《熱工測量與節(jié)能控制》課件-項目四 壓力測量

第四章

壓力測量基本概念國際單位制(SI)中定義1N的力垂直均勻地作用在1m2面積上所形成的壓力為一個帕斯卡，簡稱帕，符號為Pa。工程技術(shù)界廣泛使用的壓力單位主要有工程大氣壓、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、毫米汞柱、毫米水柱等。常用的幾種壓力單位與帕之間的換算關(guān)系為：?

1kgf／cm2

=9.807×104Pa?

1atm=1.013×105Pa?

1mmHg=1.332×102Pa?

1mmH2O=9.807Pa?

1MPa=106Pa基本概念絕對壓力：以絕對真空為計值零點的壓力稱為絕對壓力。相對壓力：以環(huán)境大氣壓力為計值零點所得的壓力稱為相對壓力。各種普通壓力表的指示值都是相對壓力，所以相對壓力也稱為表壓力，簡稱表壓。真空度：如果容器或管道里的流體比外界環(huán)境大氣壓力低，表壓就為負(fù)值，這種情況下的表壓稱為真空度，意即接近真空的程度?；靖拍畹谝还?jié)

液柱式壓力表一、液柱式壓力表測壓原理液柱式壓力表是利用液柱所產(chǎn)生的壓力與被測壓力平衡，并根據(jù)液柱高度來確定被測壓力大小的壓力計。所用液體叫做封液，常用的有水、酒精、水銀等。常用的液柱式壓力計有U型管壓力計、單管壓力計和斜管微壓計。它們的結(jié)構(gòu)形式如圖4-1所示。第一節(jié)

液柱式壓力表第一節(jié)

液柱式壓力表p

?

p

=

gh(ρ

?

ρ

)

+

gH(ρ

?

ρ

)U型管壓力計12121p

?

p

=

gh(ρ

?

ρ

)ρ1

=

ρ當(dāng)時，式(5-2)可簡化為2121p

?

p

=

gh

ρ若

ρ

=

ρ

，且ρ

>>

ρ

，則有12112p

?

p

=

g(ρ

?

ρ

)×(1+

F

/

F

)h單管壓力計兩側(cè)壓力121212p

?

p

=

gρh>>ρ

>>

ρF

，且

則2若

F11122斜管微壓計兩側(cè)壓力和液柱長度的關(guān)系可表示為p

?

p

=

gρl

sinα12第一節(jié)

液柱式壓力表二、液柱式壓力計的測量誤差及其修正１.環(huán)境溫度變化的影響環(huán)境溫度偏離規(guī)定溫度20℃后，封液密度改變對壓力計讀數(shù)影響的修正公式為h=h20[1+β(t

?20)]第一節(jié)

液柱式壓力表２.毛細(xì)管現(xiàn)象造成的誤差一般要求，封液為酒精時管子內(nèi)徑d≥3mm；封液為水或水銀時d≥8mm。讀數(shù)時，眼睛應(yīng)與封液彎月面的最高點或最低點持平，并沿切線方向讀數(shù)。U型管壓力計和單管壓力計都要求垂直安裝，否則將會帶來較大誤差。第二節(jié)

彈性式壓力表以壓力與彈力相平衡為基礎(chǔ)的壓力測量方法叫彈性式壓力計。常用的彈性元件有彈簧管、膜片、膜盒和波紋管，相應(yīng)的壓力測量工具有彈簧管壓力計、膜片式壓力計、膜盒式壓力計和波紋管式壓力計及膜片式、膜盒式、波紋管式壓差計。彈性元件變形產(chǎn)生的位移較小，往往需要把它變換為指針的角位移或電信號指示壓力的大小。第二節(jié)

彈性式壓力表一、彈簧管壓力計圖4-2所示單圈彈簧管壓力計，由彈簧管、齒輪傳動機(jī)構(gòu)指針、刻度盤等部分組成。圖4-2

單圈彈簧管壓力計1-彈簧管；2-固定端；3-接頭；4-拉桿；5-扇形齒輪；6-中心齒輪；7-指針；8-游絲第二節(jié)

彈性式壓力表彈簧管是彈簧管壓力計的主要元件。各種形式的彈簧管如圖4-3所示。單圈彈簧管自由端的位移量不能太大，一般不超過2～5mm。為了提高彈簧管的靈敏度，增加自由端的位移量，可采用S形彈簧管或螺旋形彈簧管。圖4-3

