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1、第5章 :压力测量,授课课时：2学时 主要内容：压力测量的概述；压力测量的意义。压力测量方法及其压力测量仪表的分类。液柱式压力计、弹性压力计、电气式压力计。压力仪表的选择、检验与安装。各类压力仪表的特点及使用场所。压力测量在建筑环境与设备专业的意义，各类测压仪表的测压原理，测压仪表的结构，压力仪表的设计和选型。,重点和难点:各类测压仪表的测压原理，测压仪表的结构，压力仪表的设计和选型,测量压仪表的测量原理。,主要章节,5.1概述 5.2液柱式压力计 5.3弹性压力计 5.4电气式压力检测 5.5压力检测仪表的应用与校准,压力 垂直作用于物体表面上的力 压强 垂直作用于单位面积物体表面上的力 在
2、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压强。 压差 测量两个压力之差称压差 表压力 压力仪表指示的压力值缺省情况下，所说的压力值即指表压力 表压力可正可负，为负时其绝对值称为真空度。,5.1 概述,1、基本概念,帕(Pa) N/m2，国际单位 兆帕(MPa) 106Pa 工程大气压， kgf/cm2 ，98070 Pa约等于一个大气压（1.013e+5 Pa) ，“自来水压头是5公斤”，用的就是这个单位。 mmH2O， 9.81 Pa mmHg ，133 Pa,压力单位,2、压力测量仪表的分类,1）液柱式压力计 2）弹性式压力计 3）电气式压力计 4）活塞式压
3、力计,5.2 液柱式压力计,1、分类 U型管压力计 单管压力计 斜管式微压计 特点：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。缺点：体积大，读数不方便，玻璃管易损坏。,1）U型管压力计,假设被测的介质为气体，可忽略被测介质的高度形成的静压值。根据流体静力学原理可得：,U型管内径一般为5-20mm，为了减少毛细现象管子内径一般不少于10mm，,2）单管式压力计,因为A1、A2为常数，这样可通过一次读数进行压差测量。当A2/A1很小时，h1可忽略，公式简化为：,Pd,Px,直管,h1,h2,3）斜管式微压计,P1,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
4、液柱，将测量管倾斜放置。,2、液柱式压力计的测量误差及其修正,环境温度变化的影响及修正对于一般的工业测量，主要考虑工作液密度变化对压力测量的影响。修正公式为：,重力加速度变化的影响及修正,标准重力加速度下的工作液柱高度,使用地点的工作液柱高度,3毛细现象的影响 为了减少该误差，通常要求测量管的内径一般不小于10mm。,问题？,斜管式微压计用水作介质，可以吗？ 液柱式压力计，水作工作介质，为了便于读数，在水中加入红墨水，可以吗？ 斜管式微压计，测量时看不到液柱，是怎么回事？,5.3 弹性式压力计,原理：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，产生弹性变形制成的测压仪表 特点：
5、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，可远传 常用弹性压力表： 弹簧管式 膜片（盒）式 波纹管式,1弹性元件及其特性,1）膜片：使用时周边夹紧，测低压、微压。将两块膜片沿周边对焊起来，形成一膜盒，膜盒式微压计通常用于测量炉膛和烟道尾部负压。精度等级为2.5，最高可达1.5级。,2）波纹管：开口端固定，封闭端的位移作为输出，由于波纹管的位移相对较大，故灵敏度高，常用于测量较低的压力（1.0-106Pa）精度等级1.5级。,3）弹簧管：单圈弹簧管多圈弹簧管,假设被测压力大于外界大气压力，产生短轴变长，长轴变短的弹性形变，使管子在弯曲方向上的刚度增大，自由端向管子伸直的方
6、向运动。对应的几何分析如下：,弹簧管是怎样产生形变的呢？,两式相减:,因为：,可得:,R1,R2,弹簧管在量程范围内自由端的位移一般为7-8o，弹簧管作成多圈时，自由端的位移可达45o。弹簧管的自由端的位移可通过杠杆机构带动指针转动，这种机构的指针最大转角为180o，通常作成90度的回转角。最常用的传动机构为杠杆扇形齿轮机构，可使指针转动270o。,电接点压力表：不仅可实现压力的测量，而且可实现压力的报警和控制。,5.4 电气式压力检测,1.位移式压力压差变送器： 将弹性元件的位移转变成 电信号。,1）电容式压力压差变送器：采取差动电容方式。 膜片d7.575，0.050.2，maxd=0.1
7、mm。,特点：灵敏度高、精度高，精度可达0.2、0.25，稳定可靠。尤适用于测高静压微压差的场合。,由C1、C2可得,设测量膜片在p作用下的位移d，d=k1p。,2）霍尔压力变送器,（1）霍尔效应：把半导体单晶薄片置于磁场B中，如果在它的两个纵向面上通以一定大小的电流，则在晶体的两个横向端面之间出现电势UH，叫霍尔效应，产生的电势称为霍尔电势。,灵敏度常数,(2)霍尔电势的产生：将固定在弹性元件上的霍尔片放置在一非均匀磁场中，在这区间，磁场强度具有均匀的梯度，当霍尔片在弹性元件的带动下偏离正中位置，通过霍尔片的磁场强度发生变化，霍尔片就有正比于位移的霍尔电势产生。,注意： 1)RH受温度影响较
