自动检测技术第七课压力测量

1、第五章第五章 压力测量压力测量基本教学内容基本教学内容u压力的压力的 基本概念基本概念u液柱式压力计液柱式压力计 U U型管压力计、单管压力计、斜管式微压计型管压力计、单管压力计、斜管式微压计u弹性式压力计弹性式压力计 弹簧管式、膜片（盒）式、波纹管式弹簧管式、膜片（盒）式、波纹管式 u电气式压力测量电气式压力测量 电容式压力压差变送器、霍尔压力变送器、压电容式压力压差变送器、霍尔压力变送器、压电电 式压力传感器、固体压阻式压力压差传感器式压力传感器、固体压阻式压力压差传感器u压力检测仪表的选择与校验压力检测仪表的选择与校验 o压力压力 垂直作用于物体表面上的力垂直作用于物体表面上的力o压强压

2、强 垂直作用于单位面积物体表面上的力垂直作用于单位面积物体表面上的力o 在建筑环境与设备的测试中，并不严格区分压力在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和压强。通常所说的压力实际上是指压强压强。o压差压差 测量两个压力之差称压差测量两个压力之差称压差o 表压力表压力 压力仪表指示的压力值压力仪表指示的压力值 缺省情况下，缺省情况下，所说的压力值即指表压力所说的压力值即指表压力 表压力可正表压力可正可负，为负时其绝对值称为可负，为负时其绝对值称为真空度真空度。第一节第一节 概述概述PJPBPZ一、基本概念一、基本概念o 帕帕(Pa) N/m2，国际单位，国际单

3、位o 兆帕兆帕(MPa) 106Pao 工程大气压，工程大气压， kgf/cm2 ，98070 Pan 约等于一个大气压（约等于一个大气压（1.013e+5 Pa) ，“自来自来水压头是水压头是5公斤公斤”，用的就是这个单位。，用的就是这个单位。o mmH2O， 9.81 Pao mmHg ，133 Pa压力单位压力单位二压力测量仪表的分类二压力测量仪表的分类o 1液柱式压力计液柱式压力计o 2弹性式压力计弹性式压力计o 3电气式压力计电气式压力计o 4活塞式压力计活塞式压力计第二节第二节 液柱式压力计液柱式压力计v 分类分类o U型管压力计型管压力计o 单管压力计单管压力计o 斜管式微压计斜

4、管式微压计v 特点特点：结构简单，使用方便，准确度比较：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。高，常用于测量低压、负压、差压。v 缺点缺点：体积大，读数不方便，玻璃管易损：体积大，读数不方便，玻璃管易损坏。坏。一一U型管压力计型管压力计o 假设被测的介质为气体，可忽略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。被测介质的高度形成的静压值。根据流体静力学原理可得：根据流体静力学原理可得：U型管内径一般为型管内径一般为5-20mm，为了减少毛细现象管子内径为了减少毛细现象管子内径一般不少于一般不少于10mm，)(2121hhgPPPP2P1U型管h1h20二单管

5、式压力计二单管式压力计 因为因为A1、A2为常数，这样可通过为常数，这样可通过一次读数进行压差测量。当一次读数进行压差测量。当A2/A1很小时，很小时，h1可忽略，公式简化为：可忽略，公式简化为： 12212211AAhhAhAh212212221) 1()()(hAAghAAhghhgPPd212212221) 1()()(hAAghAAhghhgPPx直管h1h22hgP三、斜管式微压计三、斜管式微压计lAAhlAAh121211alhsin2laAAgallAAghhgP)sin()sin()(121221P1P2斜管h1h2LlaAAgallAAghhgP)sin()sin()(121

6、221laAAgallAAghhgP)sin()sin()(121221主要用于测量微小的压力、负压和压差。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，拉长液柱，将为了减少读数的相对误差，拉长液柱，将测量管倾斜放置。测量管倾斜放置。 四液柱式压力计的测量误差及其修正四液柱式压力计的测量误差及其修正1环境温度变化的影响及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：化对压力测量的影响。修正公式为：ghP)(100tthhtt2. 重力加速度变化的影响及修正重力加速度变化的影响及修正hg

