压力和差压的测量.ppt

第5章压力和差压的测量 本章介绍几种在实验和工业生产中使用较多的压力检测仪表的检测原理 组成结构和使用方法等 5 1概述 5 1 1压力和差压的概念及表示方法 5 1 2压力的度量单位 重点 压力的概念 压力表示形式 难点 各种压力之间的关系 重点 压力的国际度量单位 我国常用单位 难点 压力度量单位之间的换算 5 1 1压力和差压的概念 压力 定义为垂直均匀地作用在单位面积上的力 即物理概念中的压强 表达式为差压 两个测量压力之间的差值 也就是压力差 压力测量的方法 液柱测压法 弹性元件测压法 电测法 压力的几种表示方法 在压力测量中 常有表压力 绝对压力 负压或真空度之分 大气压地球表面空气因自重在物体单位面积上产生的压力 它随地理纬度 海拔高度及气象环境的变化而变化 绝对压力指物体实际所承受的全部压力 表压力是一个相对压力 在工程实际中 所说的压力通常是指表压 即压力表上的读数 真空度当绝对压力小于大气压力时 表压力为负值 负压力 其绝对值称为真空度 5 1 2压力的单位 帕斯卡 Pa 国际制导出单位1帕 Pa 1牛顿 平方米 N m2 表示1N的力垂直作用在1 面积上所产生的压力 2 其他常用度量单位 1 工程大气压 kgf cm2 1工程大气压 1千克力 厘米2 2 毫米汞柱 mmHg 3 毫米水柱 mmH2O 各种压力单位换算表 5 2液柱式压力计 液柱式压力计的测压是基于液体静力学原理 利用已知密度的液柱高度对底面产生的静压力来平衡被测压力 根据液柱高度来确定被测压力的大小 优点 结构简单 制造容易 测量可靠 直观 准确度高 使用方便 价格便宜缺点 测量结果只能就地读取 不能进行远传 测量的量程也受限于玻璃管的高度 只能测量微小的压力 测压范围为10 6 0 3MPa 玻璃管易损坏 且水银有毒 5 2 1U形管压力计 5 2 2单管压力计 5 2 3斜管压力计 5 2 4液柱式压力计的使用 重点 液柱式压力计的原理 结构 特点 难点 三种液柱式压力计比较 使用注意事项 5 2液柱式压力计 5 2 1U形管压力计 1 U型管压力计的结构 U型 内截面积相同的玻璃管 固定在底板上 在U型管中间设一个刻度标尺 零点在标尺中央 U型玻璃管内充入水银或水等工作液 液体到零点处 2 U型管压力计的工作原理当p1 p2时 两管中自由液面同处于标尺中央零刻度 当p2 p1时 右边管中液面下降 左边管中液面上升 一直到液面的高度差H产生的压力与被测差压平衡为止 根据流体静力学原理有如果将两管分别通大气压p0和被测压力pa 则测得压力为表压力 由此可见 1 U型管压力计可以测量差压 或表压力 2 当工作液密度 一定时 不同的液面高度差H就对着不同的被测压力 这样 压力的测量就转换为对应液面高度的测量 被测压力可以直接用液面高度差H表示 其单位用mmHg或mmH2O 3 若减小U型管内工作液的密度 在相同压力的作用下 H值变大 即仪表灵敏度提高 但同时量程范围变小 当测量较大压力时 可采用密度比较大的工作液 如汞 当测量较小压力时 为了提高灵敏度 可采用密度比较小的工作液 如水 酒精 造成读取误差的主要因素 1 标尺刻度精度 2 温度误差 3 安装位置误差两只管严格铅垂 无压力作用下 两管液面应处于标尺零位 5 2 2单管压力计 1 单管压力计的结构 它是U型管压力计的一种变形 单管压力计把其中一个管用一个较大直径的杯来代替 也称杯型压力计 由于杯的直径与管的直径相差较大 