第3章 壓力和差壓測量.ppt

1、第3章壓力和差壓測量,3.1 壓力和差壓的基本概念,3.2 液柱式壓力計,3.3 彈性元件及彈性壓力表,3.4 壓阻、壓電式壓力計,3.5 壓力計的選擇、安裝和校準,2020/8/16,1,3.1 壓力和差壓的基本概念,一、基本概念,1.壓力的定義,2020/8/16,2,垂直而均勻地作用在單位面積上的力，即物理學中常稱的壓強。,2020/8/16,3,2. 壓力的表示方法 由于參照點不同，在工程上有幾種不同表示方法： (1)絕對壓力(pi) :被測介質(zhì)作用在容器表面積上的全部壓力 (2)大氣壓力(pd):由于地球表面空氣柱重量形成的壓力，隨地理緯度、海拔高度及氣象條件而變化 (3)表壓力(p

2、b): pb= pi-pd，壓力測量儀表的指示值 (4)真空度(負壓，pz)：絕對壓力小于大氣壓力時，表壓力為負值，其絕對值為真空度。即：pz=pdpi (5)差壓(壓差)：任意兩處壓力之差,2020/8/16,4,各種壓力表示法之間的關(guān)系：,絕對零壓力,絕對壓力1,大氣壓力,表壓力,絕對壓力2,負壓力(真空度),差壓,pb= pi-pd,pz=pdpi,絕對壓力3,溫標的傳遞,2020/8/16,5,3. 壓力的計量單位 壓力是力和面積的導(dǎo)出量。 國際單位制中， 力F的單位牛頓(N)， 面積S的單位米2 (m2) ， 壓力p單位牛頓/米2(N/m2) 常用單位： 帕斯卡或帕(Pa)（1Pa1

3、N/m2）、工程大氣壓 (kgf/cm2)、毫米水柱(mmH2O)、毫米汞柱 (mmHg),2020/8/16,6,特點：,原理：,基于重力平衡原理。將被測壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度或平衡重物的重量來測量。,(2) 測量范圍寬，如單活塞壓力計測量范圍達0.042500MPa、精度高( 0.01%)、性能穩(wěn)定可靠;,如液柱式壓力計、活塞式壓力計。,二、壓力檢測的常用方法,1.重力平衡法,(1) 適用于測量正壓、負壓和絕對壓力，測壓上限高，用作校驗儀表；,(3) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。,2020/8/16,7,2.彈性力平衡法,原理：,特點：,利用彈性元件彈性變形的特性，變形產(chǎn)生的彈性力與被測壓力相平衡，測

4、變形即可知壓力。,(1) 可測壓力、負壓、絕對壓力和壓差；,(2) 類型多，應(yīng)用廣。,如彈簧管式壓力計、波紋管差壓計等。,2020/8/16,8,3.物性測量法,應(yīng)變式、壓電式、電容式壓力傳感器等,原理:,在壓力作用下，測壓元件的某些物理特性會發(fā)生與壓力成確定關(guān)系的變化。被測壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電參量測量。,分類:,2020/8/16,9,4.機械力平衡法,原理：,特點：,將被測壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成一個集中力，用外力與之平衡，通過測量外力得到被測壓力。,(2) 可達較高的精度；,(1) 多用于電動和氣動組合儀表中；,(3) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。,根據(jù)流體靜力學原理，流體內(nèi)的某一點的靜壓力，由這一

5、點的高度、流體的密度和外加壓力決定。,一般是采用充有水或水銀等液體的玻璃U形管、單管或斜管進行壓力測量的，其結(jié)構(gòu)形式如圖所示。,3.2 液柱式壓力計,p = gh+pd,一、U型管壓力計,一般常由一支U型玻璃管構(gòu)成。 充液介質(zhì)：水銀、水、酒精等,2020/8/16,11,p0,p0,p1,p0,a）在U型管兩端同時通大氣，而未接被測壓力時，U型管兩邊管內(nèi)的液面高度相等。 b）當將U型管的一端接入被測壓力p1后，如果p1大于p0，則U型管兩邊管內(nèi)的液面就會產(chǎn)生高度差，這個液柱的高度差就反映了U型管兩端所受壓力的差值。,被測壓力用表壓p=p1-pd表達，則有： 由于一旦U型管內(nèi)的充入介質(zhì)確定，則

