第六章 壓力計(jì)量

第六章壓力計(jì)量第一節(jié)基本概念第二節(jié)液柱式壓力計(jì)第三節(jié)彈簧式壓力表第四節(jié)活塞式壓力計(jì)第五節(jié)壓力傳感器及其應(yīng)用1顏幸堯cjlu_yan@163.com第一節(jié)基本概念一、壓力計(jì)量的應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究、醫(yī)療衛(wèi)生、安全防護(hù)以及人民日常生活的各個(gè)領(lǐng)域中，凡是利用液體、氣體、蒸汽等介質(zhì)作為動(dòng)力、加熱、密封試驗(yàn)等，都有反應(yīng)“壓力”這個(gè)物理量。壓力如同其它的狀態(tài)參數(shù)一樣，是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程及自動(dòng)化過(guò)程中極為重要的控制參數(shù)。因此，需要使用各種能顯示壓力的儀器儀表來(lái)計(jì)量壓力的大小和變化。23二、壓力的概念壓力又稱壓強(qiáng)，但在工程上都習(xí)慣稱之為壓力。

壓力的定義：指流體垂直且均勻的作用在物體單位面積上的力。

P=F/A

式中:P—壓力量值（Pa）F—作用力（N）

A—單位面積（㎡）第一節(jié)基本概念3第一節(jié)基本概念大氣壓力大氣自重所產(chǎn)生的對(duì)地球表面的單位面積上的力，也稱氣壓，以Pb表示。大氣壓力量值隨海拔高度、地理緯度和氣象情況不同而改變。絕對(duì)壓力是以零作為參考點(diǎn)的壓力的差壓，又稱全壓力或總壓力，以Pa表示。4第一節(jié)基本概念表壓力即壓力儀器儀表指示的壓力，是以環(huán)境大氣壓為零參考點(diǎn)的壓力，以P表示。習(xí)慣上指高于大氣壓的壓力。疏空又叫真空表壓力。當(dāng)絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)，大氣壓力與絕對(duì)壓力之差?；蛘f(shuō)在封閉容器中的壓力比大氣壓低多少。常用符號(hào)Ph表示。5第一節(jié)基本概念6第一節(jié)基本概念大氣壓力絕對(duì)壓力表壓力疏空1.01×1052.21×1051.01×1050.81×1051.01×1050.51×1051.01×1051.01×1057第一節(jié)基本概念三、流體特性及其靜力平衡初步分析流體是液體和氣體的總稱。不論是液體還是氣體，它們都自一個(gè)共同的特性就是：流體不能保持一定的形狀，而具有很大的流動(dòng)性。它只能承受壓力，不能承受拉力和切力。當(dāng)它承受切力時(shí)，流體就會(huì)流動(dòng)。壓力測(cè)量的對(duì)象——流體壓力8第一節(jié)基本概念流體靜壓力的兩個(gè)重要特性（1）流體靜壓力方向必然是沿著作用面的內(nèi)法線方向。（2）靜止流體中任意一點(diǎn)的各個(gè)方向靜壓力數(shù)值都相等。等壓面：在靜止流體中，凡是壓力相等的諸點(diǎn)組成的面稱為等壓面。在等壓面上各點(diǎn)的壓力值為一常數(shù)。9第一節(jié)基本概念流體靜壓力方程P=P0+ρghP0—液體自由表面壓力，Pa；ρ—工作介質(zhì)密度，kg/m3；g一當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2；h—液體內(nèi)距自由表面深度，m；P—h深處壓力，Pa10①在同一容器的同種液體中，靜壓力P的大小與距自由表面深度h呈線性變化。卻流體壓力值隨液體深度的增加而增加。②液體中的靜壓力只與自由表面下的深度有關(guān)，而與容器形狀無(wú)關(guān)。③在液體自由表面下深度為h的各點(diǎn)壓力值均相等。這就證明了只有重力作用下的靜止流體的等壓面為一水平面。④工作介質(zhì)溫度不變時(shí)．流體密度是個(gè)常數(shù)。流體靜壓力基本方程不僅適合于液體，也適合于未經(jīng)壓縮的氣體。第一節(jié)基本概念11第一節(jié)基本概念在測(cè)量氣體壓力時(shí)．需要考慮溫度變化對(duì)壓力量值的影響；也需要考慮壓力改變時(shí)對(duì)氣體體積或密度的影響。解決這類問(wèn)題使用描述氣體壓力、溫度、體積之間關(guān)系的理想氣體狀態(tài)方程是很方便的。