Chapter2压力测量.ppt

3.3 3.3 压力测量压力测量3.3.1 3.3.1 概述概述 压压力力是是工工业业生生产产过过程程中中重重要要的的工工艺艺参参数数之之一一，正正确确地地测测量量和和控控制制压压力力是是保保证证工工业业生生产产过过程程良良好好地地运运行行，达达到到高高产产优优质低耗及安全生产的重要环节。质低耗及安全生产的重要环节。1.1.压力的定义压力的定义压压力力是是垂垂直直而而均均匀匀地地作作用用在在单单位位面面积积上上的的力力，即即物物理理学学中中常常称称的的压压强强。工工程程上上，习习惯惯把把压压强强称称为为压压力力。由由此此定定义义，压力可表示为压力可表示为 式中式中 p p压力；压力；F F垂直作用力；垂直作用力；S S受力面积。受力面积。2.压力的表示方法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由于参照点不同，在工程上压力有几种不同表示方法。方法。(1)绝对压力：绝对压力：被测介质作用于物体表面上的全部压被测介质作用于物体表面上的全部压力力称为绝对压力。称为绝对压力。(2)大气压力：大气压力：由地球表面空气质量所形成的压力，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、海拔高度及气象条称为大气压力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件而变化。件而变化。(3)表压力：表压力：绝对压力与当地大气压之差称为表压力。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。力值均是表压力。(4)(4)真真空空度度(负负压压)：当当绝绝对对压压力力小小于于大大气气压压力力时时，表表压压力力为为负负值值(负压力负压力)，其绝对值称为真空度，用符号，其绝对值称为真空度，用符号 表示。表示。(5)(5)差差压压(压压差差)：任任意意两两个个压压力力p1p1、p2p2之之差差称称为为差差压压()，。这这几几种种表表示示法法的的关关系系如如图图3-13-1所所示示。此此外外，工工程程上上按按压压力力随随时时间间的的变变化化关关系系还还有有静静态态压压力力(不不随随时时间间变变化化或或变变化化缓缓慢慢的的压压力力)和动态压力和动态压力(随时间作快速变化的压力随时间作快速变化的压力)之分。之分。图图3-1 各种压力之间的关系各种压力之间的关系3.3.压力的计量单位压力的计量单位压压力力是是力力和和面面积积的的导导出出量量。在在国国际际单单位位制制中中，取取力力的的单单位位为为牛牛顿顿，面面积积单单位位为为米米2 2，则则压压力力单单位位为为牛牛顿顿/米米2 2，用用符符号号N/mN/m2 2表表示。示。压压力力单单位位又又称称为为帕帕斯斯卡卡或或简简称称帕帕，符符号号为为PaPa。1Pa1Pa1 1 N/m2N/m2。因因帕帕单单位位太太小小，工工程程上上常常用用kPa(10kPa(103 3Pa)Pa)和和MPa(10MPa(106 6Pa)Pa)表表示。我国已规定帕斯卡为压力的法定单位。示。我国已规定帕斯卡为压力的法定单位。由由于于历历史史发发展展的的原原因因、单单位位制制的的不不同同以以及及使使用用场场合合的的差差异异，压压力力还还有有多多种种不不同同的的单单位位。目目前前工工程程技技术术部部门门仍仍在在使使用用的的压压力力单单位位有有工工程程大大气气压压、物物理理大大气气压压、巴巴、毫毫米米水水柱柱、毫毫米米汞汞柱柱等等。各各种种压压力力单单位位间间的换算关系列于表的换算关系列于表3-13-1中。中。表表3-13-1压力单位换算表压力单位换算表单 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)1110-51.01971610-10.986923610-51.01971610-50.7500610-21.45044210-4巴(bar)110511.0197161040.98692361.0197160.750061031.45044210毫米水柱(mmH2O)0.980665100.98066510-410.967810-4110-40.7355610-11.422310-3标准大气压(atm)1.013251051.013251.03322710411.03320.761031.469610工程大气压(kgf/cm2)0.9806651050.98066511040.967810.735561031.42239810毫米汞柱(mmHg)1.3332241021.33322410-31.35951101.31610-31.3595110-311.93410-2磅力/英吋2(lbf/m2)0.680491040.6804910-10.703071030.680510-10.7030710-10.5171510214 4.