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第五章第五章 压力测量压力测量基本教学内容基本教学内容u压力的压力的 基本概念基本概念u液柱式压力计液柱式压力计 U U型管压力计、单管压力计、斜管式微压计型管压力计、单管压力计、斜管式微压计u弹性式压力计弹性式压力计 弹簧管式、膜片（盒）式、波纹管式弹簧管式、膜片（盒）式、波纹管式 u电气式压力测量电气式压力测量 电容式压力压差变送器、霍尔压力变送器、压电容式压力压差变送器、霍尔压力变送器、压电电 式压力传感器、固体压阻式压力压差传感器式压力传感器、固体压阻式压力压差传感器u压力检测仪表的选择与校验压力检测仪表的选择与校验 o压力压力 垂直作用于物体表面上的力垂直作用于物体表面上的力o压强压强 垂直作用于单位面积物体表面上的力垂直作用于单位面积物体表面上的力o在建筑环境与设备的测试中，并不严格区分压力在建筑环境与设备的测试中，并不严格区分压力和压强。通常所说的压力实际上是指和压强。通常所说的压力实际上是指压强压强。o压差压差 测量两个压力之差称压差测量两个压力之差称压差o表压力表压力 压力仪表指示的压力值压力仪表指示的压力值 缺省情况下，缺省情况下，所说的压力值即指表压力所说的压力值即指表压力 表压力可正表压力可正可负，为负时其绝对值称为可负，为负时其绝对值称为真空度真空度。第一节第一节 概述概述PJPBPZ一、基本概念一、基本概念o帕帕(Pa)N/m2，国际单位，国际单位o兆帕兆帕(MPa)106Pao工程大气压，工程大气压，kgf/cm2，98070 Pan 约等于一个大气压（约等于一个大气压（1.013e+5 Pa)，“自来水自来水压头是压头是5公斤公斤”，用的就是这个单位。，用的就是这个单位。ommH2O，9.81 PaommHg，133 Pa压力单位压力单位二压力测量仪表的分类二压力测量仪表的分类o1液柱式压力计液柱式压力计o2弹性式压力计弹性式压力计o3电气式压力计电气式压力计o4活塞式压力计活塞式压力计(作为标准仪器作为标准仪器)第二节第二节 液柱式压力计液柱式压力计v分类分类oU型管压力计型管压力计o单管压力计单管压力计o斜管式微压计斜管式微压计v特点特点：结构简单，使用方便，准确度比较：结构简单，使用方便，准确度比较高，常用于测量低压、负压、差压。高，常用于测量低压、负压、差压。v缺缺点点：体体积积大大，读读数数不不方方便便，玻玻璃璃管管易易损损坏。坏。一一U型管压力计型管压力计o假假设设被被测测的的介介质质为为气气体体，可可忽忽略略被被测测介介质质的的高高度度形形成成的的静静压压值值。根据流体静力学原理可得：根据流体静力学原理可得：U型管内径一般为型管内径一般为5-20mm，为了减少毛细现象管子内径为了减少毛细现象管子内径一般不少于一般不少于10mm，P2P1U型管h1h20二单管式压力计二单管式压力计 因因为为A1、A2为为常常数数，这这样样可可通通过过一一次次读读数数进进行行压压差差测测量量。当当A2/A1很很小时，小时，h1可忽略，公式简化为：可忽略，公式简化为：PdPx直管h1h2三、斜管式微压计三、斜管式微压计P1P2斜管h1h2L主要用于测量微小的压力、负压和压差。主要用于测量微小的压力、负压和压差。为了减少读数的相对误差，拉长液柱，将为了减少读数的相对误差，拉长液柱，将测量管倾斜放置。测量管倾斜放置。四液柱式压力计的测量误差及其修正四液柱式压力计的测量误差及其修正1环境温度变化的影响及修正环境温度变化的影响及修正 对对于于一一般般的的工工业业测测量量，主主要要考考虑虑工工作作液液密密度度变变化对压力测量的影响。修正公式为：化对压力测量的影响。修正公式为：2.重力加速度变化的影响及修正重力加速度变化的影响及修正标准重力加速度标准重力加速度下的工作液柱高下的工作液柱高度度使用地点的工使用地点的工作液柱高度作液柱高度3 3毛细现象的影响毛细现象的影响为为了了减减少少该该误误差差，通通常常要要求求测测量量管管的的内内径径一一般般不不小小于于10mm10mm。