Chapter2压力测量

,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,3.3,压力测量,3.3.1,概述,压力是工业,生,生产过程中,重,重要的工艺,参,参数之一，,正,正确地测量,和,和控制压力,是,是保证工业,生,生产过程良,好,好地运行，,达,达到高产优,质,质低耗及安,全,全生产的重,要,要环节。,1.,压力的定义,压力是垂直,而,而均匀地作,用,用在单位面,积,积上的力，,即,即物理学中,常,常称的压强,。,。工程上，,习,习惯把压强,称,称为压力。,由,由此定义，,压,压力可表示,为,为,式中,p,压力；,F,垂直作用力,；,；,S,受力面积。,2.,压力的表示,方,方法,由于参照点,不,不同，在工,程,程上压力有,几,几种不同表,示,示方法。,(1),绝对压力：,被,被测介,质,质作用于物,体,体表面上的,全,全部压力,称,称为绝,对,对压力。,(2),大气压力：,由,由地球,表,表面空气质,量,量所形成的,压,压力，称为,大,大气压力。,它,它随地理纬,度,度、海拔高,度,度及气象条,件,件而变化。,(3),表压力：,绝,绝对压力,与,与当地大气,压,压之差称为,表,表压力。通,常,常压力测量,仪,仪表总是处,于,于大气之中,，,，其测得的,压,压力值均是,表,表压力。,(4),真空度,(,负压,),： 当绝,对,对压力小于,大,大气压力时,，,，表压力为,负,负值,(,负压力,),，其绝对值,称,称为真空度,，,，用符号,表,表示。,(5),差压,(,压差,),： 任意两,个,个压力,p1,、,p2,之差称为差,压,压,(),，,。,。,这几种表示,法,法的关系如,图,图,3-1,所示。此外,，,，工程上按,压,压力随时间,的,的变化关系,还,还有静态压,力,力,(,不随时间变,化,化或变化缓,慢,慢的压力,),和动态压力,(,随时间作快,速,速变化的压,力,力,),之分。,图,3-1,各种压力之,间,间的关系,3.,压力的计量,单,单位,压力是力和,面,面积的导出,量,量。在国际,单,单位制中，,取,取力的单位,为,为牛顿，面,积,积单位为米,2,，则压力单,位,位为牛顿,/,米,2,，用符号,N/m,2,表示。,压力单位又,称,称为帕斯卡,或,或简称帕，,符,符号为,Pa,。,1Pa,1 N/m2,。因帕单位,太,太小，工程,上,上常用,kPa(10,3,Pa),和,MPa(10,6,Pa),表示。我国,已,已规定帕斯,卡,卡为压力的,法,法定单位。,由于历史发,展,展的原因、,单,单位制的不,同,同以及使用,场,场合的差异,，,，压力还有,多,多种不同的,单,单位。目前,工,工程技术部,门,门仍在使用,的,的压力单位,有,有工程大气,压,压、物理大,气,气压、巴、,毫,毫米水柱、,毫,毫米汞柱等,。,。各种压力,单,单位间的换,算,算关系列于,表,表,3-1,中。,表,3-1,压力单位换,算,算表,单 位,帕,Pa(N/m2),巴,(bar),毫米水柱,(mmH2O),标准大气压,(atm),工程大气压,(kgf/cm2),毫米汞柱,(mmHg),磅力,/,英吋,2,(lbf/m2),帕,Pa(N/m2),1,110-5,1.019716,10-1,0.9869236,10-5,1.019716,10-5,0.75006,10-2,1.450442,10-4,巴,(bar),1105,1,1.019716,104,0.9869236,1.019716,0.75006,103,1.450442,10,毫米水柱,(mmH2O),0.980665,10,0.980665,10-4,1,0.9678,10-4,110-4,0.73556,10-1,1.4223,10-3,标准大气压,(atm),1.01325,105,1.01325,1.033227,104,1,1.0332,0.76103,1.4696,10