压力、速度、液位测量

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1、1,流体参数的测量,北京工业大学 建筑工程学院 2005年,2,1压力与压差的测量 2流速和流量的测量 3液位的测量,主要内容,3,4.1 压力与压差的测量,一、概述这里的压力即物理学中的压强,压力是反映物质状态的一个重要参数，是工业生产过程中重要工艺参数之一。1、压力的概念及单位 压力是垂直作用在单位面积上的力。它的大小由两个因素决定，即受力面积和垂直作用力的大小。其表达式为,(4-1),P压力（Pa） F作用力（N） S作用面积（m2）,4,国际单位制(SI)中定义1N的力垂直而均匀地作用在1m2面积上所形成的压力为一个帕斯卡，简称帕，符号为Pa。目前，工程技术界广泛使用的压力单位主要有工

2、程大气压、标准大气压、毫米汞柱、毫米水柱等。 工程大气压 即1kg力垂直而均匀地作用在1cm2面积上所产生的压力，用千克力平方厘米表示，常记作千克力平方厘米,kgfcm2,符号为 at。 标准大气压 是指在纬度为45的海平面上，温度为0时的平均大气压力。1atm=101325Pa，符号为 atm。 毫米汞柱 即在标准重力加速度下，温度为0时1mm高的水银柱所产生的压力，符号为mmHg mmHg。 毫米水柱 即在标准重力加速度下，温度为4时1mm高的水柱所产生的压力，符号为mmH2O。,5,4.1 压力与压差的测量,常用的几种压力单位与帕之间的换算关系为： 1kgfcm2 = 9.807104P

3、a 1atm= 1.013105Pa 1mmHg= 1.332102Pa 1mmH2O= 9.807Pa 1MPa= 106Pa,6,地面上的一切物体无不处在环境大气压力的作用下，只有绝对真空状态才能使F真正等于0，以绝对真空为计值零点的压力称为绝对压力。 设计容器或管道的耐压强度时，主要根据内部流体压力和外界环境大气压力之差而定，一般的压力表监视生产过程，也只检测容器或设备内外压力之差，这个压力差是相对值，是以环境大气压力为计值零点所得的压力值，称为相对压力。各种普通压力表的指示值都是相对压力，所以相对压力也称为表压力，简称表压。 环境大气压力完全由当时当地空气柱的重力所产生，与海拔高度和气

4、象条件有关，可以用专门的大气压力表测得，它的数值是以绝对真空为计值零点得到的。因此，是绝对压力。 如果容器或管道里的流体压力比外界环境大气压力低，表压就为负值，这种情况下的表压称为真空度，亦即接近真空的程度。,7,2、压力测量方法 平衡法 按照压力的定义，通过直接测量单位面积所承受的垂直方向上的力的大小来检测压力。如液柱式压力计和活塞式压力计。 弹性法 弹性元件感受压力后会产生弹性变形,形成弹性力,当弹性力与被测压力相平衡时,弹性元件变形的大小反映了被测压力的大小。 物理性质法 一些物质受压后,它的某些物理性质会发生变化,通过测量这种变化就能测量出压力.据此原理制造出的各种压力传感器往往具有精

5、度高、体积小、动态特性好等优点,成为近年来压力测量的一个主要发展方向.其中,半导体压阻式传感器和压电式传感器发展得更为迅速。,8,二、平衡式压力计 液柱式压力计 弹性式压力计 电气式压力计 压力仪表的选用与校正,9,液柱式压力计测压原理 液柱式压力计是利用液柱所产生的压力与被测压力平衡，并根据液柱高度来确定被测压力大小的压力计。 所用液体叫做封液，常用的封液有水、酒精、水银等。常用的液柱式压力计有U型管压力计、单管压力计和斜管微压计。它们的结构形式如图所示 。 U型管压力计两侧压力p1、p2与封液液柱高度之间h有如下关系 ：,液柱式压力计,10,当1=2时，上式可简化为：若1=2 ，且12 ，

6、则有：单管压力计两侧压力p1、p2 与封液液柱高度h2之间的关系为：若F1F2 ，且1 ， 则： 斜管微压计两侧压力p1、p2和液柱长度L的关系可表示为,液柱式压力计,11,(a) (b) (c) 液柱式压力计 (a) U型管压力计；(b) 单管压力计；(c) 斜管微压计,液柱式压力计,12,微压差计,测量微压倾斜角度一般不小于15 可以测量0.98Pa的微压， 为了提高精确度，应选用密度小的酒精做为工作液体。,13,液柱式压力计的测量误差及其修正 环境温度变化的影响 当环境温度偏离规定温度时，封液密度、标尺长度都会发生变化。由于封液的体膨胀系数比标尺的线膨胀系数大12个数量级， 因此对于一般