所以杯中液面高度下降h2可忽略不计 因此在测量时只要读数一次就够了 减小了读数误差 2 单管压力计的工作原理测表压时 被测压力通到杯子一侧 当被测压力大于大气压时 玻璃管内液面上升 而杯中液面下降 液面高度差H h h2 由于杯内下降与细管上升液体体积相同 即 则 由于 可忽略不计 所以 由于忽略了h2的值 在结果中引入了一个附加系统误差 因此 在进行精确测量时 必须要进行修正 修正方法为 在测量结果中引入修正系数专用标尺L与实际液面高度差H的关系为 例如 有一单管压力计 玻璃管内径为8mm 杯内径为80mm 当被测压力为100mmHg时 专用标尺长度为 5 2 3斜管压力计 1 斜管压力计的结构 它是单管式压力计的一种变形 将单管倾斜一个角度 这样可以加长液柱长度 提高压力计的灵敏度 斜管压力计常用于测量微小的压力和负压 2 斜管压力计的原理根据单管压力计原理可知 当d2 D2时 从式可知 它的读数比单管式压力计扩大1 sin 倍 使读数精度有所提高 显然 在用同一种工作液体 仪表刻度标尺也相同的情况下 管子的倾斜角度 愈小 灵敏度越高 但实际使用时 不能小于15 这是因为 太小使得液面拉得太长 反而难于准确读数 增加读数误差 由于酒精有较小的密度 常用它做斜管微压计的工作液体 5 2 4液柱式压力计的使用 1 压力计在使用前 一定要放置水平 要保证管子处于严格的铅垂位置 未测量时工作液面应处于标尺零位 否则将产生安装误差 2 在确定液面高度差H时 可采用各种提高读数精度的辅助装置 如放大尺 游标尺 光学读数系统等 减小读数误差 3 由于毛细管的作用使管内液体呈弯月形 对于浸润液体 如水 液面呈凹月面 对于非浸润液体 如汞 液面呈凸月面 因此 读数时视线一定要与弯月面顶点相切 4 当使用地点的环境温度与重力加速度有较大偏差时 应注意修正 弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件受压后变形产生的弹性力与被测表压力或真空度相平衡的原理制成的 弹性元件的形变大小是压力的函数 通过测量弹性元件的形变就可以间接得到被测压力的大小 5 3弹性式压力计 特点 结构简单 坚实牢固 价格低廉 准确度较高 测量范围广 便于携带和安装使用 可以配合各种变换元件做成各种压力计 可以安装在各种设备上或用于露天作业场合 可以在高温 低温 振动 冲击 腐蚀 粘稠 易堵和易爆等恶劣的环境条件下工作 频率响应低 不宜用于测量动态压力 弹性元件材料 通常使用合金结构钢 如镍铬结构钢 镍铬钼结构钢等 也有使用碳钢 铜合金和铝合金的 5 3 1弹性元件 弹性元件是弹性式压力计的测压敏感元件 是压力 位移转换元件 弹性元件受外部压力P作用后 通过受压面表现为力的作用 其大小为 根据虎克定律 在弹性限度内 物体的形变跟引起形变的外力成正比 即由以上两式得 不同的弹性元件所适用的测压范围有所不同 工业上常用的弹性元件有膜片 膜盒 波纹管和弹簧管 结构如下图所示 1 膜片膜片是一种沿外缘固定的片状测压弹性元件 测量时 将压力或差压转换成膜片中心位移或集中力输出 传给传动机构及指示机构就地指示 膜片的位移较小 灵敏度低 更多的应用是与压力变送器配合使用 有时膜片也被用来隔离仪表和被测介质 以保护仪表 膜片按其结构特征分为平膜片 波纹膜片 2 膜盒为增加膜片的中心位移量 提高仪表的灵敏度 可以把两块膜片沿周边对焊起来 成一薄膜盒子 称为膜盒 在测微压时要使位移量更大 灵敏度更高 