压力检测的基本方法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：根据不同工作原理，压力检测方法可分为如下几种：(1)(1)重力平衡方法重力平衡方法这这种种方方法法利利用用一一定定高高度度的的工工作作液液体体产产生生的的重重力力或或砝砝码码的的重重量量与与被被测测压压力力相相平平衡衡的的原原理理，将将被被测测压压力力转转换换为为液液柱柱高高度度或或平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。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)(2)弹性力平衡方法弹性力平衡方法 利利用用弹弹性性元元件件受受压压力力作作用用发发生生弹弹性性变变形形而而产产生生的的弹弹性性力力与与被被测测压压力力相相平平衡衡的的原原理理，将将压压力力转转换换成成位位移移，通通过过测测量量弹弹性性元元件件位位移移变变形形的的大大小小测测出出被被测测压压力力。此此类类压压力力计计有有多多种种类类型型，可可以测量压力、负压、绝对压力和压差，应用最为广泛。以测量压力、负压、绝对压力和压差，应用最为广泛。(3)(3)机械力平衡方法机械力平衡方法这这种种方方法法是是将将被被测测压压力力经经变变换换元元件件转转换换成成一一个个集集中中力力，用用外外力力与与之之平平衡衡，通通过过测测量量平平衡衡时时的的外外力力测测知知被被测测压压力力。力力平平衡衡式仪表可以达到较高精度，但是结构复杂。式仪表可以达到较高精度，但是结构复杂。(4)(4)物性测量方法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。测量。如应变式、压电式、电容式压力传感器等等。3.3.2 3.3.2 液柱式压力计液柱式压力计应应用用液液柱柱测测量量压压力力的的方方法法是是以以流流体体静静力力学学原原理理为为基基础础的的。一一般般是是采采用用充充有有水水或或水水银银等等液液体体的的玻玻璃璃U U形形管管、单单管管或或斜斜管管进行压力测量的，其结构形式如图进行压力测量的，其结构形式如图3-23-2所示。所示。(1)U(1)U形管压力计形管压力计图图3-2(a)3-2(a)所所示示的的U U形形管管是是用用来来测测量量压压力力和和压压差差的的仪仪表表。在在U U形形管管两两端端接接入入不不同同压压力力和和时时，根根据据流流体体静静力力平平衡衡原原理理可可知知，U U形管两边管内液柱差形管两边管内液柱差h h与被测压力和的关系为与被测压力和的关系为 (3-2)(3-2)式式中中 AUAU形形管管内内孔孔截截面面积积；UU形形管管内内工工作作液液的的密密度度；gg重力加速度。重力加速度。由由上上式式可可求求得得两两压压力力的的差差值值或或在在己己知知一一个个压压力力的的情情况况下下（例如压力），求出另一压力值。（例如压力），求出另一压力值。(3-3)(3-3)可可见见U U形形管管内内的的液液柱柱差差h h与与被被测测差差压压或或压压力力成成正正比比，因此被测压差或压力可以用工作液高度因此被测压差或压力可以用工作液高度h h的大小来表示。的大小来表示。图图3-2 3-2 液柱式压力计液柱式压力计（2）单管压力计）单管压力计 由于由于U U形管压力计形管压力计需两次读取液面高度，需两次读取液面高度，为使用方便，设计出为使用方便，设计出一次读取液面高度的一次读取液面高度的单管压力计。单管压力计。因因 则则 故故 由于由于 DdDd，所以，所以 P=ghP=gh2 2 d玻璃管直径；玻璃管直径；D大容器直径。大容器直径。（书P92（343）式推导）问问#：U U形管压力计两肘管的内径分别为形管压力计两肘管的内径分别为d d1 1=6mm6mm，d d2 2=6.5mm=6.5mm，管内封液为水，被，管内封液为水，被测压力作用于较细肘管，使水柱从零位下测压力作用于较细肘管，使水柱从零位下降降195mm195mm。如果以该值的。如果以该值的2 2倍作为被测压倍作为被测压力值，试确定由于没有读取较粗肘管的水力值，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。柱从零位的升高值而造成的测量误差。解：解：(3)(3)斜管压力计斜管压力计 用用U U形形管管或或单单管管压压力力计计来来测测量量微微小小的的压压力力时时，因因为为液液柱柱高高度度变变化化很很小小，读读数数困困难难，为为了了提提高高灵灵敏敏度度，减减小小误误差差，可可将将单单管管压压力力计计的的玻玻璃璃管管制制成成斜斜管管，如如图图3-2(c)3-2(c)所所示示。大大容容器器通通入入被被测测压压力力p p1 1，斜斜管管通通大大气气压压力力p p2 2，则则p p1 1与与液柱之间的关系仍然与式液柱之间的关系仍然与式(3-5)(3-5)相同，相同，(3-6)式中式中l斜管内液柱的长度；斜管内液柱的长度；斜管倾斜角。斜管倾斜角。由于由于lh，所以斜管压力计比单管压力计更灵敏，可以提高测，所以斜管压力计比单管压力计更灵敏，可以提高测量精度。量精度。(注是体积相等而不是面积相等）3.3.3弹性压力计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形(即机械位移即机械位移)。根据变形量的大小，可以测得被测压力的数值。