第三节第三节 弹性式压力计弹性式压力计1 1、概述、概述o原理：原理：弹性压力表是利用各种不同形状弹性弹性压力表是利用各种不同形状弹性感压元件在被测压力的作用下，产生弹性变感压元件在被测压力的作用下，产生弹性变形制成的测压仪表形制成的测压仪表o特点：特点：结构简单、牢固可靠、测压范围广、结构简单、牢固可靠、测压范围广、使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远传传o常用弹性压力表：常用弹性压力表：n弹簧管式弹簧管式n膜片（盒）式膜片（盒）式n波纹管式波纹管式二弹性元件及其特性二弹性元件及其特性1膜膜片片：使使用用时时周周边边夹夹紧紧，测测低低压压、微微压压。将将两两块块膜膜片片沿沿周周边边对对焊焊起起来来，形形成成一一膜膜盒盒，膜膜盒盒式式微微压压计计通通常常用用于于测测量量炉炉膛膛和和烟烟道道尾尾部负压。精度等级为部负压。精度等级为2.5，最高可达，最高可达1.5级。级。PxPxPxPx平薄片波纹片膜盒2波波纹纹管管：开开口口端端固固定定，封封闭闭端端的的位位移移作作为为输输出出，由由于于波波纹纹管管的的位位移移相相对对较较大大，故故灵灵敏敏度度高高，常常用用于于测测量量较较低低的的压压力力（1.0-106Pa）精精度度等等级级1.5级。级。Px3弹簧管弹簧管：单圈弹簧管单圈弹簧管 多圈弹簧管多圈弹簧管二弹性元件及其特性二弹性元件及其特性 弹弹簧簧管管在在量量程程范范围围内内自自由由端端的的位位移移一一般般为为7-8o，弹弹簧簧管管作作成成多多圈圈时时，自自由由端端的的位位移移可可达达45o。弹弹簧簧管管的的自自由由端端的的位位移移可可通通过过杠杠杆杆机机构构带带动动指指针针转转动动，这这种种机机构构的的指指针针最最大大转转角角为为180o，通通常常作作成成90度度的的回回转转角角。最最常常用用的的传传动动机机构构为为杠杠杆杆扇扇形形齿齿轮轮机构机构，可使指针转动，可使指针转动270o。弹簧管压力计弹簧管压力计弹簧管压力计弹簧管压力计弹簧管压力计弹簧管压力计o电接点压力表电接点压力表：不仅可实现压力的测量，而且可实现压力不仅可实现压力的测量，而且可实现压力的报警和控制。的报警和控制。第四节第四节 电气式压力检测电气式压力检测一一位移式压力压差变送器位移式压力压差变送器：将弹性元件的位移转变成将弹性元件的位移转变成电信号。电信号。1电电容容式式压压力力压压差差变变送送器器：采采取取差差动动电电容容方方式式。膜膜片片d7.575，0.050.2，maxd=0.1mm。o特特点点：灵灵敏敏度度高高、精精度度高高，精精度度可可达达0.2、0.25，稳定可靠。尤适用于测高静压微压差的场合。稳定可靠。尤适用于测高静压微压差的场合。由由C1、C2可得可得设设测测量量膜膜片片在在p作作用用下下的的位移位移d，d=k1p。1电容式压力压差变送器电容式压力压差变送器2霍尔压力变送器霍尔压力变送器 （1）霍霍尔尔效效应应：把把半半导导体体单单晶晶薄薄片片置置于于磁磁场场B中中，如如果果在在它它的的两两个个纵纵向向面面上上通通以以一一定定大大小小的的电电流流，则则在在晶晶体体的的两两个个横横向向端端面面之之间间出出现现电电势势UH，叫叫霍霍尔尔效效应应，产产生生的的电电势势称称为为霍霍尔电势。尔电势。灵敏度常数灵敏度常数(2)霍尔电势的产生霍尔电势的产生：将将固固定定在在弹弹性性元元件件上上的的霍霍尔尔片片放放置置在在一一非非均均匀匀磁磁场场中中，在在这这区区间间，磁磁场场强强度度具具有有均均匀匀的的梯梯度度，当当霍霍尔尔片片在在弹弹性性元元件件的的带带动动下下偏偏离离正正中中位位置置，通通过过霍霍尔尔片片的的磁磁场场强强度度发发生生变变化化，霍霍尔尔片片就就有正比于位移的霍尔电势产生。有正比于位移的霍尔电势产生。o注意注意：RH受受温温度度影影响响较较大大，在在实实际际当当中中常常采采用用恒恒温温措措施施或或采采用用温温度度补补偿偿措措施施，例例如如在在电电势势输输出出回回路路中串一温度补偿电桥。中串一温度补偿电桥。要注意减少由于霍尔片两电极不对称焊接引起要注意减少由于霍尔片两电极不对称焊接引起的不等位电势，因不等位电势的存在，使霍尔的不等位电势，因不等位电势的存在，使霍尔片处于正中时，电势输出不为片处于正中时，电势输出不为0。