12第一節(jié)基本概念理想氣體狀態(tài)方程P一氣體絕對(duì)壓力，PaV—?dú)怏w體積,M3m—?dú)怏w質(zhì)量，kgM—摩爾氣體質(zhì)量，kgR—普適氣體常數(shù),N·M/kg·Kr——熱力學(xué)溫度開(kāi)爾文，K13第一節(jié)基本概念當(dāng)溫度T為常量時(shí)，pV=常量在一定溫度條件下，一定量的理想氣體的體積與壓力成反比，而密度與壓力成正比。14第一節(jié)基本概念當(dāng)壓力p為常量時(shí)，V/T=常量當(dāng)壓力p為定值時(shí)，一定量的理想氣體的體積與溫度成正比，而密度與溫度成反比。15第一節(jié)基本概念當(dāng)體積V為常量時(shí)，p/T=常量當(dāng)體積V為定值時(shí)，一定量的理想氣體的壓力與溫度成正比。16第一節(jié)基本概念四、壓力計(jì)量單位標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（物理大氣壓）也稱物理大氣壓，其符號(hào)位atm。它是指溫度為0℃，重力加速度9.80665m/s2時(shí)，760mm高水銀所產(chǎn)生的壓強(qiáng)。工程大氣壓一個(gè)工程大氣壓為1kgf/cm2，表示1kgf垂直均勻地作用在1cm2上產(chǎn)生的壓力。17第一節(jié)基本概念毫米汞柱其符號(hào)單位為mmHg。1毫米汞柱是指溫度為0℃，重力加速為9.80665m/s2時(shí)，1mm高水銀所產(chǎn)生的壓強(qiáng)。毫米水柱其符號(hào)單位為mmH2O。1毫米水柱是指溫度為4℃，重力加速為9.80665m/s2時(shí)，1mm高水柱所產(chǎn)生的壓強(qiáng)。巴其符號(hào)為Bar。1Bar=1000mBar=103dyn/cm2。18第一節(jié)基本概念以上單位與帕的轉(zhuǎn)換關(guān)系1atm=1.01325×105Pa1kgf/cm2=9.80665×104Pa1mmHg=1.333224×102Pa1mmH2O=9.80665Pa1Bar=1×105Pa19第一節(jié)基本概念請(qǐng)給下面這些單位按照大小排順序：Pa、bar、mmH2O、mmHg、atm、kgf/cm220第一節(jié)基本概念由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科研和計(jì)量部門使用的壓力計(jì)量?jī)x器儀表品種繁多，測(cè)量范圍廣泛，又由于儀表使用環(huán)境條件及要求的多樣性，所以壓力計(jì)量?jī)x器儀表分類的方法也多種多樣。一般情況下，可以根據(jù)儀表的工作原理、準(zhǔn)確度等級(jí)、測(cè)量范圍和顯示方法來(lái)分類。五、壓力計(jì)量?jī)x器儀表的分類21第一節(jié)基本概念按工作原理：液柱式、彈性式、活塞式及電測(cè)式等按被測(cè)壓力種類：壓力表、氣壓計(jì)、真空計(jì)和真空表等；按被測(cè)壓力范圍：微壓（10kPa以下），低壓（10～250kPa），中壓（250kPa～100MPa），高壓（100MPa～1000MPa）和超高壓（1000MPa以上）22第二節(jié)液柱式壓力計(jì)液體式壓力計(jì)又稱液柱式壓力計(jì)，它是基于流體靜力學(xué)原理，利用液柱自重產(chǎn)生的壓力去平衡未知壓力的方法來(lái)測(cè)量壓力的儀表。常用的液體壓力計(jì)有：U形壓力計(jì)（雙管）單管（杯形）壓力計(jì)傾斜式微壓計(jì)補(bǔ)償式微壓計(jì)水銀氣壓計(jì)鐘罩式壓力計(jì)。23第二節(jié)液柱式壓力計(jì)24U型管P2P1h1h20第二節(jié)液柱式壓力計(jì)25第二節(jié)液柱式壓力計(jì)26假設(shè)被測(cè)的介質(zhì)為氣體，可忽略被測(cè)介質(zhì)的高度形成的靜壓值。根據(jù)流體靜力學(xué)原理可得：P2P1U型管h1h2026第二節(jié)液柱式壓力計(jì)P2P1h1h20已知大氣壓強(qiáng)P2為1.01×105Pa，測(cè)量讀數(shù)h1=h2=20mm，求被測(cè)壓力P1？（已知g=9.8m/s2，介質(zhì)為水）27直管PdPxh1h2第二節(jié)液柱式壓力計(jì)28第二節(jié)液柱式壓力計(jì)29因?yàn)锳1、A2為常數(shù)，這樣可通過(guò)一次讀數(shù)進(jìn)行壓差測(cè)量。當(dāng)A2/A1很小時(shí)，h1可忽略，公式簡(jiǎn)化為：