彈簧管及其橫截面(a)單圈彈簧管；(b)盤旋多圈彈簧管；(c)S形彈簧管；(d)螺旋多圈彈簧管第二節(jié)

彈性式壓力表單圈彈簧管壓力表的精度，普通的是1～4級，精密的是0.1～0.5級。測量范圍從真空到109Pa。為了保證彈簧管壓力表的指示正確和能長期使用，應(yīng)使儀表工作在正常允許的壓力范圍內(nèi)。對于波動較大的壓力，儀表的示值應(yīng)經(jīng)常處于量程范圍的1／2附近；被測壓力波動小，儀表示值可在量程范圍的2／3左右，但被測壓力值一般不應(yīng)低于量程范圍的1／3。另外，還要注意儀表的防振、防爆、防腐等問題，并要定期校驗。第二節(jié)

彈性式壓力表二、膜片式壓力計與膜盒式壓力計膜片式壓力計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，膜盒式壓力計常用于測量氣體的微壓和負(fù)壓。它們的敏感元件分別是膜片和膜盒，膜片和膜盒的形狀如圖4-4

膜片和膜盒(a)波紋膜片；(b)波紋膜盒；(c)波紋管第二節(jié)

彈性式壓力表圖4-5

膜片式壓力計工作原理1-彈性膜片；2-推桿；3-連桿；4-扇形齒輪；5-中心齒輪；6-指針圖4-6

膜盒式壓力計工作原理1-調(diào)零螺釘；2-架體；3-刻度盤；4-膜盒；5-指針；6-調(diào)零板；7-限位螺釘；8-弧形連桿9-雙金屬片；10-軸；11-杠桿架；12-連桿；13-指針軸；14-杠桿；15-游絲；16-接口；17-導(dǎo)壓管第二節(jié)

彈性式壓力表三、波紋管式壓差計波紋管是外周沿軸向有深槽形波紋狀皺褶，而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。為了改善儀表性能，提高測量精度，便于改變儀表量程，實際應(yīng)用時波紋管常和剛度比它大幾倍的彈簧結(jié)合起來使用。這時，性能主要由彈簧決定。波紋管式壓差計以波紋管為感壓元件來測量壓差信號，有單波紋管和雙波紋管兩種，主要用作流量和液位測量的顯示儀表。圖4-7是單波紋管式壓差計結(jié)構(gòu)原理圖。高壓端與波紋管外部的容器相通，低壓端接入波紋管內(nèi)部。由于波紋管外部壓力大于內(nèi)部壓力，波紋管將壓縮并帶動磁棒下移。磁棒的移動使電磁傳感器輸出相應(yīng)電信號，并經(jīng)放大器放大后輸出。這種壓差計最大工作壓力為0.025MPa，壓差測量范圍為1000～4000Pa。測量精確度為1.5級。圖4-7

單波紋管式壓差計結(jié)構(gòu)原理圖1-波紋管；2-彈簧；3-支架；4-磁棒；5-套管；6-電磁傳感器；7-放大器第二節(jié)

彈性式壓力表圖4-8是一種雙波紋管壓差計的結(jié)構(gòu)原理圖。這種壓差計的最大工作壓力可達(dá)32MPa，壓差測量范圍為0.04～0.16MPa。測量精確度為1～1.5級。由圖可見，壓差的高壓端引入儀表左面容器，低壓端引入右面容器。左右兩個波紋管內(nèi)均充滿工作液體(67%水和33%甘油)，并有小孔相通。左面波紋管上連有一個作為溫度補(bǔ)償器的波紋短管，管內(nèi)也充有工作液體，并有小孔與左面波紋管相通。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，工作液體能經(jīng)小孔流入或流出波紋短管。四、彈性壓力計的誤差及改善途徑1)采用無遲滯誤差或遲滯誤差極小的“全彈性”材料和溫度誤差很小的“恒彈性”材料制造彈性元件，如合金Ni42CrTi、Ni36CrTiA是用得較廣泛的恒彈性材料，熔凝石英是較理想的全彈性材料和恒彈性材料。2)采用新的轉(zhuǎn)換技術(shù)，減少或取消中間傳動機(jī)構(gòu)，以減少間隙誤差和摩擦誤差，如電阻應(yīng)變轉(zhuǎn)換技術(shù)。3)限制彈性元件的位移量，采用無干摩擦的彈性支承或磁懸浮支承等.4)采用合適的制造工藝，使材料的優(yōu)良性能得到充分的發(fā)揮。第三節(jié)

