第六章 压力计量

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,*,*,*,hhhh,第六章 压力计量,第一节 基本概念,第二节 液柱式压力计,第三节 弹簧式压力表,第四节 活塞式压力计,第五节 压力传感器及其应用,1,颜幸尧 cjlu_yan,第一节 基本概念,一、压力计量的应用,在工农业生产、国防建设、科学研究、医疗卫生、安全防护以及人民日常生活的各个领域中，凡是利用液体、气体、蒸汽等介质作为动力、加热、密封试验等，都有反应,“,压力,”,这个物理量。,压力如同其它的状态参数一样，是工业生产过程及自动化过程中极为重要的控制参数。因此，需要使用各种能显示压力的仪器仪表来计量压力的大小和变化 。,2,3,二、压力的概念,压力又称压强，但在工程上都习惯称之为压力。,压力的定义：,指流体垂直且均匀的作用在物体单位面积上的力。,P=F/A,式中,: P,压力量值（,Pa,）,F,作用力（,N,）,A,单位面积（）,第一节 基本概念,3,第一节 基本概念,大气压力,大气自重所产生的对地球表面的单位面积上的力，也称气压，以,P,b,表示。大气压力量值随海拔高度、地理纬度和气象情况不同而改变。,绝对压力,是以零作为参考点的压力的差压，又称全压力或总压力，以,P,a,表示。,4,第一节 基本概念,表压力,即压力仪器仪表指示的压力，是以环境大气压为零参考点的压力，以,P,表示。习惯上指高于大气压的压力。,疏空,又叫真空表压力。当绝对压力小于大气压力时，大气压力与绝对压力之差。或说在封闭容器中的压力比大气压低多少。常用符号,P,h,表示。,5,第一节 基本概念,6,第一节 基本概念,大气压力,绝对压力,表压力,疏空,1.0110,5,2.2110,5,1.0110,5,0.8110,5,1.0110,5,0.5110,5,1.0110,5,1.0110,5,7,第一节 基本概念,三、流体特性及其静力平衡初步分析,流体,是,液体,和,气体,的总称。不论是液体还是气体，它们都自一个共同的特性就是：流体不能保持一定的形状，而具有很大的流动性。,它只能承受压力,，不能承受拉力和切力。当它承受切力时，流体就会流动。,压力测量的对象,流体压力,8,第一节 基本概念,流体静压力的两个重要特性,（,1,）流体静压力方向必然是沿着作用面的内法线方向。,（,2,）静止流体中任意一点的各个方向静压力数值都相等。,等压面：,在静止流体中，凡是压力相等的诸点组成的面称为等压面。在等压面上各点的压力值为一常数。,9,第一节 基本概念,流体静压力方程,P=P,0,+,gh,P,0,液体自由表面压力，,Pa,；,工作介质密度，,kg/m,3,；,g,一当地重力加速度，,m,/s,2,；,h,液体内距自由表面深度，,m,；,P,h,深处压力，,Pa,10,在同一容器的同种液体中，静压力,P,的大小与距自由表面深,度,h,呈线性变化。却流体压力值随液体深度的增加而增加。,液体中的静压力只与自由表面下的深度有关，而与容器形,状无关。,在液体自由表面下深度为,h,的各点压力值均相等。这就证明,了只有重力作用下的静止流体的等压面为一水平面。,工作介质温度不变时流体密度是个常数。流体静压力基,本方程不仅适合于液体，也适合于未经压缩的气体。,第一节 基本概念,11,第一节 基本概念,在测量气体压力时需要考虑温度变化对压力量值的影响；也需要考虑压力改变时对气体体积或密度的影响。解决这类问题使用描述气体压力、温度、体积之间关系的理想气体状态方程是很方便的。,12,第一节 基本概念,理想气体状态方程,P,一气体绝对压力，,Pa,V,气体体积, M,3,m,气体质量，,kg,M,摩尔气体质量，,kg,R,普适气体常数, N,M/,kg,K,r,热力学温度开尔文，,K,13,第一节 基本概念,当温度,T,为常量时，,pV,=,常量,在一定温度条件下，一定量的理想气体的体积与压力成反比，而密度与压力成正比。