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1、课件制作：洪冶,第三章 压力及差压测量 第一节 压力测量的基本知识,一压力概述 压力是重要的工业参数之一, 正确测量和控制压力对保证生产工艺过程的安全性和经济性有重要意义。压力及差压的测量还广泛地应用在流量和液位的测量中。 工程技术上所称的“压力”实质上就是物理学里的“压强”, 定义为均匀而垂直作用于单位面积上的力。 其表达式为 P=F/A （ 11 - 21） 式中 P-为压力; F-为作用力; A-为作用面积。 ,课件制作：洪冶,国际单位制（SI）中定义: 1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面上, 形成的压力为1“帕斯卡”, 简称“帕”, 符号为Pa。 过去采用的压力单位“工程大气压”（即k
2、gf/cm2）、 “毫米汞柱”（即mmHg）、 “毫米水柱”（即mmH2O）、物理大气压（即atm）等均应改为法定计量单位帕, 其换算关系如下: 1 kgf/cm2=0.9807105Pa 1mmH2O=0.980710Pa 1mmHg=1.332102Pa 1atm=1.01325105Pa,课件制作：洪冶,压力有几种不同表示方法 (1)绝对压力 指作用于物体表面积上的全部压力, 其零点以绝对真空为基准, 又称总压力或全压力, 一般用大写符号P表示 (2)大气压力指地球表面上的空气柱重量所产生的压力, 以P0表示。 (3)表压力 绝对压力与大气压力之差, 一般用p表示。 测压仪表一般指示的压
3、力都是表压力, 表压力又称相对压力。 当绝对压力小于大气压力, 则表压力为负压, 负压又可用真空度表示, 负压的绝对值称为真空度。如测炉膛和烟道气的压力均是负压。 ,(4) 真空压力：当绝对压力小于大气压力时，大气压力与绝对压力之差。 PG P0Pa 又称：真空度、负压力、疏空压力。,（1）帕斯卡:国际单位，简称帕（Pa） 1 Pa = 1 N/m2 工程上经常使用兆帕（MPa） 1 MPa = 1106 Pa,压力的单位换算,（2）标准大气压力（atm）:温度为0，重力加速度为9.80665m/s2、高度为0.76m、密度为13.5951103kg/m3的水银柱所产生的压力。,1 atm =
4、101 325 Pa,课件制作：洪冶,(5)差压 任意两个压力之差称为差压。 如静压式液位计和差压式流量计就是利用测量差压的大小知道液位和流体流量的大小。 测量压力的传感器很多, 如应变式、电容式、差动变压器、霍尔、压电等传感器等都能用来测量压力。下面介绍几种工程上常用的测压传感器或测压仪表。 二液柱式压力计 液柱式压力计是以流体静力学原理来测量压力的。 它们一般采用水银或水为工作液, 用U型管或单管进行测量, 常用于低压、 负压或压力差的测量。,课件制作：洪冶,图 11 - 24所示的U形管内装有一定数量的液体, U形管一侧通压力p1, 另一侧通压力p2。当p1= p2时, 左右两管的液体高
5、度相等。 当p1 p2时, 两边管内液面便会产生高度差。 根据液体静力学原理可知: p=p1-p1=g h （ 11 - 22） 式中为U形管内液体的密度。 如把压力p1一侧改为通大气P0, 则式（12-2）可改写为 p2=g h （ 11 - 23） 如果把U形管的一个管换成大直径的杯, 即可变成如图 11 - 25所示的单管或斜管。 测压原理与U形管相同, 只是因为杯径比管径大得多, 杯内液位变化可略去不计, 使计算及读数更为简易。 ,课件制作：洪冶,课件制作：洪冶,课件制作：洪冶,三弹性式压力表 弹性式压力表是以弹性元件受压后所产生的弹性变形作为测量基础的。 它结构简单, 价格低廉, 现