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，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；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(如指针与刻度标尺如指针与刻度标尺)用于用于给出压力示值；调整机构用于调整零点和量程。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)(1)弹性元件弹性元件同同样样的的压压力力下下，不不同同结结构构、不不同同材材料料的的弹弹性性元元件件会会产产生生不不同同的的弹弹性性变变形形。常常用用的的弹弹性性元元件件有有弹弹簧簧管管、波波纹纹管管、薄薄膜膜等，如表等，如表3-23-2所示。所示。其中其中:波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；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。单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压或真空度的测量。表表3-2 3-2 弹性元件的结构和特性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010010510-510-210104波纹膜010-3010310-210-110102挠性膜010-5010210-211102Px波纹管式波纹管010-3010310-210-110102弹簧管式单圈弹簧管010-10106102103多圈弹簧管010-2010510102弹性元件具有：弹性滞后和弹性后效的特性（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。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。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、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。波纹管差压计、膜盒式压力计等。(2)(2)弹簧管压力计弹簧管压力计弹弹簧簧管管式式压压力力计计是是工工业业生生产产上上应应用用很很广广泛泛的的一一种种直直读读式式测测压压仪仪表表，以以单单圈圈弹弹簧簧管管结结构构应应用用最最多多。其其一一般般结结构如图构如图3-43-4所示。所示。被测压力由接口被测压力由接口(接头接头9 9）引入，使弹簧管自由端）引入，使弹簧管自由端（1 1）产生位移，通过拉杆）产生位移，通过拉杆（2 2）使扇形齿轮（）使扇形齿轮（3 3）逆时）逆时针偏转，并带动啮合的中心针偏转，并带动啮合的中心齿轮（齿轮（5 5）转动，与中心齿）转动，与中心齿轮同轴的指针将同时顺时针轮同轴的指针将同时顺时针偏转，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 弹簧管弹簧管截面为非圆形（椭圆截面为非圆形（椭圆形或扁圆形），并弯形或扁圆形），并弯成圆弧状的空心管子成圆弧状的空心管子一端为封闭（自由端）一端为封闭（自由端），一端为开口（固定，一端为开口（固定端）端）弹簧管压力表：弹簧管压力表：u结结构构简简单单，使使用用方方便便，价价格格低低廉廉，使使用用范范围围广广，测测量量范范围围宽宽10105 510109 9PaPau可可测测负负压压、微微压压、低低压、中压和高压压、中压和高压u精精度度有有0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.52.5等等在面板的刻度标尺上指示出被测压力值。在面板的刻度标尺上指示出被测压力值。通通过过调调整整螺螺钉钉可可以以改改变变拉拉杆杆与与扇扇形形齿齿轮轮的的接接合合点点位位置置，从从而而改改变变放放大大比比，调调整整仪表的量程。仪表的量程。转转动动轴轴上上装装有有游游丝丝，用用以以消消除除两两个个齿齿轮轮啮啮合合的的间间隙隙，减减小小仪仪表表的的变变差差。直直接接改改变变指指针针套套在在转转动动轴轴上上的的角角度度，就就可可以以调调整仪表的机械零点。整仪表的机械零点。3.3.4 3.3.4 压阻式压力计压阻式压力计u压阻元件压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件，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它指在半导体材料的基片上用集成电路工艺集成电路工艺制成的制成的扩扩散电阻散电阻（并非宏观的电阻），当它受外力作用时，其（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。阻值由于电阻率的变化而改变。u扩散电阻正常工作需依附弹性元件，常用的是扩散电阻正常工作需依附弹性元件，常用的是单晶体单晶体硅膜片硅膜片。