材料加工测试技术-04-基本参量测量课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,*,材料加工测试技术,张占领,河南科技大学材料学院,材料加工测试技术 张占领,主要讲温度的测量；介绍流体压力的测量、流体流量的测量。,第四章 基本参量的测量,主要讲温度的测量；介绍流体压力的测量、流体流量,4.1.1 温度和温标,1）温度：度量物体热平衡状态下冷热程度的物理量，本质是物体内部微粒无规则运动的平均动能。,不能直接测量，属于特殊量,。,七个基本物理量：,长度m；质量kg；时间s；电流A；热力学温度K；物质的量mol；发光强度cd（坎德拉，一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为0.54010,12,Hz的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1/683瓦特每球面度。0.54010,12,Hz辐射波长约为555nm，是人眼感觉最灵敏的波长。）,2）温标：衡量温度高低的标尺，用某些物质的相平衡温度定义。,一、经验温标：摄氏0-100，华氏32-212，列示0R-80R。,二、热力学温标：273.16 K对应0,三、国际温标：代号T90，单位K，与摄氏温标值基本一致，少用,4.1 温度的测量,4.1.1 温度和温标4.1 温度的测量,3）温标的传递,计量体系，计量局,4）测温方法和分类,接触式：传导、对流；,非接触式：热辐射。动态响应快，特殊场合，范围宽；中间介质影响，需要修正。,4.1.1 温度和温标,3）温标的传递4.1.1 温度和温标,4.1.2 接触法测温,常用的测温方法、测温范围，,表4-1,一、利用体积变化：温度转换成非电量，简单、方便，人工测温。,二、温度变化转换成电量：电阻、电压、热电势，应用广泛。,1）热电阻测温,（1）金属热电阻测温：,常用的铂、铜、镍，以及低温测量通用的铑铁、铂钴，测温原理、特性及温度范围见第三章。,表4-1,.,一、按准确度等级分类,铂标准化热电偶（低于961.75），工业用标准化热电偶,铂热电阻误差：A级,(0.15+0.002,t,)；B级,(0.3+0.005,t,),铜热电阻误差：,(0.3+6,1,0,-3,t),二、按结构分类,线绕型：有2-4根引出线,铠装型：封装在不锈钢管内,薄膜型：铂膜，依附在基极上，测表面温度,4.1.2 接触法温度,4.1.2 接触法测温 常用的测温方法、测温范围，表4-1,4.1.2 接触法温度,4.1.2 接触法温度,4.1.2 接触法温度,4.1.2 接触法温度,主要参数：,一、百度电阻比：百度电阻比,二、温度系数：,三、初始电阻,0时的电阻R,0,.,分度号：与初始电阻阻值相应的阻值与温度关系的分度表。Cu53（R,0,=53,），Pt100（R,0,=100,）,四、测量电流：最大值6mA。,五、时间常数,反映热电阻阻值随温度变化的惯性，与电阻的体积、保护套管、被测对象对热电阻的传热情况等有关。通常工业用热电阻的时间常数达几分钟，铂热电阻的有几十秒，铠装铂热电阻的有3-15秒。,4.1.2 接触法温度,主要参数：4.1.2 接触法温度,（2）半导体热敏电阻测温,NTC负温度系数，PTC正温度系数，CTR开关型,一、结构形式：片状，杆状，线状，珠状，薄膜状,二、主要参数：由工艺决定的常数B,n,(p25)，材料常数B,p,(p26)，温度系数,(NTC热敏电阻温度系数,n,， PTC温度系数,p,(p26),标称电阻R,25,：25时的热敏电阻阻值,时间常数,：反映热敏电阻随温度变化的热惯性，与比热C、耗散系数H有关。,耗散系数H：热敏电阻温度变化1所耗散的功率，W/。,转变点温度Tc：PTC、CTR曲线上的拐点温度。,三、测温误差,基本误差：与热电阻材料的纯度、成分、工艺、结构等有关。,附加误差：测量电流使热电阻升温；引线电阻随温度变化(要求小于Cu电阻R,0,的0.2%，小于Pt电阻R,0,的0.12%)。用三线制，四线制。,4.1.2 接触法温度,（2）半导体热敏电阻测温4.1.2 接触法温度,2）,PN,结电压测温,（1）原理和特性,电流通过PN结时的正向压降U,D,与温度T的关系：,J：正向电流密度；J,s,：PN结反向饱和电流密度；k：波尔兹曼常数；q：电子电荷。