工業(yè)儀表壓力測量

工業(yè)儀表壓力測量第一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日4.1概述4.1.1壓力測量的目的確定流體輸送管路的阻力；為選擇流體機(jī)械設(shè)備提供依據(jù)；測定壓力容器內(nèi)部壓力，保證容器安全工作。4.1.2壓力單位工程技術(shù)中的壓力實際上是指物理學(xué)中的壓強(qiáng)，即物體表面單位面積上所受的法向作用力。壓力表示方法:絕對壓力(P);大氣壓力(p);負(fù)壓或真空度(p);壓力差(Δp)壓力單位:atm;Pa(MPa);mmH2O;mmHg如水泵，等確定沿程阻力第二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日4.1.3壓力傳感器種類(1)機(jī)械壓力傳感器1)壓力使管內(nèi)液柱升高（或降低），當(dāng)液柱產(chǎn)生的重力與被測壓力達(dá)到平衡時，根據(jù)液柱高度及其比重即可表示出壓力（液柱壓力計）；2）若物體由于壓力作用發(fā)生彈性變形，當(dāng)彈性力與壓力形成的力達(dá)到平衡時，變形值即可反映壓力大?。◤椥詨毫Ρ恚?；3）當(dāng)一定壓力的液體通過活塞升舉一定重量的物體并達(dá)到平衡時，物體的重量除以液體作用于活塞有效面積即表示液體的壓力（活塞式靜重壓力計）。第三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日（2）電子壓力傳感器有的物體受壓力作用后，其某種電氣性能會發(fā)生變化。測出該電氣參數(shù)的變化值即可測知壓力。1）壓電現(xiàn)象（piezoelectricity）晶體發(fā)生機(jī)械變形時產(chǎn)生相應(yīng)的面電荷或體電荷的現(xiàn)象；2）壓阻效應(yīng)（pressure-resistanceeffect）物體在壓力作用下發(fā)生的電阻率變化。機(jī)械式壓力傳感器的特點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，技術(shù)成熟。但體積大，動態(tài)特性差，只適用于作就地指示儀表，不易于信號遠(yuǎn)傳。電氣式壓力傳感器的特點：體積小，靈敏度高，動態(tài)特性好，便于遠(yuǎn)傳第四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日4.2液柱式壓力計封液1，ρ1封液2，ρ2介質(zhì)，ρ特點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，用于測量小于1000mmHg的低靜壓。缺點：體積大，讀數(shù)不便，玻璃管易損。第五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日4.2.1液柱式壓力計的原理和結(jié)構(gòu)當(dāng)被測壓力與封液液柱的壓力相平衡時，水平面A-A處的靜壓力平衡方程：封液1,ρ1封液2,ρ2介質(zhì)，ρ第六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日若ρ1＞＞ρ2，則上式簡化為：（1）（2）（3）若ρ1=ρ2，則上式簡化為：上式說明，封液以上的介質(zhì)相當(dāng)于減小了封液密度，使儀表的測量范圍減小，但靈敏度提高。利用此現(xiàn)象可設(shè)計測量微壓的U形壓力計。注意：讀數(shù)時應(yīng)分別讀取h1和h2，然后相加，以避免產(chǎn)生誤差。（4）第七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日

液柱式壓力計的基本結(jié)構(gòu)：連通U形管、封液、標(biāo)尺

封液的作用：隔離U形管二側(cè)的介質(zhì)，并形成一定高度的液柱，以平衡被測壓力。

對封液的要求：（1）不與被測介質(zhì)發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)；（2）流動性好；（3）液面清晰；（4）密度不同于被測介質(zhì)：封液密度大，則測量上限高；密度小時，靈敏度高。液柱式壓力計阻尼特性較差，被測壓力波動時，易發(fā)生振蕩。第八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日4.2.2單管壓力計和斜管微壓計4.2.2.1單管壓力計對于不可壓縮流體，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，有

F1h1=F2h2h1=F2h2/F1當(dāng)F1>>F2時，F(xiàn)2/F10，則當(dāng)F2/F1

≤0.01時，因只讀h2引起的誤差≤1%（5）（6）第九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日4.2.2.2斜管微壓計測量微壓（差）及負(fù)壓時，液柱升高很小，此時讀數(shù)和毛細(xì)現(xiàn)象誤差較大。若使h2增大，則可減小誤差。當(dāng)細(xì)管傾斜角度為α?xí)r，液柱由h2變?yōu)閘，讀數(shù)為注意：

