Chapter2压力测量

3.3压力测量3.3.1概述压力是工业生产过程中重要的工艺参数之一，正确地测量和控制压力是保证工业生产过程良好地运行，达到高产优质低耗及安全生产的重要环节。1.压力的定义压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力，即物理学中常称的压强。工程上，习惯把压强称为压力。由此定义，压力可表示为式中p—压力；F—垂直作用力；S—受力面积。SFp2.压力的表示方法由于参照点不同，在工程上压力有几种不同表示方法。(1)绝对压力：被测介质作用于物体表面上的全部压力称为绝对压力。(2)大气压力：由地球表面空气质量所形成的压力，称为大气压力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件而变化。(3)表压力：绝对压力与当地大气压之差称为表压力。通常压力测量仪表总是处于大气之中，其测得的压力值均是表压力。0pip0pppig(4)真空度(负压)：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，用符号表示。(5)差压(压差)：任意两个压力p1、p2之差称为差压()，。这几种表示法的关系如图3-1所示。此外，工程上按压力随时间的变化关系还有静态压力(不随时间变化或变化缓慢的压力)和动态压力(随时间作快速变化的压力)之分。VpgVppp21ppp图3-1各种压力之间的关系3.压力的计量单位压力是力和面积的导出量。在国际单位制中，取力的单位为牛顿，面积单位为米2，则压力单位为牛顿/米2，用符号N/m2表示。压力单位又称为帕斯卡或简称帕，符号为Pa。1Pa＝1N/m2。因帕单位太小，工程上常用kPa(103Pa)和MPa(106Pa)表示。我国已规定帕斯卡为压力的法定单位。由于历史发展的原因、单位制的不同以及使用场合的差异，压力还有多种不同的单位。目前工程技术部门仍在使用的压力单位有工程大气压、物理大气压、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。各种压力单位间的换算关系列于表3-1中。表3-1压力单位换算表单位帕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)11×10-51.019716×10-10.9869236×10-51.019716×10-50.75006×10-21.450442×10-4巴(bar)1×10511.019716×1040.98692361.0197160.75006×1031.450442×10毫米水柱(mmH2O)0.980665×100.980665×10-410.9678×10-41×10-40.73556×10-11.4223×10-3标准大气压(atm)1.01325×1051.013251.033227×10411.03320.76×1031.4696×10工程大气压(kgf/cm2)0.980665×1050.9806651×1040.967810.73556×1031.422398×10毫米汞柱(mmHg)1.333224×1021.333224×10-31.35951×101.316×10-31.35951×10-311.934×10-2磅力/英吋2(lbf/m2)0.68049×1040.68049×10-10.70307×1030.6805×10-10.70307×10-10.51715×10214＃.压力检测的基本方法根据不同工作原理，压力检测方法可分为如下几种：(1)重力平衡方法这种方法利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理，将被测压力转换为液柱高度或平衡砝码的重量来测量。例如液柱式压力计和活塞式压力计。(2)弹性力平衡方法利用弹性元件受压力作用发生弹性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理，将压力转换成位移，通过测量弹性元件位移变形的大小测出被测压力。此类压力计有多种类型，可以测量压力、负压、绝对压力和压差，应用最为广泛。(3)机械力平衡方法这种方法是将被测压力经变换元件转换成一个集中力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的外力测知被测压力。力平衡式仪表可以达到较高精度，但是结构复杂。(4)物性测量方法利用敏感元件在压力的作用下，其某些物理特性发生与压力成确定关系变化的原理，将被测压力直接转换为各种电量来测量。如应变式、压电式、电容式压力传感器等等。3.3.2液柱式压力计应用液柱测量压力的方法是以流体静力学原理为基础的。一般是采用充有水或水银等液体的玻璃U形管、单管或斜管进行压力测量的，其结构形式如图3-2所示。(1)U形管压力计图3-2(a)所示的U形管是用来测量压力和压差的仪表。在U形管两端接入不同压力和时，根据流体静力平衡原理可知，U形管两边管内液柱差h与被测压力和的关系为(3-2)式中A—U形管内孔截面积；—U形管内工作液的密度；g—重力加速度。由上式可求得两压力的差值或在己知一个压力的情况下（例如压力），求出另一压力值。12ppgh(3-3)可见U形管内的液柱差h与被测差压或压力成正比，因此被测压差或压力可以用工作液高度h的大小来表示。图3-2液柱式压力计ghppghppp2121（2）单管压力计由于U形管压力计需两次读取液面高度，为使用方便，设计出一次读取液面高度的单管压力计。因则故由于Dd，所以P=ρgh2221244Dhdh2122dhhD2121222dppg(hh)g(1)hDd—玻璃管直径；D—大容器直径。（书P92（3－43）式推导）问#：U形管压力计两肘管的内径分别为d1=6mm，d2=6.5mm，管内封液为水，被测压力作用于较细肘管，使水柱从零位下降195mm。如果以该值的2倍作为被测压力值，试确定由于没有读取较粗肘管的水柱从零位的升高值而造成的测量误差。解：%100PPP%001Pg2h012Pg(hh)221122dhdh212122dhhd%99.7hhhh%2121(3)斜管压力计用U形管或单管压力计来测量微小的压力时，因为液柱高度变化很小，读数困难，为了提高灵敏度，减小误差，可将单管压力计的玻璃管制成斜管，如图3--2(c)所示。