,工程大气压,(kgf/cm2),0.980665,105,0.980665,1104,0.9678,1,0.73556,103,1.422398,10,毫米汞柱,(mmHg),1.333224,102,1.333224,10-3,1.35951,10,1.316,10-3,1.35951,10-3,1,1.934,10-2,磅力,/,英吋,2,(lbf/m2),0.68049,104,0.68049,10-1,0.70307,103,0.6805,10-1,0.70307,10-1,0.51715,102,1,4,.,压力检测的,基,基本方法,根据不同工,作,作原理，压,力,力检测方法,可,可分为如下,几,几种：,(1),重力平衡方,法,法,这种方法利,用,用一定高度,的,的工作液体,产,产生的重力,或,或砝码的重,量,量与被测压,力,力相平衡的,原,原理，将被,测,测压力转换,为,为液柱高度,或,或平衡砝码,的,的重量来测,量,量。例如液,柱,柱式压力计,和,和活塞式压,力,力计。,(2),弹性力平衡,方,方法,利用弹性元,件,件受压力作,用,用发生弹性,变,变形而产生,的,的弹性力与,被,被测压力相,平,平衡的原理,，,，将压力转,换,换成位移，,通,通过测量弹,性,性元件位移,变,变形的大小,测,测出被测压,力,力。此类压,力,力计有多种,类,类型，可以,测,测量压力、,负,负压、绝对,压,压力和压差,，,，应用最为,广,广泛。,(3),机械力平衡,方,方法,这种方法是,将,将被测压力,经,经变换元件,转,转换成一个,集,集中力，用,外,外力与之平,衡,衡，通过测,量,量平衡时的,外,外力测知被,测,测压力。力,平,平衡式仪表,可,可以达到较,高,高精度，但,是,是结构复杂,。,。,(4),物性测量方,法,法,利用敏感元,件,件在压力的,作,作用下，其,某,某些物理特,性,性发生与压,力,力成确定关,系,系变化的原,理,理，将被测,压,压力直接转,换,换为各种电,量,量来测量。,如,如应变式、,压,压电式、电,容,容式压力传,感,感器等等。,3.3.2,液柱式压力,计,计,应用液柱测,量,量压力的方,法,法是以流体,静,静力学原理,为,为基础的。,一,一般是采用,充,充有水或水,银,银等液体的,玻,玻璃,U,形管、单管,或,或斜管进行,压,压力测量的,，,，其结构形,式,式如图,3-2,所示。,(1) U,形管压力计,图,3-2(a),所示的,U,形管是用来,测,测量压力和,压,压差的仪表,。,。在,U,形管两端接,入,入不同压力,和,和时，根据,流,流体静力平,衡,衡原理可知,，,，,U,形管两边管,内,内液柱差,h,与被测压力,和,和的关系为,(3-2),式中,AU,形管内孔截,面,面积；,U,形管内工作,液,液的密度；,g,重力加速度,。,。,由上式可求,得,得两压力的,差,差值或在己,知,知一个压力,的,的情况下（,例,例如压力）,，,，求出另一,压,压力值。,(3-3),可见,U,形管内的液,柱,柱差,h,与被测差压,或,或压力成正,比,比，因此被,测,测压差或压,力,力可以用工,作,作液高度,h,的大小来表,示,示。,图,3-2,液柱,式,式压,力,力计,（,2,）单,管,管压,力,力计,由于,U,形管,压,压力,计,计需,两,两次,读,读取,液,液面,高,高度,，,，为,使,使用,方,方便,，,，设,计,计出,一,一次,读,读取,液,液面,高,高度,的,的单,管,管压,力,力计,。,。,因,则,故,由于,Dd,，所,以,以,P=gh,2,d,玻璃,管,管直,径,径；,D,大容,器,器直,径,径。,（书,P92,（,3,43,）式,推,推导,）,）,问,#,：,U,形管,压,压力,计,计两,肘,肘管,的,的内,径,径分,别,别为,d,1,=6mm,，,d,2,=6.5mm,，管,内,内封,液,液为,水,水，,被,被测,压,压力,作,作用,于,于较,细,细肘,管,管，,使,使水,柱,柱从,零,零位,下,下降,195mm,。