第3章压力和差压测量精选文档.ppt
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1、第3章压力和差压测量本讲稿第一页,共五十八页3.1 压压力和差力和差压压的基本概念的基本概念一、基本概念一、基本概念1.压力的定义压力的定义垂直而均匀地作用在单位面积上的力,即物理学中常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。称的压强。2022/9/292本讲稿第二页,共五十八页2.压力的表示方法压力的表示方法由于由于参照点参照点不同,在工程上有几种不同表示方法:不同,在工程上有几种不同表示方法:(1)绝对压力绝对压力(pi):被测介质作用在容器表面积上的全部压力被测介质作用在容器表面积上的全部压力(2)大大气气压压力力(pd):由由于于地地球球表表面面空空气气柱柱重重量量形形
2、成成的的压压力力,随随地地理理纬纬度度、海拔高度及气象条件而变化海拔高度及气象条件而变化(3)表压力表压力(pb):pb=pi-pd,压力测量仪表的指示值压力测量仪表的指示值(4)真真空空度度(负负压压,pz):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,其其绝对值为真空度。即:绝对值为真空度。即:pz=pdpi(5)差压差压(压差压差):任意任意两处压力之差两处压力之差2022/9/293本讲稿第三页,共五十八页各种压力表示法之间的关系:各种压力表示法之间的关系:绝对零压力绝对零压力绝对压绝对压力力1大气压力大气压力表表压压力力绝对压绝对压力力2负压负压力力(真空
3、度真空度)差差压压pb=pi-pdpz=pdpi绝对压绝对压力力32022/9/294本讲稿第四页,共五十八页温标的传递温标的传递3.压力的计量单位压力的计量单位压力是力和面积的导出量。压力是力和面积的导出量。国际单位制国际单位制中,中,力力F的单位的单位牛顿牛顿(N),面积面积S的单位的单位米米2(m2),压力压力p单位单位牛顿牛顿/米米2(N/m2)常用单位:常用单位:帕斯卡或帕帕斯卡或帕(Pa)(1Pa1N/m2)、工程大气压)、工程大气压(kgf/cm2)、毫米水柱、毫米水柱(mmH2O)、毫米汞柱、毫米汞柱(mmHg)2022/9/295本讲稿第五页,共五十八页特点:特点:原理:原理
4、:基于重力平衡原理。将被测压力转换为液柱高度或平基于重力平衡原理。将被测压力转换为液柱高度或平衡重物的重量来测量。衡重物的重量来测量。(2)测量范围宽,如单活塞压力计测量范围达测量范围宽,如单活塞压力计测量范围达0.042500MPa、精度高、精度高(0.01%)、性能稳定可靠、性能稳定可靠;如液柱式如液柱式压压力力计计、活塞式、活塞式压压力力计计。二、压力检测的常用方法二、压力检测的常用方法1.重力平衡法重力平衡法(1)适用于测量正压、负压和绝对压力,测压上限高,用作校验仪表;适用于测量正压、负压和绝对压力,测压上限高,用作校验仪表;(3)结构复杂,成本较高。结构复杂,成本较高。2022/9
5、/296本讲稿第六页,共五十八页2.弹性力平衡法弹性力平衡法原理:原理:特点:特点:利用弹性元件弹性变形的特性,变形产生的弹性力利用弹性元件弹性变形的特性,变形产生的弹性力与被测压力相平衡,测变形即可知压力。与被测压力相平衡,测变形即可知压力。(1)可测压力、负压、绝对压力和压差;可测压力、负压、绝对压力和压差;(2)类型多,类型多,应用广应用广应用广应用广。如如弹弹簧管式簧管式压压力力计计、波、波纹纹管差管差压计压计等。等。2022/9/297本讲稿第七页,共五十八页3.物性测量法物性测量法 应变式、压电式、电容式压力传感器等应变式、压电式、电容式压力传感器等原理原理:在压力作用下,测压元件
