ch4压力与流量的测量

第4章压力与流量的测量压力的表示方法及单位4.1压力传感器4.2压力仪表的选择和使用4.3流量的测量4.44.1压力的表示方法及单位一、压力的基本概念1.定义：

指液体、气体或蒸汽介质垂直并且均匀作用于单位面积上的力。在工程上习惯称为压力。根据定义，压力可用公式表示。2.压力的表达式式中:F—物体上所作用的力，N；

A—力作用的面积，m2；

p—压力，Pa。4.1压力的表示方法及单位二、压力的单位在国际单位制中，压力的单位为帕斯卡，简称为帕，符号为Pa，其物理意义为，在每平方米的面积上垂直作用1牛顿的力。即1Pa=1N/m2。除了上述法定单位外，目前国内外还使用一些非法定单位。

1.标准大气压

标准大气压也称物理大气压，其符号为atm。它是指海平面上温度为0℃，水银密度为1.35951×104kg/m3，以及重力加速度为9.80665m/s2时760mm高水银柱所产生的压力。4.1压力的表示方法及单位

2.工程大气压

1kgf力均匀而垂直地作用在1cm2面积上所产生的压力，即1kgf/cm2。

3.毫米汞柱

1毫米汞柱是指温度为0℃，重力加速度为9.80665m/s2时，1mm高水银柱所产生的压力，其符号为mmHg。

4.毫米水柱

1毫米水柱是指温度为4℃，（水的密度为1000kg/m3），重力加速度为9.80665m/s2时，1mm高水柱所产生的压力，其符号为mmH2O。4.1压力的表示方法及单位

5.巴与国际单位并用的单位。常用毫巴。其符号为bar。

1bar=105Pa，1Pa=102毫巴6.磅力/英寸2

这是使用英制单位制国家常用的压力单位之一，常用英文psi表示。

帕（Pa）巴(bar)标准大气压（atm）工程大气压(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标准大气压（atm）1.01325×1051.0132511.033230.76×10314.696工程大气压(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压力的表示方法及单位4.1压力的表示方法及单位三、压力的分类在工程技术上，为了使用方便，在不同的场合使用不同的压力。1.大气压力指由空气重量所产生的压力。大气压力随气象情况、海拔高度和地理纬度等不同而改变。我们所处的环境中到处都有大气压力的作用。4.1压力的表示方法及单位2.绝对压力指测定点的真正压力，以零做参考压力的差压。也就是指测定点的实际压力。3.相对压力指测定点的绝对压力与当时当地大气压力的差值。当绝对压力大于大气压力时，其相对压力称为表压力；当绝对压力小于大气压力时，其相对压力称为真空度或负压力。

PPAPCPBP’0p—高于大气压力的绝对压力；p′—低于大气压力的绝对压力；pA—大气压力；pB—真空度或负压力；pC—表压力。各种压力间的关系如图所示。4.1压力的表示方法及单位4.2压力传感器4.2压力传感器4.2压力传感器4.2压力传感器一、弹性式压力计它是以弹性元件受压后，所产生的弹性变形作为测量基础的。它具有以下特点：1.特点

优点：结构简单，价格低廉，现场使用和维修方便，压力测量范围宽。

缺点：该型压力计的性能主要与弹性元件的特性有关。与材料、加工方法和热处理质量有关，对温度的敏感性较强。4.2压力传感器2.弹性式压力计类型：（1）单圈弹簧管（2）多圈弹簧管（3）波纹管（4）平薄膜（5）挠性膜等

典型元件为：波登管、膜片、波纹管4.2压力传感器4.2压力传感器3.测压原理（单圈弹簧管为例）

图中，A—弹簧管的固定端；

B—弹簧管的自由端；

O—弹簧管的中心轴；

Δγ—弹簧管中心角的变化量；

γ—弹簧管中心角的初始值；

R、r—弹簧管弯曲圆弧的外半径和内半径；

a、b—弹簧管椭圆截面的长半轴和短半轴；4.2压力传感器结论：①中心角变化量Δγ随椭圆短轴b的减小而增大，如果b=a，则Δγ将等于零，即具有均匀壁厚的圆形弹簧管不能用做测压元件。②因为Δγ与中心角的初值γ成正比，（一般取γ=270°）所以为了增大弹簧管受压变形时的位移量，可采用多圈弹簧管结构，其基本原理与单圈弹簧管相同4.2压力传感器③Δγ还与弹性材料的性质、几何尺寸等因素有关，例如Δγ与弹簧管的刚度有关。

