爾壓力傳感器霍爾壓力傳感器u電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器第四節(jié)第四節(jié) 電氣式檢測電氣式檢測u電氣式壓力檢測方法一般是用壓力敏電氣式壓力檢測方法一般是用壓力敏感元件直接將壓力轉(zhuǎn)換成電阻、電荷感元件直接將壓力轉(zhuǎn)換成電阻、電荷量等電量的變化。量等電量的變化。u能實(shí)現(xiàn)壓力電量轉(zhuǎn)換的壓敏元件主能實(shí)現(xiàn)壓力電量轉(zhuǎn)換的壓敏元件主要有壓電材料、應(yīng)變片和壓阻元件。要有壓電材料、應(yīng)變片和壓阻元件。1. 壓電

13、式壓力傳感器壓電式壓力傳感器u壓電效應(yīng)原理壓電效應(yīng)原理：壓電材料受壓時會在其表面：壓電材料受壓時會在其表面產(chǎn)生電荷，其電荷量與所受的壓力成正比。產(chǎn)生電荷，其電荷量與所受的壓力成正比。u壓電材料壓電材料：單晶體、多晶體：單晶體、多晶體u特點(diǎn)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，小巧輕便，工作可：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，小巧輕便，工作可靠，線性度好，頻率響應(yīng)高，量程范圍廣靠，線性度好，頻率響應(yīng)高，量程范圍廣2. 應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器u應(yīng)變片應(yīng)變片是基于應(yīng)變效應(yīng)工作的一種壓力敏感元是基于應(yīng)變效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件，當(dāng)應(yīng)變片受外力作用產(chǎn)生形變時，應(yīng)變片件，當(dāng)應(yīng)變片受外力作用產(chǎn)生形變時，應(yīng)變片的電阻值也將發(fā)生相

14、應(yīng)變化。的電阻值也將發(fā)生相應(yīng)變化。u應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器是由彈性元件、應(yīng)變片以及是由彈性元件、應(yīng)變片以及相應(yīng)的橋路組成的。相應(yīng)的橋路組成的。r0，r、t達(dá)達(dá)最大值最大值r=0.58r0，r=0r=r0，r達(dá)達(dá)負(fù)的最大值負(fù)的最大值r=r0，t=03. 壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器u壓阻元件壓阻元件是基于壓阻效應(yīng)工作的一種壓力敏感是基于壓阻效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件，它指在半導(dǎo)體材料的基片上用基成電路元件，它指在半導(dǎo)體材料的基片上用基成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻，當(dāng)它受外力作用時，其工藝制成的擴(kuò)散電阻，當(dāng)它受外力作用時，其阻值由于電阻率的變化而改變。阻值由于電阻率的變化而改變。u擴(kuò)散電

15、阻正常工作需依附彈性元件，常用的是擴(kuò)散電阻正常工作需依附彈性元件，常用的是單晶體硅膜片。單晶體硅膜片。u優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：體積小，結(jié)構(gòu)簡單，能直接反映：體積小，結(jié)構(gòu)簡單，能直接反映微小的壓力變化，動態(tài)響應(yīng)好微小的壓力變化，動態(tài)響應(yīng)好u缺點(diǎn)缺點(diǎn)：敏感元件易受溫度的影響，從而：敏感元件易受溫度的影響，從而影響壓阻系數(shù)的大小影響壓阻系數(shù)的大小第五節(jié)第五節(jié) 壓力檢測儀表的選擇與校驗(yàn)壓力檢測儀表的選擇與校驗(yàn)一、壓力檢測儀表的選擇一、壓力檢測儀表的選擇1. 儀表量程的選擇儀表量程的選擇u被測壓力較穩(wěn)定：最大工作壓力不應(yīng)超過儀被測壓力較穩(wěn)定：最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的表滿量程的3/4u被測壓力波動較大或測脈動

16、壓力：最大工作被測壓力波動較大或測脈動壓力：最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的2/3u為保證測量準(zhǔn)確度：最小工作壓力不應(yīng)低于為保證測量準(zhǔn)確度：最小工作壓力不應(yīng)低于滿量程的滿量程的1/3u優(yōu)先滿足最大工作壓力條件優(yōu)先滿足最大工作壓力條件2. 儀表精度的選擇儀表精度的選擇 壓力檢測儀表的精度主要根據(jù)生產(chǎn)允許的壓力檢測儀表的精度主要根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定，即要求實(shí)際被測壓力允許的最大誤差來確定，即要求實(shí)際被測壓力允許的最大絕對誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差。最大絕對誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差。3. 儀表類型的選擇儀表類型的選擇u從被測介質(zhì)壓力大小來考慮從被測介質(zhì)壓力大小來考慮u被

17、測介質(zhì)的性質(zhì)被測介質(zhì)的性質(zhì)u對儀表輸出信號的要求對儀表輸出信號的要求u使用的環(huán)境使用的環(huán)境二、壓力儀表的校驗(yàn)二、壓力儀表的校驗(yàn)u校驗(yàn)校驗(yàn)就是將被校驗(yàn)壓力表和標(biāo)準(zhǔn)壓力表通就是將被校驗(yàn)壓力表和標(biāo)準(zhǔn)壓力表通以相同壓力，比較它們的指示數(shù)值，如果以相同壓力，比較它們的指示數(shù)值，如果被校表對于標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)誤差，不大于被被校表對于標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)誤差，不大于被校表規(guī)定的最大準(zhǔn)許絕對誤差時，則認(rèn)為校表規(guī)定的最大準(zhǔn)許絕對誤差時，則認(rèn)為被校表合格。被校表合格。u常用的校驗(yàn)儀器常用的校驗(yàn)儀器是活塞式壓力計(jì)，它由壓是活塞式壓力計(jì)，它由壓力發(fā)生部分和測量部分組成，它的精度等力發(fā)生部分和測量部分組成，它的精度等級有級有0.02、0.05和和0.2