,(4-3),：,J,s,一定时，保持J不变，则 ，即U,D,与T呈线性关系。,4.1.2 接触法温度,2）PN结电压测温4.1.2 接触法温度,（2）类型,一、单晶体管温度传感器,利用三极管基极b和射极e间PN结电压U,be,和温度T的关系来测温。,（4-5）,C为常数,p117,特点：,结构简单，成本低，功耗小，响应快；灵敏度不稳定，,失调电压,大(为使运算放大器输出端为0V或接近0V所需加于两输入端间的补偿电压)，互换性差，稳定性不佳。,二、集成温度传感器,感受温度的晶体管、放大电路、电源、线性化电路等制作在同一芯片上。,特点：,灵敏度高，灵敏度与偏置电流无关，抗干扰；但成本高。,4.1.2 接触法温度,（2）类型4.1.2 接触法温度,3）热电偶测温,利用“热电偶的热电势”,与“,两结点的温度”之间的关系来测温。,特点：,一、测温精度高，测温范围宽（4 3000K）；,二、热电势-温度特性稳定，复现性好；,三、质量小，热容量小，时间常数小，动态响应速度快；,四、结构简单、便于维修；,五、易于实现远距离温度测量和温度控制。,（1）热电偶材料,任何两种材料的热电极都可以配成热电偶。但要满足热电性能好、测量灵敏度高、物理性质良好、物理化学性能稳定、测温范围宽及机械加工性能好等条件，,很难,。,常用的材料有铜、铁、铂、铂铑合金和镍铬合金等。,4.1.2 接触法温度,3）热电偶测温4.1.2 接触法温度,（2）热电偶的类型,一、标准化热电偶,生产工艺成熟，能成批生产，性能稳定，应用广泛，具有统一的分度表，并已列入国际专业标难中的热电偶。,国际电工委员会(IEC)制定的热电偶标准包括热电偶的分度表、分度公式和热电势对其分度表的允许偏差。,8种标准热电偶的型号标志：,S、R、B、K、N、E、J、T。,又称,字母标志热电偶,。,热电偶分级和允许偏差：,表4-2,标难化热电偶的主要性能特点：表4-3，p118。,二、非标准化热电偶,为了测量更高的温度，或为了改善稳定性等要求，人们不断地研制新型热电偶。未标准化的热电偶及其主要特点见表4-4，p120.,4.1.2 接触法温度,（2）热电偶的类型4.1.2 接触法温度,4.1.2 接触法温度,4.1.2 接触法温度,（3）热电偶的结构形式,根据自身结构分：装配式、铠装式、消耗式、薄膜式等；,根据用途分：表面式，快速式，多点式，测量气体用热电偶等。,一、装配式热电偶：又称普通工业用热电偶。,要求：两电极间电气绝缘，热电极不受有害物质侵蚀，热接触良好，便于安装。,4.1.2 接触法温度,（3）热电偶的结构形式4.1.2 接触法温度,4.1.2 接触法温度,4.1.2 接触法温度,只要两个热电极有电气接触即可测量。,4.1.2 接触法温度,只要两个热电极有电气接触即可测量。4.1.2 接触法温度,二、铠装式热电偶,由热电极、绝缘材料和金属套管三者组合加工而成的一条电缆式的整体线材。,特点：,时间常数小，响应速度快；体积小，热容量小，能够较准确地测量小物体的温度；,可绕性好，易弯曲，机械性能好，在低温、高温、腐蚀性强等恶劣条件下均能安全使用；,寿命长，若测量端损坏，可截去损坏部分，重新焊接后继续使用。,4.1.2 接触法温度,二、铠装式热电偶4.1.2 接触法温度,4.1.2 接触法温度,4.1.2 接触法温度,三、消耗式热电偶,微型快速热电偶，用于测定熔融钢水、铁水和其他熔融金属温度的快速热电偶。特点：热电偶元件很小，热电极的长度仅为25 40mm，直径为0.05 0.1mm，装在外径为3mm的U形石英管内。,4.1.2 接触法温度,三、消耗式热电偶4.1.2 接触法温度,四、薄膜式热电偶,测温元件是采用真空镀膜或化学涂覆等方式制成的厚0.01 0.1,m的薄膜。,这种薄膜热电偶测温，对传热面热流与流体的影响小，响应速度极快，时间常数为,s ms级。测温范围为 -200 300。有片状、针状和薄膜状3种结构。,4.1.2 接触法温度,四、薄膜式热电偶4.1.2 接触法温度,（4）热电偶的冷端温度补偿,热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度仪表是以冷端温度为0建立的热电势与温度的关系。实际使用中，冷端往往不是0,甚至不是定值。