7、的工业测量，主要考虑温度变化引起的封液密度变化对压力测量的影响，而精密测量时还需要对标尺长度变化的影响进行修正。 环境温度偏离规定温度（例如20）后，封液密度改变对压力计读数影响的修正公式为：,液柱式压力计,14,毛细管现象造成的误差 毛细管现象使封液表面形成弯月面，这不仅会引起读数误差，而且会引起液柱的升高或降低。这种误差与封液的表面张力、管径、管内壁的洁净度等因素有关，一般难以精确得到。 在实际应用时，常常通过加大管径来减少毛细管现象的影响。一般要求：封液为酒精时管子内径d3mm，封液为水或水银时d8mm。 液柱式压力计还存在刻度、读数、安装等方面的误差。读数时，眼睛应与封液弯月面的最高点

8、或最低点持平，并沿切线方向读数。 U型管压力计和单管压力计都要求垂直安装，否则也将会带来较大误差。,液柱式压力计,15,弹簧管压力计 膜片式压力计与膜盒式压力计 波纹管式压差计 弹性压力计的误差及改善途径 电接点压力表（被测压力的高低压报警或设备的启、停控制用）,弹性式压力计,16,弹簧管压力计 单圈弹簧管压力计，由弹簧管、齿轮传动机构、指针、刻度盘等部分组成 弹簧管是弹簧管压力计的主要元件。弯曲的弹簧管是一根空心管，其自由端封闭，固定端与仪表的外壳固定连接，并与管接头相通。弹簧管的横截面呈椭圆形或扁圆形。当它的内腔通入被测压力后，在压力作用下发生变形，短轴方向的内表面积比长轴方向的大，因而受

9、力也大，当管内压力比管外大时，短轴要变长些，长轴要变短些，管子截面趋于圆而产生弹性变形。由于短轴方向与弹簧管圆弧形的径向一致，变形使自由端向管子伸直的方向移动，产生管端位移量，通过拉杆带动齿轮传动机构，使指针相对于刻度盘转动。当变形引起的弹性力与被测压力产生的作用力平衡时，变形停止，指针指示出被测压力值。,17,(a) (b) (c) (d) 弹簧管及其横截面 (a) 单圈弹簧管；(b) 盘旋多圈弹簧管；(c) S形弹簧管；(d) 螺旋多圈弹簧管,单圈弹簧管压力计 1-弹簧管；2-固定端；3-接头；4-拉杆；5-扇形齿轮；6-中心齿轮；7-指针；8-游丝,18,单圈弹簧管自由端的位移量不能太大

10、，一般不超过25mm。为了提高弹簧管的灵敏度，增加自由端的位移量，可采用S形弹簧管或螺旋形弹簧管。齿轮传动机构的作用是把自由端的线位移转换成指针的角位移，使指针能明显地指示出被测值。它上面还有可调螺钉，用以改变连杆和扇形齿轮的铰合点，从而改变指针的指示范围。转动轴处装着一根游丝，用来消除齿轮啮合处的间隙。传动机构的传动阻力要尽可能小，以免影响仪器的精度。 单圈弹簧管压力表的精度，普通的是14级，精密的是0.10.5级。测量范围0109Pa。为了保证弹簧管压力表的正确指示和能长期使用，应使仪表工作在正常允许的压力范围内。对于波动较大的压力，仪表的示值应经常处于量程范围的1/2附近；被测压力波动小

11、，仪表示值可在量程范围的2/3左右，但被测压力值一般不应低于量程范围的1/3。另外，还要注意仪表的防振、防爆、防腐等问题，并应定期校验。,19,膜盒式微压计1504000Pa 精度一般为2.5级，高的可以达到1.5级。,20,三、电气式压力计,压阻式压力传感器 电容式压力传感器 霍尔压力变送器,21,压阻式压力传感器,电阻丝在外力作用下发生机械变形，它的几何尺寸和电阻率都会发生变化，从而引起电阻值变化。若电阻丝的长度为l，截面积为A，电阻率为，电阻值为R，则有：，设在外力作用下，电阻丝各参数的变化相应为dl，dA，d ，dR，对上式求微分并除以R，可得电阻的相对变化：对于金属材料，电阻率的相对

