第五章压力、压差测量及仪表2

第五章压力检测及仪表主讲人：王海军垂直而均匀地作用在单位面积上的力SF式中Ｐ——压力（Pa）Ｆ——均匀垂直作用力（N）Ｓ——受力面积（m2）单位:牛顿/米2（N/m2），简称“帕”，用符号“Pa”一、压力的基本概念压力的表示•绝对压力–单位面积所受到的力•相对压力（表压）–绝对压力与大气压之差•真空度–大气压与绝对压力之差绝对压力绝对压力真空度表压标准大气压压力的表示与单位大气压力绝对压力表压pppp表P真P绝P绝大气压力线绝对压力的零线绝对压力大气压力真空度ppp当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。图绝对压力、表压、负压（真空度）的关系工程上的“压力”与力学中的“压力”不表示同一个概念。帕PaN/m2毫米汞柱mm兆帕MPa106N/m2水柱m工程大气压10mH2O巴dyn/cm2物理大气压20ºC海平面psilb/in2压力单位二、测压仪表1643年，意大利人托里拆利首先测定标准的大气压力值为760毫米汞柱，奠定了液柱式压力测量仪表的基础。1847年，法国人波登制成波登管压力表，由于结构简单、实用，很快在工业中获得广泛应用，一直是常用的压力测量仪表。二十世纪上半叶出现了远传压力表和电接点压力表，从而解决了压力测量值的远距离传送和压力的报警、控制等问题。60年代以后，为适应工业控制、航空工业和医学测试等方面的要求，压力测量仪表日益向体积轻巧、耐高温、耐冲击、耐振动和数字显示等方向发展。根据敏感元件和转换原理的不同，一般分为四类：(1)液柱式压力检测一般采用充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管进行测量。(2)弹性式压力检测根据弹性元件受力变形的位移进行测量。弹簧管/膜片/波纹管(3)电气式压力检测利用敏感元件将被测压力转换成电量进行测量的。电势、电阻。(4)活塞式压力检测根据液压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量来进行测量。测量精度很高，允许误差可以小到0.05％～0.02％。标准仪表。工业压力表的分类单管压力计U型管压力计斜管压力计测量原理根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。1、液柱式压力计Ｕ形管压力计当被测介质的压力px大于大气压力p时，管1中的工作液体液面下降，管2中的工作液体液面上升，一直到两液面差的高度h产生的压力与被测压力相平衡时为止。如果被测介质是气体，可得到被测压力值px为Px=ρgh式中：ρ---工作液体的密度（kg/m3）；g---重力加速度（m/s2）。如果被测介质是液体，平衡时还要考虑被测介质的密度，被测压力为Px=h(ρ-ρx)g式中：ρx---被测介质的密度（kg/m3）液柱式压力计的特点结构简单、使用方便、价格便宜，在一定的条件下比较容易得到较高的精度，目前还有广泛的用途。但是由于它不能测量较高的压力，也不能进行自动的指示和记录，所以它的应用范围受到限制。一般可作为实验室中低压的精密测量方法以及用于仪表的检定校验。液柱式压力计使用注意事项Ø为减小毛细现象，U型管的内径一般为5-20mm,内径最好不小于10mmØ使用时保持垂直Ø减小两次读数误差，读数时眼睛与液面平齐，以封液弯月面顶部切线为准读取液面高度。Ø应选择密度小的封液，以增大左右管液体的高度差，减小读数误差。（水，汞，四氯化碳）Ø常用于低压、负压或压力差的检测,广泛用于实验室压力测量或现场锅炉烟、风道各段压力、通风空调系统各段压力的测量。测量介质隔离液测量介质隔离液氯气98%的浓硫酸或氟油氨水、水煤气变压器油氯化氢煤油水煤气变压器油硝酸五氯乙烷氧气甘油某些介质的隔离液●液柱压力计安装位置应避开过热、过冷和有震动的地方。●由于液体的毛细现象，在读取压力值时，视线应在液柱面上，观察水时应看凹面处，观察水银面时应看凸面处。