彈性式壓力測量

1、彈性式壓力測量彈性式壓力測量是利用彈性元件作為壓力敏感元件把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成彈性元件的位移或力的一種測量方法。 該方法只能測量表壓和負(fù)壓，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直接對(duì)被測的壓力進(jìn)行就地指示。 為了將壓力信號(hào)遠(yuǎn)傳，彈性元件常和其他轉(zhuǎn)換元件一起使用組成各種壓力傳感器。該測量方法具有結(jié)構(gòu)簡單、 使用方便和價(jià)格低廉的特點(diǎn)， 應(yīng)用范圍廣，測量范圍寬，因此在工業(yè)生產(chǎn)中使用十分普遍。但是基于彈性元件的各種壓力測量共同特點(diǎn)是只能測量靜態(tài)壓力。1、彈性元件的測量原理彈性元件的測量原理是彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓后會(huì)產(chǎn)生變形，變形的大小與被測壓力成正比關(guān)系。彈性元件受壓力作用后通過受壓面表現(xiàn)為力的作用，假設(shè)被測壓力為 px ，

2、力為 F ，其大小為F Apx其中， A 彈性元件承受壓力的有效面積。根據(jù)虎克定律，彈性元件在彈性限度內(nèi)形變x 與所受外力 F 成正比關(guān)系，即FKx其中， K 彈性元件的剛度系數(shù)；x 彈性元件在受到外力F 作用下所產(chǎn)生的位移（即形變）。因此，當(dāng)彈性元件所受壓力為px 時(shí)，其位移量為xFA pxKK其中彈性元件的有效面積A 和剛度系數(shù) K 與彈性元件的性能、加工過程和熱處理等有較大關(guān)系。當(dāng)位移量較小時(shí)， 它們均可近似看作常數(shù)，壓力與位移成線性關(guān)系。 比值 A 的大小決定了彈性元件的壓力K測量范圍，一般地，A 越小，可測壓力就越大。K2、彈性元件目前，用作壓力測量的彈性元件主要有彈性膜片、波紋管和

3、彈簧管。（ 1）彈性膜片彈性膜片是一種沿外緣固定的片狀形測壓彈性元件， 厚度一般在 0.05 0.3 。按其剖面形狀分為平薄膜和波紋膜，如圖所示。波紋膜片是一種壓有環(huán)狀同心波紋的圓形薄膜， 有時(shí)也將兩塊彈性膜片沿周邊對(duì)焊起來，形成一薄膜盒子，稱之為膜盒，其內(nèi)部抽成真空，并且密封起來。彈性膜片的特性一般用中心的位移和被測壓力的關(guān)系來表征。當(dāng)膜片的位移較小時(shí)，它們之間有良好的線性關(guān)系。此外，波紋膜的波紋數(shù)目、形狀、 尺寸和分布情況既與壓力測量范圍有關(guān)，也與線性度有關(guān)；當(dāng)膜盒外壓力發(fā)生變化時(shí)，膜盒中心將產(chǎn)生位移，這種真空膜盒常用來測量大氣的絕對(duì)壓力。彈性膜片受壓力作用產(chǎn)生位移， 可直接帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)指

4、示。 但是，由于彈性膜片的位移較小，靈敏度低，指示精度也不高。更多的是彈性膜片和其他轉(zhuǎn)換元件合起來把壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，如電容式壓力傳感器、光纖式壓力傳感器、力矩平衡式傳感器等。(2)波紋管波紋管是一種具有等間距同軸環(huán)狀波紋，能沿軸向伸縮的測壓彈性元件。當(dāng)波紋管受軸向的被測壓力px 時(shí)，產(chǎn)生的位移為：xKAp x其中， K 系數(shù)，與泊松系數(shù)、彈性模數(shù)、非波紋部分的壁厚、完全工作的波紋數(shù)、 波紋平面部分的傾斜角、 波紋管的內(nèi)徑以及波紋管的材料有關(guān)； A 波紋管承受壓力的有效面積。波紋管受壓力作用產(chǎn)生位移， 由其頂端安裝的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直接帶動(dòng)指針讀數(shù)。相對(duì)于彈性膜片而言，波紋管的位移較大，靈敏度高，尤其

