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文檔簡介
1、材料加工測試技術(shù),張占領(lǐng) 河南科技大學(xué)材料學(xué)院,主要講溫度的測量;介紹流體壓力的測量、流體流量的測量。,第四章 基本參量的測量,4.1.1 溫度和溫標 1)溫度:度量物體熱平衡狀態(tài)下冷熱程度的物理量,本質(zhì)是物體內(nèi)部微粒無規(guī)則運動的平均動能。不能直接測量,屬于特殊量。 七個基本物理量:長度m;質(zhì)量kg;時間s;電流A;熱力學(xué)溫度K;物質(zhì)的量mol;發(fā)光強度cd(坎德拉,一光源在給定方向上的發(fā)光強度,該光源發(fā)出頻率為0.5401012Hz的單色輻射,且在此方向上的輻射強度為1/683瓦特每球面度。0.5401012Hz輻射波長約為555nm,是人眼感覺最靈敏的波長。) 2)溫標:衡量溫度高低的標尺
2、,用某些物質(zhì)的相平衡溫度定義。 一、經(jīng)驗溫標:攝氏0-100,華氏32-212,列示0R-80R。 二、熱力學(xué)溫標:273.16 K對應(yīng)0 三、國際溫標:代號T90,單位K,與攝氏溫標值基本一致,少用,4.1 溫度的測量,3)溫標的傳遞 計量體系,計量局 4)測溫方法和分類 接觸式:傳導(dǎo)、對流; 非接觸式:熱輻射。動態(tài)響應(yīng)快,特殊場合,范圍寬;中間介質(zhì)影響,需要修正。,4.1.1 溫度和溫標,4.1.2 接觸法測溫 常用的測溫方法、測溫范圍,表4-1 一、利用體積變化:溫度轉(zhuǎn)換成非電量,簡單、方便,人工測溫。 二、溫度變化轉(zhuǎn)換成電量:電阻、電壓、熱電勢,應(yīng)用廣泛。 1)熱電阻測溫 (1)金屬熱
3、電阻測溫:常用的鉑、銅、鎳,以及低溫測量通用的銠鐵、鉑鈷,測溫原理、特性及溫度范圍見第三章。表4-1. 一、按準確度等級分類 鉑標準化熱電偶(低于961.75),工業(yè)用標準化熱電偶 鉑熱電阻誤差:A級(0.15+0.002t);B級(0.3+0.005t) 銅熱電阻誤差:(0.3+610-3t) 二、按結(jié)構(gòu)分類 線繞型:有2-4根引出線 鎧裝型:封裝在不銹鋼管內(nèi) 薄膜型:鉑膜,依附在基極上,測表面溫度,4.1.2 接觸法溫度,4.1.2 接觸法溫度,4.1.2 接觸法溫度,主要參數(shù): 一、百度電阻比:百度電阻比 二、溫度系數(shù): 三、初始電阻 0時的電阻R0. 分度號:與初始電阻阻值相應(yīng)的阻值與
4、溫度關(guān)系的分度表。Cu53(R0=53),Pt100(R0=100) 四、測量電流:最大值6mA。 五、時間常數(shù) 反映熱電阻阻值隨溫度變化的慣性,與電阻的體積、保護套管、被測對象對熱電阻的傳熱情況等有關(guān)。通常工業(yè)用熱電阻的時間常數(shù)達幾分鐘,鉑熱電阻的有幾十秒,鎧裝鉑熱電阻的有3-15秒。,4.1.2 接觸法溫度,(2)半導(dǎo)體熱敏電阻測溫 NTC負溫度系數(shù),PTC正溫度系數(shù),CTR開關(guān)型 一、結(jié)構(gòu)形式:片狀,桿狀,線狀,珠狀,薄膜狀 二、主要參數(shù):由工藝決定的常數(shù)Bn(p25),材料常數(shù)Bp(p26),溫度系數(shù) (NTC熱敏電阻溫度系數(shù)n, PTC溫度系數(shù)p(p26) 標稱電阻R25:25時的熱