PdPx直管h1h2當(dāng)精密測(cè)量時(shí)，h1不可忽略。為了方便讀數(shù)，也可使用特制的專用標(biāo)尺。29第二節(jié)液柱式壓力計(jì)L—標(biāo)尺長(zhǎng)度H—實(shí)際液柱高度D—儲(chǔ)液杯內(nèi)徑d—示值管內(nèi)徑30例：目前，醫(yī)療界大量使用的臺(tái)式血壓計(jì)是典型杯形壓力計(jì)。苴示值管內(nèi)徑為3.3mm，儲(chǔ)汞瓶?jī)?nèi)徑為16.5mm。設(shè)工作壓力為40kPa，t=20℃，求特制標(biāo)尺刻度長(zhǎng)度及分度值為0.5kPa時(shí)的分度值寬度。第二節(jié)液柱式壓力計(jì)31P2斜管h1h2L第二節(jié)液柱式壓力計(jì)32第二節(jié)液柱式壓力計(jì)33P1P2斜管h1h2L主要用于測(cè)量微小的壓力、負(fù)壓和壓差。為了減少讀數(shù)的相對(duì)誤差，拉長(zhǎng)液柱，將測(cè)量管傾斜放置。

33第二節(jié)液柱式壓力計(jì)在溫度恒定、工作液不改變的情況下，管子的傾斜度越小，壓力測(cè)量范圍也越小，對(duì)垂直高度的液柱差的放大倍數(shù)就越大，從而提高了讀數(shù)精度。34第二節(jié)液柱式壓力計(jì)35第二節(jié)液柱式壓力計(jì)傾斜式微壓計(jì)管子的傾斜角通常不小于15度，是為了避免管內(nèi)由于自由表面拉得長(zhǎng)而沖散，反而導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確。工作介質(zhì)常采用酒精。36第二節(jié)液柱式壓力計(jì)（1）U形管壓力計(jì)的結(jié)構(gòu)原理是什么？（2）一臺(tái)杯形液體壓力計(jì)測(cè)量管內(nèi)徑為4mm，杯內(nèi)徑為80mm，求測(cè)量壓力為500mmHg時(shí)，修正后標(biāo)尺高度是多少？思考題37第三節(jié)彈簧式壓力表1概述原理：彈性壓力表是利用各種不同形狀彈性感壓元件在被測(cè)壓力的作用下，產(chǎn)生彈性變形制成的測(cè)壓儀表。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固可靠、測(cè)壓范圍廣、使用方便、造價(jià)低廉、有足夠的精度，可遠(yuǎn)傳常用彈性壓力表：彈簧管式波紋管式膜片（盒）式38第三節(jié)彈簧式壓力表39第三節(jié)彈簧式壓力表40第三節(jié)彈簧式壓力表41Px彈簧管壓力表由彈簧管，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，指示機(jī)構(gòu)及表殼組成。41第三節(jié)彈簧式壓力表42第三節(jié)彈簧式壓力表43假設(shè)被測(cè)壓力大于外界大氣壓力，產(chǎn)生短軸變長(zhǎng)，長(zhǎng)軸變短的彈性形變，使管子在彎曲方向上的剛度增大，自由端向管子伸直的方向運(yùn)動(dòng)。管子的位移變動(dòng)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變成中心齒輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生讀數(shù)。R1R243第三節(jié)彈簧式壓力表彈性元件的彈性后效和彈性遲滯往往是同時(shí)產(chǎn)生的。由于它們的存在，造成了彈性式壓力表的主要示值誤差；彈簧管的殘余變形指在外力作用消失后，長(zhǎng)時(shí)間彈簧管不能恢復(fù)到原來(lái)的形狀和尺寸的現(xiàn)象。彈性元件殘余變形的存在，將導(dǎo)致壓力儀表表示值的失靈、失準(zhǔn)或示值不穩(wěn)定現(xiàn)象。44第三節(jié)彈簧式壓力表彈簧式壓力管的允許誤差計(jì)算一般壓力表準(zhǔn)確度及允差精密壓力表準(zhǔn)確度及允差45例1：一只0-40MPa的2.5級(jí)壓力表，其允許基本誤差是多少？例2：一只-0.1-0.15MPa的1級(jí)壓力表，其允許基本誤差是多少？第三節(jié)彈簧式壓力表例3：一只20-60MPa的2.5級(jí)壓力表，其允許基本誤差是多少？46第三節(jié)彈簧式壓力表波紋管壓力計(jì)波紋管：開(kāi)口端固定，封閉端的位移作為輸出，由于波紋管的位移相對(duì)較大，故靈敏度高，常用于測(cè)量較低的壓力，精度等級(jí)1.5級(jí)。47第三節(jié)彈簧式壓力表48第三節(jié)彈簧式壓力表膜片式壓力計(jì)膜片：使用時(shí)周邊夾緊，測(cè)低壓、微壓。將兩塊膜片沿周邊對(duì)焊起來(lái)，形成一膜盒，膜盒式微壓計(jì)通常用于測(cè)量爐膛和煙道尾部負(fù)壓。精度等級(jí)為2.5，最高可達(dá)1.5級(jí)。PxPxPxPx平薄片波紋片膜盒49第四節(jié)活塞式壓力計(jì)50活塞式壓力計(jì)具有量程寬、準(zhǔn)確度高、使用方便等特點(diǎn)，在科研單位及計(jì)量部門有廣泛的應(yīng)用。活塞活塞筒PF為使活塞恢復(fù)到平衡位置，需要加上質(zhì)量為m的砝碼活塞式壓力計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度主要由活塞有效面積的測(cè)量不確定度決定50第四節(jié)活塞式壓力計(jì)根據(jù)測(cè)量范圍不同，活塞式壓力計(jì)有多種結(jié)構(gòu)形式：帶簡(jiǎn)單活塞的壓力計(jì)---測(cè)量中高壓；單活塞式壓力真空計(jì)---測(cè)量壓力和疏空帶平衡液柱活塞式壓力計(jì)---測(cè)量范圍寬，可以從零開(kāi)始出來(lái)壓力；雙活塞式壓力真空計(jì)---可以從零開(kāi)始測(cè)量；51第四節(jié)活塞式壓力計(jì)直接加荷式這種壓力計(jì)特點(diǎn)是：負(fù)荷直接作用于活塞上?；钊到y(tǒng)有效面積均為1cm2，量程為0.1～10MPa。目前我國(guó)生產(chǎn)的活塞式壓力計(jì)，測(cè)量上限在25MPa以下的均采用直接加荷式52第四節(jié)活塞式壓力計(jì)間接加荷式這種壓力計(jì)適用于測(cè)量上限高于25MPa的中、高壓活塞式壓力計(jì)。采用間接加荷是為了保護(hù)直徑較細(xì)的活塞在高壓下不致產(chǎn)生彎曲變形。53第四節(jié)活塞式壓力計(jì)單活塞壓力真空計(jì)測(cè)量范圍：表壓力：0-0.25Mpa疏空：-0.01-0Mpa54第五節(jié)壓力傳感器及其應(yīng)用在壓力檢測(cè)技術(shù)中，傳感器因其準(zhǔn)確度高，安全可靠，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，能遠(yuǎn)程傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，在很多場(chǎng)合下已取代傳統(tǒng)的壓力儀表。一、傳感器的原理55第五節(jié)壓力傳感器及其應(yīng)用能將力轉(zhuǎn)換為電壓的傳感器—壓電傳感器56第五節(jié)壓力傳感器及其應(yīng)用二、傳感器的特性1.靈敏度：靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)下輸出變化值與輸入變化值之比，用K來(lái)表示：

