压力测量

压力测量一、压力测量的基本概念和单位压力是指垂直作用在单位面积上的力。压力的单位是帕斯卡，符号为Pa。压力P可以用公式表示为：1Pa就是1牛顿（N）的力作用在1平方米（m2）面积上所产生的压力，即22211112smkgmsmkgmNPa在压力测量中，常有绝对压力、表压力、负压或真空度之分。绝对压力：是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力，它是以绝对零压为基准来表示的压力，用符号Pj表示。绝对真空下的压力称为绝对零压。用来测量绝对压力仪表称为绝对压力表。大气压：地面上空气柱所产生的平均压力称为大气压，用符号Pq表示。用来测量大气压力的表叫气压表。SFP表压力：它是以大气压为基准来表示的压力。也就是绝对压力与大气压力之差，称为表压力，用符号Pb表示。即Pb=Pj-Pq。真空度：当绝对压力小于大气压力是，表压力为负值（即负压力），此负压力的绝对值，称为真空度，用符号Pz表示。用来测量真空度的仪表称为真空表。既能测量压力值又能测量真空度的仪表叫压力真空表。标准大气压：把纬度为45°的海平面上的大气压叫做标准大气压。它相当于0℃时760mm高的水银柱底部的压力，即760mmHg（101325Pa）。压力的砝定计量单位是帕（Pa），常用表示压力的单位还有千帕（KPa）、兆帕（MPa）、毫米水柱（mmH2O）、毫米汞柱（mmHg）、巴（bar）、标准大气压（atm）、工程大气压（kgf/cm2）。它们的关系是：1MPa=1000KPa=106Pa1毫米水柱（mmH2O）=9.80665Pa1毫米汞柱（mmHg）=133.322Pa1工程大气压（kgf/cm2）=9.90665X104Pa1物理大气压（atm）=101325Pa1巴（bar）=1000mbar=105Pa二、压力的测量压力测量原理可分为液柱式、弹性式、活塞式、电阻式、电容式、电感式和振频式等。压力的测量范围宽广，可以从超真空如133X10-13Pa直到超高压280MPa。2.1液柱式压力计液柱式压力计是基于液体静力学的原理工作的，用于测量小于200KPa以下的压力、负压或压差。常用的液柱式压力计有U型压力计，单管压力计和斜管压力计。根据所测压力的范围及使用要求，液柱式压力计一般采用水银、水、酒精、四氯化碳、甘油等为工作液。液柱式压力计既可用于工业测量、实验室仪器，也可作为标准压力计来检验其它压力仪表。液柱高度和压力的换算关系：P=ρghN/m2式中ρ——液体密度，kg/m3；h——液体高度，m；g——重力加速度，m/s2（标准重力加速度ρ=980.665cm/s2）。液柱式压力计计算标尺的最小分格一般为1mm，较精密的分格有0.5mm。U型管压力计液柱高度误差估计为±1mm，则其最大的绝对误差可能达2mm，其原因在于用U型压力计是要进行2次读数；单管压力计则读数误差可以减小一半，其原因是使用单管压力计时读数只需读一次。在液柱式压力计中考虑封液在管内的毛细现象，因此细管内径不要小于6~10mm。液柱式压力计读数时，为了减少视差，须正确读取液面位置，如用浸润液体（如水）时须读其凹面的最低位，用非浸润液体（如水银）时须读其凸面的最高位。U型管压力计和单管压力计的结构形式如下：单管压力计型压力计使用单管压力计测量压力高于大气压的压力时，被测压力引入单管压力计的盅型容器中；当被测压力低于大气压时，压力引入单管压力计的单管中。在精密压力测量时，一般采用直径较小的玻璃U形管，工作液通常用酒精或甲苯，而不用水，因为水的毛细作用会造成大的测量误差。2.2弹性式压力计工业上常用的弹性测压元件有弹簧管、波纹管及膜片三类。弹性式压力计是根据弹性元件的变形和所受压力成比例的原理来工作的。当作用于弹性元件上的被测压力越大时，弹性元件的变形也越大。常用的弹性式压力表有弹簧管式压力表、膜片式压力表、波纹管式压力表，其中弹簧管式压力运用最广。弹性元件的钢度就是指弹性元件变形的难易程度。钢度大的弹簧管受压变形后形变小。用不锈钢、合金钢制作的钢度大，一般用来测量大于20MPa以上压力；磷铜、黄铜制作的钢度小，一般测量小于20MPa以下的压力。