5、敏電阻阻值 時間常數(shù):反映熱敏電阻隨溫度變化的熱慣性,與比熱C、耗散系數(shù)H有關(guān)。 耗散系數(shù)H:熱敏電阻溫度變化1所耗散的功率,W/。 轉(zhuǎn)變點溫度Tc:PTC、CTR曲線上的拐點溫度。 三、測溫誤差 基本誤差:與熱電阻材料的純度、成分、工藝、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。 附加誤差:測量電流使熱電阻升溫;引線電阻隨溫度變化(要求小于Cu電阻R0的0.2%,小于Pt電阻R0的0.12%)。用三線制,四線制。,4.1.2 接觸法溫度,2)PN結(jié)電壓測溫 (1)原理和特性 電流通過PN結(jié)時的正向壓降UD與溫度T的關(guān)系: J:正向電流密度;Js:PN結(jié)反向飽和電流密度;k:波爾茲曼常數(shù);q:電子電荷。 (4-3) :Js
6、一定時,保持J不變,則 ,即UD與T呈線性關(guān)系。,4.1.2 接觸法溫度,(2)類型 一、單晶體管溫度傳感器 利用三極管基極b和射極e間PN結(jié)電壓Ube和溫度T的關(guān)系來測溫。 (4-5) C為常數(shù)p117 特點:結(jié)構(gòu)簡單,成本低,功耗小,響應(yīng)快;靈敏度不穩(wěn)定,失調(diào)電壓大(為使運算放大器輸出端為0V或接近0V所需加于兩輸入端間的補償電壓),互換性差,穩(wěn)定性不佳。 二、集成溫度傳感器 感受溫度的晶體管、放大電路、電源、線性化電路等制作在同一芯片上。 特點:靈敏度高,靈敏度與偏置電流無關(guān),抗干擾;但成本高。,4.1.2 接觸法溫度,3)熱電偶測溫 利用“熱電偶的熱電勢”與“兩結(jié)點的溫度”之間的關(guān)系來
7、測溫。 特點: 一、測溫精度高,測溫范圍寬(4 3000K); 二、熱電勢-溫度特性穩(wěn)定,復(fù)現(xiàn)性好; 三、質(zhì)量小,熱容量小,時間常數(shù)小,動態(tài)響應(yīng)速度快; 四、結(jié)構(gòu)簡單、便于維修; 五、易于實現(xiàn)遠距離溫度測量和溫度控制。 (1)熱電偶材料 任何兩種材料的熱電極都可以配成熱電偶。但要滿足熱電性能好、測量靈敏度高、物理性質(zhì)良好、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、測溫范圍寬及機械加工性能好等條件,很難。 常用的材料有銅、鐵、鉑、鉑銠合金和鎳鉻合金等。,4.1.2 接觸法溫度,(2)熱電偶的類型 一、標準化熱電偶 生產(chǎn)工藝成熟,能成批生產(chǎn),性能穩(wěn)定,應(yīng)用廣泛,具有統(tǒng)一的分度表,并已列入國際專業(yè)標難中的熱電偶。 國際電工
8、委員會(IEC)制定的熱電偶標準包括熱電偶的分度表、分度公式和熱電勢對其分度表的允許偏差。 8種標準熱電偶的型號標志:S、R、B、K、N、E、J、T。 又稱字母標志熱電偶。 熱電偶分級和允許偏差:表4-2 標難化熱電偶的主要性能特點:表4-3,p118。 二、非標準化熱電偶 為了測量更高的溫度,或為了改善穩(wěn)定性等要求,人們不斷地研制新型熱電偶。未標準化的熱電偶及其主要特點見表4-4,p120.,4.1.2 接觸法溫度,4.1.2 接觸法溫度,(3)熱電偶的結(jié)構(gòu)形式 根據(jù)自身結(jié)構(gòu)分:裝配式、鎧裝式、消耗式、薄膜式等; 根據(jù)用途分:表面式,快速式,多點式,測量氣體用熱電偶等。 一、裝配式熱電偶:又
9、稱普通工業(yè)用熱電偶。 要求:兩電極間電氣絕緣,熱電極不受有害物質(zhì)侵蝕,熱接觸良好,便于安裝。,4.1.2 接觸法溫度,4.1.2 接觸法溫度,只要兩個熱電極有電氣接觸即可測量。,4.1.2 接觸法溫度,二、鎧裝式熱電偶 由熱電極、絕緣材料和金屬套管三者組合加工而成的一條電纜式的整體線材。 特點:時間常數(shù)小,響應(yīng)速度快;體積小,熱容量小,能夠較準確地測量小物體的溫度;可繞性好,易彎曲,機械性能好,在低溫、高溫、腐蝕性強等惡劣條件下均能安全使用;壽命長,若測量端損壞,可截去損壞部分,重新焊接后繼續(xù)使用。,4.1.2 接觸法溫度,4.1.2 接觸法溫度,三、消耗式熱電偶 微型快速熱電偶,用于測定熔融