12、变化d / 较小。影响电阻相对变化的主要因素是几何尺寸的相对变化dL/L和dA/A 。对半导体材料， dL/L和dA/A两项的值很小， d / 为主要的影响因素。,22,物质受外力作用，其电阻率发生变化的现象叫压阻效应。利用压阻效应测量压力的传感器叫压阻式压力传感器。 自然界中很多物质都具有压阻效应，但以半导体晶体的压阻效应较明显，常用的压阻材料是硅和锗。 一般意义上说的压阻式压力传感器可分两种类型 一类是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式的应变片，作为测量中的变换元件，与弹性敏感元件一起组成粘贴型压阻式压力传感器，或叫应变式压力传感器； 另一类是在单晶硅基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，此基片

13、既是压力敏感元件，又是变换元件，这类传感器叫做扩散型压阻式压力传感器，通常也简称作压阻式压力传感器或固态压力传感器。,23,电容式压力传感器,电容器的电容量由它的两个极板的大小、形状、相对位置和电介质的介电常数决定。 当一个极板固定不动，另一个极板感受压力，并随着压力的变化而改变极板间的相对位置，电容量的变化就反映了被测压力的变化。这是电容式压力传感器的工作原理。 平板电容器的电容量为： 若电容的动极板感受压力产生位移d，则电容量将随之改变，其变化量为:当.A确定之后,可以通过测量电容量的变化得到动极板的位移量,进而求得被测压力的变化。电容式压力传感器的工作原理正是基于上述关系。当d/d1时,

14、电容量的变化量与位移增量成近似的线性关系:,24,电容式压力传感器,为了保证电容式压力传感器近似线性的工作特性,测量时必须限制动极板的位移量。为了提高传感器的灵敏度和改善其输出的非线性,实际应用的电容式压力传感器常采用差动的形式,即使感压动极板处于两个静极板之间,当压力改变时,一个电容的电容量增加,另一个的电容量减少,灵敏度可提高一倍,而非线性也可大为降低。 电容式压力压差传感器具有结构简单、所需输入能量小、没有摩擦、灵敏度高、动态响应好、过载能力强、自热影响极小、能在恶劣环境下工作等优点，近年来受到了广泛重视。 影响其测量精度的主要因素是线路寄生电容、电缆电容和温度、湿度等外界干扰。这正是过

15、去长时间限制了它的应用的主要原因。集成电路技术的发展和新材料新工艺的进步，已使上述因素对测量精度的影响大大减少，为电容式压力传感器的应用开辟了广阔的前景。,25,霍尔压力变送器,霍尔压力变送器是利用霍尔效应，把压力作用下所产生的弹性元件的位移信号转变成电势信号，通过测量电势来得到压力。 如图所示，把半导体单晶薄片置于磁场中，当在晶片的横向上通以一定大小的电流I时，在晶片的纵向的两个端面上将出现电势VH，这种现象称霍尔效应，所产生的电势称霍尔电势，这个半导体薄片称霍尔片。,26,霍尔压力变送器,霍尔效应,27,霍尔压力变送器,当霍尔片中流过电流I时，电子受磁场力的作用发生偏转，在霍尔片纵向的一个

16、端面上造成电子积累而形成负电性，而在另一端面上因缺少电子呈正电性，于是在霍尔片纵向出现了电场，电场力阻止电子的偏转。当磁场力与电场力相平衡时，电子积累达到了动态平衡，这时就建立了稳定的霍尔电势VH 。KH霍尔元件灵敏度，由霍尔片材料、结构尺寸决定的常数 霍尔电势VH与B、I成正比，改变B、I可改变VH 。霍尔电势一般为几十毫伏数量级。,28,霍尔压力变送器,霍尔压力变送器 1-管接头；2-基座；3-膜盒；4-推杆；5-杠杆；6-霍尔元件；7-磁铁,29,霍尔压力变送器,霍尔片直接与弹性元件的位移输出端相联系，弹性元件是一个膜盒，当被测压力发生变化时，膜盒顶端推杆将产生位移，推动带有霍尔片的杠杆，霍尔片在由四个磁极构成的线性不均匀磁场中运动，使作用在霍尔元件上的磁场变化。 同时，输出的霍尔电势也随之变化。当霍尔片处于两对磁极中间对称位置时，霍尔片总的输出电势等于0。当在压力的作用下使霍尔片偏离中心平衡位置时，霍尔元件的输出电势随位移(压力)的变化呈线性变化。 由图可见，被测压力等于0时，霍尔片处于中心平衡位置。当输入压力是正压时，霍尔片向上运动；当输入压力是负压时，霍尔片向下运动，此时输出的霍尔电势正负也随之发生相应变化。,