因此，必须采取修正或补偿措施。,一、冷端恒温法,0恒温法：热电偶的冷端置于,冰水混合物中。,非0恒温法：热电偶的冷端置于,热容量较大的恒温容器中。,4.1.2 接触法温度,（4）热电偶的冷端温度补偿4.1.2 接触法温度,4.1.2 接触法温度,4.1.2 接触法温度,二、冷端温度校正法,根据热电偶中间温度定则：,二次查表法：,从分度表中查出 ,与 相加；,二次查分度表求得测量端温度T.,经验系数法：,大部分热电偶的热电特性是非线性的，直接查表修正温度有偏差。需用经验公式修正：T=Ts+K,Tn，Tn：冷端温度 ；Ts：Tn下仪表指示温度。,补偿导线法：,当热电偶的冷端与热端距离较近时，冷端温度受热端影响而变化较大，需延伸热电极至恒温环境中。但热电极材料甚贵，需寻找在低温范围热电特性与热电偶相同而廉价的金属来替代热电偶延伸热电极。此“热电极对”叫热电偶的,补偿导线,(补偿型C)。测量时还需对冷端温度进行修正。,优点：,节约贵金属热电偶，降低成本；,缺点：,增加补偿误差。常用补偿导线,表4-5,注意：,补偿导线与热电偶匹配；连接时注意极性，切勿接反；接点温度相同。,4.1.2 接触法温度,二、冷端温度校正法4.1.2 接触法温度,4.1.2 接触法温度,4.1.2 接触法温度,三、自动补偿法,在热电偶测量回路中串入一个,装置，它产生的电势随Tn的变化,正好为 。,电桥补偿法：,R,T,是温度系数较大的铜电阻,（通常设计，20时电桥平衡）,补偿热电偶法：,正向串接和反响串接效果相同,（作业）,4.1.2 接触法温度,图4-7 用补偿热电偶的测量线路,三、自动补偿法4.1.2 接触法温度图4-7 用补偿热电偶的,半导体集成温度传感器补偿法：,AD590电流型集成温度传感器,4.1.2 接触法温度,半导体集成温度传感器补偿法：4.1.2 接触法温度,（5）热电偶测温电路,热电偶测温的基本测温,电路组成：,热电偶、补偿导线、普通导线和直流电测仪表。,基本测温电路,(a),双表测量电路,(b),两个仪表显示同一温度，,现场一个，控制室一个。,要求：,仪表内阻要大，,电路中电流近似为零。,4.1.2 接触法温度,7,（5）热电偶测温电路4.1.2 接触法温度7,多支热电偶共用一台显示仪表,图(c),通过切换开关轮流显示。共用冷端补偿。,4.1.2 接触法温度,多支热电偶共用一台显示仪表,图(c)4.1.2 接触法温度,具体应用：,一、串联测温电路,图4-10(a),将多支型号相同热电偶依次按正负极相连接。,特点：,热电势大，准确度高，可检测微小的温度变化。仪表需单独分度。,注意：,各热电偶应有一致的参考端温度。,4.1.2 接触法温度,具体应用：4.1.2 接触法温度,二、并联测温电路,图4-10(b),多支型号相同的热电偶正极与正极、负极与负极分别连接。,若各热电偶的电阻平均值相近，则输出总热电势等于热电偶的热电动势的平均值。,特点：,热电势小，但相对误差,也小，仅为单支热电偶 ；,当部分热电偶发生断路时，不影,响整个测量系统的工作；适用于,测平均温度。,注意：,温度差别较大时，每支,热电偶回路需加限流电阻，以防,热电偶间互相短路。,4.1.2 接触法温度,二、并联测温电路图4-10(b)4.1.2 接触法温度,三、温差测量电路,图4-10(c),将两支同型号的热电偶反向串联：把两支热电偶的两个同极连接在一起，另两个同极接测量仪表。,注意：,大部分热电偶的热电势与温度之间不是,线性关系，因此E不直接反映温差，若想求得温,差，还需用第三支热电偶测量出T,1,或T,2,。,应用：,常用于差热分析技术中测量物质的相变,温度。,4.1.2 接触法温度,三、温差测量电路图4-10(c)4.1.2 接触法温度,（6）热电偶的测量误差,误差来源：热电偶、补偿导线、冷端处理装置、测量仪表等。,一、热电偶测温系统的主要误差,分度误差：热电偶实际热电特性与标准分度表之间的偏差,F,.,附加误差：使用环境影响造成的误差,A,如沾污使热电势变化，氧化还原使稳定性变差，高温、放射使材料挥发、元素蜕变，材料绝缘性能下降造成漏电、分流热电势的输出等。,冷端温度补偿误差：补偿导线的热电特性和测量热电偶的不完全一致，产生补偿导线误差,T,；自动补偿法中的各种补偿装置产生的补偿电势与热电偶的冷端温度变化值之间偏差,C,。