大容器通入被测压力p1，斜管通大气压力p2，则p1与液柱之间的关系仍然与式(3-5)相同，(3-6)式中l—斜管内液柱的长度；—斜管倾斜角。由于lh，所以斜管压力计比单管压力计更灵敏，可以提高测量精度。2122211112APPg(hh)g(sin)lAhlsihnAlA12sinpphglg(注是体积相等而不是面积相等）3.3.3弹性压力计当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹性变形(即机械位移)。根据变形量的大小，可以测得被测压力的数值。弹性压力计的组成环节如图3-3所示。弹性元件是核心部分，其作用是感受压力并产生弹性变形，弹性元件采用何种形式要根据测量要求选择和设计；在弹性元件与指示机构之间是变换放大机构，其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大；指示机构(如指针与刻度标尺)用于给出压力示值；调整机构用于调整零点和量程。图3-3弹性压力计组成框图(1)弹性元件同样的压力下，不同结构、不同材料的弹性元件会产生不同的弹性变形。常用的弹性元件有弹簧管、波纹管、薄膜等，如表3-2所示。其中:波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压或真空度的测量。表3-2弹性元件的结构和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0～100～10510-5～10-210～104波纹膜0～10-30～10310-2～10-110～102挠性膜0～10-50～10210-2～11～102Px波纹管式波纹管0～10-30～10310-2～10-110～102弹簧管式单圈弹簧管0～10-10～106－102～103多圈弹簧管0～10-20～105－10～102弹性元件具有：弹性滞后和弹性后效的特性（P93）弹性滞后：由于摩擦产生的加载曲线与卸载曲线不重合产生。弹性后效：弹性元件受载后在一定时间间隔内逐渐完成变形的一种现象。弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，各适用于不同的测压范围和被测介质。近来半导体硅材料得到了更多的应用。各种弹性元件组成了多种型式的弹性压力计，它们通过各种传动放大机构直接指示被测压力值。这类直读式测压仪表有弹簧管压力计、波纹管差压计、膜盒式压力计等。(2)弹簧管压力计弹簧管式压力计是工业生产上应用很广泛的一种直读式测压仪表，以单圈弹簧管结构应用最多。其一般结构如图3-4所示。被测压力由接口(接头9）引入，使弹簧管自由端（1）产生位移，通过拉杆（2）使扇形齿轮（3）逆时针偏转，并带动啮合的中心齿轮（5）转动，与中心齿轮同轴的指针将同时顺时针偏转，图3-4弹簧管压力计结构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-灵敏度调整槽弹簧管截面为非圆形（椭圆形或扁圆形），并弯成圆弧状的空心管子一端为封闭（自由端），一端为开口（固定端）222221RaP(1)Ebhbk弹簧管压力表：结构简单，使用方便，价格低廉，使用范围广，测量范围宽105～109Pa可测负压、微压、低压、中压和高压精度有0.5、1.0、1.5、2.5等在面板的刻度标尺上指示出被测压力值。通过调整螺钉可以改变拉杆与扇形齿轮的接合点位置，从而改变放大比，调整仪表的量程。转动轴上装有游丝，用以消除两个齿轮啮合的间隙，减小仪表的变差。直接改变指针套在转动轴上的角度，就可以调整仪表的机械零点。3.3.4压阻式压力计压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件，它指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻（并非宏观的电阻），当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。扩散电阻正常工作需依附弹性元件，常用的是单晶体硅膜片。单晶体硅膜片：如在N型单晶硅表面用氧化技术生成一层二氧化硅薄膜即构成～扩散电阻：在需要电阻的地方除去氧化膜，并有扩散技术向硅的深处扩散杂质硼，使之形成P型区，这些P型区形成压阻敏感元件为扩散电阻。AlRdAdAldlRdR设有一段长为l，截面积为A，电阻率为ρ的导体(如金属丝)，它具有的电阻为当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其l、A和ρ均发生变化，如图3-1所示，因而导体的电阻随之发生变化。通过对式(3-2)两边取对数后再作微分，即可求得其电阻相对变化(3-2)(3-1)图3.1导体受拉伸后的参数变化ldl22rdrAdA式中——材料的轴向线应变，常用单位με(1με=1×10-6mm/mm);而:其中:r——导体的半径，受拉时rμ——导体材料的泊松比。代入式(3-2)可得:dRdR)21(定义：应变电阻纵向灵敏度为:(3-8)1)21(1dRdRK史密兹(C.S.Smith)等学者很早发现，锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效应：Ed(2-6)式中：σ——π——E——半导体材料的弹性模量。将式(3-6)代入式(3-3)，并写成增量形式可得sKERR21式中EKS21——半导体材料的应变灵敏系数。优点：体积小，结构简单，能直接反映微小的压力变化，动态响应好缺点：敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数的大小压阻式压力计：3.3.6压力检测仪表的选择与校验一、压力检测仪表的选择1.仪表量程的选择被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的3/4被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的1/3优先满足最大工作压力条件2.仪表精度的选择压力检测仪表的精度主要根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。3.仪表类型的选