如,果,果以,该,该值,的,的,2,倍作,为,为被,测,测压,力,力值,，,，试,确,确定,由,由于,没,没有,读,读取,较,较粗,肘,肘管,的,的水,柱,柱从,零,零位,的,的升,高,高值,而,而造,成,成的,测,测量,误,误差,。,。,解：,(3),斜管,压,压力,计,计,用,U,形管,或,或单,管,管压,力,力计,来,来测,量,量微,小,小的,压,压力,时,时，,因,因为,液,液柱,高,高度,变,变化,很,很小,，,，读,数,数困,难,难，,为,为了,提,提高,灵,灵敏,度,度，,减,减小,误,误差,，,，可,将,将单,管,管压,力,力计,的,的玻,璃,璃管,制,制成,斜,斜管,，,，如,图,图,3-2(c),所示,。,。大,容,容器,通,通入,被,被测,压,压力,p,1,，斜,管,管通,大,大气,压,压力,p,2,，则,p,1,与液,柱,柱之,间,间的,关,关系,仍,仍然,与,与式,(3-5),相同,，,，,(3-6),式中,l,斜管,内,内液,柱,柱的,长,长度,；,；,斜管,倾,倾斜,角,角。,由于,lh,，所,以,以斜,管,管压,力,力计,比,比单,管,管压,力,力计,更,更灵,敏,敏，,可,可以,提,提高,测,测量,精,精度,。,。,(,注是,体,体积,相,相等,而,而不,是,是面,积,积相,等,等）,3.3.3,弹性,压,压力,计,计,当被,测,测压,力,力作,用,用于,弹,弹性,元,元件,时,时，,弹,弹性,元,元件,便,便产,生,生相,应,应的,弹,弹性,变,变形,(,即机,械,械位,移,移,),。根,据,据变,形,形量,的,的大,小,小，,可,可以,测,测得,被,被测,压,压力,的,的数,值,值。,弹性,压,压力,计,计的,组,组成,环,环节,如,如图,3-3,所示,。,。弹,性,性元,件,件是,核,核心,部,部分,，,，其,作,作用,是,是感,受,受压,力,力并,产,产生,弹,弹性,变,变形,，,，弹,性,性元,件,件采,用,用何,种,种形,式,式要,根,根据,测,测量,要,要求,选,选择,和,和设,计,计；,在弹,性,性元,件,件与,指,指示,机,机构,之,之间,是,是变,换,换放,大,大机,构,构，,其,其作,用,用是,将,将弹,性,性元,件,件的,变,变形,进,进行,变,变换,和,和放,大,大；,指,指示,机,机构,(,如指,针,针与,刻,刻度,标,标尺,),用于,给,给出,压,压力,示,示值,；,；调,整,整机,构,构用,于,于调,整,整零,点,点和,量,量程,。,。,图,3-3,弹性,压,压力,计,计组,成,成框,图,图,(1),弹性,元,元件,同样,的,的压,力,力下,，,，不,同,同结,构,构、,不,不同,材,材料,的,的弹,性,性元,件,件会,产,产生,不,不同,的,的弹,性,性变,形,形。,常,常用,的,的弹,性,性元,件,件有,弹,弹簧,管,管、,波,波纹,管,管、,薄,薄膜,等,等，,如,如表,3-2,所示,。,。,其中,:,波纹,膜,膜片,和,和波,纹,纹管,多,多用,于,于微,压,压和,低,低压,测,测量,；,；,单圈,和,和多,圈,圈弹,簧,簧管,可,可用,于,于高,、,、中,、,、低,压,压或,真,真空,度,度的,测,测量,。,。,表,3-2,弹性,元,元件,的,的结,构,构和,特,特性,类别,名,称,示 意 图,压力测量范围,kPa,输出特性,动态性质,最小,最大,时间常数,/s,自振频率,/Hz,薄,膜,式,平,薄,膜,0,10,0,10,5,10-5,10-2,10,104,波,纹,膜,0,10,-3,0,10,3,10-2,10-1,10,102,挠,性,膜,0,10,-5,0,10,2,10-2,1,1,102,P,x,波,纹,管,式,波,纹,管,0,10,-3,0,10,3,10-2,10-1,10,102,弹,簧,管,式,单,圈,弹,簧,管,0,10,-1,0,10,6,102,103,多,圈,弹,簧,管,0,10,-2,0,10,5,10,102,弹性,元,元件,具,具有,：,：弹,性,性滞,后,后和,弹,弹性,后,后效,的,的特,性,性（,P93,）,弹性,滞,滞后,：,：由,于,于摩,擦,擦产,生,生的,加,加载,曲,曲线,与,与卸,载,载曲,线,线不,重,重,合产,生,生。