7、ghnn标准重力加速标准重力加速度下的工作液度下的工作液柱高度柱高度使用地点的工使用地点的工作液柱高度作液柱高度3 3毛细现象的影响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为了减少该误差，通常要求测量管的内径一般不小于般不小于10mm10mm。问题？问题？1.斜管式微压计用水作介质，可以吗？斜管式微压计用水作介质，可以吗？2.液柱式压力计，水作工作介质，为了便于读液柱式压力计，水作工作介质，为了便于读数，在水中加入红墨水，可以吗？数，在水中加入红墨水，可以吗？3.斜管式微压计，测量时看不到液柱，是怎么斜管式微压计，测量时看不到液柱，是怎么回事？回事？第三节第三节 弹性式压力计弹性式

8、压力计1 1、概述、概述o 原理：原理：弹性压力表是利用各种不同形状弹性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形制成的测压仪表o 特点：特点：结构简单、牢固可靠、测压范围广、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，可远使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远传传o 常用弹性压力表：常用弹性压力表：n 弹簧管式弹簧管式n 膜片（盒）式膜片（盒）式n 波纹管式波纹管式二弹性元件及其特性二弹性元件及其特性1膜片膜片：使用时周边夹紧，测低压、微压。：使用时周边夹紧，测低压、微压。将两块膜片沿周

9、边对焊起来，形成一膜盒，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。精度等级为部负压。精度等级为2.5，最高可达，最高可达1.5级。级。PxPxPxPx平薄片波纹片膜盒2波纹管波纹管：开口端固定，封闭：开口端固定，封闭端的位移作为输出，由于波端的位移作为输出，由于波纹管的位移相对较大，故灵纹管的位移相对较大，故灵敏度高，常用于测量较低的敏度高，常用于测量较低的压力（压力（1.0-106Pa）精度等）精度等级级1.5级。级。Px3弹簧管弹簧管： 单圈弹簧管单圈弹簧管 多圈弹簧管多圈弹簧管二弹性元件及其特性二弹性元件及其特性

10、 假设被测压力大于外界大气压力，产生短轴变长，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向运动。对应的几何增大，自由端向管子伸直的方向运动。对应的几何分析如下：分析如下：弹簧管是怎样产生形变的呢？弹簧管是怎样产生形变的呢？11RR22RR2121RRRR两式相减两式相减:2121RRRR因为：因为：可得可得:R1R2 弹簧管在量程范围内自由端的位移一般为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，弹簧管作成多圈时，自由端的位移可达可达45o。弹簧

11、管的自由端的位移可通过。弹簧管的自由端的位移可通过杠杆机构杠杆机构带动指针转动，这种机构的指针带动指针转动，这种机构的指针最大转角为最大转角为180o，通常作成，通常作成90度的回转度的回转角。最常用的传动机构为角。最常用的传动机构为杠杆杠杆扇形齿轮扇形齿轮机构机构，可使指针转动，可使指针转动270o。弹簧管压力计弹簧管压力计弹簧管压力计弹簧管压力计弹簧管压力计弹簧管压力计o 电接点压力表电接点压力表： 不仅可实现压力的测量，而且可实现压力不仅可实现压力的测量，而且可实现压力的报警和控制。的报警和控制。第四节第四节 电气式压力检测电气式压力检测一一位移式压力压差变送器位移式压力压差变送器：将弹

12、性元件的位移转变成将弹性元件的位移转变成电信号。电信号。1电容式压力压差变送器电容式压力压差变送器：采取差动电容方式。采取差动电容方式。 膜片膜片d7.575，0.050.2，maxd=0.1mm。42sk o 特点：灵敏度高、精度高，精度可达特点：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。稳定可靠。尤适用于测高静压微压差的场合。ddkC021ddkC022pkdpkddCCCC30101212由由C1、C2可得可得设测量膜片在设测量膜片在p作用下作用下的位移的位移d，d=k1p。1电容式压力压差变送器电容式压力压差变送器2霍尔压力变送器霍尔压力变送器

