ch4壓力與流量的測(cè)量

第4章壓力與流量的測(cè)量壓力的表示方法及單位4.1壓力傳感器4.2壓力儀表的選擇和使用4.3流量的測(cè)量4.44.1壓力的表示方法及單位一、壓力的基本概念1.定義：

指液體、氣體或蒸汽介質(zhì)垂直并且均勻作用于單位面積上的力。在工程上習(xí)慣稱為壓力。根據(jù)定義，壓力可用公式表示。2.壓力的表達(dá)式式中:F—物體上所作用的力，N；

A—力作用的面積，m2；

p—壓力，Pa。4.1壓力的表示方法及單位二、壓力的單位在國(guó)際單位制中，壓力的單位為帕斯卡，簡(jiǎn)稱為帕，符號(hào)為Pa，其物理意義為，在每平方米的面積上垂直作用1牛頓的力。即1Pa=1N/m2。除了上述法定單位外，目前國(guó)內(nèi)外還使用一些非法定單位。

1.標(biāo)準(zhǔn)大氣壓

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓也稱物理大氣壓，其符號(hào)為atm。它是指海平面上溫度為0℃，水銀密度為1.35951×104kg/m3，以及重力加速度為9.80665m/s2時(shí)760mm高水銀柱所產(chǎn)生的壓力。4.1壓力的表示方法及單位

2.工程大氣壓

1kgf力均勻而垂直地作用在1cm2面積上所產(chǎn)生的壓力，即1kgf/cm2。

3.毫米汞柱

1毫米汞柱是指溫度為0℃，重力加速度為9.80665m/s2時(shí)，1mm高水銀柱所產(chǎn)生的壓力，其符號(hào)為mmHg。

4.毫米水柱

1毫米水柱是指溫度為4℃，（水的密度為1000kg/m3），重力加速度為9.80665m/s2時(shí)，1mm高水柱所產(chǎn)生的壓力，其符號(hào)為mmH2O。4.1壓力的表示方法及單位

5.巴與國(guó)際單位并用的單位。常用毫巴。其符號(hào)為bar。

1bar=105Pa，1Pa=102毫巴6.磅力/英寸2

這是使用英制單位制國(guó)家常用的壓力單位之一，常用英文psi表示。

帕（Pa）巴(bar)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）工程大氣壓(kgf/cm2)毫米汞柱(mmHg)磅力/英寸2（psi）帕（Pa）11×1050.986923×10-51.019716×10-50.75006×10-20.145×10-3巴（bar）1×10510.98691.0197160.75006×10214.5038標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）1.01325×1051.0132511.033230.76×10314.696工程大氣壓(kgf/cm2)0.980665×1050.9806650.967841735.5614.223毫米汞柱(mmHg)1.333224×1021.333224×10-31.316×10-30.135951×10-210.0193磅力/英寸2（psi）6894.760.068950.0680.070351.71514.1壓力的表示方法及單位4.1壓力的表示方法及單位三、壓力的分類在工程技術(shù)上，為了使用方便，在不同的場(chǎng)合使用不同的壓力。1.大氣壓力指由空氣重量所產(chǎn)生的壓力。大氣壓力隨氣象情況、海拔高度和地理緯度等不同而改變。我們所處的環(huán)境中到處都有大氣壓力的作用。4.1壓力的表示方法及單位2.絕對(duì)壓力指測(cè)定點(diǎn)的真正壓力，以零做參考?jí)毫Φ牟顗?。也就是指測(cè)定點(diǎn)的實(shí)際壓力。3.相對(duì)壓力指測(cè)定點(diǎn)的絕對(duì)壓力與當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Φ牟钪?。?dāng)絕對(duì)壓力大于大氣壓力時(shí)，其相對(duì)壓力稱為表壓力；當(dāng)絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)，其相對(duì)壓力稱為真空度或負(fù)壓力。