霍尔电势霍尔电势二压电式压力传感器二压电式压力传感器压压电电效效应应：压压电电材材料料在在受受压压时时会会在在其其表表面面产产生生电电荷荷，产产生生的的电电荷荷量量与与所所受受的的压压力力成成正比。正比。o压压电电材材料料：单单晶晶体体，例例如如石石英英、酒酒石石酸酸钾钾钠等钠等o多多晶晶体体，例例如如压压电电陶陶瓷瓷，在在没没有有极极化化之之前前，因因各各单单晶晶体体的的压压电电效效应应都都互互相相抵抵消消表表现现为为电电中中性性，为为此此必必须须对对压压电电陶陶瓷瓷先先进进行行极极化化处处理理，经经极极化化处处理理的的压压电电陶陶瓷瓷具具有有非非常常高高的压电系数，为石英的几百倍。的压电系数，为石英的几百倍。v特特点点：结结构构简简单单、紧紧凑凑，小小巧巧轻轻便便，工工作作可可靠靠，具具有有线线性性度度高高量量程程范范围围大等优点。大等优点。v缺缺点点：但但是是由由于于产产生生的的电电荷荷量量少少，因因此此后后续续需需加加高高阻阻抗抗的的直直流流放放大大器器。由由于于晶晶体体边边缘缘上上存存在在漏漏电电现现象象，因因此此不不能能用用于于稳态测量。稳态测量。压电式压力压电式压力传感器结构传感器结构二压电式压力传感器二压电式压力传感器三固体压阻式压力压差传感器三固体压阻式压力压差传感器1原理原理：电电阻阻的的尺尺寸寸发发生生变变化化，例例如如电电阻阻的的长长度度、横横截截面面积发生变化将引起电阻的变化。积发生变化将引起电阻的变化。电阻的电阻率发生变化也将引起电阻阻值的变化。电阻的电阻率发生变化也将引起电阻阻值的变化。分分类类：应应变变片片：受受压压时时，电电阻阻的的尺尺寸寸L、S发发生生变变化，引起电阻的变化。化，引起电阻的变化。半半导导体体扩扩散散硅硅：在在压压力力的的作作用用下下，电电阻阻率发生变化。率发生变化。o通通常常半半导导体体扩扩散散硅硅电电阻阻变变化化的的灵灵敏敏度度要要远远远远高高于于应变片，大约为应变片，大约为100100倍。倍。公式：公式：o2 2膜片的应力分析膜片的应力分析 其其膜膜片片受受到到从从下下向向上上的的压压力力时时，中中心心区区受受拉拉应应力力（假假设设应应力力为为正正），周周边边区区受受压压应应力力（应应力力为为负负），在在R=0处处应应力力达达到到正正的的最最大大值值，而而在在大大约约距距中中心心60%的地方应力为的地方应力为0。注注意意：供供给给桥桥路路的的电电流流要要恒恒定定，即即为为一一恒恒流流源源。输输出出电电压为压为10-10010-100多毫伏，后续一般要加电压放大电路。多毫伏，后续一般要加电压放大电路。3电阻分布及测量桥路电阻分布及测量桥路优点优点：温度补偿，温度补偿，使输出信使输出信号加倍。号加倍。第五节第五节 压力检测仪表的选择与校验压力检测仪表的选择与校验一一压力检测仪表的选择压力检测仪表的选择 测测压压范范围围，被被测测介介质质的的物物理理化化学学性性质质，测试精度要求。测试精度要求。1.仪表量程选用仪表量程选用为保证安全性，压力较稳定时，为保证安全性，压力较稳定时，最大工作压力最大工作压力不不超过仪表量程的超过仪表量程的3/4，压力波动较大时，最大工作，压力波动较大时，最大工作压力不超过仪表量程的压力不超过仪表量程的2/3。为保证准确度，为保证准确度，最小工作压力最小工作压力不低于满量程的不低于满量程的1/3。2仪表精度的选择仪表精度的选择v 根根据据在在测测量量时时允允许许的的最最大大测测量量误误差差选选择择仪仪表表，可可根根据据仪仪表表的的精精度度等等级级算算出出用用该该仪仪表表测测量量可可能能引起的最大示值绝对误差。引起的最大示值绝对误差。v 另另外外在在选选择择仪仪表表时时不不需需一一味味追追求求高高精精度度，只只要满足测量精度要求即可。要满足测量精度要求即可。弹簧管压力表量程和精度系列弹簧管压力表量程和精度系列 我国目前弹簧管压力表量程系列，我国目前弹簧管压力表量程系列，1,1.6,2.5,4.0,6.0kPa以及以及10n倍倍 精度系列，精密表精度系列，精密表 0.1,0.16,0.25,0.4 工业表工业表 1.0,1.5,2.5例题例题：有一压力容器，压力范围有一压力容器，压力范围0.40.6MPa，压力变化速度较缓，不要求远传。