13、 （1）霍尔效应霍尔效应：把半导把半导体单晶薄片置于磁场体单晶薄片置于磁场B中，中，如果在它的两个纵向面如果在它的两个纵向面上通以一定大小的电流，上通以一定大小的电流，则在晶体的两个横向端则在晶体的两个横向端面之间出现电势面之间出现电势UH，叫，叫霍尔效应，产生的电势霍尔效应，产生的电势称为霍尔电势。称为霍尔电势。IBRVHH灵敏度常数灵敏度常数(2)霍尔电势的产生霍尔电势的产生： 将固定在弹性元件上的霍尔片将固定在弹性元件上的霍尔片放置在一非均匀磁场中，在这放置在一非均匀磁场中，在这区间，磁场强度具有均匀的梯区间，磁场强度具有均匀的梯度，当霍尔片在弹性元件的带度，当霍尔片在弹性元件的带动下偏

14、离正中位置，通过霍尔动下偏离正中位置，通过霍尔片的磁场强度发生变化，霍尔片的磁场强度发生变化，霍尔片就有正比于位移的霍尔电势片就有正比于位移的霍尔电势产生。产生。NSSNo 注意注意：RH受温度影响较大，在实际当中常采用恒温受温度影响较大，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。回路中串一温度补偿电桥。要注意减少由于霍尔片两电极不对称焊接引起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，电势输出不为尔片处于正中时，电势输出不为0。

15、 IBRVHH霍尔电势霍尔电势二压电式压力传感器二压电式压力传感器 压电效应压电效应：压电材料在受压时会在其表面：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产生电荷，产生的电荷量与所受的压力成正比。正比。o 压电材料压电材料：单晶体单晶体，例如石英、酒石酸钾，例如石英、酒石酸钾钠等钠等o 多晶体多晶体，例如压电陶瓷，在没有极化之前，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处理，经极化处理的压电陶瓷具有非常高

16、的压电系数，为石英的几百倍。的压电系数，为石英的几百倍。v 特点特点：结构简单、紧凑，：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，小巧轻便，工作可靠，具有线性度高量程范围具有线性度高量程范围大等优点。大等优点。v 缺点缺点：但是由于产生的：但是由于产生的电荷量少，因此后续需电荷量少，因此后续需加高阻抗的直流放大器。加高阻抗的直流放大器。由于晶体边缘上存在漏由于晶体边缘上存在漏电现象，因此不能用于电现象，因此不能用于稳态测量。稳态测量。压电式压力压电式压力传感器结构传感器结构二压电式压力传感器二压电式压力传感器三固体压阻式压力压差传感器三固体压阻式压力压差传感器1原理原理： 电阻的尺寸发生变化，例如电

17、阻的长度、横截面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。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。电阻的电阻率发生变化也将引起电阻阻值的变化。分类：分类：应变片应变片：受压时，电阻的尺寸：受压时，电阻的尺寸L、S发生变发生变化，引起电阻的变化。化，引起电阻的变化。 半导体扩散硅半导体扩散硅：在压力的作用下，电阻：在压力的作用下，电阻率发生变化。率发生变化。o 通常半导体扩散硅电阻变化的灵敏度要远远高于通常半导体扩散硅电阻变化的灵敏度要远远高于应变片，大约为应变片，大约为100100倍。倍。SLR/公式：公式：o 2 2膜片的应力分析

18、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（假设应力为正），周边区受压应力（应力为负），在负），在R=0处应力达到正的最大值，而在大约处应力达到正的最大值，而在大约距中心距中心60%的地方应力为的地方应力为0。注意注意：供给桥路的电流要恒定，即为一恒流源。输出供给桥路的电流要恒定，即为一恒流源。输出电压为电压为10-10010-100多毫伏，后续一般要加电压放大电路。多毫伏，后续一般要加电压放大电路。RIRRIRRIu0021021)()(RIRRIRRIu0021021)()(3电阻分布及测量桥