PPAPCPBP’0p—高于大氣壓力的絕對(duì)壓力；p′—低于大氣壓力的絕對(duì)壓力；pA—大氣壓力；pB—真空度或負(fù)壓力；pC—表壓力。各種壓力間的關(guān)系如圖所示。4.1壓力的表示方法及單位4.2壓力傳感器4.2壓力傳感器4.2壓力傳感器4.2壓力傳感器一、彈性式壓力計(jì)它是以彈性元件受壓后，所產(chǎn)生的彈性變形作為測(cè)量基礎(chǔ)的。它具有以下特點(diǎn)：1.特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，現(xiàn)場(chǎng)使用和維修方便，壓力測(cè)量范圍寬。

缺點(diǎn)：該型壓力計(jì)的性能主要與彈性元件的特性有關(guān)。與材料、加工方法和熱處理質(zhì)量有關(guān)，對(duì)溫度的敏感性較強(qiáng)。4.2壓力傳感器2.彈性式壓力計(jì)類型：（1）單圈彈簧管（2）多圈彈簧管（3）波紋管（4）平薄膜（5）撓性膜等

典型元件為：波登管、膜片、波紋管4.2壓力傳感器4.2壓力傳感器3.測(cè)壓原理（單圈彈簧管為例）

圖中，A—彈簧管的固定端；

B—彈簧管的自由端；

O—彈簧管的中心軸；

Δγ—彈簧管中心角的變化量；

γ—彈簧管中心角的初始值；

R、r—彈簧管彎曲圓弧的外半徑和內(nèi)半徑；

a、b—彈簧管橢圓截面的長(zhǎng)半軸和短半軸；4.2壓力傳感器結(jié)論：①中心角變化量Δγ隨橢圓短軸b的減小而增大，如果b=a，則Δγ將等于零，即具有均勻壁厚的圓形彈簧管不能用做測(cè)壓元件。②因?yàn)棣う门c中心角的初值γ成正比，（一般取γ=270°）所以為了增大彈簧管受壓變形時(shí)的位移量，可采用多圈彈簧管結(jié)構(gòu)，其基本原理與單圈彈簧管相同4.2壓力傳感器③Δγ還與彈性材料的性質(zhì)、幾何尺寸等因素有關(guān)，例如Δγ與彈簧管的剛度有關(guān)。

剛度大的彈簧管受壓后變形小，可測(cè)量較高的壓力；反之亦然，而剛度大小有與管壁厚度和材料彈性有關(guān)。管壁厚剛度大，管壁薄剛度小，磷青銅、不銹鋼做的彈簧管剛度大，可用來(lái)測(cè)高壓；磷銅、黃銅做的彈簧管剛度小，可用來(lái)測(cè)低壓。彈簧管式壓力表4.2壓力傳感器4.2壓力傳感器二、霍爾式壓力傳感器利用半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)構(gòu)成。將彈簧管的位移轉(zhuǎn)換成霍爾片輸出的霍爾電勢(shì)。實(shí)質(zhì)上是一個(gè)位移—電勢(shì)轉(zhuǎn)換裝置。彈簧管自由端連一霍爾片（半導(dǎo)體材料）使霍爾片處于一個(gè)線性非均勻磁場(chǎng)中。彈簧管霍爾片

K——霍爾式壓力傳感器輸出系數(shù)

χ——自由端霍爾元件的位移量磁鋼4.2壓力傳感器4.2壓力傳感器

主要組成：彈性元件、霍爾元件和一對(duì)永久磁鋼組成。

彈性元件：彈簧管，自由端放在霍爾片下面。

霍爾元件：一端通以直流電，另一端輸出霍爾電勢(shì)。

永久磁鋼：通過磁鋼的磁場(chǎng)強(qiáng)度相同，而異極相對(duì)。4.2壓力傳感器主要性能：①測(cè)量范圍0-0.1MPa至0-60MPa；②輸出電信號(hào)0-30mVD.C.③精度等級(jí)1.5級(jí)④使用溫度-10-45℃4.2壓力傳感器三、應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器具有精度高0.03％～2％、體積小、重量輕、測(cè)量范圍寬、變形位移小（0.1mm～0.5mm）等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)抗振動(dòng)、抗沖擊性能良好?？勺鳛榫軌毫Ρ硎褂茫梢栽诟邷叵拢?lt;1500℃）對(duì)腐蝕介質(zhì)進(jìn)行壓力測(cè)量。缺點(diǎn)：輸出信號(hào)比較小，受溫度影響較大，并且溫度補(bǔ)償較繁瑣。4.2壓力傳感器①?gòu)椥粤菏剑簻y(cè)量范圍：-0.1~0至0~0.6MPa。精度等級(jí)：0.3級(jí)適用溫度：-10~35℃4.2壓力傳感器②應(yīng)變筒式：測(cè)量范圍：0~50MPa至0~0.6MPa。精度等級(jí)：1級(jí)適用溫度：