α一般不小于150,否則讀數(shù)困難。（7）（8）P1＝P2＋gρlsinα第十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日4.2.3液柱式壓力計的誤差及修正4.2.3.1毛細(xì)現(xiàn)象的影響封液在管內(nèi)的毛細(xì)現(xiàn)象使液柱產(chǎn)生附加的升高或降低（由管內(nèi)徑、彎曲液面的上凸或下凹決定）。管內(nèi)徑不小于10mm；單管壓力計用水作封液時，常溫下的毛細(xì)誤差小于2mm；用Hg作封液時，小于1mm。4.2.3.2溫度的影響溫度變化密度變化修正：設(shè)溫度為t時，液柱指示值為h1’+h2’,有標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時液柱指示值為h1+h2，則（9）∴

（10）t0～t范圍內(nèi)封液的平均體膨脹系數(shù)，1/℃

第十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日4.2.3.3重力加速度的影響儀器使用地的重力加速度儀器使用地的緯度儀器使用地的海拔高度地球半徑4.2.3.4讀數(shù)誤差4.2.3.5儀器傾斜誤差二液柱的距離儀器傾斜角度（11）第十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日4.3.1簡單活塞式壓力計平衡時，4.3活塞式壓力計活塞半徑注意：（1）活塞式壓力計的使用溫度：20±5℃；（2）測量時，活塞以30～120r/min的角速度連續(xù)轉(zhuǎn)動，以保持其與活塞缸間的油膜活塞與活塞缸的徑向間距活塞、承重盤、砝碼重之和活塞有效面積第十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日4.3.2差動式活塞壓力計

調(diào)零：關(guān)閉閥門1和2，打開閥門3，使系統(tǒng)與大氣相通。此時，未加砝碼的盤6和7升至同一規(guī)定高度，達(dá)到零點。有若不平衡，視盤6和7偏離規(guī)定高度的程度調(diào)整。盤6超高時，打開閥4，調(diào)整調(diào)零容器8，減小p1,盤6降至規(guī)定高度時，關(guān)閉閥4；盤7偏低時，打開閥5，調(diào)整調(diào)零容器8，使其中的油壓入油管，增大hγ，然后關(guān)閥5。

調(diào)零需反復(fù)幾次。零位調(diào)好后，閥3、4、5均關(guān)閉。（12）（13）介質(zhì)重度差動活塞小底部的面積差動活塞環(huán)底部的面積第十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日閥門（1、2、3、4、5）簡單活塞壓力計承重盤G1差動活塞壓力計承重盤G2調(diào)零容器被校表（9、10）微調(diào)容器油杯簡單活塞差動活塞（14、15）第十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日

檢驗測量步驟：由閥1（或2）通入壓力P，被校表9、10有指示，盤7升高，盤6下降。在盤7上加砝碼G2?，使二盤回至規(guī)定位置。此時式(14)–式(13)得被測壓力（表壓）：當(dāng)由閥1（或2）通入的壓力小于大氣壓力時，盤7下降，盤6上升。在盤6上加砝碼G1’，使二盤回至規(guī)定位置，有（14）（15）（17）（16）第十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日式（16）–（12）得式（18）代入式（17），得即（18）（19）∴

（20）負(fù)壓（17）（13）第十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日彈性壓力表的第一個環(huán)節(jié)－彈性壓力傳感器4.4彈性壓力表第十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日彈性壓力傳感器的信號變換過程：彈性范圍內(nèi)（輸入）壓力面積一定力彈性力彈性變形（輸出）彈性壓力表的第二個環(huán)節(jié)－位移變換器：用以顯示變形，其輸出是指針位移，亦可為氣信號或電信號第十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日4.4.1彈簧管壓力計

彎曲成圓弧形、螺旋形或S形等形狀的管子。管截面為非圓斷面－扁圓形或橢圓形，截面短軸方向與管彎曲的徑向一致。一端封閉，另一端敞開。封閉端可自由運動，其位移作為輸出信號；開口端固定于儀表外殼上，被測壓力由此通入彈簧管內(nèi)。測量范圍寬：0.2Pa(0.02mmH2O)～10MPa第二十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日圖4-5單圈彈簧管壓力計、彈簧管及其橫截面1-彈簧管；2-小齒；3-扇形齒輪；4-拉桿；5-連桿調(diào)節(jié)螺釘；6-放大調(diào)節(jié)螺釘；7-接頭；8-刻度盤；9-指針；10-游絲第二十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日4.4.2膜式壓力計分膜片壓力計和膜盒式壓力計，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的微壓和負(fù)壓。他們的敏感元件分別是膜片和膜盒。膜片和膜盒的形狀如圖。