,弹性,后,后效,：,：弹,性,性元,件,件受,载,载后,在,在一,定,定时,间,间间,隔,隔内,逐,逐渐,完,完,成变,形,形的,一,一种,现,现象,。,。,弹性,元,元件,常,常用,的,的材,料,料有,铜,铜合,金,金、,弹,弹性,合,合金,、,、不,锈,锈钢,等,等，,各,各适,用,用于,不,不同,的,的测,压,压范,围,围和,被,被测,介,介质,。,。近,来,来半,导,导体,硅,硅材,料,料得,到,到了,更,更多,的,的应,用,用。,各,各种,弹,弹性,元,元件,组,组成,了,了多,种,种型,式,式的,弹,弹性,压,压力,计,计，,它,它们,通,通过,各,各种,传,传动,放,放大,机,机构,直,直接,指,指示,被,被测,压,压力,值,值。,这,这类,直,直读,式,式测,压,压仪,表,表有,弹,弹簧,管,管压,力,力计,、,、波,纹,纹管,差,差压,计,计、,膜,膜盒,式,式压,力,力计,等,等。,(2),弹簧,管,管压,力,力计,弹簧,管,管式,压,压力,计,计是,工,工业,生,生产,上,上应,用,用很,广,广泛,的,的一,种,种直,读,读式,测,测压,仪,仪表,，,，以,单,单圈,弹,弹簧,管,管结,构,构应,用,用最,多,多。,其,其一,般,般结,构,构如,图,图,3-4,所示。,被测压力,由,由接口,(,接头,9,）引入，,使,使弹簧管,自,自由端（,1,）产生位,移,移，通过,拉,拉杆（,2,）使扇形,齿,齿轮（,3,）逆时针,偏,偏转，并,带,带动啮合,的,的中心齿,轮,轮（,5,）转动，,与,与中心齿,轮,轮同轴的,指,指针将同,时,时顺时针,偏,偏转，,图,3-4,弹簧管压,力,力计结构,1-,弹簧管；,2-,连杆；,3-,扇形齿轮,；,；,4-,底座；,5-,中心齿轮,；,；,6-,游丝；,7-,表盘；,8-,指针；,9-,接头；,10-,横断面；,11-,灵敏度调,整,整槽,弹簧管,截面为非,圆,圆形（椭,圆,圆形或扁,圆,圆形），,并,并弯成圆,弧,弧状的空,心,心管子,一端为封,闭,闭（自由,端,端），一,端,端为开口,（,（固定端,）,）,弹簧管压,力,力表：,结构简单,，,，使用方,便,便，价格,低,低廉，使,用,用范围广,，,，测量范,围,围宽,10,5,10,9,Pa,可测负压,、,、微压、,低,低压、中,压,压和高压,精度有,0.5,、,1.0,、,1.5,、,2.5,等,在面板的,刻,刻度标尺,上,上指示出,被,被测压力,值,值。,通过调整,螺,螺钉可以,改,改变拉杆,与,与扇形齿,轮,轮的接合,点,点位置，,从,从而改变,放,放大比，,调,调整仪表,的,的量程。,转动轴上,装,装有游丝,，,，用以消,除,除两个齿,轮,轮啮合的,间,间隙，减,小,小仪表的,变,变差。直,接,接改变指,针,针套在转,动,动轴上的,角,角度，就,可,可以调整,仪,仪表的机,械,械零点。,3.3.4,压阻式压,力,力计,压阻元件是基于压,阻,阻效应工,作,作的一种,压,压力敏感,元,元件，它,指,指在半导,体,体材料的,基,基片上用集成电路,工,工艺制成的扩散电阻（并非宏,观,观的电阻,）,），当它,受,受外力作,用,用时，其,阻,阻值由于,电,电阻率的,变,变化而改,变,变。,扩散电阻,正,正常工作,需,需依附弹,性,性元件，,常,常用的是单晶体硅,膜,膜片。,单晶体硅,膜,膜片：如在,N,型单晶硅,表,表面用氧,化,化技术生,成,成一层二,氧,氧化硅薄,膜,膜即构成,扩散电阻,：,：在需要电,阻,阻的地方,除,除去氧化,膜,膜，并有,扩,扩散技术,向,向硅的深,处,处扩散杂,质,质硼，使,之,之形成,P,型区，这,些,些,P,型区形成,压,压阻敏感,元,元件为扩,散,散电阻。