6、的某些物理特性会发生与压在压力作用下,测压元件的某些物理特性会发生与压力成确定关系的变化。被测压力直接转换为各种电参力成确定关系的变化。被测压力直接转换为各种电参量测量。量测量。分类分类:2022/9/298本讲稿第八页,共五十八页4.机械力平衡法机械力平衡法原理:原理:特点:特点:特点:特点:将被测压力经变换元件转换成一个集中力,用外力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,通过测量外力得到被测压力。与之平衡,通过测量外力得到被测压力。(2)可达较高的精度;可达较高的精度;(1)多用于电动和气动组合仪表中;多用于电动和气动组合仪表中;(3)结构复杂,成本较高。结构复杂,成本较高
7、。2022/9/299本讲稿第九页,共五十八页根据根据流体静力学流体静力学原理,流体内的某一点的静压力,由这一点原理,流体内的某一点的静压力,由这一点的高度、流体的密度和外加压力决定。的高度、流体的密度和外加压力决定。一般是采用充有一般是采用充有水或水水或水银银等液体等液体的的玻璃玻璃U形管、形管、单单管或管或斜管斜管进进行行压压力力测测量的,其量的,其结结构形式如构形式如图图所示。所示。3.2 液柱式压力计液柱式压力计p=gh+pd本讲稿第十页,共五十八页一、一、U U型管压力计型管压力计一般常由一支一般常由一支U型玻璃管构成。型玻璃管构成。充液介质:水银、水、酒精等充液介质:水银、水、酒精
8、等 p0 p0 p1 p0 a)在)在U型管两端同型管两端同时时通大气,而未接通大气,而未接被被测压测压力力时时,U型管两型管两边边管内的液面管内的液面高度相等。高度相等。b)当将)当将U型管的一端接入被型管的一端接入被测压测压力力p1后,如果后,如果p1大于大于p0,则则U型管两型管两边边管内的液面就会管内的液面就会产产生高度差,生高度差,这这个个液柱的高度差就反映了液柱的高度差就反映了U型管两端型管两端所受所受压压力的差力的差值值。2022/9/2911本讲稿第十一页,共五十八页被被测压测压力用表力用表压压p=p1-pd表达,表达,则则有:有:由于一旦由于一旦U型管内的充入介型管内的充入介
9、质质确定,确定,则则 、g均均为为常数常数。所以所以h可以直接反映被可以直接反映被测压测压力力p的大小,此即的大小,此即为为U型管型管测压测压的基本原理的基本原理。应应用范用范围围:适用于低适用于低压压、负压负压和和压压力差,力差,读读数数误误差可达差可达1mm,测测低低压压相相对误对误差差较较大。大。本讲稿第十二页,共五十八页二、单管压力计二、单管压力计1.原理:原理:同同U型管型管压压力力计计2.结结构:构:杯径杯径较较管径大得多管径大得多 3.特点:特点:由于杯径由于杯径管径,所以管径,所以 h1h2,则则h h1,即:杯内的液位即:杯内的液位变变化可忽略不化可忽略不计计。一次性一次性读
10、读数,使用方便。数,使用方便。而而U型管型管压压力力计计要两次要两次读读数数。4.应应用范用范围围:测测量低量低压压、负压负压和差和差压压5.读读数数误误差:差:0.5mm,较较U型管好,型管好,本讲稿第十三页,共五十八页三、斜管压力计三、斜管压力计1.结构:结构:将单管压力计的玻璃管制成斜管将单管压力计的玻璃管制成斜管2.表压:表压:p=L gsin 3.特点:特点:灵敏度高,误差较单管压力计小灵敏度高,误差较单管压力计小本讲稿第十四页,共五十八页四、液柱四、液柱测压测压中中应应考考虑虑的的问题问题1、误误差差 a)主要的)主要的测测量量误误差是差是读读数数误误差差。直接直接读读:1mm左右
11、,光学放大左右,光学放大镜辅镜辅助助读读:0.05mm左右左右 b)其它影响)其它影响测测量量结结果的因素:果的因素:充液密度(如充液不充液密度(如充液不纯纯,实际实际密度与理密度与理论论密度不符)密度不符)标标尺刻度尺刻度误误差差 毛毛细细管的吸附作用(管的吸附作用(对对微微压压有影响)有影响)使用的使用的地点及地点及环环境温度境温度影响等(地点影响影响等(地点影响g,温度易影响工作液体,温度易影响工作液体的的胀胀、缩缩而致使而致使h变变化),必要化),必要时应时应作修正。作修正。应应垂直安装,否垂直安装,否则则引入附加引入附加误误差。差。本讲稿第十五页,共五十八页2、正确、正确选择选择充液