5、是在低壓區(qū)， 因此常用于測量較低的壓力。 但是波紋管存在較大的遲滯誤差，指示精度一般只能達(dá)到 1.5 級(jí)。(3)彈簧管彈簧管（又稱波登管） 是用一根橫截面呈橢圓形或扁圓形的非圓形管子彎成圓弧形狀而制成的，其中心角常為 270°。彈簧管的一端開口，作為固定端，固定在儀表的基座上。 另一端封閉，作為自由端。當(dāng)由固定端通入被測介質(zhì)時(shí)， 被測介質(zhì)充滿彈簧管的整個(gè)內(nèi)腔， 彈簧管因承受內(nèi)壓， 其截面形狀趨于變圓并伴有伸直的趨勢， 封閉的自由端產(chǎn)生位移，其中心角改變，該位移的大小與被測介質(zhì)壓力成比例。自由端的位移可以通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)， 直接指示被測壓力，也可以配合適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換元件， 比如霍爾

6、元件和電感線圈中的銜鐵把彈簧管自由端的位移變換成電信號(hào) （霍爾電勢、 線圈的電感量的變化）輸出。單圈彈簧管受壓力作用后， 中心角變化量一般較小， 靈敏度較低。在實(shí)際測量時(shí)，可采用多圈彈簧管以提高測量的靈敏度。3、彈性元件的應(yīng)用下面將介紹幾個(gè)以彈性膜片、 波紋管和彈簧管為彈性元件的就地彈性式壓力指示儀表。（ 1）膜盒壓力表膜盒壓力表的彈性元件為膜盒， 適用于測量空氣或其他無腐蝕性氣體的微壓或負(fù)壓。 被測介質(zhì)一般由內(nèi)徑為 8 的橡皮軟管插到壓力表接頭上引入。其結(jié)構(gòu)見圖所示。（ 2）雙波紋管差壓表雙波紋管差壓表是一種機(jī)械位移變換就地顯示壓差的儀表， 主要作為流量和水位等測量的中間變換或顯示儀表。通入

7、儀表正、 負(fù)壓室的靜壓一般很高，但所測量的靜壓差不大。雙波紋管差壓表的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖所示。當(dāng)被測正、負(fù)壓信號(hào) p 、 p 分別引入測量室的高壓側(cè)和低壓側(cè)時(shí)，高壓側(cè)波紋管被壓縮，其中的填充液（硅油）通過阻尼旁路 10 和環(huán)形間隙流向低壓側(cè)波紋管，使其自由端右移。 整個(gè)連接軸系統(tǒng)就向低壓側(cè)方向移動(dòng)，同時(shí)拉伸量程彈簧，直至差壓（ p p ）在波紋管底面上形成的作用力與量程彈簧 7 及波紋管的變形力相平衡為止。連接軸系統(tǒng)移動(dòng)時(shí)，通過軸上的擋板 3 撥動(dòng)擺桿 4，使擺桿擺動(dòng)，扭力管 5 扭轉(zhuǎn)，芯軸 6把扭轉(zhuǎn)信號(hào)傳給顯示部件顯示差壓信號(hào)。儀表量程是通過改變波紋管的剛度和有效面積以及量程彈簧的剛度和數(shù)量

8、來實(shí)現(xiàn)，就能改變儀表量程。另外，調(diào)節(jié)微調(diào)量程螺母亦能細(xì)調(diào)量程。阻尼調(diào)整閥9 可以調(diào)節(jié)填充液受壓流動(dòng)時(shí)的流動(dòng)阻力，以改善儀表阻尼特性， 使儀表對(duì)短促的差壓脈動(dòng)不發(fā)生反應(yīng)。波紋管B3 用于收容由于溫度變化造成填充液體積變化而多出的填充液，起溫度補(bǔ)償作用。（ 3）單圈彈簧管壓力表單圈彈簧管壓力表的彈性元件是彈簧管， 廣泛用于測量對(duì)銅合金不起腐蝕作用的液體、氣體和蒸汽的壓力，其結(jié)構(gòu)見右圖所示。被測壓力由接頭9 輸入，彈簧管 1因承受壓力而使自由端產(chǎn)生一定的直線位移，通過拉桿 2 使扇形齒輪 3 做逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，于是指針 5 通過同軸的中心齒輪 4 的帶動(dòng)而作順時(shí)針偏轉(zhuǎn)， 在表盤面 6 的刻度標(biāo)尺上顯示出被測壓力的數(shù)值。其中游絲 7 是用來克服因扇形齒輪和中心齒輪之間存在的間隙所產(chǎn)生的儀表變差。壓力表的量程調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)調(diào)整螺釘 8 的位置，也就是改變機(jī)械傳動(dòng)的放大系數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。（ 4）壓力開關(guān)壓力開關(guān)是一種簡單的壓力控制裝置