,设有一,段,段长为,l,，截面,积,积为,A,，电阻,率,率为,的导体,(,如金属,丝,丝,),，它具,有,有的电,阻,阻为,当它受,到,到轴向,力,力,F,而被拉,伸,伸,(,或压缩,),时，其,l,、,A,和,均发生,变,变化，,如,如图,3,-1,所示，,因,因而导,体,体的电,阻,阻随之,发,发生变,化,化。通,过,过对式,(3-2),两边取,对,对数后,再,再作微,分,分，即,可,可求得,其,其电阻,相,相对变,化,化,(3-2),(3-1),图,3.1,导体受,拉,拉伸后,的,的参数,变,变化,式中,材料的,轴,轴向线,应,应变，,常,常用单,位,位,(1,=1,10,-6,mm/mm);,而,:,其中,:r,导体的,半,半径，,受,受拉时,r,缩小；,导体材,料,料的泊,松,松比。,代入式,(3-2),可得,:,定义：,应,应变电,阻,阻纵向灵,敏,敏度为,:,(3-8),史密兹,(C.S.Smith),等学者,很,很早发,现,现，锗,、,、硅等,单,单晶半,导,导体材,料,料具有,压,压阻效,应,应：,(2-6),式中：,作用于,材,材料的,轴,轴向应,力,力；,半导体,材,材料在,受,受力方,向,向的压,阻,阻系数,；,；,E,半导体,材,材料的,弹,弹性模,量,量。,将式,(3-6),代入式,(3-3),，并写,成,成增量,形,形式可,得,得,式中,半导体,材,材料的,应,应变灵,敏,敏系数,。,。,优点：体积,小,小，结,构,构简单,，,，能直,接,接反映,微,微小的,压,压力变,化,化，动,态,态响应,好,好,缺点：敏感,元,元件易,受,受温度,的,的影响,，,，从而,影,影响压,阻,阻系数,的,的大小,压阻式,压,压力计,：,：,3.3.6,压力检,测,测仪表,的,的选择,与,与校验,一、压,力,力检测,仪,仪表的,选,选择,1.,仪表量,程,程的选,择,择,被测压,力,力较稳,定,定：最,大,大工作,压,压力不,应,应超过,仪,仪表满,量,量程的,3/4,被测压,力,力波动,较,较大或,测,测脉动,压,压力：,最,最大工,作,作压力,不,不应超,过,过仪表,满,满量程,的,的,2/3,为保证,测,测量准,确,确度：,最,最小工,作,作压力,不,不应低,于,于满量,程,程的,1/3,优先满,足,足最大,工,工作压,力,力条件,2.,仪表精,度,度的选,择,择,压力检,测,测仪表,的,的精度,主,主要根,据,据生产,允,允许的,最,最大误,差,差来确,定,定，即,要,要求实,际,际被测,压,压力允,许,许的最,大,大绝对,误,误差应,小,小于仪,表,表的基,本,本误差,。,。,3.,仪表类,型,型的选,择,择,从被测,介,介质压,力,力大小,来,来考虑,被测介,质,质的性,质,质,对仪表,输,输出信,号,号的要,求,求,使用的,环,环境,二,、压力,仪,仪表的,校,校验,校验就是将,被,被校验,压,压力表,和,和标准,压,压力表,通,通以相,同,同压力,，,，比较,它,它们的,指,指示数,值,值，如,果,果被校,表,表对于,标,标准表,的,的读数,误,误差，,不,不大于,被,被校表,规,规定的,最,最大准,许,许绝对,误,误差时,，,，则认,为,为被校,表,表合格,。,。,常用的,校,校验仪,器,器是活塞,式,式压力,计,计，它,由,由压力,发,发生部,分,分和测,量,量部分,组,组成，,它,压力发,生,生部分,测量部,分,分,三,、压力,表,表的安,装,装,1.,取压口,的,的选择,在管道,或,或烟道,上,上取压,测量流,动,动介质,的,的压力,测量液,体,体介质,的,的管道,上,上取压,2.,导压管,的,的铺设,导压管,是,是传递,压,压力、,压,压差信,号,号的。,3.,压力、,压,压差计,的,的安装,演讲完,毕,毕，谢,谢,谢观看,！,！,