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1、压力测量,2017-5-25,基本概念,1,测量原理,2,安装,3,校验与零点迁移,4,Contents,目,录,Part one,第一节,基本概念,基本概念,压力是指垂直作用在单位面积上的力。,对于运动流体，根据测量所取的面不同，可分为总压力、静压力、动压力,根据测量要求，按零标准的方法，可分为绝对压力、表压力、差压力等。,绝对压力是以完全真空作为零标准的压力。在用绝对压力表示低于大气压时，把该绝对压力称为真空度。,表压力是以当地大气压作为零标准的压力。通常，所谓压力就是指表压力。,差压是用两个压力之差表示的压力，也就是以大气压以外的任意压力作零标准的压力。,压力的单位：属于导出单位。,国际
2、单位制：帕斯卡（Pa）,1毫米汞柱=133Pa1毫米水柱=9.81Pa1工程大气压=1Kgf/cm2=9.81104Pa1标准大气压=1.01105Pa=760mmHg=10mH2O1bar=105Pa1psi=6.895103Pa,基本概念,Part one,第二节,测量原理,01,液柱式,03,电气式,02,弹性式,04,活塞式,测压仪表的分类,测压仪表的分类,测压仪表,液柱式压力计,依据重力与被测压力平衡的原理制成的，可将被测压力转换为液柱的高度差进行测量,U型管压力计、单管压力计以及斜管压力计,弹性式压力计,依据弹性力与被测压力平衡的原理制成，弹性元件变形的多少反映了被测压力的大小。,
3、弹簧管压力计、波纹管压力计以及膜盒式压力计,电气式压力计,利用一些物质与压力有关的物理性质进行测压。,电阻应变片式、电容式、压电式、电感式、霍尔式,活塞式压力计,根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量。,它普遍地被作为标准仪器用来校验或刻度弹性式压力计。,第二节 液柱式压力计,液柱式测压仪表是根据流体静力学原理，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。所用液体叫作封液，常用的有水、酒精、水银等。液柱式压力计多用于测量低压、负压和压力差。常用的液注式压力计有U型管压力计、单管压力计和斜管微压计。,U型管压力计,p1、p2与
4、封液液柱高度h间有如下关系,式中：1、2、 分别为左右两侧介质及封液密度；H为右侧介质高度；g为重力加速度。,若1=2且远远小于时，上式变为：,当U型管内封液密度一定并已知时，液柱高度差反映了压力的大小。这就是液柱式压力计测量压力的基本工作原理。,单管压力计,其两侧压力差为,若F1F2，且1 ，则,斜管压力计,斜管微压计两侧压力p1、p2和液柱长度l的关系可表示为,斜管压力计的刻度比U型管压力计的刻度放大了1/sin倍。若采用酒精作为封液，则更便于测量微压，一般这种斜管压力计适于测量22000Pa范围的压力。,测量范围:0-500,750,1000,1500,2000(Pa) 精度:1.0级
5、液体介质:(20时)密度为810 kg/m3的酒精 重量:5kg 外形尺寸:330*175*200,液柱式压力计的测量误差及其修正,环境温度变化的影响 环境温度偏离规定温度20C后，封液密度改变对压力计读数影响的修正公式为式中：h20为20 C时封液液柱高度；h为t C时封液液柱高度；为封液的体膨胀系数；t为测量时的实际温度。,液柱式压力计的测量误差及其修正,重力加速度变化的修正 仪器使用地点的重力加速度g由下式计算式中：H,为使用地点海拔高度（m）和纬度()；gN为9.80665m/s2，标准重力加速度；R为6356766m，地球的公称半径。式中：hN为标准地点封液液柱高度；h为测量地点封液