10、鋼水、鐵水和其他熔融金屬溫度的快速熱電偶。特點:熱電偶元件很小,熱電極的長度僅為25 40mm,直徑為0.05 0.1mm,裝在外徑為3mm的U形石英管內(nèi)。,4.1.2 接觸法溫度,四、薄膜式熱電偶 測溫元件是采用真空鍍膜或化學(xué)涂覆等方式制成的厚0.01 0.1 m的薄膜。 這種薄膜熱電偶測溫,對傳熱面熱流與流體的影響小,響應(yīng)速度極快,時間常數(shù)為s ms級。測溫范圍為 -200 300。有片狀、針狀和薄膜狀3種結(jié)構(gòu)。,4.1.2 接觸法溫度,(4)熱電偶的冷端溫度補償 熱電偶的分度表和根據(jù)分度表刻度的溫度儀表是以冷端溫度為0建立的熱電勢與溫度的關(guān)系。實際使用中,冷端往往不是0,甚至不是定值。因
11、此,必須采取修正或補償措施。 一、冷端恒溫法 0恒溫法:熱電偶的冷端置于 冰水混合物中。 非0恒溫法:熱電偶的冷端置于 熱容量較大的恒溫容器中。,4.1.2 接觸法溫度,4.1.2 接觸法溫度,二、冷端溫度校正法 根據(jù)熱電偶中間溫度定則: 二次查表法:從分度表中查出 ,與 相加; 二次查分度表求得測量端溫度T. 經(jīng)驗系數(shù)法:大部分熱電偶的熱電特性是非線性的,直接查表修正溫度有偏差。需用經(jīng)驗公式修正:T=Ts+KTn,Tn:冷端溫度 ;Ts:Tn下儀表指示溫度。 補償導(dǎo)線法:當熱電偶的冷端與熱端距離較近時,冷端溫度受熱端影響而變化較大,需延伸熱電極至恒溫環(huán)境中。但熱電極材料甚貴,需尋找在低溫范圍
12、熱電特性與熱電偶相同而廉價的金屬來替代熱電偶延伸熱電極。此“熱電極對”叫熱電偶的補償導(dǎo)線(補償型C)。測量時還需對冷端溫度進行修正。優(yōu)點:節(jié)約貴金屬熱電偶,降低成本;缺點:增加補償誤差。常用補償導(dǎo)線表4-5 注意:補償導(dǎo)線與熱電偶匹配;連接時注意極性,切勿接反;接點溫度相同。,4.1.2 接觸法溫度,4.1.2 接觸法溫度,三、自動補償法 在熱電偶測量回路中串入一個 裝置,它產(chǎn)生的電勢隨Tn的變化 正好為 。 電橋補償法: RT是溫度系數(shù)較大的銅電阻 (通常設(shè)計,20時電橋平衡) 補償熱電偶法:正向串接和反響串接效果相同(作業(yè)),4.1.2 接觸法溫度,半導(dǎo)體集成溫度傳感器補償法: AD590
13、電流型集成溫度傳感器,4.1.2 接觸法溫度,(5)熱電偶測溫電路 熱電偶測溫的基本測溫電路組成:熱電偶、補償導(dǎo)線、普通導(dǎo)線和直流電測儀表。 基本測溫電路,(a) 雙表測量電路,(b) 兩個儀表顯示同一溫度, 現(xiàn)場一個,控制室一個。 要求:儀表內(nèi)阻要大, 電路中電流近似為零。,4.1.2 接觸法溫度,7,多支熱電偶共用一臺顯示儀表,圖(c) 通過切換開關(guān)輪流顯示。共用冷端補償。,4.1.2 接觸法溫度,具體應(yīng)用: 一、串聯(lián)測溫電路圖4-10(a) 將多支型號相同熱電偶依次按正負極相連接。 特點:熱電勢大,準確度高,可檢測微小的溫度變化。儀表需單獨分度。 注意:各熱電偶應(yīng)有一致的參考端溫度。,4