,测量仪表误差：各种测量仪表精度等级不同，误差,D,接线误差：热电偶接入测量仪表后就有电流输出，引线电阻R,e,的压降使仪表的测出值存在着误差,L,二、热电偶测温系统的误差估计,系统误差：,4.1.2 接触法温度,（6）热电偶的测量误差4.1.2 接触法温度,三、热电偶的动态误差及时间常数,热电偶测量端的热惯性以及与被测物体间的传热速率有限，导致热电偶工作端与被测物体达到同一温度的时间不一致；温度变化快时，测出值跟不上被测物体的温度变化。这种误差称为,动态测量误差,。,动态误差 (T为测得温度)取决于热电偶的时间常数,和测量端温度随时间的变化率d,T,/d,t,： (4-9),时间常数,：反映测温敏感元件传热特性的一个重要参数，其大小影响测温元件的动态响应速度。,(4-10),式中：c、,、V为热电偶测量端的比热、密度、体积；,、A,0,为对流换热系数和表面积。,减小热电偶时间常数的措施：,减小测量端接点的体积，增强传热：,c、,、,V、,、,A,0,；减小套管的壁厚、内径，增大导热，减小空气间隙。,4.1.2 接触法温度,三、热电偶的动态误差及时间常数4.1.2 接触法温度,4.1.2 接触法温度,4.1.2 接触法温度,辐射测温原理：,处于绝对温度0K以上的物体都对外辐射电磁波。物体的热辐射能量Q、辐射波长,与其温度T有关。,1）辐射测温的物理基础,一、基尔霍夫定律,基尔霍夫定律：,任何物体的辐射能力与其吸收率之比是一个波长和温度的普适函数。（4-11）,基尔霍夫定律的积分形式： (4-15),T,：全发射率(比辐射率,黑度,黑度系数)；A(T)：全吸收率。,单色辐射：,（4-16）,4.1.3 辐射测温,辐射测温原理：处于绝对温度0K以上的物体都对外辐射电,二、黑体辐射定律,普朗克定律、斯蒂芬-玻耳兹曼定律和位移定律。,普朗克定律：,在半球面方向所有辐射：,(4-17),h为普朗克数，6.626176,10,-3,J,s,T较小时， （4-18）,维恩位移定律：,随温度升高，发射能量最大的那个波长的长度向短的方向移动。对式(4-17)求导：,令 ，得,（4-19）,-200 3000：,主要范围0.75 40,m。,在红外辐射区，这是,红外技术,用于测温的重要原因。,4.1.3 辐射测温,二、黑体辐射定律4.1.3 辐射测温,斯蒂芬玻耳兹曼定律,(全辐射定律、四次方定律),绝对黑体：绝对黑体每单位面积向半球方向发射的全部波长的辐射与T的四次方成正比。,（4-20）,斯蒂芬-玻耳兹曼常数,=5.6697,10,-8,W/(m,2,K,4,),灰体： （4-21）,2）辐射式测温方法和温度计,按检测被测物体所辐射的能量不同分成：,全辐射测温法,接收全部波长辐射的能量；,亮度测温法,仅接收其中某一波长辐射的能量；,比色测温法,检测其中某两个波长所辐射能量之比。,4.1.3 辐射测温,斯蒂芬玻耳兹曼定律(全辐射定律、四次方定律)4.1,图4-12 辐射式温度计的基本结构,（1）全辐射法,一、工作原理,将一个黑体(工业黑体模型)加热至T,F,，使其产生的辐射M,0,(T,F,)与被测物体温度T时的辐射M(T)一样，则：,（4-22）,关键：实现求得,T,。,T,越小，校正量越大。,4.1.3 辐射测温,4.1.3 辐射测温,二、全辐射高温计,聚焦辐射能量的,光学系统,有透射式和反射式两种。,将辐射能量转换成电信号的,探测器,有热电偶(或热电堆)、热敏电阻和热释电元件。,显示仪表,有自动平衡式、动圈式和数字式。,物镜l 将被测温的辐射,集中投射到热电堆3 的测,量端6 上，由此变换成热,电势输出。,测温范围：,适合测量700 1000，,最低400。,4.1.3 辐射测温,二、全辐射高温计4.1.3 辐射测温,特点：,结构简单，使用方便；输出是电信号，便于自动测温和控温应用，常用于生产过程中在线检测。,注意：,测量距离，中间介质的影响，环境温度的影响，全发射率,T,.,应用：,箱式炉温度测量,工件表面温度测量,高温盐浴炉温度测量,4.1.3 辐射测温,特点：结构简单，使用方便；输出是电信号，便于自动测温,（2）亮度法,(单色辐射法)测温及光学高温计,一、工作原理,只接受被测体的某一波长辐射能，与黑体比对，据此来测温度 。