第3章 压力和差压测量

《第3章 压力和差压测量》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章 压力和差压测量（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、2020 5 19 1 第3章压力和差压测量 3 1压力和差压的基本概念 3 2液柱式压力计 3 3弹性元件及弹性压力表 3 4压阻 压电式压力计 3 5压力计的选择 安装和校准 2020 5 19 2 3 1压力和差压的基本概念 一 基本概念 1 压力的定义 垂直而均匀地作用在单位面积上的力 即物理学中常称的压强 2020 5 19 3 2 压力的表示方法由于参照点不同 在工程上有几种不同表示方法 1 绝对压力 pi 被测介质作用在容器表面积上的全部压力 2 大气压力 pd 由于地球表面空气柱重量形成的压力 随地理纬度 海拔高度及气象条件而变化 3 表压力 pb pb pi pd 压力测量仪

2、表的指示值 4 真空度 负压 pz 绝对压力小于大气压力时 表压力为负值 其绝对值为真空度 即 pz pd pi 5 差压 压差 任意两处压力之差 2020 5 19 4 各种压力表示法之间的关系 绝对零压力 绝对压力1 大气压力 表压力 绝对压力2 负压力 真空度 差压 pb pi pd pz pd pi 绝对压力3 2020 5 19 5 温标的传递 3 压力的计量单位压力是力和面积的导出量 国际单位制中 力F的单位 牛顿 N 面积S的单位 米2 m2 压力p单位 牛顿 米2 N m2 常用单位 帕斯卡或帕 Pa 1Pa 1N m2 工程大气压 kgf cm2 毫米水柱 mmH2O 毫米汞

3、柱 mmHg 2020 5 19 6 特点 原理 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 2 测量范围宽 如单活塞压力计测量范围达0 04 2500MPa 精度高 0 01 性能稳定可靠 如液柱式压力计 活塞式压力计 二 压力检测的常用方法 1 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 3 结构复杂 成本较高 2020 5 19 7 2 弹性力平衡法 原理 特点 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 1 可测压力 负压 绝对压力和压差 2 类型多 应用广 如弹簧管式压力计 波纹管差压计等 202

4、0 5 19 8 3 物性测量法 应变式 压电式 电容式压力传感器等 原理 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量测量 分类 2020 5 19 9 4 机械力平衡法 原理 特点 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 2 可达较高的精度 1 多用于电动和气动组合仪表中 3 结构复杂 成本较高 根据流体静力学原理 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 一般是采用充有水或水银等液体的玻璃U形管 单管或斜管进行压力测量的 其结构形式如图所示 3 2液柱式压力计 p gh pd

5、 2020 5 19 11 一 U型管压力计 一般常由一支U型玻璃管构成 充液介质 水银 水 酒精等 p0 p0 p1 p0 a 在U型管两端同时通大气 而未接被测压力时 U型管两边管内的液面高度相等 b 当将U型管的一端接入被测压力p1后 如果p1大于p0 则U型管两边管内的液面就会产生高度差 这个液柱的高度差就反映了U型管两端所受压力的差值 被测压力用表压p p1 pd表达 则有 由于一旦U型管内的充入介质确定 则 g均为常数 所以h可以直接反映被测压力p的大小 此即为U型管测压的基本原理 应用范围 适用于低压 负压和压力差 读数误差可达1mm 测低压相对误差较大 二 单管压力计 1 原理

6、 同U型管压力计2 结构 杯径较管径大得多3 特点 由于杯径 管径 所以h1 h2 则h h1 即 杯内的液位变化可忽略不计 一次性读数 使用方便 而U型管压力计要两次读数 4 应用范围 测量低压 负压和差压5 读数误差 0 5mm 较U型管好 三 斜管压力计 1 结构 将单管压力计的玻璃管制成斜管2 表压 p L gsin 3 特点 灵敏度高 误差较单管压力计小 四 液柱测压中应考虑的问题1 误差a 主要的测量误差是读数误差 直接读 1mm左右 光学放大镜辅助读 0 05mm左右b 其它影响测量结果的因素 充液密度 如充液不纯 实际密度与理论密度不符 标尺刻度误差 毛细管的吸附作用 对微压有

