壓力檢測技術(shù)

關(guān)于壓力檢測技術(shù)第一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.1.1壓力的基本概念和計量單位8.1.2壓力檢測方法8.1概述第二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.1.1壓力的基本概念和計量單位1.壓力名詞與定義1)壓力——垂直而均勻地作用在單位面積上的力稱為壓力。壓力可表示為

(8-1)

式中，p—壓力；F—垂直作用力；S—受力面積。2)絕對壓力——以完全真空（絕對壓力零位）作參考點的壓力稱為絕對壓力，用符號pi表示。3)大氣壓力——由地球表面大氣層空氣柱重力所產(chǎn)生的壓力，稱為大氣壓力，用符號p0表示。第三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.1.1壓力的基本概念和計量單位4)表壓力——以大氣壓力為參考點，大于或小于大氣壓力的壓力稱為表壓力。工業(yè)上所用的壓力儀表指示值多數(shù)為表壓力。5)差壓(力)任意兩個相關(guān)壓力之差稱為差壓(Δp)。第四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.1.1壓力的基本概念和計量單位2.壓力的計量單位在國際單位制中，壓力的單位為牛頓/米2，用符號N/m2表示；壓力單位又稱為帕斯卡或簡稱帕，符號為Pa。1Pa＝1N/m2。因帕單位太小，工程上常用千帕(kPa)或兆帕(MPa)表示。我國已規(guī)定帕斯卡為壓力的法定計量單位。由于歷史發(fā)展的原因、單位制的不同以及使用場合的差異，壓力還有多種不同的單位。各種壓力單位間的換算關(guān)系列于表8-1中。第五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.1.1壓力的基本概念和計量單位表8-1壓力單位換算表單位帕Pa(N/m2)巴(bar)毫米水柱(mmH2O)標準大氣壓(atm)工程大氣壓(kgf/cm2)毫米汞柱(mmHg)帕Pa(N/m2)11×10-51.019716×10-10.9869236×10-51.019716×10-50.75006×10-2巴(bar)1×10511.019716×1040.98692361.0197160.75006×103毫米水柱(mmH2O)0.980665×100.980665×10-410.9678×10-41×10-40.73556×10-1標準大氣壓(atm)1.01325×1051.013251.033227×10411.0332760工程大氣壓(kgf/cm2)0.980665×1050.9806651×1040.9678411735.56毫米汞柱(mmHg)1.333224×1021.333224×10-31.35951×101.316×10-31.35951×10-31第六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.1.1壓力的基本概念和計量單位8.1.2壓力檢測方法8.1概述第七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.1.2壓力檢測方法根據(jù)測壓原理的不同，壓力檢測方法主要有以下幾類：這種方法是按照壓力的定義，通過直接測量單位面積上所受力的大小來檢測壓力。如液柱式壓力計和活塞式壓力計。彈性力平衡法利用彈性元件受壓力作用發(fā)生彈性變形而產(chǎn)生的彈性力與被測壓力相平衡的原理來檢測壓力。2.彈性力平衡法1.重力平衡法第八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.1.2壓力檢測方法彈性元件在壓力作用下會因發(fā)生彈性變形而形成彈性力，當彈性力與被測壓力相平衡時，其彈性變形的大小反映了被測壓力的大小，因此可以通過測量彈性元件位移變形的大小測出被測壓力。

這種方法根據(jù)壓力作用于物體后所產(chǎn)生的各種物理效應(yīng)來實現(xiàn)壓力測量。3.物性測量法第九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.2.1彈性壓力計8.2.2電測式壓力計8.2常用壓力檢測儀表第十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日彈性壓力計根據(jù)所用彈性元件的不同構(gòu)成了多種型式的彈性壓力計，其基本組成如圖8-2所示。8.2.1彈性壓力計第十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.2.1彈性壓力計1.彈性元件