14、.1.2 接觸法溫度,二、并聯(lián)測溫電路圖4-10(b) 多支型號相同的熱電偶正極與正極、負極與負極分別連接。 若各熱電偶的電阻平均值相近,則輸出總熱電勢等于熱電偶的熱電動勢的平均值。 特點:熱電勢小,但相對誤差 也小,僅為單支熱電偶 ; 當部分熱電偶發(fā)生斷路時,不影 響整個測量系統(tǒng)的工作;適用于 測平均溫度。 注意:溫度差別較大時,每支 熱電偶回路需加限流電阻,以防 熱電偶間互相短路。,4.1.2 接觸法溫度,三、溫差測量電路圖4-10(c) 將兩支同型號的熱電偶反向串聯(lián):把兩支熱電偶的兩個同極連接在一起,另兩個同極接測量儀表。 注意:大部分熱電偶的熱電勢與溫度之間不是 線性關(guān)系,因此E不直接
15、反映溫差,若想求得溫 差,還需用第三支熱電偶測量出T1或T2。 應(yīng)用:常用于差熱分析技術(shù)中測量物質(zhì)的相變 溫度。,4.1.2 接觸法溫度,(6)熱電偶的測量誤差 誤差來源:熱電偶、補償導(dǎo)線、冷端處理裝置、測量儀表等。 一、熱電偶測溫系統(tǒng)的主要誤差 分度誤差:熱電偶實際熱電特性與標準分度表之間的偏差F. 附加誤差:使用環(huán)境影響造成的誤差A(yù)如沾污使熱電勢變化,氧化還原使穩(wěn)定性變差,高溫、放射使材料揮發(fā)、元素蛻變,材料絕緣性能下降造成漏電、分流熱電勢的輸出等。 冷端溫度補償誤差:補償導(dǎo)線的熱電特性和測量熱電偶的不完全一致,產(chǎn)生補償導(dǎo)線誤差T;自動補償法中的各種補償裝置產(chǎn)生的補償電勢與熱電偶的冷端溫度
16、變化值之間偏差C。 測量儀表誤差:各種測量儀表精度等級不同,誤差D 接線誤差:熱電偶接入測量儀表后就有電流輸出,引線電阻Re的壓降使儀表的測出值存在著誤差L 二、熱電偶測溫系統(tǒng)的誤差估計 系統(tǒng)誤差:,4.1.2 接觸法溫度,三、熱電偶的動態(tài)誤差及時間常數(shù) 熱電偶測量端的熱慣性以及與被測物體間的傳熱速率有限,導(dǎo)致熱電偶工作端與被測物體達到同一溫度的時間不一致;溫度變化快時,測出值跟不上被測物體的溫度變化。這種誤差稱為動態(tài)測量誤差。 動態(tài)誤差 (T為測得溫度)取決于熱電偶的時間常數(shù)和測量端溫度隨時間的變化率dT/dt: (4-9) 時間常數(shù):反映測溫敏感元件傳熱特性的一個重要參數(shù),其大小影響測溫元
17、件的動態(tài)響應(yīng)速度。 (4-10) 式中:c、V為熱電偶測量端的比熱、密度、體積;、A0為對流換熱系數(shù)和表面積。 減小熱電偶時間常數(shù)的措施:減小測量端接點的體積,增強傳熱:c、V、A0;減小套管的壁厚、內(nèi)徑,增大導(dǎo)熱,減小空氣間隙。,4.1.2 接觸法溫度,4.1.2 接觸法溫度,輻射測溫原理:處于絕對溫度0K以上的物體都對外輻射電磁波。物體的熱輻射能量Q、輻射波長與其溫度T有關(guān)。 1)輻射測溫的物理基礎(chǔ) 一、基爾霍夫定律 基爾霍夫定律:任何物體的輻射能力與其吸收率之比是一個波長和溫度的普適函數(shù)。(4-11) 基爾霍夫定律的積分形式: (4-15) T:全發(fā)射率(比輻射率,黑度,黑度系數(shù));A(
18、T):全吸收率。 單色輻射: (4-16),4.1.3 輻射測溫,二、黑體輻射定律 普朗克定律、斯蒂芬-玻耳茲曼定律和位移定律。 普朗克定律:在半球面方向所有輻射: (4-17) h為普朗克數(shù),6.62617610-3Js T較小時, (4-18) 維恩位移定律:隨溫度升高,發(fā)射能量最大的那個波長的長度向短的方向移動。對式(4-17)求導(dǎo): 令 ,得 (4-19) -200 3000:主要范圍0.75 40m。 在紅外輻射區(qū),這是紅外技術(shù)用于測溫的重要原因。,4.1.3 輻射測溫,斯蒂芬玻耳茲曼定律(全輻射定律、四次方定律) 絕對黑體:絕對黑體每單位面積向半球方向發(fā)射的全部波長的輻射與T的四次