19、路电阻分布及测量桥路优点优点：温度补温度补偿，偿， 使输出信使输出信号加倍。号加倍。第五节第五节 压力检测仪表的选择与校验压力检测仪表的选择与校验一一压力检测仪表的选择压力检测仪表的选择 测压范围，测压范围，被测介质的物理化学性质，被测介质的物理化学性质，测试精度要求。测试精度要求。1.仪表量程选用仪表量程选用 为保证安全性，压力较稳定时，为保证安全性，压力较稳定时，最大工作压力最大工作压力不不超过仪表量程的超过仪表量程的3/4，压力波动较大时，最大工作，压力波动较大时，最大工作压力不超过仪表量程的压力不超过仪表量程的2/3。 为保证准确度，为保证准确度，最小工作压力最小工作压力不低于满量程的

20、不低于满量程的1/3。 2仪表精度的选择仪表精度的选择v 根据在测量时允许的最大测量误差选择仪表，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能可根据仪表的精度等级算出用该仪表测量可能引起的最大示值绝对误差。引起的最大示值绝对误差。v 另外在选择仪表时不需一味追求高精度，只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。要满足测量精度要求即可。弹簧管压力表量程和精度系列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，我国目前弹簧管压力表量程系列，1, 1.6, 2.5, 4.0, 6.0kPa以及以及10n倍倍 精度系列，精密表精度系列

21、，精密表 0.1, 0.16, 0.25, 0.4 工业表工业表 1.0, 1.5, 2.5例题例题：有一压力容器，压力范围有一压力容器，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量误差不大于被测压力的4%。30.60.8MPa4A 根据最大工作压力根据最大工作压力10.41.2MPa3A根据最小工作压力根据最小工作压力max0.4 4%0.016MPa被测压力的最大示值绝对误差被测压力的最大示值绝对误差max0.016100%

22、1.6%1.0所选仪表的基本误差所选仪表的基本误差所以可选择量程范围为所以可选择量程范围为01.0MPa弹簧管压力表弹簧管压力表可选择可选择1.5级的压力表级的压力表3仪表类型选择仪表类型选择被测介质压力大小被测介质压力大小，被测介质的性质，被测介质的性质，例如，氧气、乙炔都有例如，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，锈钢或其他耐腐蚀的材料，对仪表输出信号的要求对仪表输出信号的要求，例如是否需要为例如是否需要为电信号，电信号，使用环境。使用环境。 二压力表的安装二压力表的安装 气气 上部上部 防堵防堵 汽汽 侧上部侧上部

23、 防堵，防液，防气防堵，防液，防气 液液 侧下部侧下部 防堵，防汽防堵，防汽气气汽汽液液1取压口的选择取压口的选择o取压口位置取压口位置 n 稳定无涡流区（稳定无涡流区（直线管段，避开拐弯、分叉等直线管段，避开拐弯、分叉等）。）。n 除了被测介质以处，不接触其它物质除了被测介质以处，不接触其它物质n 不易堵塞不易堵塞o取压孔形状取压孔形状 n 孔径要小孔径要小n 要与壁面垂直要与壁面垂直n 孔口应无毛刺孔口应无毛刺1取压口的选择取压口的选择2导压管的敷设导压管的敷设为了使导压管正确传递压力或压差，应作到：为了使导压管正确传递压力或压差，应作到：导压管长度小于导压管长度小于50m50m，内径为，内径为6-10mm6-10mm。对于水平敷设，导压管要有对于水平敷设，导压管要有1:101:101:201:20的坡度，的坡度，测量液体介质时下坡，测量气体介质时上坡。测量液体介质时下坡，测量气体介质时上坡。3 3当被测介质易冷凝或冻结，必须当被测介质易冷凝或冻结，必须加装伴热管加装伴热管后后再行保温；当测量腐蚀性介质时，应再行保温；当测量腐蚀性介质时，应加装隔离加装隔离罐罐；当测量高温蒸气压力时，应；当测量高温蒸气压力时，应加装冷凝盘管加装冷凝盘管；测量含尘气体时，应测量含尘气体时，应加装灰尘捕集器加装灰尘捕集器；测量