,（4-23）,二、亮度高温计,根据亮度比较办法的不同分为：,灯丝隐灭式,光学高温计,4.1.3 辐射测温,（2）亮度法(单色辐射法)测温及光学高温计4.1.3 辐射测,恒定亮度,光学高温计：灯丝电流恒定，亮度不变，吸收玻璃颜色逐渐变深，吸收率随转动角度改变，调整玻璃角度，使被物镜引入的亮度与灯丝亮度一致，吸收玻璃的角度反映被测温度。,光电高温计,：将被测温的辐射能由检测变换器中的光敏元件变换成电信号，此电信号经放大后(直流或交流放大)作温度显示(直接式)或作反馈信号完成平衡调节(平衡式)。(几百至两三千度),4.1.3 辐射测温,恒定亮度光学高温计：灯丝电流恒定，亮度不变，吸收玻璃,（3）比色法、比色温度Ts及比色温度计,一、原理：利用被测物两个波长,1,、,2,辐射能之比来反映温度。,根据维恩公式，两个特定波长,1,、,2,上的辐射之比R：,（4-24）,当,1,、,2,一定时，比值R是被测温度T的函数。,注意：,显示仪表的指示用绝对黑体标定。被测体非黑体时，仪表指示的温度Ts并不是被测体的真实温度，而是说明此时被测体在波长,1,、,2,的单色辐射能量之比R和温度为Ts的绝对黑体在同样波长,1,、,2,的单色辐射能量之比值相等。Ts定义为被测物体的比色温度。需修正：,（4-26）,4.1.3 辐射测温,（3）比色法、比色温度Ts及比色温度计4.1.3 辐射测温,二、比色高温计,特点：,结构复杂，价格较贵，受 变化及中间介质吸收影响小，温度校正量很小。,工作原理：光线经分光镜3分成两路，多空盘5 使两路光交替通过，显示仪表12 得到两路光辐射的M,1,(,1,T,)和M,2,(,2,T,)的比值R，从而得到温度T。,4.1.3 辐射测温,二、比色高温计4.1.3 辐射测温,3）三种测温法的比较,辐射法：,测量简单，响应速度快，相对灵敏度与被测温度辐射波长,无关，受,T,和被测体与高温计之间的吸收介质影响较大，测量距离小。,亮度法：,相对灵敏度与被测温度和所选定的波长,成反比，相对误差与,、T,L,成正比，受 影响小，误差中等。,比色法：,相对灵敏度与被测温度T成反比，与,1,、,2,的倒数之差成正比，误差受,影响小，且受被测物与仪表之间的中间介质波动影响亦小。,4.1.3 辐射测温,3）三种测温法的比较4.1.3 辐射测温,4）红外辐射测温,以往限于技术条件，测温范围限于700以上。,由于透光材料通常对波长较长的红外光有吸收，因此红外测温技术较多采用反射系统。,大气对波长1.8 2.8,m、3.0 5.5,m、8 14,m三个波段具有良好的透射率(俗称3个“大气窗口”)，而这三个波段正好处于红外波段内，这对红外测温的应用十分有利。,4.1.3 辐射测温,4）红外辐射测温4.1.3 辐射测温,流体形状随容器变化，在外力作用下内部发生相对运动。在材料科学与工程的生产过程与科学实验中，经常需要检测流体的压力、流速和流量等主要参数。特别是流体压力的测量与控制。,4.2.1 流体压力和压力测量单位,1）压力的概念,工程技术中流体压力的概念在物理学中定义为压强。,2）压力的表示方法,一、绝对压力,以绝对零压为参考零点表示的压力，通常用符号p表示。,二、表压力,以当前大气压力p,0,为参考零点表示的压力，通常用符号p,e,表示。,材料工程测试技术领域中，除特别指出外，均使用表压力p,e,。,p,e,0时，称之为,正压,；p,e,0时，称之为,负压,。,常用,真空度,p,v,表示负压的大小：,4.2 流体压力的测量,流体形状随容器变化，在外力作用下内部发生相对运动。在,3）压力的测量单位,国际单位：帕，1 Pal N/m,2,各种压力单位之间的换算关系：,4.2 流体压力的测量,3）压力的测量单位4.2 流体压力的测量,4.2.2 常见的压力测量方法与压力表的分类,压力测量可以转变为作用在已知面积上力的测量。压力测量的范围很宽，场合各异，测量方法丰富、测量仪表种类繁多。,1）按测量范围分类,压力表,超高压6,10,8,Pa；高压10,7,6,10,8,Pa；低压10,5,10,7,Pa；微压010,5,Pa,真空压力表,粗真空10,3,10,5,Pa；低真空10,-1,10,3,Pa；高真空10,-6,10,-1,Pa；超高真空10,-10,10,-6,Pa；极高真空10,-10,Pa。,2）按应用场合分类,工业用，实验室用，压力标准传递的标准压力计。