電氣式壓力計及變送器一、壓阻式壓力傳感器電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形，它的幾何尺寸和電阻率都會發(fā)生變化，從而引起電阻值變化。lR

=

ρA對式(4-8)求微分并除以R，可得電阻的相對變化：dR

dρ

dl

dA=

+

?R

ρ

l

A第三節(jié)

電氣式壓力計及變送器壓阻效應(yīng)：物質(zhì)受外力作用，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象叫壓阻效應(yīng)。壓阻式壓力傳感器：利用壓阻效應(yīng)測量壓力的傳感器。一般意義上說的壓阻式壓力傳感器可分兩種類型，一類是利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成粘貼式的應(yīng)變片，作為測量中的變換元件，與彈性敏感元件一起組成粘貼型壓阻式壓力傳感器，或叫應(yīng)變式壓力傳感器；另一類是在單晶硅基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，此基片既是壓力敏感元件，又是變換元件，這類傳感器叫做擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器，通常也簡稱作壓阻式壓力傳感器或固態(tài)壓力傳感器。第三節(jié)

電氣式壓力計及變送器擴(kuò)散電阻在基片上的位置應(yīng)使得基片感受壓力時，一組相對臂的電阻增加，而另一組相對臂的電阻減小。根據(jù)薄板彎曲理論，四周固定的圓形平膜片受壓彎曲時，各點的徑向應(yīng)力如圖4-9所示。一般應(yīng)沿壓阻系數(shù)最大的晶向擴(kuò)散電阻，以提高傳感器的靈敏度。第三節(jié)

電氣式壓力計及變送器為了把電阻的變化方便地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂娏鞯淖兓?，通常在基片上擴(kuò)散4個電阻,如圖4-10所示，組成一個不平衡電橋。第三節(jié)

電氣式壓力計及變送器如圖4-11所示，電橋的電源為恒流源I0，R為各擴(kuò)散電阻的初值，ΔR

為它們在壓力作用下電阻的變化量。電橋的輸出為U

=

I0ΔR第三節(jié)

電氣式壓力計及變送器壓阻式壓力傳感器的靈敏度高，比金屬絲式應(yīng)變片的靈敏度大50～100倍；精度高，可達(dá)0.1％～0.02％；頻率響應(yīng)好，可測量300～500kHz以下的脈動壓力，工作可靠，耐沖擊，耐振動，抗干擾；可微型化、智能化，功耗小，壽命長，易批量生產(chǎn)。但電橋供電電源的精度和穩(wěn)定性對其輸出電壓有較大影響。二、電容式壓力傳感器電容器的電容量由它的兩個極板的大小、形狀、相對位置和電介質(zhì)的介電常數(shù)決定。如果一個極板固定不動，另一個極板感受壓力，并隨著壓力的變化而改變極板間的相對位置，電容量的變化就反映了被測壓力的變化。圖4-12電容式壓力傳感器的原理示意圖第三節(jié)

電氣式壓力計及變送器εA平板電容器的電容量為C

=d若電容的動極板感受壓力產(chǎn)生位移，則電容量將隨之改變，其變化量為ε

A

ε

A

Δd

?

Δd

d

1?

Δd

/

dd

/

dΔC

=?

=

C當(dāng)Δd

/

d

<<1

時，電容量的變化量與位移增量成近似的線性關(guān)系ΔdΔC

=

Cd第三節(jié)

電氣式壓力計及變送器為了保證電容式壓力傳感器近似線性的工作特性，測量時必須限制動極板的位移量。為了提高傳感器的靈敏度和改善其輸出的非線性，實際應(yīng)用的電容式壓力傳感器常采用差動形式，使感壓動極板在兩個靜極板之間，當(dāng)壓力改變時，一個電容的電容量增加，另一個的電容量減少，靈敏度可提高一倍，而非線性也可大為降低。常見的電容式壓差傳感器的結(jié)構(gòu)型式如圖4-13所示。圖4-13

電容式壓差傳感器第三節(jié)

電氣式壓力計及變送器電容式壓力壓差傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，所需輸入能量小，沒有摩擦，靈敏度高，動態(tài)響應(yīng)好，過載能力強(qiáng)，自熱影響極小，能在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點，近年來受到了重視。影響電容式壓力傳感器測量精度的主要因素是線路寄生電容、電纜電容和溫度、濕度等外界干擾。三、霍爾壓力變送器霍爾壓力變送器是利用霍爾效應(yīng)，把壓力作用下所產(chǎn)生的彈性元件的位移信號轉(zhuǎn)變成電勢信號，通過測量電勢測量壓力。如圖4-14所示，把半導(dǎo)體單晶薄片置于磁場中，當(dāng)在晶片的橫向上通以一定大小的電流時，在晶片的縱向的兩個端面上將出現(xiàn)電勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢稱霍爾電勢，這個半導(dǎo)體薄片稱霍爾片。穩(wěn)定的霍爾電勢V