-10~50℃（強(qiáng)制水冷<1500℃；強(qiáng)制風(fēng)冷<1800℃4.2壓力傳感器

固體受力后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。硅平膜片在圓形硅杯底部，其兩邊有兩個(gè)壓力腔，分別輸入被測(cè)差壓或被測(cè)壓力與參考?jí)毫Αｓ{壓腔接被測(cè)壓力，低壓腔與大氣連通或接參考?jí)毫?。四、壓阻式壓力傳感?.2壓力傳感器4.2壓力傳感器用于表壓及絕壓測(cè)量傳感器表面生成集成化的惠斯登電橋,壓力作用使傳感器表面產(chǎn)生形變,該形變引起可變電阻橋臂的失衡,電橋的失衡電流經(jīng)放大處理,處理后的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送往微處理器進(jìn)行量化,量化數(shù)據(jù)經(jīng)D/A電路轉(zhuǎn)換為4-20mA的信號(hào)。Pressure4.2壓力傳感器4.2壓力傳感器壓阻式壓力傳感器的特點(diǎn):(1)靈敏度高，頻率響應(yīng)高，動(dòng)態(tài)特性好；(2)測(cè)量范圍寬，可測(cè)低至10Pa的微壓到高至60MPa的高壓；(3)精度高，工作可靠，其精度可達(dá)±0.2％～0.02％；(4)易于微小型化，國(guó)內(nèi)已有直徑φ1.8～2mm的傳感器。(5)敏感元件易受溫度的影響，從而影響壓阻系數(shù)的大小。4.3壓力測(cè)量?jī)x表的選擇和使用一、壓力計(jì)的選擇1.選擇內(nèi)容壓力計(jì)的選擇應(yīng)根據(jù)使用要求，針對(duì)具體情況做具體分析。應(yīng)在符合工藝過程、工作過程所提出的技術(shù)要求的情況下，本著節(jié)約的原則，合理地選擇壓力計(jì)的種類、儀表型號(hào)、量程和準(zhǔn)確度等級(jí)。

4.3壓力測(cè)量?jī)x表的選擇和使用2.選用根據(jù)（1）生產(chǎn)過程中對(duì)壓力測(cè)量的要求。如被測(cè)壓力范圍、測(cè)量精度以及附加裝置的要求等。（2）被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)。例如被測(cè)介質(zhì)溫度高低、粘度大小、腐蝕性程度、臟污程度、易燃、易爆等。（3）現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件。如高溫、腐蝕、潮濕、振動(dòng)等。

4.3壓力測(cè)量?jī)x表的選擇和使用

3.測(cè)量范圍的選擇（量程的選擇）一般在被測(cè)壓力較穩(wěn)定時(shí)，最大壓力值應(yīng)不超過滿量程的3/4，在被測(cè)壓力波動(dòng)較大的情況下，最大壓力值應(yīng)不超過滿量程的2/3。為保證測(cè)量精度，被測(cè)壓力最小值應(yīng)不低于全量程的1/3。

Pmax≤3/4滿量程，

Pmax≤2/3滿量程

Pmin≥1/3滿量程4.3壓力測(cè)量?jī)x表的選擇和使用Δx=x—x0=準(zhǔn)確度×（標(biāo)尺上限—標(biāo)尺下限）式中，Δx—絕對(duì)誤差；

x—實(shí)際讀數(shù)（測(cè)量值）

x0—理論值（真值）。

4、精度等級(jí)的選擇4.3壓力測(cè)量?jī)x表的選擇和使用已知測(cè)量某蒸汽壓力為（0.2-0.4）MPa，要求最大測(cè)量誤差小于0.01MPa，如何選擇壓力表。

x=0.6MPa應(yīng)選擇單圈彈簧管壓力計(jì)，其測(cè)量范圍在（0-0.6MPa）的壓力表。

4.3壓力測(cè)量?jī)x表的選擇和使用精度等級(jí)的選擇所以選擇1.5級(jí)的壓力表若設(shè)x0=0.2MPa4.3壓力測(cè)量?jī)x表的選擇和使用二、壓力計(jì)的使用1.測(cè)量點(diǎn)的選擇