刚度大的弹簧管受压后变形小，可测量较高的压力；反之亦然，而刚度大小有与管壁厚度和材料弹性有关。管壁厚刚度大，管壁薄刚度小，磷青铜、不锈钢做的弹簧管刚度大，可用来测高压；磷铜、黄铜做的弹簧管刚度小，可用来测低压。弹簧管式压力表4.2压力传感器4.2压力传感器二、霍尔式压力传感器利用半导体材料的霍尔效应构成。将弹簧管的位移转换成霍尔片输出的霍尔电势。实质上是一个位移—电势转换装置。弹簧管自由端连一霍尔片（半导体材料）使霍尔片处于一个线性非均匀磁场中。弹簧管霍尔片

K——霍尔式压力传感器输出系数

χ——自由端霍尔元件的位移量磁钢4.2压力传感器4.2压力传感器

主要组成：弹性元件、霍尔元件和一对永久磁钢组成。

弹性元件：弹簧管，自由端放在霍尔片下面。

霍尔元件：一端通以直流电，另一端输出霍尔电势。

永久磁钢：通过磁钢的磁场强度相同，而异极相对。4.2压力传感器主要性能：①测量范围0-0.1MPa至0-60MPa；②输出电信号0-30mVD.C.③精度等级1.5级④使用温度-10-45℃4.2压力传感器三、应变式压力传感器应变式压力传感器具有精度高0.03％～2％、体积小、重量轻、测量范围宽、变形位移小（0.1mm～0.5mm）等优点，同时抗振动、抗冲击性能良好。可作为精密压力表使用，可以在高温下（<1500℃）对腐蚀介质进行压力测量。缺点：输出信号比较小，受温度影响较大，并且温度补偿较繁琐。4.2压力传感器①弹性梁式：测量范围：-0.1~0至0~0.6MPa。精度等级：0.3级适用温度：-10~35℃4.2压力传感器②应变筒式：测量范围：0~50MPa至0~0.6MPa。精度等级：1级适用温度：

-10~50℃（强制水冷<1500℃；强制风冷<1800℃4.2压力传感器

固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。硅平膜片在圆形硅杯底部，其两边有两个压力腔，分别输入被测差压或被测压力与参考压力。髙压腔接被测压力，低压腔与大气连通或接参考压力。四、压阻式压力传感器4.2压力传感器4.2压力传感器用于表压及绝压测量传感器表面生成集成化的惠斯登电桥,压力作用使传感器表面产生形变,该形变引起可变电阻桥臂的失衡,电桥的失衡电流经放大处理,处理后的信号经A/D转换送往微处理器进行量化,量化数据经D/A电路转换为4-20mA的信号。Pressure4.2压力传感器4.2压力传感器压阻式压力传感器的特点:(1)灵敏度高，频率响应高，动态特性好；(2)测量范围宽，可测低至10Pa的微压到高至60MPa的高压；(3)精度高，工作可靠，其精度可达±0.2％～0.02％；(4)易于微小型化，国内已有直径φ1.8～2mm的传感器。(5)敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数的大小。4.3压力测量仪表的选择和使用一、压力计的选择1.选择内容压力计的选择应根据使用要求，针对具体情况做具体分析。应在符合工艺过程、工作过程所提出的技术要求的情况下，本着节约的原则，合理地选择压力计的种类、仪表型号、量程和准确度等级。

4.3压力测量仪表的选择和使用2.选用根据（1）生产过程中对压力测量的要求。如被测压力范围、测量精度以及附加装置的要求等。（2）被测介质的性质。例如被测介质温度高低、粘度大小、腐蚀性程度、脏污程度、易燃、易爆等。（3）现场环境条件。如高温、腐蚀、潮湿、振动等。

4.3压力测量仪表的选择和使用

3.测量范围的选择（量程的选择）一般在被测压力较稳定时，最大压力值应不超过满量程的3/4，在被测压力波动较大的情况下，最大压力值应不超过满量程的2/3。为保证测量精度，被测压力最小值应不低于全量程的1/3。

Pmax≤3/4满量程，

Pmax≤2/3满量程

Pmin≥1/3满量程4.3压力测量仪表的选择和使用Δx=x—x0=准确度×（标尺上限—标尺下限）式中，Δx—绝对误差；

x—实际读数（测量值）

x0—理论值（真值）。

4、精度等级的选择4.3压力测量仪表的选择和使用已知测量某蒸汽压力为（0.2-0.4）MPa，要求最大测量误差小于0.01MPa，如何选择压力表。

x=0.6MPa应选择单圈弹簧管压力计，其测量范围在（0-0.6MPa）的压力表。

4.3压力测量仪表的选择和使用精度等级的选择所以选择1.5级的压力表若设x0=0.2MPa4.3压力测量仪表的选择和使用二、压力计的使用1.测量点的选择

①所选测量点应代表被测压力的真实情况。因此，取压点不能处于流束紊乱的地方，即要选在管道的直线部分，也就是离局部阻力较远的地方。一般对于泵的取压点应在泵出口和入口管径的2d~4d位置处。对于有弯头的则更要远一些，一般是4d~6d处4.3压力测量仪表的选择和使用②导压管最好不伸入被测对象内部，而在管壁上开一个形状规则的取压孔，再接上导压管。当一定要插入对象内部时，其管口平面应严格与流体流动方向平行，如下图。如图c、d那样放置就会导致错误的结果。导压管端部要光滑，不应有突出物或毛刺。4.3压力测量仪表的选择和使用