19、方成正比。 (4-20) 斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)=5.669710-8W/(m2K4) 灰體: (4-21) 2)輻射式測溫方法和溫度計 按檢測被測物體所輻射的能量不同分成: 全輻射測溫法接收全部波長輻射的能量; 亮度測溫法僅接收其中某一波長輻射的能量; 比色測溫法檢測其中某兩個波長所輻射能量之比。,4.1.3 輻射測溫,圖4-12 輻射式溫度計的基本結(jié)構(gòu) (1)全輻射法 一、工作原理 將一個黑體(工業(yè)黑體模型)加熱至TF,使其產(chǎn)生的輻射M0(TF)與被測物體溫度T時的輻射M(T)一樣,則: (4-22) 關(guān)鍵:實現(xiàn)求得T。T越小,校正量越大。,4.1.3 輻射測溫,二、全輻射高溫計 聚焦輻射能
20、量的光學(xué)系統(tǒng)有透射式和反射式兩種。 將輻射能量轉(zhuǎn)換成電信號的探測器有熱電偶(或熱電堆)、熱敏電阻和熱釋電元件。 顯示儀表有自動平衡式、動圈式和數(shù)字式。 物鏡l 將被測溫的輻射 集中投射到熱電堆3 的測 量端6 上,由此變換成熱 電勢輸出。 測溫范圍: 適合測量700 1000, 最低400。,4.1.3 輻射測溫,特點:結(jié)構(gòu)簡單,使用方便;輸出是電信號,便于自動測溫和控溫應(yīng)用,常用于生產(chǎn)過程中在線檢測。 注意:測量距離,中間介質(zhì)的影響,環(huán)境溫度的影響,全發(fā)射率T. 應(yīng)用:箱式爐溫度測量 工件表面溫度測量 高溫鹽浴爐溫度測量,4.1.3 輻射測溫,(2)亮度法(單色輻射法)測溫及光學(xué)高溫計 一、
21、工作原理 只接受被測體的某一波長輻射能,與黑體比對,據(jù)此來測溫度 。 (4-23) 二、亮度高溫計 根據(jù)亮度比較辦法的不同分為: 燈絲隱滅式光學(xué)高溫計,4.1.3 輻射測溫,恒定亮度光學(xué)高溫計:燈絲電流恒定,亮度不變,吸收玻璃顏色逐漸變深,吸收率隨轉(zhuǎn)動角度改變,調(diào)整玻璃角度,使被物鏡引入的亮度與燈絲亮度一致,吸收玻璃的角度反映被測溫度。 光電高溫計:將被測溫的輻射能由檢測變換器中的光敏元件變換成電信號,此電信號經(jīng)放大后(直流或交流放大)作溫度顯示(直接式)或作反饋信號完成平衡調(diào)節(jié)(平衡式)。(幾百至兩三千度),4.1.3 輻射測溫,(3)比色法、比色溫度Ts及比色溫度計 一、原理:利用被測物兩
22、個波長1、2輻射能之比來反映溫度。 根據(jù)維恩公式,兩個特定波長1、2上的輻射之比R: (4-24) 當1、2一定時,比值R是被測溫度T的函數(shù)。 注意:顯示儀表的指示用絕對黑體標定。被測體非黑體時,儀表指示的溫度Ts并不是被測體的真實溫度,而是說明此時被測體在波長1、2的單色輻射能量之比R和溫度為Ts的絕對黑體在同樣波長1、2的單色輻射能量之比值相等。Ts定義為被測物體的比色溫度。需修正: (4-26),4.1.3 輻射測溫,二、比色高溫計 特點:結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價格較貴,受 變化及中間介質(zhì)吸收影響小,溫度校正量很小。 工作原理:光線經(jīng)分光鏡3分成兩路,多空盤5 使兩路光交替通過,顯示儀表12 得到兩
23、路光輻射的M1(1,T)和M2(2,T)的比值R,從而得到溫度T。,4.1.3 輻射測溫,3)三種測溫法的比較 輻射法:測量簡單,響應(yīng)速度快,相對靈敏度與被測溫度輻射波長無關(guān),受T和被測體與高溫計之間的吸收介質(zhì)影響較大,測量距離小。 亮度法:相對靈敏度與被測溫度和所選定的波長成反比,相對誤差與、TL成正比,受 影響小,誤差中等。 比色法:相對靈敏度與被測溫度T成反比,與1、2的倒數(shù)之差成正比,誤差受影響小,且受被測物與儀表之間的中間介質(zhì)波動影響亦小。,4.1.3 輻射測溫,4)紅外輻射測溫 以往限于技術(shù)條件,測溫范圍限于700以上。 由于透光材料通常對波長較長的紅外光有吸收,因此紅外測溫技術(shù)較