7、影响 使用的地点及环境温度影响等 地点影响g 温度易影响工作液体的胀 缩而致使h变化 必要时应作修正 应垂直安装 否则引入附加误差 2 正确选择充液介质 测低压充低密度介质 可使h大 测高压充高密度介质 否则冒顶 要避免充液与被测介质有化学反应3 常用的标尺材料 玻璃 钢 铜4 读数的位置 见右图 1 眼与液柱面水平2 水银柱读凸部3 水读凹部 2020 5 19 17 3 3弹性元件及弹性压力表 利用弹性元件受压变形的原理 用指针或刻度尺给出压力示值 感受压力 产生变形 核心部分 调整仪表的零点和量程 将弹性元件的变形进行变换和放大 弹性元件 变换放大机构 指示机构 调整机构 弹性压力表组成

8、 被测压力 2020 5 19 18 一 测压弹性元件 1 常用弹性元件 弹簧管 弹性膜片 波纹管 弹簧管 单圈弹簧管 多圈弹簧管 原理 被测压力作用于弹性元件时 弹性元件产生变形 即弹性元件将压力转换成位移 可测量正 负压 但一般不测差压 弹性特性是自由端的位移量与所加压力的关系 2020 5 19 19 弹簧管放大图 当被测压力p增大时 弹簧管撑直 通过齿条带动齿轮转动 从而带动电位器的电刷产生角位移 2020 5 19 20 弹性膜片 弹性特性是中心位移与压力的关系 平膜片 波纹膜片 挠性膜片 测力弹簧 2020 5 19 21 波纹管 弹性特性是封闭端位移与压力的关系 1 使用应在线性

9、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 2020 5 19 22 2 材料 弹性元件常用的材料有铜合金 弹性合金 不锈钢等 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 半导体硅材料得到了更多的应用 2020 5 19 23 结构 工作过程 接头 自由端 拉杆 扇形齿轮 中心齿轮 指针偏转 指示压力 消除两啮合齿轮间隙 减小仪表变差 调整仪表机械零点 改变机械传动的放大系数 调整仪表量程 被测压力 二 弹簧管压力计 波登管 2020 5 19 24 特点 结构简单 使用方便 价格低 测压范围宽 可测量负压 微压 低

10、压 中压和高压 应用广泛 精确度可达 0 1级 优点 缺点 只能就地指示 是现场直读式仪表 2020 5 19 25 三 波纹管差压计 结构 测量机构 波纹管 1 10 量程弹簧组 11 和扭力管 6 等 2020 5 19 26 工作过程 差压信号 低压波纹管自由端带动连杆右移 挡板推动摆杆 扭力管逆时针偏转 芯轴逆时针转 显示机构 2020 5 19 27 压力传感器的外形及内部结构 2020 5 19 28 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 四 弹性测压计信号的远传方式 采用电远传方式 常用的转换方式 电位器式 霍尔

11、元件式 电感式 差动变压器式 2020 5 19 29 电位器式 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成电位器阻值的变化 特点 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 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 结构可靠性较差 2020 5 19 30 霍尔元件式 原理 霍尔效应 霍尔元件图 基于半导体材料的霍尔效应 将自由端的位移通过霍尔元件转换成电压信号输出 2020 5 19 31 霍尔元件输出的电势对应于自由端位移 给出被测压力值 特点 结构简单 灵敏度高 寿命长 对外部磁场敏感 耐振性差 局部放大图见右图 2020 5