还可以把数个膜盒串在一起组成膜盒串作为弹性敏感元件 3 波纹管波纹管是一种具有等间距同轴环状波纹 能沿轴向伸缩的测压弹性元件 又称波纹箱 波纹管在受到外力作用时 其膜面产生的机械位移量主要不是靠膜面的弯曲形变 而是靠波纹柱面的舒展或压屈来带动膜面中心作用点的移动 由于位移相对较大 一般可直接带动传动机构 就地指示 灵敏度高 可以用来测量较低的压力或压差 但波纹管迟滞误差较大 准确度最高仅为1 5级 4 弹簧管弹簧管是一根弯成270 圆弧的空心金属管子 管子的截面呈扁圆形或椭圆形 管子封闭的一端 B 为自由端 即位移输出端 管子另一端 A 开口 并被固定在接头上 作为被测压力的输入端 当被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的内腔时 椭圆或扁圆截面在被测压力p的作用下将趋向圆形 由于弹簧管长度一定 迫使弹簧管产生向外挺直的扩张变形 结果改变弹簧管的中心角 使其自由端产生位移 根据弹性变形原理 对于薄壁管弹簧 中心角相对变化量 与被测压力P的关系为 式中 E 弹簧管材料的泊松系数和弹性系数 h 弹簧管的壁厚 a b 弹簧管截面的长半轴 短半轴 k 弹簧管的几何参数 与a b比值有关的系数 5 3 2弹簧管压力计 1 单圈弹簧管压力计结构弹簧管压力计主要由弹簧管 齿轮传动机构 指示机构以及表壳等几个部分组成 练习简要介绍多圈弹簧管压力计 弹簧管压力计的检定 5 3 3弹性式远传压力计 不论是弹簧管 波纹管 膜盒压力计都是将外部压力转换为位移量进行直接压力读取 如果在此基础上 将位移信号再进行电量的转换 构成压力 位移 电量的变换 就可以使被测压力信号转变为电信号 显然 以电信号来反应压力的大小 可以非常方便的实现信号的远传 显示和控制 霍尔片式远传压力计 霍尔效应 通过电流的半导体在垂直电流方向的磁场作用下 在与电流和磁场垂直的方向上形成电荷积累和出现电势差的现象 霍尔电势的大小为 式中KH 霍尔系数d 霍尔片厚度l 霍尔片电势导出端长度b 霍尔片外部直流通入端宽度f l b 霍尔片形状系数 霍尔片材料和几何尺寸一定后 霍尔电势可表示为 电气式压力传感器是利用压力敏感元件将被测压力转换成各种电量 如电阻 频率 电荷量等来实现测量的 电气式压力计测量范围大 线性好 便于进行压力的连续测量及远传 实现自动控制 尤其适合于压力变化快和高真空 超高压的测量 5 4电气式压力传感器 5 4电气式压力传感器 5 4 1应变式压力传感器 重点 应变效应 压阻效应 应变式压力传感器组成 难点 力 应变型弹性元件及应变片粘贴 5 4 2压电式压力传感器 重点 压电效应 压电式压力传感器原理 结构 难点 压电材料特性 压电式压力传感器使用 5 4 1应变式压力传感器 应变式压力计的工作原理是 被测压力引起弹性元件应变 通过粘贴在弹性元件上电阻应变片将应变转换为电阻值的变化 最后通过测量电路把电阻值的变化转换成电压或电流的变化 应变式压力计的核心敏感元件是电阻应变片 电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片两种 1 应变效应和压阻效应金属电阻丝在外力作用下发生机械变形 从而引起电阻值发生变化的现象称为应变效应 半导体电阻材料在受到外力作用后 其晶格间距发生变化 从而使电阻率发生变化 压力也随之变化的现象称为压阻效应 金属导体或半导体在受到外力作用时 会产生相应的应变 其电阻也将随之发生变化 