单管式压力计原理：大容器中封液的减少等于管中封液的增加h2f=h1A（f,A,分别为管子截面积和大容器的截面积)所测差压：gAfhghhP))(1())((2122121三、斜管式微压计ghhP))((2121sin2lh221DdlhglDdP))((sin2122特点：因为l比h2放大了1/sinα倍，所以读数得相对误差小改变α可改变k值，但不得小于150，倾斜角度越小，l越长，测量灵敏度就越高；但不可太小，否则液拉长且易冲散，读数较困难，误差增大。斜管式微压计应用范围：一般100~2500pa测量原理P=G/S所以G=P•S精确度高常用作标准仪表，检验其它压力计2、活塞式压力计YS/YU-6，60，250，600活塞式压力计一、原理将被测压力转换成弹性元件变形的位移二、根据敏感元件形式的不同可以分为以下3类：–弹簧管式压力表–薄膜式压力表–波纹管式压力表P弹簧管式弹性元件P膜片式弹性元件3、弹性式压力计三、弹性元件弹性元件是弹性压力表的敏感元件，测压范围不同，所用的弹性元件亦不同。常用的弹性元件有弹簧管式、薄膜式和波纹管式。P弹簧管式弹性元件P膜片式弹性元件（1）弹簧管式弹性元件弹簧管式弹性元件的测压范围较宽，可测量高达1000MPa的压力。单圈弹簧管是弯成圆弧形的金属管子，它的截面做成扁圆形或椭圆形。为了增加自由端的位移，可以制成多圈弹簧管。（2）薄膜式弹性元件薄膜式弹性元件根据其结构不同还可以分为膜片与膜盒等。它的测压范围较弹簧管式的为低。膜片式弹性元件，它是由金属或非金属材料做成的具有弹性的一张膜片(有平膜片与波纹膜片两种形式)，在压力作用下能产生变形。有时也可以由两张金属膜片沿周口对焊起来，成一薄壁盒子，内充液体(例如硅油)，称为膜盒。（3）波纹管式弹性元件波纹管式弹性元件波纹管式弹性元件是一个周围为波纹状的薄壁金属筒体。这种弹性元件易于变形，而且位移很大，常用于微压与低压的测量(—般不超过1Mpa)。弹性元件结构和特点当弹性元件在轴向受到外力作用时，就会产生拉伸或压缩位移，即CSFPCASS~P式中F——轴向外力S——位移C——弹性元件的刚度系数式中A——弹性元件承受压力的有效面积P——被测压力弹簧管压力表●弹簧管压力表的工作原理弹簧管压力表主要由弹簧管、齿轮传动机构、指示装置（指针和分度盘）以及外壳等几个部分组成弹簧管压力表刻度盘游丝接头中心齿轮弹簧管指针扇形齿轮拉杆调整螺钉电接点压力表12435~●弹簧管压力计特点结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽及有足够的精确度。可实现压力的记录、远传、信号报警和自动控制等。是工业上应用最广泛的测压仪表。●弹簧管压力计使用安装中注意事项（1）仪表应工作在正常允许的压力范围内，在静压力下一般不应超过测量上限的70%，在波动压力时，不应超过测量上限的60%；（２）工业用压力表应在环境温度为-40℃~60℃，相对湿度不大于80%的条件下使用；（３）仪表安装处与测量点间的距离应尽量短，以免指示迟缓；（４）在振动情况下使用仪表时要装减振装置；（5）测量结晶或粘度较大的介质时，要加装隔离器；（6）仪表必须垂直安装，无泄漏现象；（7）仪表的测定点与仪表的安装处应处于同一水平位置，否则将产生附加高度误差，必要时需加修正值；（8）测量爆炸、腐蚀、有毒气体的压力时，应使用特殊的仪表，氧气压力表严禁接触油类，以免爆炸；（9)仪表必须定期校验，合格的表才能使用。膜式压力计精度等级一般为2.5级，是用于生产过程的工业仪表。膜盒压力表测量范围一般在一40000～40000Pa；膜片适用于真空或0－6x106Pa。波纹管波纹管是一种轴对称的管状波纹薄壳，受到轴向作用力时，在其线性特性内能产生较大的位移。波纹管可分为两类：无缝波纹管，有缝波纹管4、电气式压力计电气式压力计的原理电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。通常把将弹性元件感受到的位移变化转换为与压力相对应的电信号输出。电气式压力计的结构传感器测量线路指示器记录仪控制器辅助电源压力电量电气式压力计一般有压力传感器、测量电路和信号处理装置组成。