12、 19 32 3 4压阻 压电式压力计 压力传感器 能够检测压力值并能提供远传信号的装置 结构形式 压阻式 压电式 应变式 电容式 光电式 光纤式等许多种 2020 5 19 33 二 压阻式压力传感器原理 基于半导体材料的 压阻效应 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 导致载流子迁移率及密度的变化 从而引起电阻率的变化 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 工作原理 硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特性 当硅片受压后 它的变形使扩散电阻的阻值发生变化 其相对电阻变化可表示为 其中 e为压阻系数 为应力 2020 5 19 34 测量电路 电桥 特

13、点 灵敏度高 频率响应高 结构比较简单 可小型化 可用于静 动态压力测量 应用广泛 测量范围宽 可测低至10Pa的微压到高至60MPa的高压 精度高 0 2 0 02 2020 5 19 35 二 压电式压力传感器 压电效应 压电材料受到外力作用时 不仅几何尺寸发生变化 而且内部极化 表面上还会有电荷出现 形成电场 当外力去除后 材料回复到原来的状态的现象 在弹性范围内 压电元件产生的电荷量与作用力之间呈现线性关系 Q kSp式中 Q为电荷量 k为压电常数 S为作用面积 p为压力 工作原理 压电材料 石英 压电陶瓷 钛酸钡 的压电效应将被测压力转换为电信号 动态压力检测中常用传感器 不适宜测量

14、缓变化的压力和静态压力 2020 5 19 36 结构 电荷量经放大可转为电压或电流输出 测量一般配有电荷放大器 以增加输出 可通过更改压电元件改变测量范围 可以通过叠加压电元件以提高灵敏度 特点 可作动态测量 不适合于静压力和慢变化的压力的测量 体积小 结构简单 工作可靠 频率响应高 不需外加电源 测量范围宽 可测100MPa以下的压力 测量精度较高 2020 5 19 37 三 应变式压力传感器组成 应变元件 弹性元件应变元件的工作原理 导体和半导体的应变效应 应变效应 即导体和半导体材料发生机械变形时 其电阻值将发生变化 实际的电阻应变片通常是一根电阻丝被弯曲而并行地排成栅形 贴在基板上

15、成为电阻栅 38 应变元件与弹性元件的装配 采用粘贴式或非粘贴式 在弹性元件受力变形时 应变元件也发生形变 其电阻值将有相应的改变 2020 5 19 弹性元件可根据被测介质和测量范围的不同而采用各种型式 常见有圆膜片 弹性梁 应变筒等 2020 5 19 39 测量方法 R1 R2是静态特性相同的应变元件 粘贴在弹性元件的适当位置上 R3 R4是另一对电阻 分别接入电桥的4个臂 则电桥的输出信号可以反映被测压力的大小 2020 5 19 40 四 电容式压力传感器测量原理 将弹性元件的位移转换为电容量的变化 平行板电容器的电容量 为电容极板间介质的介电常数 A为两平行板相对面积 d为两平行板

16、间距 实际测量中 大多采用保持其中两个参数不变 而仅改变A或d一个参数的方法 把参数的变化转换为电容量的变化 故有变极距式电容压力传感器和变面积式电容压力传感器 2020 5 19 41 结构 变极距式 变面积式 2020 5 19 42 五 振频式压力传感器工作原理 利用感压元件本身的谐振频率与压力的关系 通过测量频率信号的变化来检测压力 型式 振筒 振弦 振膜和石英晶体谐振 振筒式压力传感器由振筒组件和谐振电路组成 其感压元件本身具有一定的固有频率 当筒壁受压后 固有频率相应改变 特点 体积小 输出频率信号 重复性好 耐振 精确度高 为 0 1 和 0 01 测量范围宽 适于气体测量 2020 5 19 43 六 集成式压力传感器 集成化传感器 如以压阻式压力传感器为基础的集成传感器可同时检测差压 静压和温度 通过多路转换开关和模 数转换后由微处理器进行相应的处理和显示 3 5压力表的选择 安装和校准 一 压力表的选择选择选择合适的仪表主要根据生产过程提出的要求 结合各类压力表的特点综合考虑 一般涉及类型 测量范围和测量精度等方面 应满足生产过程的要求 要了解被测介质情况 现场环境