24、多采用反射系統(tǒng)。 大氣對波長1.8 2.8m、3.0 5.5m、8 14m三個波段具有良好的透射率(俗稱3個“大氣窗口”),而這三個波段正好處于紅外波段內(nèi),這對紅外測溫的應(yīng)用十分有利。,4.1.3 輻射測溫,流體形狀隨容器變化,在外力作用下內(nèi)部發(fā)生相對運動。在材料科學(xué)與工程的生產(chǎn)過程與科學(xué)實驗中,經(jīng)常需要檢測流體的壓力、流速和流量等主要參數(shù)。特別是流體壓力的測量與控制。 4.2.1 流體壓力和壓力測量單位 1)壓力的概念 工程技術(shù)中流體壓力的概念在物理學(xué)中定義為壓強。 2)壓力的表示方法 一、絕對壓力 以絕對零壓為參考零點表示的壓力,通常用符號p表示。 二、表壓力 以當前大氣壓力p0為參考零點
25、表示的壓力,通常用符號pe表示。 材料工程測試技術(shù)領(lǐng)域中,除特別指出外,均使用表壓力pe。 pe0時,稱之為正壓;pe0時,稱之為負壓。 常用真空度pv表示負壓的大?。?4.2 流體壓力的測量,3)壓力的測量單位 國際單位:帕,1 Pal N/m2 各種壓力單位之間的換算關(guān)系:,4.2 流體壓力的測量,4.2.2 常見的壓力測量方法與壓力表的分類 壓力測量可以轉(zhuǎn)變?yōu)樽饔迷谝阎娣e上力的測量。壓力測量的范圍很寬,場合各異,測量方法豐富、測量儀表種類繁多。 1)按測量范圍分類 壓力表 超高壓6108Pa;高壓1076108Pa;低壓105107Pa;微壓0105Pa 真空壓力表 粗真空103105
26、Pa;低真空10-1103Pa;高真空10-610-1Pa;超高真空10-1010-6Pa;極高真空10-10Pa。 2)按應(yīng)用場合分類 工業(yè)用,實驗室用,壓力標準傳遞的標準壓力計。,4.2 流體壓力的測量,3)按測壓方法和儀表工作原理分類 (1)液柱平衡式:液柱產(chǎn)生的壓力(液柱式)或液柱傳遞的壓力(活塞式)與被測壓力平衡。 (2)機械力平衡式:被測壓力通過膜片等彈性元件集中成作用力,與儀表提供的氣動力或電磁力產(chǎn)生的機械力達到平衡,此時產(chǎn)生電磁力的電流大小,或產(chǎn)生氣動力的氣壓大小反映被測壓力。 (3)彈性力平衡式:彈性元件(彈簧管、膜片、膜盒等)在被測壓力作用下發(fā)生變形,產(chǎn)生的彈性力與被測壓力
27、平衡。彈性元件的變形量反映被測壓力。 一、機械彈性式壓力計:將彈性元件的變形量通過齒輪、杠桿等傳動機構(gòu)放大后測量。 二、電測式壓力計:將彈性元件的變形量轉(zhuǎn)換為電量后測量。 常用變換方法:電阻式(應(yīng)變式與電位器式),電感式,電容式,電磁式,霍爾式,壓電式。,4.2 流體壓力的測量,(4)用于真空測量的熱導(dǎo)式真空計與電離式真空計 熱導(dǎo)式真空計:氣體壓力降低,其導(dǎo)熱性能變差。 電離式真空計:稀薄氣體被電離時產(chǎn)生的離子數(shù)量與氣體壓力有關(guān)。 (5)用于超高壓(6108Pa)測量的壓阻式壓力計 利用金屬或合金的壓阻效應(yīng),將被測壓力變換成相應(yīng)的電阻值。,4.2 流體壓力的測量,4.2.3 常用的壓力測量儀表