,14,第一节 基本概念,当压力,p,为常量时，,V/T=,常量,当压力,p,为定值时，一定量的理想气体的体积与温度成正比，而密度与温度成反比。,15,第一节 基本概念,当体积,V,为常量时，,p/T=,常量,当体积,V,为定值时，一定量的理想气体的压力与温度成正比。,16,第一节 基本概念,四、压力计量单位,标准大气压（物理大气压）,也称物理大气压，,其符号位,atm,。它是指温度为,0,，重力加速度,9.80665m/s,2,时，,760mm,高水银所产生的压强。,工程大气压,一个工程大气压为,1kgf/cm,2,，,表示,1kgf,垂直均匀地作用在,1cm,2,上产生的压力。,17,第一节 基本概念,毫米汞柱,其符号单位为,mmHg,。,1,毫米汞柱是指温度为,0,，重力加速为,9.80665m/s,2,时，,1mm,高水银所产生的压强。,毫米水柱,其符号单位为,mmH,2,O,。,1,毫米水柱是指温度为,4,，重力加速为,9.80665m/s,2,时，,1mm,高水柱所产生的压强。,巴,其符号为,Bar,。,1Bar=1000mBar=10,3,dyn/cm,2,。,18,第一节 基本概念,以上单位与帕的转换关系,1atm=1.01325,10,5,Pa,1kgf/cm,2,=9.80665,10,4,Pa,1mmHg=1.333224,10,2,Pa,1mmH,2,O=9.80665Pa,1Bar=1,10,5,Pa,19,第一节 基本概念,请给下面这些单位按照大小排顺序：,Pa,、,bar,、,mmH,2,O,、,mmHg,、,atm,、,kgf/cm,2,20,第一节 基本概念,由于工农业生产、国防、科研和计量部门使用的压力计量仪器仪表品种繁多，测量范围广泛，又由于仪表使用环境条件及要求的多样性，所以压力计量仪器仪表分类的方法也多种多样。,一般情况下，可以根据仪表的工作原理、准确度等级、测量范围和显示方法来分类。,五、压力计量仪器仪表的分类,21,第一节 基本概念,按工作原理：液柱式、弹性式、活塞式及电测式等,按被测压力种类：压力表、气压计、真空计和真空表等；,按被测压力范围：微压（,10kPa,以下），低压（,10,250kPa,），中压（,250kPa,100MPa,），高压（,100MPa,1000MPa,）和超高压（,1000MPa,以上）,22,第二节 液柱式压力计,液体式压力计,又称,液柱式压力计,，它是基于流体静力学原理，利用液柱自重产生的压力去平衡未知压力的方法来测量压力的仪表。常用的液体压力计有：,U,形压力计（双管）,单管（杯形）压力计,倾斜式微压计,补偿式微压计,水银气压计,钟罩式压力计。,23,第二节 液柱式压力计,24,U,型,管,P,2,P,1,h,1,h,2,0,第二节 液柱式压力计,25,第二节 液柱式压力计,26,假设被测的介质为气体，可忽略被测介质的高度形成的静压值。根据流体静力学原理可得：,P,2,P,1,U,型管,h,1,h,2,0,26,第二节 液柱式压力计,P,2,P,1,h,1,h,2,0,已知大气压强,P,2,为,1.0110,5,Pa,，测量读数,h,1,=h,2,=20mm,，求被测压力,P,1,？（已知,g=9.8m/s,2,，介质为水）,27,直,管,P,d,P,x,h,1,h,2,第二节 液柱式压力计,28,第二节 液柱式压力计,29,因为,A,1,、,A,2,为常数，这样可通过一次读数进行压差测量。当,A,2,/A,1,很小时，,h,1,可忽略，公式简化为：,P,d,P,x,直管,h,1,h,2,当精密测量时，,h,1,不可忽略。,为了方便读数，也可使用特制的专用标尺。,29,第二节 液柱式压力计,L ,标尺长度,H,实际液柱高度,D,储液杯内径,d,示值管内径,30,例：目前，医疗界大量使用的台式血压计是典型杯形压力计。苴示值管内径为,3.3mm,，储汞瓶内径为,16.5mm,。设工作压力为,40kPa,，,t=20,，求特制标尺刻度长度及分度值为,0.5kPa,时的分度值宽度。