6、、g均為常數(shù)。所以h可以直接反映被測壓力p的大小，此即為U型管測壓的基本原理。,應(yīng)用范圍: 適用于低壓、負壓和壓力差，讀數(shù)誤差可達1mm，測低壓相對誤差較大。,二、單管壓力計,1. 原理：同U型管壓力計 2. 結(jié)構(gòu)：杯徑較管徑大得多 3. 特點：由于杯徑管徑，所以 h1h2 , 則hh1,即：杯內(nèi)的液位變化可忽略不計。一次性讀數(shù)，使用方便。而U型管壓力計要兩次讀數(shù)。 4. 應(yīng)用范圍：測量低壓、負壓和差壓 5. 讀數(shù)誤差：0.5mm，較U型管好，,三、斜管壓力計,1. 結(jié)構(gòu)：將單管壓力計的玻璃管制成斜管 2. 表壓： p=Lgsin 3. 特點：靈敏度高，誤差較單管壓力計小,四、液柱測壓中應(yīng)考慮

7、的問題 1、誤差 a）主要的測量誤差是讀數(shù)誤差。 直接讀：1mm左右，光學放大鏡輔助讀： 0.05mm左右 b）其它影響測量結(jié)果的因素： 充液密度（如充液不純，實際密度與理論密度不符） 標尺刻度誤差 毛細管的吸附作用（對微壓有影響） 使用的地點及環(huán)境溫度影響等（地點影響g，溫度易影響工作液體的脹、縮而致使h變化），必要時應(yīng)作修正。 應(yīng)垂直安裝，否則引入附加誤差。,2、正確選擇充液介質(zhì) 測低壓充低密度介質(zhì)（可使h大） 測高壓充高密度介質(zhì)（否則冒頂） 要避免充液與被測介質(zhì)有化學反應(yīng) 3、常用的標尺材料： 玻璃、鋼、銅 4、讀數(shù)的位置（見右圖） 1）眼與液柱面水平 2）水銀柱讀凸部 3）水讀凹部,2

8、020/8/16,17,3.3 彈性元件及彈性壓力表,利用彈性元件受壓變形的原理。,用指針或刻度尺給出壓力示值,感受壓力，產(chǎn)生變形(核心部分),調(diào)整儀表的零點和量程,將彈性元件的變形進行變換和放大,彈性元件,變換放大機構(gòu),指示機構(gòu),調(diào)整機構(gòu),彈性壓力表組成：,被測壓力,2020/8/16,18,一、測壓彈性元件,1. 常用彈性元件：彈簧管、彈性膜片、波紋管,彈簧管,單圈彈簧管,多圈彈簧管,原理：被測壓力作用于彈性元件時，彈性元件產(chǎn)生變形，即彈性元件將壓力轉(zhuǎn)換成位移。,可測量正、負壓，但一般不測差壓,彈性特性是自由端的位移量與所加壓力的關(guān)系。,2020/8/16,19,彈簧管放大圖,當被測壓力p

9、增大時，彈簧管撐直，通過齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動電位器的電刷產(chǎn)生角位移。,2020/8/16,20,彈性膜片,彈性特性是中心位移與壓力的關(guān)系。,平膜片,波紋膜片,撓性膜片,測力彈簧,2020/8/16,21,波紋管,彈性特性是封閉端位移與壓力的關(guān)系。,（1）使用應(yīng)在線性段，可內(nèi)加螺旋彈簧改善特性,（2）用波紋管作彈性元件的壓力計，一般用于測量較低壓力或壓差。,注意,2020/8/16,22,2. 材料,彈性元件常用的材料有銅合金、彈性合金、不銹鋼等，不同的材料適用于不同的測壓范圍和被測介質(zhì)。,近年來隨著新材料的出現(xiàn)和發(fā)展，半導(dǎo)體硅材料得到了更多的應(yīng)用。,2020/8/16,23,結(jié)構(gòu),工作過

10、程,接頭,自由端,拉桿,扇形齒輪,中心齒輪,指針偏轉(zhuǎn),指示壓力,消除兩嚙合齒輪間隙，減小儀表變差,調(diào)整儀表機械零點,改變機械傳動的放大系數(shù)，調(diào)整儀表量程,被測壓力,二、彈簧管壓力計（波登管）,2020/8/16,24,特點,結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低；測壓范圍寬，可測量負壓、微壓、低壓、中壓和高壓，應(yīng)用廣泛；精確度可達0.1級。,優(yōu)點：,缺點：,只能就地指示，是現(xiàn)場直讀式儀表。,2020/8/16,25,三、波紋管差壓計,結(jié)構(gòu),測量機構(gòu)：波紋管(1、10)、量程彈簧組(11)和扭力管(6)等,2020/8/16,自動檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng),26,工作過程,差壓信號,低壓波紋管自由端帶動連桿右移