28、 1)液柱式壓力計 U形管壓力計;單管壓力計;傾斜管微壓計: 影響因素:環(huán)境溫度,重力加速度的變化。 特點:結(jié)構(gòu)簡單,直觀,測量范圍較窄,耐壓能力差,毛細作用有影響。,4.2 流體壓力的測量,2)活塞式壓力計 影響因素:重力加速度變化,摩擦力,粘滯力。 特點:計量范圍廣,結(jié)構(gòu)簡單,穩(wěn)定可靠,準確度高,重復(fù)性好,可測量正壓、負壓及絕對壓力。 應(yīng)用:用作壓力基準器。精密測壓,儀表準確度可達0.02級。,4.2 流體壓力的測量,3)彈性式壓力計 被測壓力作用彈性元件形變機械機構(gòu)或電測方法檢出并放大位移量顯示 (1)機械彈性式壓力計 常用的彈性元件結(jié)構(gòu),彈簧管,螺旋管,膜片,膜盒,波紋管。 一、彈簧管
29、壓力計 應(yīng)用最為廣泛,測量范圍大,結(jié)構(gòu)簡單,準確度高,線性度高。 二、膜片式壓力計 簡單牢固, 便宜, 非線性較大, 準確度中等, 動態(tài)響應(yīng)慢。,4.2 流體壓力的測量,(2)電測式壓力儀表 自學(xué)p141-142 被測壓力電信號,壓力信號遠距離傳送。 壓力計組成:壓力傳感器、測量電路、信號處理裝置。 信號處理裝置:指示器,記錄儀,甚至有控制器、微處理器等。 分兩類:一種是采用由彈性元件變形造成電路參數(shù)變化,如電位器式、電感式、電容式等;另一種是應(yīng)用某些物理效應(yīng)將被測壓力直接轉(zhuǎn)換成電信號,如應(yīng)變式、壓電式、霍爾式、諧振式等。 傳感器的工作原理已在第三章介紹。 一、電阻、電感壓力計 p141-14
30、2 二、電容式壓力計 三、壓電式壓力汁 四、霍爾式壓力計 五、應(yīng)變式壓力計,4.2 流體壓力的測量,4.2.4 真空的測量 真空一般以絕對壓力來表示。常用真空計測量范圍,表4-9。 特點:范圍很寬,測量難度較大,測量準確度不高(10%20%)。 絕對真空計:直接測量壓力的高低,如壓縮式真空計。 相對真空計:測與系統(tǒng)壓力有關(guān)的物理量,再通過比較的方法獲得壓力值,如熱導(dǎo)式真空計、電離式真空計。 1)壓縮式真空計 又稱麥氏真空計,測量范圍103 10-3Pa。 特點:結(jié)構(gòu)簡單,準確度較高(5%),可作為基準儀器。 工作原理:將一定體積的被測氣體壓縮,使氣體絕對壓力增大到可以用液柱法測量的程度,再根據(jù)
31、壓縮比算出被測氣體壓力。 圖4-24,被測壓力p與壓差h成正比。 特點:裝置簡單易造,準確度較高,屬絕對測量,可作為基準或標準儀器。,4.2 流體壓力的測量,4.2 流體壓力的測量,4.2 流體壓力的測量,P1,V1,初始P,V,2)熱導(dǎo)式真空計 原理:絕對壓力較低時,氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與其壓力成正比。測得被測氣體的導(dǎo)熱能力,即可間接測量其真空度。 通電加熱的電阻元件(熱絲)在相同功率下加熱,熱絲自身溫度隨氣壓降低而上升,熱絲溫度與被測氣體壓力之間存在定量關(guān)系。 測壓范圍:10-1104Pa. 一、電阻真空計 圖4-25a 氣體壓力變化熱導(dǎo)率變化同功率加熱,電阻絲溫度變化電阻變化。用電阻溫度系數(shù)較
32、大的電阻絲,常用鉑絲。 二、熱偶式真空計 圖4-25b 氣體壓力變化熱導(dǎo)率變化同功率加熱,電阻絲溫度變化熱電偶測溫。,4.2 流體壓力的測量,4.2 流體壓力的測量,3)電離真空計 原理:高速粒子通過稀薄氣體時碰撞氣體分子使之電離,壓力較低(10-1Pa)時,離子數(shù)與氣體壓力成一定關(guān)系。收集、檢測離子電流即可獲知被測氣體壓力。根據(jù)氣體電離源的不同分為三類: 一、熱陰極電離真空計:熱陰極發(fā)射電子使氣體分子電離; 二、冷陰極電離真空計:場致發(fā)射、光致發(fā)射或次級發(fā)射的電子使氣體電離; 三、放射性電離真空計:放射性同位素輻射的高能粒子使氣體分子電離。 熱、冷陰極電離真空計的主要優(yōu)點:可以測量氣體極低的