①所選測(cè)量點(diǎn)應(yīng)代表被測(cè)壓力的真實(shí)情況。因此，取壓點(diǎn)不能處于流束紊亂的地方，即要選在管道的直線部分，也就是離局部阻力較遠(yuǎn)的地方。一般對(duì)于泵的取壓點(diǎn)應(yīng)在泵出口和入口管徑的2d~4d位置處。對(duì)于有彎頭的則更要遠(yuǎn)一些，一般是4d~6d處4.3壓力測(cè)量?jī)x表的選擇和使用②導(dǎo)壓管最好不伸入被測(cè)對(duì)象內(nèi)部，而在管壁上開一個(gè)形狀規(guī)則的取壓孔，再接上導(dǎo)壓管。當(dāng)一定要插入對(duì)象內(nèi)部時(shí)，其管口平面應(yīng)嚴(yán)格與流體流動(dòng)方向平行，如下圖。如圖c、d那樣放置就會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。導(dǎo)壓管端部要光滑，不應(yīng)有突出物或毛刺。4.3壓力測(cè)量?jī)x表的選擇和使用

③取壓點(diǎn)一般要求在水平管道上（除特殊情況），且測(cè)量液體壓力時(shí)，取壓點(diǎn)應(yīng)在管道下部，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存氣體；測(cè)量氣體時(shí)，取壓點(diǎn)應(yīng)在管道上部，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存液體。2.導(dǎo)壓管的鋪設(shè)①導(dǎo)壓管內(nèi)徑一般為6-10mm，長(zhǎng)度L≤50mm。②鋪設(shè)導(dǎo)壓管對(duì)水平有1：10-1:20的斜度，以利于導(dǎo)壓管內(nèi)流體的排出。

4.3壓力測(cè)量?jī)x表的選擇和使用③需裝排水閥及排氣閥。介質(zhì)為氣體時(shí)，在最低處裝排水閥。介質(zhì)為液體時(shí)，在最高處裝排氣閥。④對(duì)易冷凝或凍結(jié)的流體要加保溫設(shè)備。⑤在靠近取壓口的地方裝截止閥，以備檢修壓力計(jì)時(shí)使用。4.3壓力測(cè)量?jī)x表的選擇和使用3.壓力計(jì)的安裝①測(cè)量蒸汽壓力時(shí)，應(yīng)裝冷凝器和冷凝管。②當(dāng)被測(cè)流體有腐蝕性、易凍結(jié)、易析出固體或是高粘度時(shí)，應(yīng)采用隔離器和隔離液，以免破壞差壓計(jì)或差壓變送器的工作性能。

隔離液應(yīng)選擇沸點(diǎn)高、凝固點(diǎn)低、化學(xué)與物理性能穩(wěn)定的液體如甘油、乙醇等。③安裝時(shí)應(yīng)避免溫度和振動(dòng)的影響。4.3壓力測(cè)量?jī)x表的選擇和使用3.壓力計(jì)的安裝4.4流量的測(cè)量一、概念1.流量：瞬時(shí)流量:是指單位時(shí)間內(nèi)流過管道某一截面的流體數(shù)量的多少。體積流量：用“Q”表示。m3/hm3/s質(zhì)量流量：用“M”表示T/hKg/hM=ρQ實(shí)際應(yīng)用中有重量流量：G=Qγγ—流體重度。ρ—流體密度。γ=ρg2．累計(jì)流量：在一段時(shí)間內(nèi)，流經(jīng)管道的液體總量。單位：m3