11、,擋板推動擺桿,扭力管逆時針偏轉(zhuǎn),芯軸逆時針轉(zhuǎn),顯示機構(gòu),2020/8/16,27,壓力傳感器的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu),2020/8/16,28,在測壓點附近的壓力敏感件上面，附帶有將位移變換為輸出電信號的裝置，通過電信號的傳輸，將壓力指示和記錄下來。,四.彈性測壓計信號的遠傳方式,采用電遠傳方式,常用的轉(zhuǎn)換方式：,電位器式、霍爾元件式、電感式、差動變壓器式。,2020/8/16,29,電位器式,彈性元件的輸出位移變?yōu)殡娢黄骰瑒佑|點的位移，被測壓力的變化就轉(zhuǎn)換成電位器阻值的變化。,特點：,原理：,將電位器與其它電阻組成一個電橋，當電位器阻值變化時，電橋輸出電壓就變化。,簡單、線性輸出較好，但滑線電位器

12、易磨損腐蝕，結(jié)構(gòu)可靠性較差。,2020/8/16,30,霍爾元件式,原理：,霍爾效應(yīng)：,霍爾元件圖,基于半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)，將自由端的位移通過霍爾元件轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。,2020/8/16,31,霍爾元件輸出的電勢對應(yīng)于自由端位移，給出被測壓力值。,特點：,結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高，壽命長。對外部磁場敏感，耐振性差。,局部放大圖見右圖,2020/8/16,32,3.4 壓阻、壓電式壓力計,壓力傳感器：能夠檢測壓力值并能提供遠傳信號的裝置。,結(jié)構(gòu)形式：壓阻式、壓電式、應(yīng)變式、電容式、光電式、光纖式等許多種。,2020/8/16,33,二、壓阻式壓力傳感器 原理：基于半導(dǎo)體材料的“壓阻效應(yīng)”當半導(dǎo)體

13、的某一軸向受外力作用時，原子點陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率及密度的變化，從而引起電阻率的變化。 結(jié)構(gòu)：用集成工藝直接在硅平膜片上按照一定晶向制成擴散壓敏電阻。 工作原理：硅平膜片在微小變形時有良好的彈性特性，當硅片受壓后，它的變形使擴散電阻的阻值發(fā)生變化。其相對電阻變化可表示為：,其中，e為壓阻系數(shù)，為應(yīng)力。,2020/8/16,34,測量電路-電橋：,特點:靈敏度高，頻率響應(yīng)高；結(jié)構(gòu)比較簡單，可小型化；可用于靜、動態(tài)壓力測量；應(yīng)用廣泛，測量范圍寬，可測低至10Pa的微壓到高至60MPa的高壓；精度高0.2%0.02%。,2020/8/16,35,二、壓電式壓力傳感器,壓電效應(yīng)：壓電材

14、料受到外力作用時，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，表面上還會有電荷出現(xiàn)，形成電場；當外力去除后，材料回復(fù)到原來的狀態(tài)的現(xiàn)象。 在彈性范圍內(nèi)，壓電元件產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈現(xiàn)線性關(guān)系： Q=kSp 式中， Q為電荷量；k為壓電常數(shù)；S為作用面積； p為壓力。,工作原理：壓電材料（石英、壓電陶瓷、鈦酸鋇）的壓電效應(yīng)將被測壓力轉(zhuǎn)換為電信號。 動態(tài)壓力檢測中常用傳感器，不適宜測量緩變化的壓力和靜態(tài)壓力。,2020/8/16,36,結(jié)構(gòu)：,電荷量經(jīng)放大可轉(zhuǎn)為電壓或電流輸出。 測量一般配有電荷放大器，以增加輸出。 可通過更改壓電元件改變測量范圍。 可以通過疊加壓電元件以提高靈敏度。,特點:可作動態(tài)