,4.2 流体压力的测量,4.2.2 常见的压力测量方法与压力表的分类4.2 流体压力,3）按测压方法和仪表工作原理分类,（1）液柱平衡式：液柱产生的压力(液柱式)或液柱传递的压力(活塞式)与被测压力平衡。,（2）机械力平衡式：被测压力通过膜片等弹性元件集中成作用力，与仪表提供的气动力或电磁力产生的机械力达到平衡，此时产生电磁力的电流大小，或产生气动力的气压大小反映被测压力。,（3）弹性力平衡式：弹性元件(弹簧管、膜片、膜盒等)在被测压力作用下发生变形，产生的弹性力与被测压力平衡。弹性元件的变形量反映被测压力。,一、机械弹性式压力计：将弹性元件的变形量通过齿轮、杠杆等传动机构放大后测量。,二、电测式压力计：将弹性元件的变形量转换为电量后测量。,常用变换方法：电阻式(应变式与电位器式)，电感式，电容式，电磁式，霍尔式，压电式。,4.2 流体压力的测量,3）按测压方法和仪表工作原理分类4.2 流体压力的测量,（4）用于真空测量的热导式真空计与电离式真空计,热导式真空计：气体压力降低，其导热性能变差。,电离式真空计：稀薄气体被电离时产生的离子数量与气体压力有关。,（5）用于超高压(6,10,8,Pa)测量的压阻式压力计,利用金属或合金的压阻效应，将被测压力变换成相应的电阻值。,4.2 流体压力的测量,（4）用于真空测量的热导式真空计与电离式真空计4.2 流体压,4.2.3 常用的压力测量仪表,1）液柱式压力计,U形管压力计；单管压力计；倾斜管微压计：,影响因素：,环境温度，重力加速度的变化。,特点：,结构简单，直观，测量范围较窄，耐压能力差，毛细作用有影响。,4.2 流体压力的测量,4.2.3 常用的压力测量仪表4.2 流体压力的测量,2）活塞式压力计,影响因素：,重力加速度变化，摩擦力，粘滞力。,特点：,计量范围广，结构简单，稳定可靠，准确度高，重复性好，可测量正压、负压及绝对压力。,应用：,用作压力基准器。精密测压，仪表准确度可达0.02级。,4.2 流体压力的测量,2）活塞式压力计4.2 流体压力的测量,3）弹性式压力计,被测压力作用,弹性元件形变,机械机构或电测方法检出并放大位移量,显示,（1）机械弹性式压力计,常用的弹性元件结构，弹簧管，螺旋管，膜片，膜盒，波纹管。,一、弹簧管压力计,应用最为广泛，测量范围大，结构简单，准确度高，线性度高。,二、膜片式压力计,简单牢固，,便宜,非线性较大，,准确度中等，,动态响应慢。,4.2 流体压力的测量,3）弹性式压力计4.2 流体压力的测量,（2）电测式压力仪表,自学p141-142,被测压力,电信号，压力信号远距离传送。,压力计组成：压力传感器、测量电路、信号处理装置。,信号处理装置：指示器，记录仪，甚至有控制器、微处理器等。,分两类：,一种是采用由弹性元件变形造成电路参数变化，如电位器式、电感式、电容式等；另一种是应用某些物理效应将被测压力直接转换成电信号，如应变式、压电式、霍尔式、谐振式等。,传感器的工作原理已在第三章介绍。,一、电阻、电感压力计 p141-142,二、电容式压力计,三、压电式压力汁,四、霍尔式压力计,五、应变式压力计,4.2 流体压力的测量,（2）电测式压力仪表 自学p141-1424.2 流体,4.2.4 真空的测量,真空一般以绝对压力来表示。常用真空计测量范围，,表4-9。,特点：范围很宽，测量难度较大，测量准确度不高(10%20%)。,绝对真空计：,直接测量压力的高低，如压缩式真空计。,相对真空计：,测与系统压力有关的物理量，再通过比较的方法获得压力值，如热导式真空计、电离式真空计。,1）压缩式真空计,又称麦氏真空计，测量范围10,3, 10,-3,Pa。,特点：结构简单，准确度较高（,5%），可作为基准仪器。,工作原理：将一定体积的被测气体压缩，使气体绝对压力增大到可以用液柱法测量的程度，再根据压缩比算出被测气体压力。,图4-24,，被测压力p与压差h成正比。,特点：装置简单易造，准确度较高，属绝对测量，可作为基准或标准仪器。,4.2 流体压力的测量,4.2.4 真空的测量4.2 流体压力的测量,4.2 流体压力的测量,4.2 流体压力的测量,4.2 流体压力的测量,P,1,V,1,初始,P,V,4.2 流体压力的测量P1,V1初始P,V,2）热导式真空计,原理：绝对压力较低时，气体的导热系数与其压力成正比。测得被测气体的导热能力，即可间接测量其真空度。