感受压力，并把被测压力转换为电信号，送到测量电路进行测量。把传感器输出信号转换成适应显示装置输入要求信号。标准信号：直流电流4~20mA、空气压力0.02~0.1MP。我国当前还有一些变送器以直流电流0~10mA为输出信号。按测量原理不同分为霍尔片式压力传感器应变式压力传感器压阻式压力传感器电容式压力变送器力矩平衡式压力变送器智能型压力变送器电气式压力计传感器分类一、霍尔片式压力传感器霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力测量。霍尔片是一种半导体转换元件。霍尔效应：将一个半导体薄片放置在一磁场B中，在薄片两端垂直于磁场方向通以电流I，则在垂直于磁场和电流方向薄片的另外两侧会产生一个电势UH，此电势的大小与电流、磁场强度成正比，这种现象称霍尔效应。BIUH霍尔效应原理霍尔元件是一种四端元件霍尔电势的大小与半导体材料、所通过的电流，磁感应强度以及霍尔片的的几何尺寸等因素有关。UH=RHBI霍尔电势磁感应强度电流强度霍尔常数霍尔片式压力传感器组成磁钢霍尔片弹簧管霍尔片压力传感器主要由两个部分组成：一部分是感受压力的弹性元件及固定在弹性元件自由端上的霍尔元件；另一部分是产生非均匀磁场（线性梯度磁场）的磁极组。UH=RHBI二、应片式压力传感器应变式压力传感器的组成应变式压力传感器由弹性元件、电阻应变片和测量电路三部分组成。测量电桥显示仪表压力压力-位移型弹性元件力-应变型弹性元件应变片εFRRU,I应变式压力传感器的原理应变片式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。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变化成电压或电流的变化。金属导体在外界力的作用下产生机械应变时，其几何尺寸和电阻率都要发生变化，从而引起导体电阻值发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。原理演示金属丝式应变片的内部结构箔式应变片的外形WFXB悬臂式张力传感器(WFXB)利用金属或半导体材料制成的电阻体的阻值可表示为：SlR当电阻体受外力作用时，电阻体的长度、截面积或电阻率会发生变化，即其阻值也会发生变化。这种因尺寸变化引起阻值变化称为应变效应。应变片多以金属材料为主，一般和弹性元件一起使用。r1r2123P(a)传感器1－外壳2－弹性筒3－膜片应变筒的上端与外壳固定在一起，下端与不锈钢密封膜片3紧密接触，应变片r1和r2用胶合剂贴紧在应变筒的外壁，与筒体之间不发生相对滑动。r1沿应变筒轴向贴放，作为测量片；r2沿径向贴放，作为温度补偿片。图中应变片r1、r2的静态性能完全相同。当膜片受到外力作用时，弹性筒轴向受压，使应变片r1产生轴向应变，阻值变小；而应变片r2受到轴向压缩，引起径向拉伸，阻值变大。实际上，r2的变化量比r1的变化量要小，r2的主要作用是温度补偿。是应变片阻值变化量的测量电桥，图中R3和R4是两个阻值相等的精密固定电阻。UiE－＋＋－r1r2R3R4AB(b)测量电桥不受压时r1=r2=r0R3=R4=r313412()U0RrUERRrr，不受压时若应变片受压，则：r1=r0+Δr1；r2=r0+Δr2(Δr1≠Δr2)0122011212010201201()24224rrrrrrrrrUEEEPrrrrrrrr由此可见，由压力作用时，r1和r2一减一增，使电桥有较大的输出；当环境温度发生变化时，r1、r2同时增减，不影响电桥的平衡。如果仪表能把电桥输出电压Ui进一步转换为标准信号输出，则该仪表即可称为应变式压力变送器。结论：应变片式压检测仪表具有较大的测量范围，被测压力可达几百MPa，并具有良好的动态性能，适用于快速变化的压力测量。但是，尽管测量电桥具有一定的温度补偿的作用，应变片式压力检测仪表仍有比较明显的温漂和时漂，因此，这种压力检测仪表较多地用于一般要求的动态压力检测，