彈性壓力計的測壓性能主要取決于彈性元件的彈性特性，它與彈性元件的材料、加工和熱處理質(zhì)量有關(guān)，同時還與環(huán)境溫度有關(guān)。工業(yè)上常用的彈性元件結(jié)構(gòu)和測壓范圍如表8-2所示。彈簧管式波紋管式彈性膜式單圈彈簧管多圈彈簧管波紋管平薄膜波紋膜撓性膜0～106kPa0～105kPa0～103kPa0～105kPa0～103kPa0～102kPa表8-2彈性元件的結(jié)構(gòu)和壓力測量范圍第十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.2.1彈性壓力計彈簧管又稱波登管(法國人波登發(fā)明)，是一根彎成圓弧狀、管截面為扁圓形的空心金屬管，其一端封閉并處于自由狀態(tài)，另一端開口為固定端，被測壓力由固定端引入彈簧管內(nèi)腔。特點：測量范圍大，可用于高、中、低壓或真空度的測量。波紋管是一端封閉的薄壁圓管，壁面是環(huán)狀波紋。被測壓力從開口端引入，封閉端將產(chǎn)生位移。特點：位移相對較大，靈敏度高，用于低壓或差壓測量。第十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.2.1彈性壓力計彈性膜片是外緣固定的片狀彈性元件，有平膜片、波紋膜片和撓性膜片幾種形式，其彈性特性由中心位移與壓力的關(guān)系表示，用于低壓、微壓測量。特點：平膜片位移很小，波紋膜片壓有正弦、鋸齒或梯形等環(huán)狀同心波紋，撓性膜片僅用作隔離膜片，需與測力彈簧配用。2.彈簧管壓力計彈簧管式壓力計是工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用很廣泛的一種測壓儀表，以單圈彈簧管結(jié)構(gòu)應(yīng)用最多，其結(jié)構(gòu)如圖8-3所示。第十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.2.1彈性壓力計特點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低廉，測壓范圍寬，精度高。第十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.2.1彈性壓力計圖8-4是一種采用雙波紋管測量壓差的雙波紋管差壓計的結(jié)構(gòu)示意圖。1-連接軸；2-保護閥；3-阻尼環(huán)；4-推板；5-扭力管；6-心軸；7-量程彈簧；8-平衡閥；9-低壓波紋管；10-擺桿；11-阻尼閥；12-中心基座；13-高壓波紋管；14-填充液3.波紋管壓力計第十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.2.1彈性壓力計4.膜式壓力計膜式壓力計有膜片壓力計和膜盒壓力計兩種。前者主要用于測量腐蝕性介質(zhì)或非凝固、非結(jié)晶的粘性介質(zhì)的壓力，后者常用于測量氣體微壓和負壓。原理：膜片四周固定，當通入壓力后，兩側(cè)面存在壓差時，膜片將向壓力低的一側(cè)彎曲，膜片中心產(chǎn)生一定的位移，通過傳動機構(gòu)帶動指針轉(zhuǎn)動，指示出被測壓力。第十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.2.1彈性壓力計5.彈性壓力計信號遠傳方式彈性壓力計一般為直讀式儀表，也可以將彈性元件的變形轉(zhuǎn)換為電信號輸出，圖8-6給出了幾種彈性壓力計信號電遠傳方式原理。第十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.2.1彈性壓力計圖8-6(a)為電位器式。在彈簧管壓力計內(nèi)安裝滑線電位器，滑動觸點和電阻的任意一端之間的電壓將取決于滑動觸點位置，即取決于被測壓力。特點：比較簡單，有很好的線性輸出，可靠性較差。第十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.2.1彈性壓力計圖8-6(b)為霍爾式。其轉(zhuǎn)換原理基于半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)。壓力越大，兩面積差越大，則在霍爾元件垂直于磁場和電流方向的另兩側(cè)產(chǎn)生的霍爾電勢也越大。特點：結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，壽命長，對外部磁場敏感，耐振性差。第二十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.2.1彈性壓力計

