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第5章:压力测量,授课课时：2学时主要内容：压力测量的概述；压力测量的意义。压力测量方法及其压力测量仪表的分类。液柱式压力计、弹性压力计、电气式压力计。压力仪表的选择、检验与安装。各类压力仪表的特点及使用场所。压力测量在建筑环境与设备专业的意义，各类测压仪表的测压原理，测压仪表的结构，压力仪表的设计和选型。,重点和难点:各类测压仪表的测压原理，测压仪表的结构，压力仪表的设计和选型,测量压仪表的测量原理。,主要章节,5.1概述5.2液柱式压力计5.3弹性压力计5.4电气式压力检测5.5压力检测仪表的应用与校准,压力垂直作用于物体表面上的力压强垂直作用于单位面积物体表面上的力在建筑环境与设备的测试中，并不严格区分压力和压强。通常所说的压力实际上是指压强。压差测量两个压力之差称压差表压力压力仪表指示的压力值缺省情况下，所说的压力值即指表压力表压力可正可负，为负时其绝对值称为真空度。,5.1概述,1、基本概念,帕(Pa)N/m2，国际单位兆帕(MPa)106Pa工程大气压，kgf/cm2，98070Pa约等于一个大气压（1.013e+5Pa)，“自来水压头是5公斤”，用的就是这个单位。mmH2O，9.81PammHg，133Pa,压力单位,2、压力测量仪表的分类,1）液柱式压力计2）弹性式压力计3）电气式压力计4）活塞式压力计,5.2液柱式压力计,1、分类U型管压力计单管压力计斜管式微压计特点：结构简单，使用方便，准确度比较高，常用于测量低压、负压、差压。缺点：体积大，读数不方便，玻璃管易损坏。,1）U型管压力计,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：,U型管内径一般为5-20mm，为了减少毛细现象管子内径一般不少于10mm，,2）单管式压力计,因为A1、A2为常数，这样可通过一次读数进行压差测量。当A2/A1很小时，h1可忽略，公式简化为：,Pd,Px,直管,h1,h2,3）斜管式微压计,P1,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。,2、液柱式压力计的测量误差及其修正,环境温度变化的影响及修正对于一般的工业测量，主要考虑工作液密度变化对压力测量的影响。修正公式为：,重力加速度变化的影响及修正,标准重力加速度下的工作液柱高度,使用地点的工作液柱高度,3毛细现象的影响为了减少该误差，通常要求测量管的内径一般不小于10mm。,问题？,斜管式微压计用水作介质，可以吗？液柱式压力计，水作工作介质，为了便于读数，在水中加入红墨水，可以吗？斜管式微压计，测量时看不到液柱，是怎么回事？,5.3弹性式压力计,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：弹簧管式膜片（盒）式波纹管式,1弹性元件及其特性,1）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。,2）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（1.0-106Pa）精度等级1.5级。,3）弹簧管：单圈弹簧管多圈弹簧管,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。对应的几何分析如下：,弹簧管是怎样产生形变的呢？,两式相减:,因为：,可得:,R1,R2,弹簧管在量程范围内自由端的位移一般为7-8o，弹簧管作成多圈时，自由端的位移可达45o。弹簧管的自由端的位移可通过杠杆机构带动指针转动，这种机构的指针最大转角为180o，通常作成90度的回转角。最常用的传动机构为杠杆扇形齿轮机构，可使指针转动270o。,电接点压力表：不仅可实现压力的测量，而且可实现压力的报警和控制。,5.4电气式压力检测,1.位移式压力压差变送器：将弹性元件的位移转变成电信号。,1）电容式压力压差变送器：采取差动电容方式。膜片d7.575，0.050.2，maxd=0.1mm。,特点：灵敏度高、精度高，精度可达0.2、0.25，稳定可靠。尤适用于测高静压微压差的场合。,由C1、C2可得,设测量膜片在p作用下的位移d，d=k1p。,2）霍尔压力变送器,（1）霍尔效应：把半导体单晶薄片置于磁场B中，如果在它的两个纵向面上通以一定大小的电流，则在晶体的两个横向端面之间出现电势UH，叫霍尔效应，产生的电势称为霍尔电势。,灵敏度常数,(2)霍尔电势的产生：将固定在弹性元件上的霍尔片放置在一非均匀磁场中，在这区间，磁场强度具有均匀的梯度，当霍尔片在弹性元件的带动下偏离正中位置，通过霍尔片的磁场强度发生变化，霍尔片就有正比于位移的霍尔电势产生。,注意：1)RH受温度影响较大，在实际当中常采用恒温措施或采用温度补偿措施，例如在电势输出回路中串一温度补偿电桥。