,第二节 液柱式压力计,31,P,2,斜管,h1,h2,L,第二节 液柱式压力计,32,第二节 液柱式压力计,33,P,1,P,2,斜管,h1,h2,L,主要用于测量微小的压力、负压和压差。为了减少读数的相对误差，拉长液柱，将测量管倾斜放置。,33,第二节 液柱式压力计,在温度恒定、工作液不改变的情况下，管子的倾斜度越小，压力测量范围也越小，对垂直高度的液柱差的放大倍数就越大，从而提高了读数精度。,34,第二节 液柱式压力计,35,第二节 液柱式压力计,倾斜式微压计管子的倾斜角通常不小于,15,度，是为了避免,管内由于自由表面拉得长而冲散，反而导致读数不准确。,工作介质常采用酒精。,36,第二节 液柱式压力计,（,1,）,U,形管压力计的结构原理是什么？,（,2,）一台杯形液体压力计测量管内径为,4mm,，杯内径为,80mm,，求测量压力为,500mmHg,时，修正后标尺高度是多少？,思考题,37,第三节 弹簧式压力表,1,概述,原理：弹性压力表是利用各种不同形状弹性感压元件在被测压力的作用下，产生弹性变形制成的测压仪表。,特点：结构简单、牢固可靠、测压范围广、使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远传,常用弹性压力表：,弹簧管式,波纹管式,膜片（盒）式,38,第三节 弹簧式压力表,39,第三节 弹簧式压力表,40,第三节 弹簧式压力表,41,P,x,弹簧管压力表由,弹簧管，传动机构，指示机构及表壳,组成。,41,第三节 弹簧式压力表,42,第三节 弹簧式压力表,43,假设被测压力大于外界大气压力，产生短轴变长，长轴变短的弹性形变，使管子在弯曲方向上的刚度增大，自由端向管子伸直的方向运动。,管子的位移变动通过传动机构转变成中心齿轮轴的转动，从而带动指针转动，产生读数。,R1,R2,43,第三节 弹簧式压力表,弹性元件的弹性后效和弹性迟滞往往是同时产生的。由于它们的存在，造成了弹性式压力表的主要示值误差；,弹簧管的残余变形指在外力作用消失后，长时间弹簧管不能恢复到原来的形状和尺寸的现象。,弹性元件残余变形的存在，将导致压力仪表表示值的失灵、失准或示值不稳定现象。,44,第三节 弹簧式压力表,弹簧式压力管的允许误差计算,一般压力表准确度及允差,精密压力表准确度及允差,45,例,1,：,一只,0-40MPa,的,2.5,级压力表，其允许基本误,差是多少？,例,2,：,一只,-0.1-0.15MPa,的,1,级压力表，其允许基本,误差是多少？,第三节 弹簧式压力表,例,3,：,一只,20-60MPa,的,2.5,级压力表，其允许基本误,差是多少？,46,第三节 弹簧式压力表,波纹管压力计,波纹管：开口端固定，封闭端的位移作为输出，由于波纹管的位移相对较大，故灵敏度高，常用于测量较低的压力，精度等级,1.5,级。,47,第三节 弹簧式压力表,48,第三节 弹簧式压力表,膜片式压力计,膜片：使用时周边夹紧，测低压、微压。将两块膜片沿周边对焊起来，形成一膜盒，膜盒式微压计通常用于测量炉膛和烟道尾部负压。精度等级为,2.5,，最高可达,1.5,级。,P,x,P,x,P,x,P,x,平薄片,波纹片,膜盒,49,第四节 活塞式压力计,50,活塞式压力计具有,量程宽、准确度高、使用方便,等特点，在科研单位及计量部门有广泛的应用,。,活塞,活塞筒,P,F,为使活塞恢复到平衡位置，需要加上质量为,m,的砝码,活塞式压力计的测量准确度主要由活塞有效面积的测量不确定度决定,50,第四节 活塞式压力计,根据测量范围不同，活塞式压力计有多种结构形式：,带简单活塞的压力计,-,测量中高压；,单活塞式压力真空计,-,测量压力和疏空,带平衡液柱活塞式压力计,-,测量范围宽，可以从零开始出来压力；,双活塞式压力真空计,-,可以从零开始测量；,51,第四节 活塞式压力计,直接加荷式,这种压力计特点是：负荷直接作用于活塞上。活塞系统有效面积均为,1cm,2,，量程为,0.1,10MPa,。