8、大，在实际当中常采用恒温措施或采用温度补偿措施，例如在电势输出回路中串一温度补偿电桥。 2)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，使霍尔片处于正中时，电势输出不为0。,2.压电式压力传感器,压电效应：压电材料在受压时会在其表面产生电荷，产生的电荷量与所受的压力成正比。 压电材料：单晶体，例如石英、酒石酸钾钠等 多晶体，例如压电陶瓷，在没有极化之前，因各单晶体的压电效应都互相抵消表现为电中性，为此必须对压电陶瓷先进行极化处理，经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，为石英的几百倍。,特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，具有线性度高量程范围大等优点。 缺
9、点：但是由于产生的电荷量少，因此后续需加高阻抗的直流放大器。由于晶体边缘上存在漏电现象，因此不能用于稳态测量。,压电式压力传感器结构,3.固体压阻式压力压差传感器,1）原理：电阻的尺寸发生变化，例如电阻的长度、横截面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。 分类：应变片：受压时，电阻的尺寸L、S发生变化，引起电阻的变化。半导体扩散硅：在压力的作用下，电阻率发生变化。 通常半导体扩散硅电阻变化的灵敏度要远远高于应变片，大约为100倍。,公式：,2）膜片的应力分析其膜片受到从下向上的压力时，中心区受拉应力（假设应力为正），周边区受压应力（应力为负），在R=0处应力达
10、到正的最大值，而在大约距中心60%的地方应力为0。,优点：温度补偿，使输出信号加倍。 注意：供给桥路的电流要恒定，即为一恒流源。输出电压为10-100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,5.5 压力检测仪表的选择与校验,1.压力检测仪表的选择测压范围，被测介质的物理化学性质，测试精度要求。,1）仪表量程选用 为保证安全性，压力较稳定时，最大工作压力不超过仪表量程的3/4，压力波动较大时，最大工作压力不超过仪表量程的2/3。 为保证准确度，最小工作压力不低于满量程的1/3。,2）仪表精度的选择,根据在测量时允许的最大测量误差选择仪表，可根据仪表的精度等级算出用该仪表测量可
11、能引起的最大示值绝对误差。另外在选择仪表时不需一味追求高精度，只要满足测量精度要求即可。,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，1, 1.6, 2.5, 4.0, 6.0kPa以及10n倍 精度系列，精密表 0.1, 0.16, 0.25, 0.4工业表 1.0, 1.5, 2.5,例题：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4%。,根据最大工作压力,根据最小工作压力,被测压力的最大示值绝对误差,所选仪表的基本误差,所以可选择量程范围为01.0MPa弹簧管压力表,可选择
12、1.5级的压力表,3）仪表类型选择 被测介质压力大小， 被测介质的性质，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锈钢或其他耐腐蚀的材料， 对仪表输出信号的要求，例如是否需要为电信号， 使用环境。,2.压力表的校验,活塞式静重压力计,工作原理：加压泵压缩活塞内的介质，使其具有压力P，这个压力作用到活塞的有效面积F上形成向上的作用力FP，当此力与活塞、承重盘、砝码的总重量G平衡时，那么介质的压力P=G/F，F为有效面积，计算公式为：,其中，R为活塞半径，h为活塞与活塞缸之间的径向间隙。活塞压力计的有效面积在铭牌或检定书上给出，一般为1cm2、0.1cm2。 注意：活塞与活塞缸、承重
13、盘、砝码必须配套使用，不能与其他压力计互换。,3压力表的安装 1）取压口的选择,气 上部 防堵 汽 侧上部 防堵，防液，防气 液 侧下部 防堵，防汽,取压口位置 稳定无涡流区（直线管段，避开拐弯、分叉等）。 除了被测介质以处，不接触其它物质 不易堵塞 取压孔形状 孔径要小 要与壁面垂直 孔口应无毛刺,2）导压管的敷设，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50m，内径为6-10mm。 对于水平敷设，导压管要有1：101：20的坡度，测量液体介质时下坡，测量气体介质时上坡。 3）当被测介质易冷凝或冻结，必须加装伴热管后再行保温；当测量腐蚀性介质时，应加装隔离罐；当测量高温蒸气压
14、力时，应加装冷凝盘管；测量含尘气体时，应加装灰尘捕集器；测量高于60度的介质时，应加装环行圈；,4）当测量液体压力时，在导压管系统最高处应安装集气瓶；当测量气体压力有可能有液体冷凝时，在导压管系统最低处应加装水分离器；当被测介质有可能产生沉淀时，应在仪表前安装沉降器。 5）取压口与压力表之间应加装隔离阀。 6）在测量较小压力时，若仪表与取压口不 在同一水平高度，则应对测压进行校正。,讨论题,1试述差压式流量计的基本组成及测试原理及使用特点。 2弹性压力计常用弹性元件有哪几种？各使用什么压力范围？。,课后小结,通过本章学习同学们掌握了压力测量方法及其压力测量仪表的分类。液柱式压力计、弹性压力计、电气式压力计。压力仪表的选择，了解了压力仪表的检验与安装。熟悉了各类压力仪表的特点及使用场所,