弹簧压力表一般由弹簧管、连接杆、扇形齿轮、游丝、指针和刻度盘等几部分组成。弹簧管压力表中弹簧管都是由一根弯成270°圆弧状、截面呈椭圆形的金属管制成。因为椭圆形截面在介质压力的作用下将趋向圆形，使弯成圆弧形的弹簧管随之产生向外挺直扩张的变形，使弹簧管的自由端产生位移，并通过连接带动扇形齿轮进行放大，带动指针转动，指针转动的角度和压力程线性关系，这样就通过刻度盘读出被测压力的大小。游丝的作用是产生一个反作用力。膜片式压力表一般由测量膜片、传动系统、指示系统和表壳接头几部分组成。在弹性式压力表型号中，常用汉语拼音的第一个字母表示某种意义，如Y表示压力，Z表示真空（阻尼），B表示标准（防爆），J表示精密（矩形），A表示氨压力表，X表示信号（电接点），P表示膜片，E表示膜盒，后面的数字表示表面尺寸（mm），尺寸后的符号表示结构或配接仪表。如：Y100ZQ表示压力表，表面尺寸为100mm，并且结构为轴向带前边；Y100T表示压力表，表面尺寸为100mm，并且结构为径向带后边；YB-160A（B、C）表示标准压力表，表面尺寸为160mm，并且结构为径向，并且仪表零点克调（A——表示仪表零点可调；B——表示仪表带有镜面；C——表示带镜面且零点克调）。压力表的读数方法（1）首先应确定仪表的有效数字位数。按仪表读数的一般要求，应估读到最小分度的1/10，即有效数字位数=最小分度值位数+1。（2）根据最小分度值的形式估读其末位数。最小分度值A=αX10nA=1，2，5N为正、负整数或零。当α=1时，末位数可以是0~9中的任何一个数。α=2时，末位数是2、4、6、8、0。α=5时，末位数是5或0。如1块0~1MPa，0.4级精密压力表，分格总数200格读数方法是：首先算出最小分度值为：1MPA÷200=0.005MPa/格；因此，其有效位数就为小数点后第4位，末位数字应读作5或零。读数方法是当指针指示在最小分度值的1/10、3/10、5/10、7/10、9/10是，末位应读5；而当指在2/10、4/10、6/10、8/10时，末位应读零。又如一块0~6MPa，0.4级精密压力表，分格总数300格的读数方法是：首先算出最小分度值：6÷300=0.02MPa/格，因此，其有效位数就是小数点后第3位，末位数字读作偶数，即2、4、6、8，不应出现奇数。选择使用弹性式压力表时，在测稳定压力时，最大压力值不应超过满量程的3/4；测波动压力时，最大压力值应不超过满量程的2/3。最低测量压力值应不低于全量程的1/3。2.3活塞式压力计活塞式压力计是基于静压平衡的原理工作的，一般有单活塞和双活塞两种。活塞压力计根据其精度分为一等、二等、三等，精度等级误差分别为0.02级，0.05级，0.2级。活塞的有效面积一般取1cm2、0.5cm2或0.1cm2。传压介质常用的有变压器油和蓖麻油。活塞压力计的工作原理:活塞压力计的结构原理如图所示，它由测量部份和压力发生部分组成，工作时，手轮1向前转动，使工作活塞2挤压油液，并把压力传递给测量活塞4。当活塞4下端因压力P作用所产生的向上顶的力和活塞本身、托盘及加在上面的砝码的重力相平衡时，活塞4就稳在某一平衡位置。此时的平衡关系式为：PA=mg+m0g由此得gmmAP)(10式中A——活塞4的截面积；m、m0——分别为砝码盒测量活塞（含托盘）的质量；g——重力加速度。如果针型阀6活8上面装备校压力表，则当平衡时有所加砝码的数值上，便可知道被校表的误差。活塞式检验压力表的操作步骤：校验前，先把压力计上的水平泡的气泡调到中心位置，然后检查油路是否畅通，若无问题，便可装上被校压力，其操作步骤如下：（1）打开油杯阀门7，左旋手轮1，使压力泵油缸充满油液。（2）关闭阀门7，打开针型阀3、6。右旋手轮，产生初压使托盘托起，直到与定位指示筒的墨线刻度相齐为止。（3)右旋手轮，同时增加砝码数量，增加砝码时需用手轻轻拔动砝码（转速在30~120转/分），借以克服摩擦阻力的影响，保证测量准确性。（4）校验完毕，左旋手轮，逐步卸去砝码，最后打开油杯阀门，卸去全部砝码。