6、场使用和维修都很方便, 又有较宽的压力测量范围, 因此在工程中获得了非常广泛的应用。 1 弹性元件 采用不同材料、不同形状的弹性元件作为感压元件, 可以适用于不同场合、不同范围的压力测量。目前广泛使用的弹性元件有弹簧管、波纹管和膜片等。 图 11 - 26给出了一些常用弹性元件的示意图。 ,课件制作：洪冶,课件制作：洪冶,图 11 - 27为利用弹性形变测压原理图。 活塞缸的活塞底部加有柱状螺旋弹簧, 弹簧一端固定, 当通入被测压力p时, 弹簧被压缩并产生一弹性力与被测压力平衡,在弹性形变的限度内, 弹簧被压缩后产生的弹性位移量x与被测压力p的关系符合胡克定律, 表示为 （ 11 - 24）
7、式中C为弹簧的刚度系数; A为活塞的有效面积。 当C、A为定值时, 测量压力就变为测量弹性元件的位移量x。 ,课件制作：洪冶,课件制作：洪冶,金属弹性元件都具有不完全弹性, 即在所加作用力去除后, 弹性元件会表现残余变形、 弹性后效和弹性滞后等现象, 这将会造成测量误差。弹性元件特性与选用的材料和负载的最大值有关, 要减小这方面的误差, 应注意选用合适的材料, 加工成形后进行适当的热处理等。 2 弹簧管压力表 弹簧管压力表在弹性式压力表中更是历史悠久, 应用广泛。 弹簧管压力表中压力敏感元件是弹簧管, 弹簧管的横截面呈非园形（椭圆形或扁形）, 弯成园弧形的空心管子, 如图12-28所示。 管子
8、的一端为封闭, 作为位移输出端, 另一端为开口, 为被测压力输入端。当开口端通入被测压力后, 非圆横截面在压力p作用下将趋向圆形, 并使弹簧管有伸直的趋势而产生力矩, 其结果使弹簧管的自由端产生位移, 同时改变中心角。中心角的相对变化量与被测压力有如下的函数关系: ,课件制作：洪冶,课件制作：洪冶,式中-为弹簧管中心角的初始角; -为受压后中心角的改变量; R为弹簧管弯曲圆弧的外半径; h-为管壁厚度; a、 b-为弹簧管椭圆形截面的长、 短半轴; 为几何常数（=RH/a2）; 、 -为与比值a/b有关的参数; 为弹簧管材料的泊松系数; E为弹性模数。 ,课件制作：洪冶,由式（ 11 - 25
9、）可知, 如果a=b, 则=0, 这说明具有均匀壁厚的圆形弹簧管不能用作测压敏感元件。 对于单圈弹簧管, 中心角变化量比较小, 要提高, 可采用多圈弹簧管。 弹簧管压力表结构如图 11 - 29所示。 被测压力由接头9通入, 迫使弹簧管1的自由端产生位移, 通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转, 于是指针5通过同轴的中心齿轮4的带动而作顺时针偏转, 在面板6的刻度标尺上显示出被测压力的数值。 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, 可以测量负压、微压、低压、中压和高压, 因此应用十分广泛。,课件制作：洪冶,课件制作：洪冶,3 压阻式压力传感器 压阻式压力传感器
10、的压力敏感元件是压阻元件, 它是基于压阻效应工作的。 所谓压阻元件实际上就是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, 当它受外力作用时, 其阻值由于电阻率的变化而改变。扩散电阻正常工作时需依附于弹性元件, 常用的是单晶硅膜片。 图 11 - 30是压阻式压力传感器的结构示意图。 在一块圆形的单晶硅膜片上, 布置四个扩散电阻, 组成一个全桥测量电路。 膜片用一个圆形硅杯固定, 将两个气腔隔开。一端接被测压力, 另一端接参考压力。当存在压差时, 膜片产生变形, 使两对电阻的阻值发生变化, 电桥失去平衡, 其输出电压反映膜片承受的压差的大小。,课件制作：洪冶,课件制作：洪冶,压阻式压力传
11、感器的主要优点是体积小, 结构比较简单, 动态响应也好, 灵敏度高, 能测出十几帕斯卡的微压, 它是一种比较理想, 目前发展和应用较为迅速的一种压力传感器。 这种传感器测量准确度受到非线性和温度的影响, 从而影响压阻系数的大小。 现在出现的智能压阻压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿, 它利用大规模集成电路技术, 将传感器与计算机集成在同一块硅片上, 兼有信号检测、 处理、 记忆等功能, 从而大大提高传感器的稳定性和测量准确度。,课件制作：洪冶,4 压力传感器的选用与安装 （1）压力传感器的选用 在工业生产中, 对压力传感器进行选型, 确定检测点与安装等是非常重要的, 传感器的选用的基