波紋膜片通常用于測量小壓力，測壓范圍：0～40000Pa(4000mmH2O)。最大測壓上限：6MPa膜片分為彈性膜片和撓性膜片。使用時周邊夾緊，輸出為膜片中心的位移。圖4-6膜片和膜盒(a)彈性膜片；(b)撓性膜片；(c)膜盒第二十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日4.4.3波紋管壓力計波紋管是外周沿軸向有深槽形狀的波紋褶皺，可沿軸向伸縮的薄壁管子。它受壓時的線性輸出范圍比受拉時的大，故常在壓縮狀態(tài)下使用。波紋管式壓差計以波紋管為感壓元件來測量壓差信號，有單波紋管、雙波紋管兩種，主要用作流量和液位測量的顯示儀表。第二十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日4.5應(yīng)變式壓力傳感器分類：

1、電阻應(yīng)變式壓力傳感器；

2、電容式壓力傳感器；

3、電感式壓力傳感器；

4、力平衡式壓力傳感器。應(yīng)用場合：遠(yuǎn)距離傳送壓力信號。特點簡單、可靠、維護(hù)量小、動態(tài)特性好、便于小型化。第二十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日4.5.1電阻應(yīng)變式壓力傳感器組成：電阻柵、基底、覆蓋層工作原理：應(yīng)變傳感器變形時，由于電阻柵的幾何尺寸和電阻率改變，導(dǎo)致其電阻值發(fā)生變化。原理：電阻率變化引起電阻變化。金屬電阻應(yīng)變片工作原理：壓力引起尺寸變化，導(dǎo)致電阻變化。包括絲繞式和箔式。第二十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日第二十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日設(shè)一段電阻柵長度為l，截面積為A，在外力作用下長度變化為Δl,面積變化為ΔA，電阻率變化為Δρ，則電阻柵的電阻值變化為或由材料力學(xué)知，材料橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的關(guān)系為泊松系數(shù)（26）（27）第二十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日（28）所以，式（27）可寫為電阻應(yīng)變系數(shù)或應(yīng)變傳感器的靈敏系數(shù)K的物理意義：單位應(yīng)變引起的電阻值的相對變化。K的數(shù)值可由實驗確定，一般金屬材料:K＝2～6；半導(dǎo)體材料:可達(dá)180可見，當(dāng)K＝constant時，可用電阻的變化來反映軸向應(yīng)變。第二十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日應(yīng)變傳感器常用材料的某些特性材料名稱K電阻率/Ω·mm2·m-1電阻溫度系數(shù)/α×106（1/℃）μ康銅1.9～2.10.45～0.52±200.3Ni80Cr20合金2.1～2.31.0～1.1110～1300.3鎳鉻合金6J222.0～2.61.24～1.42±20Pt80銥206.00.32850單晶硅150第二十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日4.5.3電容式壓力傳感器工作原理：彈性敏感元件作為感受壓力的元件，并作為活動板，與固定在傳感器殼體上的定極板形成電容器，當(dāng)壓力通過工作介質(zhì)傳遞到動極板上時，膜片產(chǎn)生位移，改變電容量，因此可以通過測量電容量來測定壓力大小。電容大小為：微分，得：位移變化量必須嚴(yán)格限制。第三十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日為提高傳感器的靈敏度，改善輸出的非線形性，實際應(yīng)用的壓力傳感器采用差動式，此時動極板在兩個靜極板之間，靈敏度可以提高1倍，非線形性大大降低。圖4-12電容式差壓傳感器第三十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日4.5.4電感式壓力傳感器基本原理：利用自感和互感變化來測量壓力的傳感器。分變氣隙式、變截面和螺管式圖4-13電感傳感器原理示意圖(a)氣隙式；(b)螺管式1-銜鐵；2-鐵芯；3-線圈圖4-14螺管式傳感器原理圖(a)單線圈；(b)螺管式一個螺管線圈和一個圓柱形銜鐵，靠銜鐵移動引起線圈