圖8-6(c)差動變壓器式?？梢苿拥蔫F芯與彈性元件的自由端相連并處于差動變壓器的線圈中，被測壓力越大則鐵芯偏離越多，輸出交流電壓越高，從而可測出壓力值。特點：性好、附加力小、位移范圍較大，處于中央位置時輸出不為零。第二十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.2.1彈性壓力計實物圖第二十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.2.1彈性壓力計8.2.2電測式壓力計8.2常用壓力檢測儀表第二十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.2.2電測試壓力計能夠測量壓力并提供遠傳電信號的裝置稱為壓力傳感器，如果裝置內(nèi)部還設(shè)有適當處理電路，能將將壓力信號轉(zhuǎn)換成工業(yè)標準信號(如4~20mA直流電流)輸出，則稱為壓力變送器。電測式壓力傳感器應(yīng)變式電容式壓電式振頻式光電式光纖式超聲式壓力傳感器第二十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日1.應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器是一種通過測量彈性元件因壓力的作用而產(chǎn)生的應(yīng)變來間接測量壓力的傳感器，它由彈性元件、應(yīng)變片及測量電路等組成。特點：具有精度高、體積小、重量輕、測量范圍寬等優(yōu)點，同時抗振動、抗沖擊性能良好。但應(yīng)變片阻值受溫度影響較大，需要考慮溫度補償。1)應(yīng)變筒式壓力傳感器應(yīng)變筒式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖8-7所示。8.2.2電測試壓力計第二十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日當應(yīng)變筒內(nèi)腔承受壓力時，薄壁筒表面的周向應(yīng)力最大，相應(yīng)的周向應(yīng)變ε為：(8-2)8.2.2電測試壓力計第二十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日式中，p—被測壓力；E—應(yīng)變筒材料的彈性模量；μ—應(yīng)變筒材料的泊松比；D—應(yīng)變筒外徑；d—應(yīng)變筒內(nèi)徑。優(yōu)點：應(yīng)變筒式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，能進行靜、動態(tài)壓力測量，測量范圍也比較寬。2)平膜式壓力傳感器

平膜片式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖8-8所示。彈性元件上粘貼有如圖8-9(a)所示的箔式組合應(yīng)變片。四個應(yīng)變片組成如圖8-9(b)所示的電橋，輸出相應(yīng)的電壓信號。8.2.2電測試壓力計第二十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日對于邊緣固定的平圓膜片，當受壓力作用時，膜片上任意一點的應(yīng)變可分為徑向應(yīng)變εr和切向應(yīng)變εt，如圖8-10(a)所示，其值與壓力p的大小和該點到膜片中心的距離r有關(guān)：8.2.2電測試壓力計第二十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日(8-3)

式中：p—被測壓力；E—膜片材料彈性模量；μ—膜片材料的泊松比；r0—膜片半徑；r—膜片上任意點半徑；h—膜片厚度。8.2.2電測試壓力計第二十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日根據(jù)式(8-3)分析可知，在膜片中心處(r=0)，徑向應(yīng)變εr和切向應(yīng)變εt均達到最大值，(8-4)

在膜片邊緣處(r=r0)，切向應(yīng)變εt=0，而徑向應(yīng)變εr達到負最大值(壓縮應(yīng)變)，(8-5)

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，精度、靈敏度較高，但頻率響應(yīng)較低，輸出線性差。8.2.2電測試壓力計第三十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日3)壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)制成的，它是利用集成電路工藝直接在作為彈性元件的硅平膜片上按一定晶向制成擴散電阻，這樣就很容易得到尺寸小、高靈敏度、高自振頻率的壓力傳感器。特點：壓阻式壓力傳感器重復(fù)性、穩(wěn)定性好，工作可靠；靈敏度高，固有頻率高；測量范圍寬；精度高；易于微小型化。壓阻式壓力傳感器特別適合在中、低溫度條件下的中、低壓測量。8.2.2電測試壓力計第三十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日4)壓力傳感器的變送電路電流輸出型變送器有4線制、3線制、2線制等幾種。長距離傳輸時以2線制變送器最為經(jīng)濟、方便，因而應(yīng)用最多。