=

K

IBHH第三節(jié)

電氣式壓力計及變送器圖4-15為一種霍爾壓力變送器工作原理圖。被測壓力等于0時，霍爾元件平衡，當(dāng)輸入壓力是正壓時，霍爾元件向上運動；當(dāng)輸入壓力是負(fù)壓時，霍爾元件向下運動，此時輸出的霍爾電勢正負(fù)也隨之發(fā)生變化。圖4-15

霍爾壓力變送器1-管接頭；2-基座；3-膜盒；4-推桿；5-杠桿；6-霍爾元件；7-磁鐵第四節(jié)

壓力表的校驗選擇及安裝一、壓力表的選擇選擇壓力表應(yīng)根據(jù)被測壓力的種類(壓力、負(fù)壓或壓差)、被測介質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)和用途(標(biāo)準(zhǔn)、指示、記錄和遠(yuǎn)傳等)以及生產(chǎn)過程所提出的技術(shù)要求，同時應(yīng)本著既滿足測量精確度、又經(jīng)濟(jì)的原則，合理地選擇壓力表的型號、量程和精度等級。被測壓力較穩(wěn)定的情況下，其最高壓力值不應(yīng)超過儀表量程的2／3；若被測壓力波動較大，其最高壓力值應(yīng)低于儀表量程的l／2。為了保證實際測量的精度，被測壓力最小值不低于儀表量程的l／3。對某些特殊的介質(zhì)，如氧氣、氨氣等則有專用的壓力表。第四節(jié)

壓力表的校驗選擇及安裝二、壓力表的安裝1測壓點的選擇所選擇的測壓點能反映被測壓力的真實情況。（1）要選在被測介質(zhì)直線流動的管段部分，不要選在管路拐彎、分叉、死角或其它易形成漩渦的地方。（2）測量流動介質(zhì)的壓力時，應(yīng)使取壓力點與流動方向垂直，清除鉆孔毛刺。（3）在管道中遇到有其他實物時（如測溫元件，調(diào)節(jié)閥等）取壓口應(yīng)放在其他物件之前，若必須在其后時，則其間距務(wù)必大于3倍的管道直徑。（4）測量液體壓力時，取壓點應(yīng)在管道下部，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存氣體，測量氣體時，取壓點應(yīng)在管道上方，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存液體。第四節(jié)

壓力表的校驗選擇及安裝5)取壓口與壓力表之間應(yīng)加裝隔離閥，以備檢修壓力表用。6)對水平敷設(shè)的壓力信號導(dǎo)管應(yīng)有3％的坡度，以便排除導(dǎo)管內(nèi)積水(當(dāng)被測介質(zhì)為氣體時)或積汽(當(dāng)被測介質(zhì)為水時)。信號導(dǎo)管長度一般不超過50m，內(nèi)徑為6～10mm，可以減少測量滯后。第四節(jié)

壓力表的校驗選擇及安裝2導(dǎo)壓管鋪設(shè)（1）導(dǎo)壓管粗細(xì)合適，一般內(nèi)徑6～10mm，長度3～5m。（2）當(dāng)被測介質(zhì)易冷凝或凍結(jié)時，必須加保溫伴熱管線。（3）取壓口到壓力表之間應(yīng)裝切斷閥，應(yīng)靠近取壓口。第四節(jié)

壓力表的校驗選擇及安裝3壓力表的安裝（1）壓力表應(yīng)安裝在易觀察和檢修的地方。（2）安裝地點應(yīng)力求避免振動和高溫影響。（3）測量蒸汽壓力時應(yīng)加裝凝液管，以防止高溫蒸汽直接和測壓元件接觸；對于有腐蝕介質(zhì)時，應(yīng)加裝充有中性介質(zhì)的隔離罐等。總之，針對具體情況（如高溫、低溫、腐蝕、結(jié)晶、沉淀、粘稠介質(zhì)等），采取相應(yīng)的防護(hù)措施。（4）壓力表的連接處應(yīng)加裝密封墊片，一般低于80℃及2MPa壓力用石棉紙板或鋁片，溫度及壓力更高時（50MPa）用退火紫銅或鉛墊。另外還要