12、介充液介质质 测测低低压压充低密度介充低密度介质质(可使(可使h大)大)测测高高压压充高密度介充高密度介质质(否(否则则冒冒顶顶)要避免充液与被要避免充液与被测测介介质质有化学反有化学反应应3、常用的、常用的标标尺材料:尺材料:玻璃、玻璃、钢钢、铜铜4、读读数的位置(数的位置(见见右右图图)1)眼与液柱面水平)眼与液柱面水平2)水)水银银柱柱读读凸部凸部3)水)水读读凹部凹部本讲稿第十六页,共五十八页3.3 弹弹性元件及性元件及弹弹性性压压力表力表利用利用弹性元件受压变形弹性元件受压变形的原理。的原理。用指针或刻用指针或刻度尺给出压度尺给出压力示值力示值感受压力,产生变形感受压力,产生变形(核
13、心部分核心部分)调整仪表的调整仪表的零点和量程零点和量程将弹性元件的将弹性元件的变形进行变换变形进行变换和放大和放大弹性元件弹性元件变换放大变换放大机构机构指示机构指示机构调整机构调整机构u弹性压力表组成:弹性压力表组成:被测被测压力压力2022/9/2917本讲稿第十七页,共五十八页一、一、测压弹测压弹性元件性元件1.常用弹性元件常用弹性元件:弹簧管、弹性膜片、波纹管:弹簧管、弹性膜片、波纹管:弹簧管、弹性膜片、波纹管:弹簧管、弹性膜片、波纹管 弹簧管弹簧管弹簧管弹簧管单圈弹簧管多圈弹簧管原理:原理:被测压力作用于弹性元件时,弹性元件产生变形,被测压力作用于弹性元件时,弹性元件产生变形,即即
14、弹性元件将压力转换成位移弹性元件将压力转换成位移。可测量正、负可测量正、负压,但一般不压,但一般不测差压测差压弹性特性弹性特性是自由端的位移量与所加压力的关系。是自由端的位移量与所加压力的关系。2022/9/2918本讲稿第十八页,共五十八页弹簧管放大图弹簧管放大图当被测压力当被测压力p增大增大时,时,弹簧管撑直弹簧管撑直,通过齿条带动齿轮转动,通过齿条带动齿轮转动,从而从而带动带动电位器的电位器的电刷产生角位移电刷产生角位移。2022/9/2919本讲稿第十九页,共五十八页 弹性膜片弹性膜片弹性膜片弹性膜片弹性特性弹性特性是中心位移与压力的关系。是中心位移与压力的关系。平膜片平膜片波纹膜片波
15、纹膜片挠性膜片挠性膜片测力弹簧测力弹簧2022/9/2920本讲稿第二十页,共五十八页 波纹管波纹管波纹管波纹管弹性特性弹性特性是封闭端位移与压力的关系。是封闭端位移与压力的关系。(1)使用应在线性段,可内加螺旋弹簧改善特性(2)用波纹管作弹性元件的压力计,一般用于测量较低压力或压差。注意注意2022/9/2921本讲稿第二十一页,共五十八页2.材料材料 弹性元件常用的材料有弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈钢铜合金、弹性合金、不锈钢等,等,不同的材料适用于不同的测压范围和被测介质。不同的材料适用于不同的测压范围和被测介质。近年来随着新材料的出现和发展,近年来随着新材料的出现和发展,半
16、导体硅材料半导体硅材料得到得到了更多的应用。了更多的应用。2022/9/2922本讲稿第二十二页,共五十八页 结构结构结构结构 工作过程工作过程工作过程工作过程 接头接头接头接头自由端自由端自由端自由端拉杆拉杆拉杆拉杆扇形齿轮扇形齿轮扇形齿轮扇形齿轮中心齿轮中心齿轮中心齿轮中心齿轮指针偏转指针偏转指针偏转指针偏转指示压力指示压力指示压力指示压力消除两啮合齿轮间隙,消除两啮合齿轮间隙,减小仪表变差减小仪表变差调整仪表机械零点调整仪表机械零点改变机械传动的放大系改变机械传动的放大系数,调整仪表量程数,调整仪表量程被测被测被测被测压力压力压力压力二、二、弹弹簧管簧管压压力力计计(波登管)(波登管)2
17、022/9/2923本讲稿第二十三页,共五十八页特点特点 结结构构简单简单,使用方便,价格低;,使用方便,价格低;测压测压范范围宽围宽,可,可测测量量负负压压、微、微压压、低、低压压、中、中压压和高和高压压,应应用广泛;精确度可达用广泛;精确度可达0.1级级。优点:优点:缺点:缺点:只能就地指示,是现场直读式仪表。只能就地指示,是现场直读式仪表。2022/9/2924本讲稿第二十四页,共五十八页三、波三、波纹纹管差管差压计压计 结构结构 测测量机构:量机构:波波纹纹管管(1、10)、量程、量程弹弹簧簧组组(11)和和扭力管扭力管(6)等等2022/9/2925本讲稿第二十五页,共五十八页202