15、測量，不適合于靜壓力和慢變化的壓力的測 量,體積小，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠；頻率響應(yīng)高，不需外加電源；測量范圍寬，可測100MPa以下的壓力；測量精度較高。,2020/8/16,37,三、應(yīng)變式壓力傳感器 組成：應(yīng)變元件 + 彈性元件 應(yīng)變元件的工作原理：導(dǎo)體和半導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)。,應(yīng)變效應(yīng)：即導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化。 實際的電阻應(yīng)變片通常是一根電阻絲被彎曲而并行地排成柵形，貼在基板上成為電阻柵。,38,應(yīng)變元件與彈性元件的裝配：,采用粘貼式或非粘貼式，在彈性元件受力變形時，應(yīng)變元件也發(fā)生形變，其電阻值將有相應(yīng)的改變。,2020/8/16,彈性元件可根據(jù)被測介質(zhì)和測量范圍

16、的不同而采用各種型式。常見有圓膜片、彈性梁、應(yīng)變筒等。,2020/8/16,39,測量方法：,R1, R2是靜態(tài)特性相同的應(yīng)變元件，粘貼在彈性元件的適當位置上， R3, R4是另一對電阻，分別接入電橋的4個臂，則電橋的輸出信號可以反映被測壓力的大小。,2020/8/16,40,四、電容式壓力傳感器 測量原理：將彈性元件的位移轉(zhuǎn)換為電容量的變化。 平行板電容器的電容量： 為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；A為兩平行板相對面積；d 為兩平行板間距。 實際測量中，大多采用保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變 A 或 d 一個參數(shù)的方法，把參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。故有變極距式電容壓力傳感器和變面積式電容壓力

17、傳感器。,2020/8/16,41,結(jié)構(gòu)：,變極距式,變面積式,2020/8/16,42,五、振頻式壓力傳感器 工作原理：利用感壓元件本身的諧振頻率與壓力的關(guān)系，通過測量頻率信號的變化來檢測壓力。 型式：振筒、振弦、振膜和石英晶體諧振。 振筒式壓力傳感器由振筒組件和諧振電路組成。其感壓元件本身具有一定的固有頻率，當筒壁受壓后，固有頻率相應(yīng)改變：,特點：體積小，輸出頻率信號，重復(fù)性好，耐振；精確度高，為0.1%和0.01%；測量范圍寬；適于氣體測量。,2020/8/16,43,六、集成式壓力傳感器,集成化傳感器。如以壓阻式壓力傳感器為基礎(chǔ)的集成傳感器可同時檢測差壓、靜壓和溫度。(通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)

18、和模/數(shù)轉(zhuǎn)換后由微處理器進行相應(yīng)的處理和顯示),3.5 壓力表的選擇、安裝和校準,一、壓力表的選擇 選擇選擇合適的儀表主要根據(jù)生產(chǎn)過程提出的要求，結(jié)合各類壓力表的特點綜合考慮。一般涉及類型、測量范圍和測量精度等方面。,應(yīng)滿足生產(chǎn)過程的要求，要了解被測介質(zhì)情況、現(xiàn)場環(huán)境及生產(chǎn)過程對儀表的要求，如信號是否需要遠傳、控制、記錄或報警等。,類型的選擇,2020/8/16,45,1）在測穩(wěn)壓時，最大被測壓力不超過測量上限值的2/3； 2）在測脈動壓力時，最大被測壓力不超過上限值的1/2； 3）在測量高壓時，最大被測壓力不超過上限值的3/5。 4）一般，壓力的最小值應(yīng)不低于被測量上限值的1/3。 根據(jù)被測壓力的最大值和最小值計算出儀表的上下限后，要按壓力儀表的標準系列選定量程。 我國壓力儀表測量范圍的標準系列是：01、1.6、2.5、4、6、10n kPa（n為整數(shù)）等。,測量范圍（量程）,根據(jù)被測壓力的大小及在測量過程中被測壓力變化的情況來選取，選取儀表量程要留有余地。,應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)允許的最大測量誤差來確定儀表的精度。一般在滿足生產(chǎn)要求的情況下，盡可能選用精度較低、價廉耐用的壓力表。,考慮被測介質(zhì)的性質(zhì)，如溫度、壓力、粘度、腐蝕性、易燃易爆程度等； 注意儀表安裝使用時所處的現(xiàn)場環(huán)境條件，如環(huán)境溫度、電磁場、振動等。,測量精