33、絕對壓力(10-6Pa),靈敏度高,線性度好,結(jié)構(gòu)簡單。 缺點:測量結(jié)果與氣體成分有關(guān)。 放射性電離真空計沒有陰極,不會被燒毀,靈敏度較低,絕對壓力較低時產(chǎn)生的離子流很弱,適合絕對壓力較高的真空測量。,4.2 流體壓力的測量,熱陰極電離真空計規(guī)管,類似一支三極管。由筒狀板極(離子收集極)C,柵極網(wǎng)G和位于柵極網(wǎng)中心的陰極燈絲F構(gòu)成,筒狀板極在陽極柵網(wǎng)外面。柵極電位在+100+300V之間,板極的電位在0-50V之間。,4.2.5 壓力測量儀表的選用 壓力計選用考慮: 1)儀表類型的選用 一、測壓要求:測壓范圍,準確度,自動記錄,距離,報警等。 二、被測介質(zhì):介質(zhì)的物性及狀態(tài)(氣、液),腐蝕性,
34、濕度,粘度,清潔,脈動。 三、現(xiàn)場環(huán)境:震動,溫度,電磁場,濕度,防爆等。 四、安裝、使用及維護的條件:各種壓力計都有各自的特點。 2)儀表測量范圍的確定 儀表按規(guī)定的準確度對被測量進行測量的范圍,也就是儀表的量程。測量穩(wěn)定壓力時,最大工作壓力一般不超過量程的2/3;被測壓力的最小值不低于量程的1/3. 3)儀表準確度等級的選取 在滿足測量誤差要求的基礎(chǔ)上,追求較高的性能價格比。,4.2 流體壓力的測量,4.3.1 流體流量和測量單位 一、流量:物料傳輸?shù)乃俾剩磫挝粫r間內(nèi)通過管路(或明渠)有效截面的物料量。總量流量:一段時間內(nèi)的總流量。 測流量的叫流量計;測總量流量的叫計量表。 二、流量測量
35、單位 體積流量:m3/s,m3/h;質(zhì)量流量:kg/s,kg/h。 三、流量測量的特點 特點:準確度較低,流量計通用性較差,單位量值的傳遞、儀器檢定較為困難。原因: 流體性質(zhì)多樣:單相多相,粘度,溫度,壓力,壓縮,相變,清潔,腐蝕. 管路系統(tǒng)多樣性:管道截面的大小與形狀、內(nèi)壁的粗糙度、彎曲程度等。 流動狀態(tài)多樣性:層流或紊流,旋轉(zhuǎn)流或脈動流,明渠流動等。 使用條件與安裝要求:若不能滿足使用和安裝要求,也會給測量造成較大誤差。,4.3 流體流量測量,4.3.2 流體流量的測量方法和流量儀表分類 1)流體流量的測量方法 基本方法:檢測流體流動中自身參數(shù),如流速、動量,及流動中造成的相應(yīng)效應(yīng),得到與
36、流量相關(guān)的信息。 (1)容積法 測流體在一段時間內(nèi)的總流量,計算出流量??偭髁靠捎迷O(shè)定的體積量具表征。 (2)流速法 體積流量qv與其平均流速 ,測量流速,流速式; 或測與流速相關(guān)的物理現(xiàn)象的變化,流量計:差壓式,阻力式,振動式等。,4.3 流體流量測量,2)流量儀表的分類 按用途分為計量表和流量計。 (1)計量表 測流體總量:腰輪流量計,橢圓齒輪流量計,刮板流量計,葉輪式流量計等。 (2)流量計 通過測流速、壓差、阻力、振動等測流量:流速式,差壓式,阻力式,振動式。 一、流速式流量計 種類:超聲流量計,電磁流量計,以及: 渦輪流量計:流體推動禍輪轉(zhuǎn)動,渦輪的轉(zhuǎn)速反映流體流量。 標志法測速流量計:在流體中設(shè)置標志物(或標志部位),測標志物的速度。 熱線風速計和熱量流量計:測流體對發(fā)熱線的冷卻效果;或流體對元件的加熱。 皮托管式流量計:,4.3 流體流量測量,二、差壓式流量計 文丘利管:通道截面變化靜壓變化壓差值與流量有關(guān)。 三、流體阻力式流量計 轉(zhuǎn)子流量計,沖擊式流量計,靶式流量計。
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