18、2/9/29自动检测技术及仪表控制系统 26 工作过程工作过程 差压信号差压信号低压波纹管自由端低压波纹管自由端带动连杆右移带动连杆右移挡板推挡板推动摆杆动摆杆扭力管逆扭力管逆时针偏转时针偏转芯轴逆时芯轴逆时针转针转显示显示机构机构本讲稿第二十六页,共五十八页压力传感器的外形及内部结构压力传感器的外形及内部结构2022/9/2927本讲稿第二十七页,共五十八页 在测压点附近的压力敏感件上面,附带有将位移变换为输出电信在测压点附近的压力敏感件上面,附带有将位移变换为输出电信号的装置,通过电信号的传输,将压力指示和记录下来。号的装置,通过电信号的传输,将压力指示和记录下来。四四.弹弹性性测压计测压
19、计信号的信号的远传远传方式方式采用采用电远传方式电远传方式电远传方式电远传方式常用的转换方式:常用的转换方式:电位器式、霍尔元件式、电感式、差动变压器式。电位器式、霍尔元件式、电感式、差动变压器式。2022/9/2928本讲稿第二十八页,共五十八页电位器式电位器式电位器式电位器式弹性元件的输出位移变为电位器滑动弹性元件的输出位移变为电位器滑动触点的位移,被测压力的变化就转换触点的位移,被测压力的变化就转换成电位器阻值的变化。成电位器阻值的变化。特点:特点:特点:特点:原理:原理:将电位器与其它电阻组成一个电桥,当电位器阻值变化时,将电位器与其它电阻组成一个电桥,当电位器阻值变化时,电桥输出电压
20、就变化。电桥输出电压就变化。简单、线性输出较好,但滑线电位器易磨损腐蚀,结构可靠简单、线性输出较好,但滑线电位器易磨损腐蚀,结构可靠性较差。性较差。2022/9/2929本讲稿第二十九页,共五十八页霍尔元件式霍尔元件式霍尔元件式霍尔元件式原理原理:霍尔效应:霍尔效应:霍尔元件图霍尔元件图霍尔效应原理图霍尔效应原理图B霍霍尔尔电势电势VH控制控制电电流流I-+-基于半导体材料的基于半导体材料的基于半导体材料的基于半导体材料的霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应,将自由端的位移通,将自由端的位移通,将自由端的位移通,将自由端的位移通过霍尔元件转换成电压信号输出。过霍尔元件转换成电压信号输出。过霍尔元件
21、转换成电压信号输出。过霍尔元件转换成电压信号输出。2022/9/2930本讲稿第三十页,共五十八页SN霍尔元件输出的电势对应于自由端位移,霍尔元件输出的电势对应于自由端位移,给出被测压力值。给出被测压力值。特点:特点:特点:特点:结构简单、灵敏度高,寿命长结构简单、灵敏度高,寿命长。对外部磁场敏感,对外部磁场敏感,耐振性差。耐振性差。局部放局部放局部放局部放大图见大图见大图见大图见右图右图右图右图2022/9/2931本讲稿第三十一页,共五十八页3.4 压压阻、阻、压电压电式式压压力力计计压力传感器:压力传感器:能够能够检测压力值检测压力值并能并能提供远传信号提供远传信号的装置。的装置。结构形
22、式:结构形式:压阻式、压电式、应变式、电容式、光电式、光压阻式、压电式、应变式、电容式、光电式、光纤式等许多种。纤式等许多种。2022/9/2932本讲稿第三十二页,共五十八页二、压阻式压力传感器二、压阻式压力传感器原理:原理:基于半导体材料的基于半导体材料的“压阻效应压阻效应”当半导体的某一轴向当半导体的某一轴向受外力作用时,原子点阵排列规律发生变化,导致载流子迁移率受外力作用时,原子点阵排列规律发生变化,导致载流子迁移率及密度的变化,从而引起电阻率的变化。及密度的变化,从而引起电阻率的变化。结构:结构:用集成工艺直接在硅平膜片上按照一定晶向制成扩散压敏电阻。用集成工艺直接在硅平膜片上按照一
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