用活塞压力计校验标准弹簧管压力表时，加取砝码都应平取平放，并应上下对齐。读数时，为减少测量活塞和活塞柱之间的静摩擦而造成的误差，必须使测量活塞和砝码保持一定的旋转度。压力效验仪压力效验仪只有压力发生部分，没有砝码等测量部分。它是作为压力泵用来校验一般压力表的，方法是在它上面装二块压力表，一块是标准表，一块是被校表，利用标准表来校验被校表的误差。而活塞压力计也是用来校验压力表的，但它校的不是一般压力表，而主要是精密压力表。它除了有压力发生部分，还有活塞、托盘、水准泡等压力测量部分。它是一砝码的多少来校验被校表的，所它不应装标准压力表。活塞压力计上砝码标的是压力。在校验氧气压力表前应首先检查表内有无油脂。检查方法是先将纯净的温水注入弹簧管内，经过摇荡，再将水倒入盛有清水的器皿内。如水面上没有彩色的油影，即可以认为没有油脂。校验时应使用油水隔离装置，用水将油分离开，防止油脂进入弹簧管内，同时也要用专用校验设备和工具。如果发现校验设备或根据上有油污，可以用四氯化碳进行清洗。2.4数字压力计数字压力计是采用数字显示被测压力值的压力计。工作原理将被测压力经传压介质作用于传感器上，压力传感器输出相应的电信号或数字信号，由信号处理单元处理后在显示器上直接显示出被测压力的量值。数字压力计的工作原理框图如下压力计按结构可分为整体型和分离性。压力计按功能可分为单功能型和多功能型。（1）单功能压力计只具有测量压力的功能。（2）多功能型除具有测量压力的功能外，还具有测量非压力参数的附加功能（如电压、电流）。2.5压力传感器压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分。由工作电源显示器被测压力信号处理和转换单元压力传感器数字压力计工作原理输出信号直流稳压电源应变式压力传感器结构原理图1-应变筒；2-外壳；3-密封膜片检测电桥应变筒各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号作输出，给显示仪表显示压力值，或供控制和报警作用。常见的压力传感器有电位器式、应变式、霍尔式、气膜式、差动变压器式、压电式、压阻式、电容式、振频式。2.5.1应变式压力传感器应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化进行测量的。应变片是金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随压力所产生的应变而变化对于金属导体，电阻变化率RR的表达式为：)21(RR式中：μ——材料的泊松系数；ε——应变量。应变式压力传感器的结构原理图如图所示：从图中可以看出应变筒的上端与外壳2固定在一起，下边与密封膜片3紧密接触，两片康铜丝应变片R1和R2用特殊胶合剂贴在应变筒的外壁上。R1沿应变筒轴向粘贴作为测量片，R2沿应变筒径向粘贴作为温度补偿片。应变片与筒体之间不能产生相对滑动，并且要保持电气绝缘。当被测压力P作用于膜片而使应变筒作轴向受压时，沿轴向贴置的应变片R1也将产生轴向压缩应变ε1，于是R1的阻值变小；而沿径向贴放的应变片R2，由于应变筒的径向产生了拉伸变形，也将产生拉伸应变ε2，于是R2阻值变大。应变片R1、R2与另外两个固定电阻R3、R4组成一个桥式电路（见图b），由于R1和R2的阻值变化使桥路失去平衡，从而获得不平衡电压作为传感器输出信号。2.5.2压电式压力传感器压电式压力传感器的原理是利用某些晶体材料的压电效应做成的。目前广泛使用的压电材料有石英和钛钡等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这种现象称为“压电效应”。晶体上所产生的电荷的大小与外部施加的压力成正比，即：q=ηP式中：q——压电量（电荷数）；η——压电常数；P——外部施加的压力。这种传感器的特点是体积小，结构简单，不需要外加电源，灵敏度和响应频率高，使用于动态压力测量。2.6压力变送器压力变送器是一种将压力变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表，