这种物理现象称为 应变效应 应变片的工作过程 1 应变效应和压阻效应 金属导体或半导体在受到外力作用时 会产生相应的应变 其电阻也将随之发生变化 这种物理现象称为 应变效应 对于半径为r的圆导体 A r2 A A 2 r r 又由材料力学可知 在弹性范围内 电阻R 电阻率 长度l 截面积A 电阻的灵敏度系数 金属材料 K以前者为主 则K 1 2 1 7 3 6半导体 K值主要是由电阻率相对变化所决定 2 应变片的结构金属电阻应变片 栅丝式应变片结构 常用的金属电阻应变片有栅丝式 箔式和薄膜式等种类 结构如图 一般由敏感栅 金属丝或箔 绝缘基底 覆盖层或保护膜 引出线等部分组成 1 引出线 直径为0 1 0 2mm的低电阻镀锡铜线 2 覆盖层 保护膜 与基底材料相同 3 绝缘基底 薄纸或有机聚合物薄膜 4 电阻丝 直径为0 02 0 04mm的高电阻率的金属丝 如康铜 铜镍合金 也有镍铬合金 镍铬铝合金的 半导体应变片 体型半导体应变片结构 半导体应变片的材料有硅 锗 锑化铟 磷化镓 砷化镓等 硅和锗由于压阻效应大 故多作为压阻式压力计的半导体材料 半导体应变片按结构可分为体型应变片 扩散型应变片和薄膜型应变片 3 电阻应变式压力传感器的组成 应变片的粘贴方法 一种是将应变片直接粘贴于压力 位移型弹性元件的应变处 平膜片 另一种是粘贴在力 应变型弹性元件表面 通过压力 位移弹性元件实现压力 力的变换 再通过力 应变型弹性元件实现力 应变 电阻值的转换 1 力 应变型弹性元件柱形弹性元件 柱形弹性元件 此类弹性元件由于应变很小 测力量程较大 尤其是实心圆柱在径向尺寸较大时 测力上限可达数千吨 常作为荷重式压力传感器的敏感元件 悬臂梁 悬臂梁是一端固定 一端自由的测力弹性元件 其特点是结构简单 加工方便 其输出可以是应变 也可是挠度 它灵敏度比圆柱高 适于较小力的测量 根据截面形状 可分为等截面悬臂梁和变截面等强度悬臂梁两种 梁形弹性元件 等截面变截面 薄壁环 弹性元件为等截面圆环 薄壁环灵敏度高 用于测量较小的力 但加工困难 且在力F作用下 环的各部位应变不相等 薄壁环弹性元件 当U0 0时 电桥处于平衡状态 此时 应变电桥 电压输出电桥 电流输出电桥 当负载RL 时 电压输出特性分为以下几种情况 2 桥式测量转换电路 1 不对称电桥 满足电桥平衡条件 但 当四个电阻均为应变片时 桥路输出电压变化为 当四个电阻只有一个为应变片时 把平衡条件代入上式得 2 对称电桥 a 电源输入端对称电桥满足条件 当接入一个应变片R1时 桥路输出电压的变化为 当接入两个对称应变片时 桥路输出电压的变化为 b 桥路输出端对称电桥满足条件 当接入一个应变片R1时 桥路输出电压的变化为 当接入两个对称应变片时 桥路输出电压的变化为 3 全等臂电桥 全等臂 接入一个应变片 接入两个应变片 接入四个应变片 图2 4全等臂电桥 5 4 2压电式压力传感器 压电式压力传感器是基于某些电介质的压电效应原理制成的 某些电介质物体 对其沿一定方向施加压力或拉力发生机械应变时 会在其相对两面上产生等量异号电荷 若将外力去掉时 电荷随之消失 它们又重新回到不带电的状态 这种现象称为压电效应 1 压电式压力传感器的工作原理 石英晶体外形 纵向轴线z叫做光轴 经过六面体棱线并与光轴垂直的轴线x叫做电轴 而垂直于对称棱面 同时与光轴和电轴垂直的轴线y称为机械轴 光轴 电轴 机械轴 当沿电轴方向施加压力时 则在与电轴垂直的两晶体边界面上产生异性电荷 