工業(yè)上最廣泛采用4~20mA直流電流作為標準信號來傳輸模擬量。8.2.2電測試壓力計圖8-11是一種2線制的壓阻式差壓傳感器的變送器電路，由應(yīng)變電橋、恒流源、溫度補償網(wǎng)絡(luò)、放大及電壓-電流轉(zhuǎn)換等幾部分組成，采用24V直流供電。第三十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.2.2電測試壓力計第三十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日2.電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器采用變電容測量原理，將被測壓力引起的彈性元件的位移變形轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓?，測出電容量，便可知道被測壓力的大小。1)差動變極距式電容壓力傳感器對于平板電容，在被測壓力作用下，電容值C會因兩平行板間距d發(fā)生的微小變化而變化。特點：有較高的靈敏度，但當位移較大時傳感器非線性嚴重；可改善非線性、提高靈敏度、并可減小因極板間電介質(zhì)的介電常數(shù)ε受溫度影響而引起的不穩(wěn)定性。8.2.2電測試壓力計第三十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日2)變面積式電容壓力傳感器圖8-12所示為一種變面積式電容壓力傳感器。8.2.2電測試壓力計第三十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日3.壓電式壓力傳感器由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關(guān)系：8.2.2電測試壓力計優(yōu)點：靈敏度高，輸出信號大；測量精度高；結(jié)構(gòu)簡單、牢固，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)性強，能承受高過載，耐沖擊與振動，可在高溫條件下工作；由于可動極板質(zhì)量小，故傳感器固有頻率高，動態(tài)響應(yīng)快。式中，Q—電荷量；k—壓電常數(shù)；S—作用面積；p—壓力。(8-6)

第三十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日圖8-13為一種壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。8.2.2電測試壓力計特點：壓電式壓力傳感器體積小，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠；測量范圍寬；測量精度較高；頻率響應(yīng)高。但不適宜測量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力。第三十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日4.諧振式壓力傳感器諧振式壓力傳感器是靠被測壓力所形成的應(yīng)力改變彈性元件的諧振頻率，通過測量頻率信號的變化來檢測壓力。根據(jù)諧振原理可以制成振筒、振弦及振膜式等多種型式的壓力傳感器。8.2.2電測試壓力計第三十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日振筒有一定的固有頻率，當被測壓力作用于筒壁時，筒壁內(nèi)應(yīng)力增加使其剛度加大，振筒固有頻率相應(yīng)改變。振筒固有頻率與作用壓力的關(guān)系可近似表示為：fp—為受壓后的振筒固有頻率；