目前我国生产的活塞式压力计，测量上限在,25MPa,以下的均采用直接加荷式,52,第四节 活塞式压力计,间接加荷式,这种压力计适用于测量上限高于,25MPa,的中、高压活塞式压力计。采用间接加荷是为了保护直径较细的活塞在高压下不致产生弯曲变形。,53,第四节 活塞式压力计,单活塞压力真空计,测量范围：,表压力：,0-0.25Mpa,疏空：,-0.01-0Mpa,54,第五节 压力传感器及其应用,在压力检测技术中，传感器因其准确度高，安全可靠，动态响应好，灵敏度高，能远程传输等特点，在很多场合下已取代传统的压力仪表。,一、传感器的原理,55,第五节 压力传感器及其应用,能将力转换为电压的传感器,压电传感器,56,第五节 压力传感器及其应用,二、传感器的特性,1.,灵敏度 ：,灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用,K,来表示：,57,第五节 压力传感器及其应用,作图法求曲线上某一指定点的灵敏度过程,x,y,x,1,x,y,0,切点,传感器特性曲线,58,第五节 压力传感器及其应用,2.,分辨力,指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。一般地说，分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。,59,第五节 压力传感器及其应用,3.,线性关系：,人们总是希望传感器的输入与输出的关系成正比，即线性关系。这样可使显示仪表的刻度均匀，在整个测量范围内具有相同的灵敏度。如果传感器的输入与输出的关系为非线性关系，可以用计算机予以纠正,。,60,第五节 压力传感器及其应用,传感器输入输出的线性关系与,非线性关系,的比较,61,第五节 压力传感器及其应用,4.,迟滞现象,迟滞是指传感器正向特性和反向特性的不一致程度，用计算机逐点测量得到的某传感器迟滞特性示意图,62,第五节 压力传感器及其应用,一、电阻应变式压力传感器,63,原理：,电阻的尺寸例如电阻的长度、横截面积发生变化将引起电阻的变化。电阻的电阻率发生变化也将引起电阻阻值的变化。分类：,应变片：受压时，电阻的尺寸,L,、,S,发生变化，引起电阻的变化。,半导体扩散硅：在压力的作用下，电阻率发生变化。,通常半导体扩散硅电阻变化的灵敏度要远远高于应变片，大约为,100,倍。,63,第五节 压力传感器及其应用,64,第五节 压力传感器及其应用,65,注意：供给桥路的电流要恒定，即为一恒流源。输出电压为,10-100,多毫伏，后续一般要加电压放大电路。,优点：,温度补偿，,使输出信号加倍。,65,第五节 压力传感器及其应用,二、电容式压力传感器,电容式传感器是把被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。电容式压力传感器一般由弹性体和可变电容组成，工作原理与电容式力值传感器相似。,电容式传感器不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大到用于压力、差压、液位、物位或成份含量等方面的测量。,66,第五节 压力传感器及其应用,67,68,电容传感器的基本理想公式：,：电容极板间介质的介电常数，,A,：两平行板所覆盖的面积；,d,：两平行板之间的距离。,平板：,2,、圆筒：,l,：圆筒长度；,r,、,R,：内、外圆筒半径。,定片,定片,动片,动片,（,1,）工作原理,68,第五节 压力传感器及其应用,69,改变,A,、,d,、,三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量,C,改变。,固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器,变间隙型,变面积型,变介电常数型,d,A,69,第五节 压力传感器及其应用,（,2,）,差动式电容压力传感器,70,在实际应用中，为了提高灵敏度， 减小非线性误差，大都,采用差动式结构。,P,2,P,1,膜片,固定极板,70,