6、液柱高度。,液柱式压力计的测量误差及其修正,毛细现象造成的误差 毛细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，难以精确得到。实际应用时，常常通过加大管径来减少毛细现象的影响。 当封液为酒精时，管子内径d3mm；水、水银作封液， d8mm。 此外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，否则将带来较大误差。水和酒精读凹面；水银读凸面。,第三节 弹性式压力计,弹性式压力计是以各种形式的弹性元件受压
7、后产生的弹性变形作为测量的基础。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管，相应的有弹簧管压力计、膜式压力计和波纹管式压差计。,弹簧管压力计,弹簧管是弹簧管压力计的主要测压元件。弹簧管的横截面呈椭圆形或扁圆形，是一根空心的金属管，其一端封闭为自由端，另一端固定在仪表的外壳上，并与被测介质相通的管接头连接，当具有压力的介质进入管的内腔后，由于弹簧管的横截面是椭圆形或扁圆形的。所以在压力的作用下它会发生变形。短轴方向的内表面积比长轴方向的大，因而受力也大，当管内压力比管外大时，短轴要变长些，长轴要变短些，管子截面趋于更圆，产生弹性变形。使弯成圆弧状的弹簧管向外伸张，在自由端产生位移。此位移经杆系和齿轮机
8、构带动指针，指出相应的压力值。,不同材料的弹簧管适用于不同的被测压力和被测流体介质。当压力低于20MPa时,一般采用磷铜；压力高于20MPa时，可采用不锈钢或高强度合金钢。,弹簧管压力计的测压范围较大，可测从真空到103MPa的压力。,单圈弹簧管自由端的位移量一般不超过25mm； 为增加自由端位移量，提高弹簧管灵敏度，常采用螺旋形。,C型,扭转型,螺旋型,弹簧管横截面的纵横直径比愈大，灵敏度愈高。通常C型灵敏度低；螺线形、螺旋形灵敏度高。弹簧管虽有较高测量精度，但因尺寸和质量较大，固有频率较低且有明显滞后，故不宜作动态压力测量。,膜式压力计,膜式压力计分为膜片压力计和膜盒压力计两种。前者主要用
9、于测量腐蚀性介质或非凝固、非结晶的粘性介质的压力；后者常用于测量气体的微压或负压。它们的敏感元件分别是膜片和膜盒 。,膜片压力计,膜片压力计的膜片可分为弹性膜片和挠性膜片两种。膜片呈圆形，一般由金属制成，常用的弹性波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄片，它的四周被固定起来。通入压力后，膜片将向压力低的一面弯曲，其中心产生一定的位移（即挠度），通过传动机构带动指针转动，指示出被测压力。,（a）弹性膜片 （b）挠性膜片,由于盒内抽成真空，当大气压力作用于盒面上时，盒面被压缩，并带动传动杠杆使指针转动，根据指针转动的幅度即可读得大气压力数值。,膜盒压力计,为了增大膜片的位移量以提高灵敏度，可以把两
10、片金属膜片的周边焊接在一起，形成膜盒。,1-调零螺杆； 2-机座； 3-刻度板； 4-膜盒； 5-指针； 6-调零板； 7-限位螺钉； 8-弧形连杆； 9-双金属片； 10-轴； 11-杠杆架； 12-连杆； 13-指针轴； 14-杠杆； 15-游丝； 16-管接头； 17-导压管,3. 波纹管式压力计,常在压缩状态下使用,弹性式压力计的误差,1迟滞误差 相同压力下，同一弹性元件正反行程的变形量不一样，产生迟滞误差。 2后效误差 弹性元件的变形落后于被测压力的变化，引起弹性后效误差。 3间隙误差 仪表的各种活动部件之间有间隙，示值与弹性元件的变形不可能完全对应，引起间隙误差。 4摩擦误差 仪表
11、的活动部件运动时，相互间存在摩擦力，产生摩擦误差。 5温度误差 环境温度的变化会引起金属材料弹性模量的变化，造成温度误差。,弹性式压力计误差的改善途径,1用无迟滞误差或迟滞误差极小的“全弹性”材料和温度误差很小的“恒弹性”材料制造弹性元件。 2采用新的转换技术，减少或取消中间传动机构，以减少间隙误差和磨擦误差。 3限制弹性元件的位移量，采用无干磨擦的弹性支承或磁悬浮支承等。 4采用合适的制造工艺，使材料的优良性能得到充分的发挥。,第四节 电气式压力计,电气式压力计通常是将压力的变化转换为电阻、电感或电势等电量的变化，构成各种压力传感器。由于它输出的是电量，便于信号远传，尤其是便于与计算机连接组