2)要注意减少由于霍尔片两电极不对称焊接引起的不等位电势，因不等位电势的存在，使霍尔片处于正中时，电势输出不为0。,2.压电式压力传感器,压电效应：压电材料在受压时会在其表面产生电荷，产生的电荷量与所受的压力成正比。压电材料：单晶体，例如石英、酒石酸钾钠等多晶体，例如压电陶瓷，在没有极化之前，因各单晶体的压电效应都互相抵消表现为电中性，为此必须对压电陶瓷先进行极化处理，经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，为石英的几百倍。,特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，具有线性度高量程范围大等优点。缺点：但是由于产生的电荷量少，因此后续需加高阻抗的直流放大器。由于晶体边缘上存在漏电现象，因此不能用于稳态测量。,压电式压力传感器结构,3.固体压阻式压力压差传感器,1）原理：电阻的尺寸发生变化，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。,公式：,2）膜片的应力分析其膜片受到从下向上的压力时，中心区受拉应力（假设应力为正），周边区受压应力（应力为负），在R=0处应力达到正的最大值，而在大约距中心60%的地方应力为0。,优点：温度补偿，使输出信号加倍。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。,3）电阻分布及测量桥路,5.5压力检测仪表的选择与校验,1.压力检测仪表的选择测压范围，被测介质的物理化学性质，测试精度要求。,1）仪表量程选用为保证安全性，压力较稳定时，最大工作压力不超过仪表量程的3/4，压力波动较大时，最大工作压力不超过仪表量程的2/3。为保证准确度，最小工作压力不低于满量程的1/3。,2）仪表精度的选择,根据在测量时允许的最大测量误差选择仪表，可根据仪表的精度等级算出用该仪表测量可能引起的最大示值绝对误差。另外在选择仪表时不需一味追求高精度，只要满足测量精度要求即可。,弹簧管压力表量程和精度系列,我国目前弹簧管压力表量程系列，1,1.6,2.5,4.0,6.0kPa以及10n倍精度系列，精密表0.1,0.16,0.25,0.4工业表1.0,1.5,2.5,例题：有一压力容器，压力范围0.40.6MPa，压力变化速度较缓，不要求远传。试选择压力仪表（给出量程和精度等级）测量该压力，测量误差不大于被测压力的4%。,根据最大工作压力,根据最小工作压力,被测压力的最大示值绝对误差,所选仪表的基本误差,所以可选择量程范围为01.0MPa弹簧管压力表,可选择1.5级的压力表,3）仪表类型选择被测介质压力大小，被测介质的性质，例如，氧气、乙炔都有专门的测量仪表，对腐蚀性介质要采用不锈钢或其他耐腐蚀的材料，对仪表输出信号的要求，例如是否需要为电信号，使用环境。,2.压力表的校验,活塞式静重压力计,工作原理：加压泵压缩活塞内的介质，使其具有压力P，这个压力作用到活塞的有效面积F上形成向上的作用力FP，当此力与活塞、承重盘、砝码的总重量G平衡时，那么介质的压力P=G/F，F为有效面积，计算公式为：,其中，R为活塞半径，h为活塞与活塞缸之间的径向间隙。活塞压力计的有效面积在铭牌或检定书上给出，一般为1cm2、0.1cm2。注意：活塞与活塞缸、承重盘、砝码必须配套使用，不能与其他压力计互换。,3压力表的安装1）取压口的选择,气上部防堵汽侧上部防堵，防液，防气液侧下部防堵，防汽,取压口位置稳定无涡流区（直线管段，避开拐弯、分叉等）。除了被测介质以处，不接触其它物质不易堵塞取压孔形状孔径要小要与壁面垂直孔口应无毛刺,2）导压管的敷设，为了使导压管正确传递压力或压差，应作到：导压管长度小于50m，内径为6-10mm。对于水平敷设，导压管要有1：101：20的坡度，测量液体介质时下坡，测量气体介质时上坡。3）当被测介质易冷凝或冻结，必须加装伴热管后再行保温；当测量腐蚀性介质时，应加装隔离罐；当测量高温蒸气压力时，应加装冷凝盘管；测量含尘气体时，应加装灰尘捕集器；测量高于60度的介质时，应加装环行圈；,4）当测量液体压力时，在导压管系统最高处应安装集气瓶；当测量气体压力有可能有液体冷凝时，在导压管系统最低处应加装水分离器；当被测介质有可能产生沉淀时，应在仪表前安装沉降器。5）取压口与压力表之间应加装隔离阀。6）在测量较小压力时，若仪表与取压口不在同一水平高度，则应对测压进行校正。,讨论题,1试述差压式流量计的基本组成及测试原理及使用特点。2弹性压力计常用弹性元件有哪几种？各使用什么压力范围？。,课后小结,通过本章学习同学们掌握了压力测量方法及其压力测量仪表的分类。液柱式压力计、弹性压力计、电气式压力计。压力仪表的选择，了解了压力仪表的检验与安装。熟悉了各类压力仪表的特点及使用场所,
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