试选择压力压力变化速度较缓，不要求远传。试选择压力仪表（给出量程和精度等级）测量该压力，测仪表（给出量程和精度等级）测量该压力，测量误差不大于被测压力的量误差不大于被测压力的4%。根据最大工作压力根据最大工作压力根据最小工作压力根据最小工作压力被测压力的最大示值绝对误差被测压力的最大示值绝对误差所选仪表的基本误差所选仪表的基本误差所以可选择量程范围为所以可选择量程范围为01.0MPa弹簧管压力表弹簧管压力表可选择可选择1.5级的压力表级的压力表3仪表类型选择仪表类型选择被测介质压力大小被测介质压力大小，被测介质的性质，被测介质的性质，例如，氧气、乙炔都有例如，氧气、乙炔都有专门的测量仪表，对腐蚀性介质要采用不专门的测量仪表，对腐蚀性介质要采用不锈钢或其他耐腐蚀的材料，锈钢或其他耐腐蚀的材料，对仪表输出信号的要求对仪表输出信号的要求，例如是否需要为例如是否需要为电信号，电信号，使用环境。使用环境。二压力表的安装二压力表的安装气气侧上部侧上部 防堵，防液，防气防堵，防液，防气液液侧下部侧下部 防堵，防汽防堵，防汽1取压口的选择取压口的选择o取压口位置取压口位置 n稳定无涡流区（稳定无涡流区（直线管段，避开拐弯、分叉等直线管段，避开拐弯、分叉等）。）。n除了被测介质以处，不接触其它物质除了被测介质以处，不接触其它物质n不易堵塞不易堵塞o取压孔形状取压孔形状 n孔径要小孔径要小n要与壁面垂直要与壁面垂直n孔口应无毛刺孔口应无毛刺1取压口的选择取压口的选择2导压管的敷设导压管的敷设为了使导压管正确传递压力或压差，应作到：为了使导压管正确传递压力或压差，应作到：导压管长度小于导压管长度小于50m50m，内径为，内径为6-10mm6-10mm。对对于于水水平平敷敷设设，导导压压管管要要有有1:101:101:201:20的的坡坡度度，测量液体介质时下坡，测量气体介质时上坡。测量液体介质时下坡，测量气体介质时上坡。3 3当当被被测测介介质质易易冷冷凝凝或或冻冻结结，必必须须加加装装伴伴热热管管后后再再行行保保温温；当当测测量量腐腐蚀蚀性性介介质质时时，应应加加装装隔隔离离罐罐；当当测测量量高高温温蒸蒸气气压压力力时时，应应加加装装冷冷凝凝盘盘管管；测测量量含含尘尘气气体体时时，应应加加装装灰灰尘尘捕捕集集器器；测测量量高高于于6060度度的介质时，应的介质时，应加装环行圈加装环行圈；二压力表的安装二压力表的安装4 4当当测测量量液液体体压压力力时时，在在导导压压管管系系统统最最高高处处应应安安装装集集气气瓶瓶；当当测测量量气气体体压压力力有有可可能能有有液液体体冷冷凝凝时时，在在导导压压管管系系统统最最低低处处应应加加装装水水分分离离器器；当当被被测测介介质质有有可可能能产产生生沉沉淀淀时时，应在仪表前应在仪表前安装沉降器安装沉降器。5 5取压口与压力表之间应取压口与压力表之间应加装隔离阀加装隔离阀。6 6在在测测量量较较小小压压力力时时，若若仪仪表表与与取取压压口口不不在在同一水平高度，则应对同一水平高度，则应对测压进行校正测压进行校正。二压力表的安装二压力表的安装三压力表的校验三压力表的校验o活塞式静重压力计活塞式静重压力计 1 1工工作作原原理理：加加压压泵泵压压缩缩活活塞塞内内的的介介质质，使使其其具具有有压压力力P P，这这个个压压力力作作用用到到活活塞塞的的有有效效面面积积F F上上形形成成向向上上的的作作用用力力FPFP，当当此此力力与与活活塞塞、承承重重盘盘、砝砝码码的的总总重重量量G G平平衡衡时时，那那么么介介质质的的压压力力P=G/FP=G/F，F F为有效面积，计算公式为：为有效面积，计算公式为：v其其中中，R R为为活活塞塞半半径径，h h为为活活塞塞与与活活塞塞缸缸之之间间的的径径向向间间隙隙。活活塞塞压压力力计计的的有有效效面面积积在在铭铭牌牌或或检检定定书上给出，一般为书上给出，一般为1cm1cm2 2、0.1cm0.1cm2 2。注注意意：活活塞塞与与活活塞塞缸缸、承承重重盘盘、砝砝码码必必须须配配套套使使用，不能与其他压力计互换。用，不能与其他压力计互换。三压力表的校验三压力表的校验