③取压点一般要求在水平管道上（除特殊情况），且测量液体压力时，取压点应在管道下部，使导压管内不积存气体；测量气体时，取压点应在管道上部，使导压管内不积存液体。2.导压管的铺设①导压管内径一般为6-10mm，长度L≤50mm。②铺设导压管对水平有1：10-1:20的斜度，以利于导压管内流体的排出。

4.3压力测量仪表的选择和使用③需装排水阀及排气阀。介质为气体时，在最低处装排水阀。介质为液体时，在最高处装排气阀。④对易冷凝或冻结的流体要加保温设备。⑤在靠近取压口的地方装截止阀，以备检修压力计时使用。4.3压力测量仪表的选择和使用3.压力计的安装①测量蒸汽压力时，应装冷凝器和冷凝管。②当被测流体有腐蚀性、易冻结、易析出固体或是高粘度时，应采用隔离器和隔离液，以免破坏差压计或差压变送器的工作性能。

隔离液应选择沸点高、凝固点低、化学与物理性能稳定的液体如甘油、乙醇等。③安装时应避免温度和振动的影响。4.3压力测量仪表的选择和使用3.压力计的安装4.4流量的测量一、概念1.流量：瞬时流量:是指单位时间内流过管道某一截面的流体数量的多少。体积流量：用“Q”表示。m3/hm3/s质量流量：用“M”表示T/hKg/hM=ρQ实际应用中有重量流量：G=Qγγ—流体重度。ρ—流体密度。γ=ρg2．累计流量：在一段时间内，流经管道的液体总量。单位：m3

、Kg、t等4.4流量的测量二、流量测量的应用及发展（1）水、煤气的计量。（2）油品的计量。（3）在工程应用上，如汽车的耗油量，液压泵，马达性能研究中。4.4流量的测量三、测量方法的选择目前的流量测量极其复杂多样，用一种或几种流量测量方法根本不可能完成所有流量的测量，应根据以下原则来选择相应的测量方法。

选取原则：

(1)测量目的。

(2)流体种类、流动状态。

(3)测量场所。4.4流量的测量四、流量计的分类流量计的分类方法：

1.按测量单位分：质量流量计体积流量计

2.按测量原理分：容积式流量计速度式流量计

3.按测量方法分：直接式流量计间接式流量计

4.4流量的测量4.4流量的测量4.4流量的测量转子流量计

转子流量计也叫做面积式流量计或浮子式流量计。也是一种利用流体流动的节流原理为基础的流量测量仪表。

转子流量计一、转子流量计的特点：1.优点①结构简单，工作可靠；②压力损失小而且恒定；③反应灵敏；④量程比宽；⑤示值清晰；⑥界限雷诺数低，具有线性刻度；⑦可测小流量；零点几升每小时；⑧价格便宜。2.缺点：耐压能力差，玻璃管易碎。转子流量计二、转子流量计的组成及工作原理（1）一段垂直安装并向上渐扩的圆锥形管。（2）随被测介质流量大小做上下浮动的转子。重力=浮力+压力差转子流量计流量与转子高度之间的关系为：α：与转子形状、尺寸等有关系的流量系数；C:与圆锥管锥度有关的比例系数H:转子在管中的高度Vf—转子体积γf

、γ—分别为转子材料和流体的重度Af—转子的有效横截面积

它是一种容积式流量计，用于测量各种液体特别是高粘度液体的流量。1.流量计测量部分的组成椭圆形齿轮、轴和壳体三部分组成。2.流量计的工作原理当被测流体流经椭圆齿轮流量计时，由于进出口处存在压力差，流体将带动椭圆齿轮旋转。椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计3.椭圆齿轮流量计体积流量计算：n——椭圆齿轮旋转的转数；

v0——月牙形部分的容积椭圆齿轮流量计4.椭圆齿轮流量计的记数和显示

外伸轴带有机械计数器，由它的读数可确定流过流量计的流体总量。结合秒表计时可得到平均流量。外伸轴带有测速发电机、光电码盘等测速传感器可以测得电信号，便于远程传送、处理及数字显示。椭圆齿轮流量计5.椭圆齿轮流量计的特点

a.测量过程与流体的流动状态（雷诺数）和粘度无关。

b.流体的粘度与泄露量有关，它们之间是反比关系，因而，特别适合测量高粘度的流体。

c.测量精度较高，最