、Kg、t等4.4流量的測(cè)量二、流量測(cè)量的應(yīng)用及發(fā)展（1）水、煤氣的計(jì)量。（2）油品的計(jì)量。（3）在工程應(yīng)用上，如汽車的耗油量，液壓泵，馬達(dá)性能研究中。4.4流量的測(cè)量三、測(cè)量方法的選擇目前的流量測(cè)量極其復(fù)雜多樣，用一種或幾種流量測(cè)量方法根本不可能完成所有流量的測(cè)量，應(yīng)根據(jù)以下原則來(lái)選擇相應(yīng)的測(cè)量方法。

選取原則：

(1)測(cè)量目的。

(2)流體種類、流動(dòng)狀態(tài)。

(3)測(cè)量場(chǎng)所。4.4流量的測(cè)量四、流量計(jì)的分類流量計(jì)的分類方法：

1.按測(cè)量單位分：質(zhì)量流量計(jì)體積流量計(jì)

2.按測(cè)量原理分：容積式流量計(jì)速度式流量計(jì)

3.按測(cè)量方法分：直接式流量計(jì)間接式流量計(jì)

4.4流量的測(cè)量4.4流量的測(cè)量4.4流量的測(cè)量轉(zhuǎn)子流量計(jì)

轉(zhuǎn)子流量計(jì)也叫做面積式流量計(jì)或浮子式流量計(jì)。也是一種利用流體流動(dòng)的節(jié)流原理為基礎(chǔ)的流量測(cè)量?jī)x表。

轉(zhuǎn)子流量計(jì)一、轉(zhuǎn)子流量計(jì)的特點(diǎn)：1.優(yōu)點(diǎn)①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠；②壓力損失小而且恒定；③反應(yīng)靈敏；④量程比寬；⑤示值清晰；⑥界限雷諾數(shù)低，具有線性刻度；⑦可測(cè)小流量；零點(diǎn)幾升每小時(shí)；⑧價(jià)格便宜。2.缺點(diǎn)：耐壓能力差，玻璃管易碎。轉(zhuǎn)子流量計(jì)二、轉(zhuǎn)子流量計(jì)的組成及工作原理（1）一段垂直安裝并向上漸擴(kuò)的圓錐形管。（2）隨被測(cè)介質(zhì)流量大小做上下浮動(dòng)的轉(zhuǎn)子。重力=浮力+壓力差轉(zhuǎn)子流量計(jì)流量與轉(zhuǎn)子高度之間的關(guān)系為：α：與轉(zhuǎn)子形狀、尺寸等有關(guān)系的流量系數(shù)；C:與圓錐管錐度有關(guān)的比例系數(shù)H:轉(zhuǎn)子在管中的高度Vf—轉(zhuǎn)子體積γf

、γ—分別為轉(zhuǎn)子材料和流體的重度Af—轉(zhuǎn)子的有效橫截面積

它是一種容積式流量計(jì)，用于測(cè)量各種液體特別是高粘度液體的流量。1.流量計(jì)測(cè)量部分的組成橢圓形齒輪、軸和殼體三部分組成。2.流量計(jì)的工作原理當(dāng)被測(cè)流體流經(jīng)橢圓齒輪流量計(jì)時(shí)，由于進(jìn)出口處存在壓力差，流體將帶動(dòng)橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)。橢圓齒輪流量計(jì)橢圓齒輪流量計(jì)橢圓齒輪流量計(jì)橢圓齒輪流量計(jì)3.橢圓齒輪流量計(jì)體積流量計(jì)算：n——橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)；

v0——月牙形部分的容積橢圓齒輪流量計(jì)4.橢圓齒輪流量計(jì)的記數(shù)和顯示

外伸軸帶有機(jī)械計(jì)數(shù)器，由它的讀數(shù)可確定流過流量計(jì)的流體總量。結(jié)合秒表計(jì)時(shí)可得到平均流量。外伸軸帶有測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電碼盤等測(cè)速傳感器可以測(cè)得電信號(hào)，便于遠(yuǎn)程傳送、處理及數(shù)字顯示。橢圓齒輪流量計(jì)5.橢圓齒輪流量計(jì)的特點(diǎn)

a.測(cè)量過程與流體的流動(dòng)狀態(tài)（雷諾數(shù)）和粘度無(wú)關(guān)。

b.流體的粘度與泄露量有關(guān)，它們之間是反比關(guān)系，因而，特別適合測(cè)量高粘度的流體。

c.測(cè)量精度較高，最