u单晶体硅膜片：单晶体硅膜片：如在如在N N型单晶硅表面用氧化技术生成一型单晶硅表面用氧化技术生成一层二氧化硅薄膜即构成层二氧化硅薄膜即构成u扩散电阻：扩散电阻：在需要电阻的地方除去氧化膜，并有扩散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，使之形成技术向硅的深处扩散杂质硼，使之形成P P型区，这些型区，这些P P型区形成压阻敏感元件为扩散电阻。型区形成压阻敏感元件为扩散电阻。设有一段长为设有一段长为l，截面积为，截面积为A，电阻率为，电阻率为的导体的导体(如金属丝如金属丝)，它，它具有的电阻为具有的电阻为当它受到轴向力当它受到轴向力F而被拉伸而被拉伸(或压缩或压缩)时，其时，其l、A和和均发生均发生变化，如图变化，如图3 3-1所示，因而导体的电阻随之发生变化。通过对所示，因而导体的电阻随之发生变化。通过对式式(3-2)两边取对数后再作微分，即可求得其电阻相对变化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)图图3.1导体受拉伸后的参数变化导体受拉伸后的参数变化 式中式中材料的轴向线应变，常用单位材料的轴向线应变，常用单位(1=110-6mm/mm);而而:其中其中:r导体的半径，受拉时导体的半径，受拉时r缩小；缩小；导体材料的泊松比。导体材料的泊松比。代入式代入式(3-2)可得可得:定义：应变电阻定义：应变电阻纵向灵敏度纵向灵敏度为为:(3-8)史密兹史密兹(C.S.Smith)等学者很早发现，锗、硅等单晶半导体材料等学者很早发现，锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效应：具有压阻效应：(2-6)式中：式中：作用于材料的轴向应力；作用于材料的轴向应力；半导体材料在受力方向的压阻系数；半导体材料在受力方向的压阻系数；E半导体材料的弹性模量。半导体材料的弹性模量。将式将式(3-6)代入式代入式(3-3)，并写成增量形式可得，并写成增量形式可得 式中式中半导体材料的应变灵敏系数。半导体材料的应变灵敏系数。u优点优点：体积小，结构简单，能直接反映：体积小，结构简单，能直接反映微小的压力变化，动态响应好微小的压力变化，动态响应好u缺点缺点：敏感元件易受温度的影响，从而：敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数的大小影响压阻系数的大小压阻式压力计：压阻式压力计：3.3.6 3.3.6 压力检测仪表的选择与校验压力检测仪表的选择与校验一、压力检测仪表的选择一、压力检测仪表的选择1.1.仪表量程的选择仪表量程的选择u被测压力较稳定：最大工作压力不应超被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的过仪表满量程的3/43/4u被测压力波动较大或测脉动压力：最大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工作压力不应超过仪表满量程的2/32/3u为保证测量准确度：最小工作压力不应为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的低于满量程的1/31/3u优先满足最大工作压力条件优先满足最大工作压力条件2.2.仪表精度的选择仪表精度的选择 压力检测仪表的精度主要根据生产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。允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。3.仪表类型的选择仪表类型的选择u从被测介质压力大小来考虑从被测介质压力大小来考虑u被测介质的性质被测介质的性质u对仪表输出信号的要求对仪表输出信号的要求u使用的环境使用的环境二二、压力仪表的校验、压力仪表的校验u校验校验就是将被校验压力表和标准压力表通就是将被校验压力表和标准压力表通以相同压力，比较它们的指示数值，如果以相同压力，比较它们的指示数值，如果被校表对于标准表的读数误差，不大于被被校表对于标准表的读数误差，不大于被校表规定的最大准许绝对误差时，则认为校表规定的最大准许绝对误差时，则认为被校表合格。被校表合格。u常用的校验仪器常用的校验仪器是活塞式压力计，它由压是活塞式压力计，它由压力发生部分和测量部分组成，它的精度等力发生部分和测量部分组成，它的精度等级有级有0.020.02、0.050.05和和0.20.2级，可用来校准级，可用来校准0.250.25级精密压力表，也可校准各种工业用压力级精密压力表，也可校准各种工业用压力表，被校压力的最高值为表，被校压力的最高值为60MPa60MPa。压力发压力发生部分生部分测量测量部分部分三三、压力表的安装、压力表的安装1.1.取压口的选择取压口的选择u在管道或烟道上取压在管道或烟道上取压u测量流动介质的压力测量流动介质的压力u测量液体介质的管道上测量液体介质的管道上取压取压2.2.导压管的铺设导压管的铺设 导压管是传递压力、导压管是传递压力、压差信号的。压差信号的。3.3.压力、压差计的安装压力、压差计的安装