12、成数据自动采集系统，所以得到了广泛的应用，极大地推进了试验技术的发展。,电气式压力计的种类很多，分类方式也不尽相同。 从压力转换成电量的途径来看，可分为电阻式、电容式、电感式等等；还有电磁效应、压阻效应、压电效应、光电效应等等。 从压力对电量的控制方式来分可以分为主动式和被动式两大类，主动式是压力直接通过各种物理效应转化为电量的输出，而被动式则必须从外界输入电能，而这电能又被所测量的压力以某种方式所控制。,一、电阻应变片式压力传感器,被测压力作用于弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受被测压力的变化，按这种原理设计的传感器称为电阻应变片式压力传感器。,电阻
13、应变效应,导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，它的电阻值也相应地发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。,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，把上式微分并除以R，可得电阻的相对变化：,由材料力学知识可知，dl/l=叫轴向应变，简称应变；dA/A叫横向应变，两者的关系为,则有：,K0称为单根电阻丝的灵敏度系数，其意义为单位应变所引起的电阻的相对变化。 K0是通过实验获得的，在弹性极限以内，大多数金属的K0是常数。,当金属丝制作成电阻应变片后，电阻应变片的灵敏系数K将不同于单根金属丝的灵敏系数K0 ，需要
14、重新通过实验测定。实验证明，应变片电阻的相对变化与应变的关系在很大范围内仍然是线性的，即,结论：在K是常数的情况下，只要测量出应变片电阻值的相对变化，就可以直接得知其应变量，进而求得被测压力。,应变片由应变敏感元件、基片和覆盖层、引出线三部分组成。应变敏感元件是应变片的核心部分，一般由金属丝、金属箔或半导体材料组成，由它将机械应变转为电阻的变化，基片和覆盖层起固定和保护应变敏感元件、传递应变和电气绝缘的作用。,（a）丝绕式 （b）箔式 （c）半导体,温度补偿与桥式电路输出,电阻应变式压力传感器要采取各种温度补偿措施，通常都是采用电桥补偿的方法。有半桥的全桥两种型式。采用电桥方式的原因一个可以起
15、到温度补偿的作用，另一个可以提高信号的输出幅度。,电阻应变片式压力传感器测量系统,电阻应变片式压力传感器通过不平衡电桥把电阻的变化转换为电流或电压的信号输出。由于信号很微弱，要经过多级放大才能驱动各种显示或记录仪表，常用的配套仪表是动态应变仪。典型测量系统由传感器、电桥盒、动态应变仪和光线示波器组成。,传感器感受压力信号并将其转换为电信号输出；,电桥盒用于半桥形式输出的传感器，若传感器为全桥形式，则可省去电桥盒；,动态应变仪为一个多级阻容耦合放大电路，带有较大负反馈以改善线性，放大后调幅载波信号加于相敏检波器进行检波，经滤波器滤掉载波后，即可得到正比于压力信号的电压输出；,光线示波器作为测量系
16、统的记录仪表。,光线示波器,二、电感式压力传感器,电感式压力传感器以电磁感应原理为基础，利用磁性材料和空气的导磁率不同，把弹性元件的位移量转换为电路中电感量的变化或互感量的变化，再通过测量线路转变为相应的电流或电压信号。,工作原理,1衔铁 2线圈 3铁芯,线圈的电感量,W为线圈的匝数；0为空气的磁导率；S为气隙的截面积；为气隙的宽度。,弹性元件与衔铁相连，弹性元件感受压力产生位移，使气隙宽度产生变化，从而使电感量发生变化。,在实际应用时，W、 0 、 S都是常数，电感L只与气隙宽度有关。由于L与成反比关系，因此，为了得到较好的线性特性，必须把衔铁的工作位移限制得较小。若0为传感器的初始气隙， 为衔铁的工作位移，则一般取,上述传感器虽然结构简单，但存在驱动衔铁或铁芯的力较大、线圈电阻的温度误差不易补偿等缺点，所以实际应用较少，而往往采用差动式电感传感器。,