当沿机械轴方向施加压力时 则仍在与电轴垂直的两晶体边界面上产生异号电荷 但符号相反 而在光轴方向施加压力则不产生压电效应 2 压电式压力传感器的结构 压电元件被夹在两片膜片之间 弹性元件把压力传递给压电元件 压电元件的一个侧面与膜片接触并接地 另一侧面通过引线将电荷量引出 送到电荷放大器或电压放大器放大 转换成标准电压或电流输出 其大小与被测压力成正比关系 压电式压力传感器 3 压电式压力传感器的应用及特点 1 体积小 重量轻 结构简单 工作可靠 工作温度可在250 以上 2 灵敏度高 线性度好 常用精度有0 5级和1 0级 3 测量范围宽 可测100Mpa以下的所有压力 4 是一种有源传感器 无须外加电源 可避免电源带来的噪声干扰 5 5压力计的校验使用 5 5 1活塞式压力计及压力计的校验 重点 活塞式压力计原理 结构 校验压力计的方法 难点 活塞式压力计的使用 维护 5 5 2压力计的使用 重点 压力计的选型 安装等知识 难点 选型原则 活塞式压力计是基于流体静力学平衡原理和帕斯卡定律 利用压力作用在活塞上的力与砝码的重力相平衡的原理来测压力 活塞式压力计是压力计量中的基准仪器 也是一种标准压力发生器 用来检验其他仪表 一般不能直接测量压力 5 5 1活塞式压力计及压力计的校验 活塞式压力计的结构及原理 活塞式压力计主要由活塞测量系统 砝码 活塞和测量活塞筒等 和压力发生泵 手摇泵 油杯组件 组成 5 5 1活塞式压力计及压力计的校验 活塞式压力计 5 5 2压力计的使用 压力计的选型 1 压力计种类和型号的选择考虑被测介质压力大小 如测量微压 宜采用液柱式压力计或膜盒压力计 如被测压力在15kPa以下 且不要求迅速读数的 可选用液柱式压力计 如要求迅速读数可选择膜盒压力计 如测高压 50kPa 应选用弹簧管压力计 如压力变化快速 应选压阻式压力计 若测管道流水压力且压力脉动频率较高 应选电阻应变式压力计 考虑被测介质的性质 考虑使用环境 考虑仪表输出信号的要求 2 压力计量程的选择测量稳定压力时 最大工作压力不应超过量程的2 3 测量脉动压力时 最大工作压力则不应超过量程的1 2 测高压时 则不应超过3 5 最小工作压力不应低于量程的1 3 目前我国出厂的压力检测仪表有统一的量程系列 它们是1kPa 1 6kPa 2 5kPa 4 0kPa 6 0kPa以及它们的10n倍数 3 压力计精度等级的选择压力计的精度等级主要根据生产允许的最大误差来确定 根据我国压力表的新标准GB T1226 2001规定 一般压力表的精度等级分为 1级 1 6级 2 5级 4 0级 精密压力计的精度等级为 0 1级 0 16级 0 25级 0 4级 它既可作为检定一般压力表的标准器还可以作为高精度压力测量之用 例1 有一压力容器 在正常工作时压力稳定 压力变化范围为0 4 0 6MPa 要求就地显示即可 且测量误差应不大于被测压力的5 试选择压力计并确定该压力计的量程和精度等级 例2 已知某被测容器最大压力为0 8MPa 允许的最大绝对误差为0 01MPa 甲同学选择一个测量范围为0 1 6MPa 精度等级为1级的压力表进行测量 乙同学选择一个测量范围为0 1 0MPa 精度等级为1级的压力表进行测量 问 哪块压力表符合工艺要求 练习 某台空压机的缓冲器 正常工作压力范围为1 1 1 6MPa 工艺要求就地指示 测量误差要求不大于被测压力的 5 试选择合适的压力仪表 压力表类型 示值范围和精度等级