,通电加热的电阻元件(热丝)在相同功率下加热，热丝自身温度随气压降低而上升，热丝温度与被测气体压力之间存在定量关系。,测压范围：10,-1,10,4,Pa.,一、电阻真空计,图4-25a,气体压力变化,热导率变化,同功率加热，电阻丝温度变化,电阻变化。用电阻温度系数较大的电阻丝，常用铂丝。,二、热偶式真空计,图4-25b,气体压力变化,热导率变化,同功率加热，电阻丝温度变化,热电偶测温。,4.2 流体压力的测量,2）热导式真空计4.2 流体压力的测量,4.2 流体压力的测量,4.2 流体压力的测量,3）电离真空计,原理：高速粒子通过稀薄气体时碰撞气体分子使之电离，压力较低(,10,-1,Pa)时，离子数与气体压力成一定关系。收集、检测离子电流即可获知被测气体压力。根据气体电离源的不同分为三类：,一、热阴极电离真空计：热阴极发射电子使气体分子电离；,二、冷阴极电离真空计：场致发射、光致发射或次级发射的电子使气体电离；,三、放射性电离真空计：放射性同位素辐射的高能粒子使气体分子电离。,热、冷阴极电离真空计的,主要优点：,可以测量气体极低的绝对压力(10,-6,Pa)，灵敏度高，线性度好，结构简单。,缺点：,测量结果与气体成分有关。,放射性电离真空计没有阴极，不会被烧毁，灵敏度较低，绝对压力较低时产生的离子流很弱，适合绝对压力较高的真空测量。,4.2 流体压力的测量,3）电离真空计4.2 流体压力的测量,热阴极电离真空计规管,，类似一支三极管。由筒状板极(离子收集极)C，栅极网G和位于栅极网中心的阴极灯丝F构成，筒状板极在阳极栅网外面。栅极电位在+100+300V之间，板极的电位在0-50V之间。,热阴极电离真空计规管，类似一支三极管。由筒状板极(离子收集极,4.2.5 压力测量仪表的选用,压力计选用考虑：,1）仪表类型的选用,一、测压要求：测压范围，准确度，自动记录，距离，报警等。,二、被测介质：介质的物性及状态(气、液)，腐蚀性，湿度，粘度，清洁，脉动。,三、现场环境：震动，温度，电磁场，湿度，防爆等。,四、安装、使用及维护的条件：各种压力计都有各自的特点。,2）仪表测量范围的确定,仪表按规定的准确度对被测量进行测量的范围，也就是,仪表的量程,。测量稳定压力时，最大工作压力一般不超过量程的2/3；被测压力的最小值不低于量程的1/3.,3）仪表准确度等级的选取,在满足测量误差要求的基础上，追求较高的性能价格比。,4.2 流体压力的测量,4.2.5 压力测量仪表的选用4.2 流体压力的测量,4.3.1 流体流量和测量单位,一、,流量：,物料传输的速率，即单位时间内通过管路(或明渠)有效截面的物料量。,总量流量：,一段时间内的总流量。,测流量的叫,流量计,；测总量流量的叫,计量表,。,二、流量测量单位,体积流量：m,3,/s，m,3,/h；质量流量：kg/s，kg/h。,三、流量测量的特点,特点：准确度较低，流量计通用性较差，单位量值的传递、仪器检定较为困难。,原因：,流体性质多样：单相多相,粘度,温度,压力,压缩,相变,清洁,腐蚀.,管路系统多样性：管道截面的大小与形状、内壁的粗糙度、弯曲程度等。,流动状态多样性：层流或紊流，旋转流或脉动流，明渠流动等。,使用条件与安装要求：若不能满足使用和安装要求，也会给测量造成较大误差。,4.3 流体流量测量,4.3.1 流体流量和测量单位4.3 流体流量测量,4.3.2 流体流量的测量方法和流量仪表分类,1）流体流量的测量方法,基本方法：检测流体流动中自身参数，如流速、动量，及流动中造成的相应效应，得到与流量相关的信息。,（1）容积法,测流体在一段时间内的总流量，计算出流量。总流量可用设定的体积量具表征。,（2）流速法,体积流量,q,v,与其平均流速 ，测量流速，流速式；,或测与流速相关的物理现象的变化，流量计：差压式，阻力式，振动式等。,4.3 流体流量测量,4.3.2 流体流量的测量方法和流量仪表分类4.3 流体流量,2）流量仪表的分类,按用途分为计量表和流量计。,（1）计量表 测流体总量：腰轮流量计，椭圆齿轮流量计，刮板流量计，叶轮式流量计等。,（2）流量计 通过测流速、压差、阻力、振动等测流量：流速式，差压式，阻力式，振动式。,一、流速式流量计,种类：超声流量计，电磁流量计，以及：,涡轮流量计：流体推动祸轮转动，涡轮的转速反映流体流量。,标志法测速流量计：在流体中设置标志物(或标志部位)，测标志物的速度。