f0—為筒內(nèi)外壓力相等時的固有頻率；

α—為振筒結(jié)構(gòu)系數(shù)；

p—為被測壓力。式中，8.2.2電測試壓力計第三十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日激振線圈使振筒按固有頻率振動，受壓前后的頻率變化可由檢測線圈檢出。圖8-15為振筒式壓力傳感器的檢測與驅(qū)動電路原理圖。特點：適用于氣體壓力的測量，其體積小，輸出頻率信號，重復(fù)性好，耐振；精度高，且有良好的穩(wěn)定性。8.2.2電測試壓力計第四十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.3.1壓力檢測儀表的選擇8.3.2壓力檢測儀表的安裝8.3.3動態(tài)壓力檢測的管道效應(yīng)8.3壓力檢測儀表的選擇與安裝第四十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.3.1壓力檢測儀表的選擇1、類型選擇壓力儀表類型的選擇主要應(yīng)從以下幾個方面考慮：◆要考慮被測介質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)(如溫度高低、粘度大小、腐蝕性、易燃易爆性能等)，以選擇相應(yīng)的儀表?！粢鶕?jù)生產(chǎn)工藝對壓力儀表的要求和用途，選擇壓力儀表?！粢紤]壓力儀表使用現(xiàn)場環(huán)境條件?！暨€要考慮被測壓力的種類(壓力、負壓、絕對壓力、差壓等)、變化快慢等情況，選擇壓力儀表。第四十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.3.1壓力檢測儀表的選擇2、量程選擇壓力儀表的量程要根據(jù)被測壓力的大小及在測量過程中被測壓力變化的情況等條件來選取，為保證測壓儀表安全可靠地工作，選擇量程時必須留有足夠的余地。◆測量穩(wěn)定壓力時，正常操作壓力應(yīng)小于滿量程的2/3；◆測量脈動壓力時，正常操作壓力應(yīng)小于滿量程的1/2；◆測量高壓時，正常操作壓力應(yīng)小于滿量程的3/5?！舯粶y壓力的最小值，不應(yīng)低于滿量程的1/3。第四十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.3.1壓力檢測儀表的選擇3.精度等級選擇壓力檢測儀表的精度等級應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)過程對壓力測量所允許的最大誤差。選擇時應(yīng)堅持經(jīng)濟的原則，在能滿足生產(chǎn)要求的條件下，不應(yīng)追求使用過高精度的儀表。作為工作計量器具，壓力儀表的精度等級分為1.0、1.6、2.5、4.0級；而作為壓力標準器，用于壓力量值傳遞的精密壓力儀表的精度等級分為0.1、0.16、0.25、0.4級。第四十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.3.1壓力檢測儀表的選擇[例8.1]某壓力容器內(nèi)介質(zhì)的正常工作壓力范圍為0.4~0.6MPa，用彈簧管壓力表進行檢測。要求測量誤差不大于被測壓力的5％，試確定該壓力表的量程和精度等級。解：由題意知，被測對象的壓力比較穩(wěn)定，設(shè)彈簧管壓力表的量程為A，則根據(jù)最大工作壓力有：A>0.6÷2/3=0.9MPa根據(jù)最小工作壓力有：

A＜0.4÷1/3=1.2MPa故根據(jù)儀表的量程系列，可選用量程范圍為0~1.0MPa的彈簧管壓力表。第四十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.3.1壓力檢測儀表的選擇由題意，被測壓力允許的最大絕對誤差為：?max＝0.4×5％＝0.02MPa儀表精度等級的選取應(yīng)使得其最大引用誤差不超過允許測量誤差。對于測量范圍0~1.0MPa的壓力表，其最大引用誤差為：

γ＝±0.02MPa×100％/1.0MPa＝±2％故應(yīng)選取1.6級的壓力表。第四十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.3.1壓力檢測儀表的選擇8.3.2壓力檢測儀表的安裝8.3.3動態(tài)壓力檢測的管道效應(yīng)8.3壓力檢測儀表的選擇與安裝第四十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.3.2壓力檢測儀表的安裝1、取壓點選擇取壓位置要具有代表性，能真實地反映被測壓力。應(yīng)按下述原則選擇：1)取壓點不能處于流束紊亂的地方，要選在直管段上，不可選在管路彎曲、分岔、死角或其他能形成渦流的區(qū)域；2)取壓點上游側(cè)不應(yīng)有突出管路或設(shè)備的阻力件(如溫度計套管、閥門、擋板等)，否則應(yīng)保證有一定的直管段長度；3)測量液體壓力時，取壓點應(yīng)在管道下側(cè)，不宜取在最低部；測量氣體壓力時，取壓點應(yīng)在管道上側(cè)；第四十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期日8.3.2壓力檢測儀表的安裝4)取壓口開孔軸線必須與介質(zhì)流動方向垂直，引壓管口端面應(yīng)與設(shè)備連接處的內(nèi)壁保持平齊。2、引壓管的敷設(shè)引壓管的敷設(shè)應(yīng)注意以下幾點：1)引壓管的粗細、長短均應(yīng)選取合適。2)水平安裝的引壓管應(yīng)保持有1:10~1:20的傾斜度，以避免引壓管中積存液體(或氣體)，并有利于這些積液(或氣)的排出。3)若當被測介質(zhì)易冷凝或凍結(jié)，應(yīng)增加保溫伴熱措施；第四十九頁，共五十五頁，編輯于2