57第五節(jié)壓力傳感器及其應(yīng)用作圖法求曲線上某一指定點(diǎn)的靈敏度過(guò)程xyx1ΔxΔy0切點(diǎn)傳感器特性曲線58第五節(jié)壓力傳感器及其應(yīng)用2.分辨力

指?jìng)鞲衅髂軝z出被測(cè)信號(hào)的最小變化量。當(dāng)被測(cè)量的變化小于分辨力時(shí)，傳感器對(duì)輸入量的變化無(wú)任何反應(yīng)。對(duì)數(shù)字儀表而言，如果沒(méi)有其他附加說(shuō)明，可以認(rèn)為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。一般地說(shuō)，分辨力的數(shù)值小于儀表的最大絕對(duì)誤差。59第五節(jié)壓力傳感器及其應(yīng)用3.線性關(guān)系：人們總是希望傳感器的輸入與輸出的關(guān)系成正比，即線性關(guān)系。這樣可使顯示儀表的刻度均勻，在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)具有相同的靈敏度。如果傳感器的輸入與輸出的關(guān)系為非線性關(guān)系，可以用計(jì)算機(jī)予以糾正。60第五節(jié)壓力傳感器及其應(yīng)用傳感器輸入輸出的線性關(guān)系與

非線性關(guān)系的比較61第五節(jié)壓力傳感器及其應(yīng)用4.遲滯現(xiàn)象遲滯是指?jìng)鞲衅髡蛱匦院头聪蛱匦缘牟灰恢鲁潭?，用?jì)算機(jī)逐點(diǎn)測(cè)量得到的某傳感器遲滯特性示意圖62第五節(jié)壓力傳感器及其應(yīng)用一、電阻應(yīng)變式壓力傳感器63原理：電阻的尺寸例如電阻的長(zhǎng)度、橫截面積發(fā)生變化將引起電阻的變化。電阻的電阻率發(fā)生變化也將引起電阻阻值的變化。分類：①應(yīng)變片：受壓時(shí)，電阻的尺寸L、S發(fā)生變化，引起電阻的變化。