,热线风速计和热量流量计：测流体对发热线的冷却效果；或流体对元件的加热。,皮托管式流量计：,4.3 流体流量测量,2）流量仪表的分类4.3 流体流量测量,二、差压式流量计,文丘利管：通道截面变化静压变化压差值与流量有关。,三、流体阻力式流量计,转子流量计，冲击式流量计，靶式流量计。,冲击式流量计：动量守恒原理，测固体散料流量。,四、流体振动式流量计，可归于流速式,绕流振荡振荡规律与阻挡体有关。,涡街式旋涡流量计：流体中在阻挡体(起旋器)后的两侧产生一列交替出现的旋涡(卡门涡街),图4-26a，单侧旋涡产生的频率,f,与无阻挡体时流体的平均流速 成正比,与起旋器直径,d,成反比。雷诺数Re在200-50000范围时有：,4.3 流体流量测量,二、差压式流量计4.3 流体流量测量,测,f,：热学法，起旋涡一侧流速降低，压力升高压力差使流体流过起旋器腔体腔体内电加热的热电阻的阻值变化两者频率一致。,1：铂电阻丝；2：小孔,4.3 流体流量测量,测 f ：热学法，起旋涡一侧流速降低，压力升高压力,旋进式旋涡流量计：,3是热敏电阻,4.3 流体流量测量,旋进式旋涡流量计：3是热敏电阻4.3 流体流量测量,4.3.3 常用流量计原理,总流量计量：,椭圆齿轮及腰轮流量计；,瞬时流量计量：,流速式的电磁流量计和超声流量计，差压式的标准孔板和喷嘴，流体阻力式的转子流量计；,质量流量,q,m,测量：,推导式，温度、压力补偿式，直接式。,1）常用总量计量表原理,一、椭圆齿轮流量计,齿轮每转动一周，,排出4个半月形体积,中的流体：,4.3 流体流量测量,4.3.3 常用流量计原理4.3 流体流量测量,二、腰轮流量计,4.3 流体流量测量,二、腰轮流量计4.3 流体流量测量,2）常用瞬时流量计原理,一、电磁流量计,被测流体为导电介质，在处于均匀磁场的绝缘管中流动，根据电磁感应效应产生切割电势；电势与流速相关。,二、超声流量计,超声波在流动介质中传播时，若,方向与介质流动方向相同，则传播,速度是两者之和，反之是两者之差。,图4-31管道外安装两个超声波发,射换能器。,4.3 流体流量测量,2）常用瞬时流量计原理4.3 流体流量测量,三、差压式（节流式）流量计,文丘里管e，,计算推导自学p153-156,4.3 流体流量测量,三、差压式（节流式）流量计4.3 流体流量测量,四、阻力式流量计,转子悬浮处通道截面小，流速大压力小，,转子上下产生压差,p,。参照节流流量计:,:阻力系数；,A,h,：环形截面面积；,d,n,:管锥直径；,h,:单位高度。,4.3 流体流量测量,四、阻力式流量计4.3 流体流量测量,3）质量流量计,质量流量测法：测体积流量,q,V,，用密度计测密度,，得,q,V,。称,推导式,温度、压力对,q,V,、,的测量有影响，需引入补偿措施。,补偿式,（1）推导式,一、用差压式(或靶式)流量计,与密度计组合：,二、用速度式流量计(涡轮、超声)与密度计组合,三、用差压式(或靶式)流量计与速度式流量计组合,差压流量计： ；速度流量计：,两信号相除：,（2） 温度、压力补偿式,在推导式基础上，加入温度、压力的补偿措施。,4.3 流体流量测量,3）质量流量计4.3 流体流量测量,（3）直接式,量热式，压差式，角动量式，振动管式,双涡轮式：,两涡轮叶片倾角不同，流体的作用在两涡轮上产生的扭矩差与流量有关；测扭矩差，可得流量。,4.3 流体流量测量,（3）直接式4.3 流体流量测量,材料加工测试技术-04-基本参量测量课件,4.3.4 流量计的选用,选择依据：,一、测量对象：气、液、固；单相、多相,二、对象特性：粘度、清洁、腐蚀。,三、测量范围：管径，流量,四、流量及特性：准确度，线性度，量程,五、安装使用要求：,要注意,常用流量计的选用，自学，p159-162.,其它流量计的选用，自学，p162,4.3 流体流量测量,4.3.4 流量计的选用4.3 流体流量测量,材料加工测试技术-04-基本参量测量课件,材料加工测试技术-04-基本参量测量课件,材料加工测试技术-04-基本参量测量课件,材料加工测试技术-04-基本参量测量课件,材料加工测试技术-04-基本参量测量课件,材料加工测试技术-04-基本参量测量课件,材料加工测试技术-04-基本参量测量课件,材料加工测试技术-04-基本参量测量课件,