12、本原则是依据实际工艺生产过程对压力测量所要求的工艺指标、测压范围、许误差、介质特性及生产安全等因素, 经济合理, 使用方便。 对弹性式压力传感器要保证弹性元件在弹性变形的安全范围内可靠的工作, 在选择传感器量程时必须留有足够的余地。 一般在被测压力较稳定的情况下, 最大压力值应不超过满量程的3/4, 在被测压力波动较大的情况下, 最大压力值应不超过满量程的2/3。 为了保证测量精度, 被测压力最小值应不低于全量程的1/3。 ,课件制作：洪冶,如要测量高压蒸汽的压力, 已知蒸汽压力为（24）105Pa, 生产中允许最大测量误差为104Pa且要求就地显示, 如何选择压力表呢？,根据已知条件及弹性式
13、压力传感器的性质决定选Y-100型单圈弹簧管压力表, 其测量范围为06105Pa（当压力从2105Pa变化到4105Pa时, 正好处于量程的1/32/3）。要求最大测量误差小于104Pa, 即要求传感器的相对误差所以应选1.5级表,课件制作：洪冶,（2）压力传感器的安装 传感器测量结果的准确性, 不仅与传感器本身的精度等级有关, 而且还与传感器的安装、 使用是否正确有关。 压力检测点应选在能准确及时地反映被测压力的真实情况。 因此, 取压点不能处于流束紊乱的地方, 即要选在管道的直线部份, 即离局部阻力较远的地方。 测量高温蒸汽压力时, 应装回形冷凝液管或冷凝器, 以防止高温蒸汽与测压元件直接
14、接触。,课件制作：洪冶,测量腐蚀、高粘度、有结晶等介质时, 应加装充有中性介质的隔离罐, 如图 11 - 31（b）所示。 隔离罐内的隔离液应选择沸点高、凝固点低、化学与物理性能稳定的液体, 如甘油、乙醇等。 压力传感器安装高度应与取压点相同或相近。 对于图 11 - 32所示情况, 压力表的指示值比管道内的实际压力高, 对液柱附加的压力误差进行修正。 ,课件制作：洪冶,11-31 测量高温，腐蚀介质压力表安装示意图,课件制作：洪冶,11-32 压力表位于生产设备下安装示意图,二、压力的单位 压力的单位是一个导出单位。由压力的定义可知压力的单位会有多种。,课件制作：洪冶,三、压力测量仪表 在生
15、产过程中和实验室里使用的压力仪表种类很多。对压力仪表可以从不同的角度进行分类。如按被测压力可分为：压力表、真空表、绝对压力表、真空压力表等。如按压力表使用的条件可分为：普通型、耐震型、耐热型、耐酸型、禁油型、防爆型等压力表。如按压力表的功能可分为；指示式压力表、压力变送器。如按压力表的工作原理可分为：液柱式压力计、弹性式压力计、物性式压力计、活塞式压力计等。 四、压力标准与量值传递 压力标准分为：基准、一等标准、二等标准、三等标准。能够实现基准和各级标准的仪器是基准器和标准器。基准器是国家最高的压力标准器，它又可以分为基准器和工作基准器。基准器用于进行国际比对，还将压力基准传递给工作基准器。工
16、作基准器可复制多套保存在全国各地的主要部门，由它将压力工作基准传递到一等标准器，再由一等标准器传递到二等标准器，然后由二等标准器传递到三等标准器，最后由三等标准器传递到工作压力仪表。 基准器、工作基准器及各级标准器目前多采用活塞式压力计和液柱式压力计。,课件制作：洪冶,四、稳态压力的测量,1、流体稳态压力测量的基本原理 流体沿水平方向稳定流动时，其静压与动压之和沿流线不变，即：,滞止压力或称总压力,若有一物体处于流体中，它表面上某一点流体的压力为 ，速度 为 ，则有：,引入压力系数：,临界点：在任何被流体绕流的物体上，都存在流体速度为0的一些点， 这些点称为临界点，这些点上的压力称为滞止压力。,（即临界点的压力系数为1）,在被绕流物体表面上也存在流体的压力等于流体
