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第5章:壓力測量,授課課時：2學(xué)時主要內(nèi)容：壓力測量的概述；壓力測量的意義。壓力測量方法及其壓力測量儀表的分類。液柱式壓力計、彈性壓力計、電氣式壓力計。壓力儀表的選擇、檢驗與安裝。各類壓力儀表的特點及使用場所。壓力測量在建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)的意義，各類測壓儀表的測壓原理，測壓儀表的結(jié)構(gòu)，壓力儀表的設(shè)計和選型。,,重點和難點:各類測壓儀表的測壓原理，測壓儀表的結(jié)構(gòu)，壓力儀表的設(shè)計和選型,測量壓儀表的測量原理。,主要章節(jié),5.1概述5.2液柱式壓力計5.3彈性壓力計5.4電氣式壓力檢測5.5壓力檢測儀表的應(yīng)用與校準,壓力垂直作用于物體表面上的力壓強垂直作用于單位面積物體表面上的力在建筑環(huán)境與設(shè)備的測試中，并不嚴格區(qū)分壓力和壓強。通常所說的壓力實際上是指壓強。壓差測量兩個壓力之差稱壓差表壓力壓力儀表指示的壓力值缺省情況下，所說的壓力值即指表壓力表壓力可正可負，為負時其絕對值稱為真空度。,5.1概述,,1、基本概念,帕(Pa)N/m2，國際單位兆帕(MPa)106Pa工程大氣壓，kgf/cm2，98070Pa約等于一個大氣壓（1.013e+5Pa)，“自來水壓頭是5公斤”，用的就是這個單位。mmH2O，9.81PammHg，133Pa,壓力單位,2、壓力測量儀表的分類,1）液柱式壓力計2）彈性式壓力計3）電氣式壓力計4）活塞式壓力計,5.2液柱式壓力計,1、分類U型管壓力計單管壓力計斜管式微壓計特點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，準確度比較高，常用于測量低壓、負壓、差壓。缺點：體積大，讀數(shù)不方便，玻璃管易損壞。,1）U型管壓力計,假設(shè)被測的介質(zhì)為氣體，可忽略被測介質(zhì)的高度形成的靜壓值。根據(jù)流體靜力學(xué)原理可得：,U型管內(nèi)徑一般為5-20mm，為了減少毛細現(xiàn)象管子內(nèi)徑一般不少于10mm，,,2）單管式壓力計,因為A1、A2為常數(shù)，這樣可通過一次讀數(shù)進行壓差測量。當(dāng)A2/A1很小時，h1可忽略，公式簡化為：,Pd,,,,,,,,,Px,直管,,,,,,,,,h1,h2,3）斜管式微壓計,P1,主要用于測量微小的壓力、負壓和壓差。為了減少讀數(shù)的相對誤差，拉長液柱，將測量管傾斜放置。,2、液柱式壓力計的測量誤差及其修正,環(huán)境溫度變化的影響及修正對于一般的工業(yè)測量，主要考慮工作液密度變化對壓力測量的影響。修正公式為：,重力加速度變化的影響及修正,標準重力加速度下的工作液柱高度,使用地點的工作液柱高度,,3．毛細現(xiàn)象的影響為了減少該誤差，通常要求測量管的內(nèi)徑一般不小于10mm。,問題？,斜管式微壓計用水作介質(zhì)，可以嗎？液柱式壓力計，水作工作介質(zhì)，為了便于讀數(shù)，在水中加入紅墨水，可以嗎？斜管式微壓計，測量時看不到液柱，是怎么回事？,5.3彈性式壓力計,,原理：彈性壓力表是利用各種不同形狀彈性感壓元件在被測壓力的作用下，產(chǎn)生彈性變形制成的測壓儀表特點：結(jié)構(gòu)簡單、牢固可靠、測壓范圍廣、使用方便、造價低廉、有足夠的精度，可遠傳常用彈性壓力表：彈簧管式膜片（盒）式波紋管式,,,1．彈性元件及其特性,1）膜片：使用時周邊夾緊，測低壓、微壓。將兩塊膜片沿周邊對焊起來，形成一膜盒，膜盒式微壓計通常用于測量爐膛和煙道尾部負壓。精度等級為2.5，最高可達1.5級。,2）波紋管：開口端固定，封閉端的位移作為輸出，由于波紋管的位移相對較大，故靈敏度高，常用于測量較低的壓力（1.0-106Pa）精度等級1.5級。,3）彈簧管：單圈彈簧管多圈彈簧管,,,假設(shè)被測壓力大于外界大氣壓力，產(chǎn)生短軸變長，長軸變短的彈性形變，使管子在彎曲方向上的剛度增大，自由端向管子伸直的方向運動。對應(yīng)的幾何分析如下：,彈簧管是怎樣產(chǎn)生形變的呢？,兩式相減:,因為：,可得:,R1,,,R2,彈簧管在量程范圍內(nèi)自由端的位移一般為7-8o，彈簧管作成多圈時，自由端的位移可達45o。彈簧管的自由端的位移可通過杠桿機構(gòu)帶動指針轉(zhuǎn)動，這種機構(gòu)的指針最大轉(zhuǎn)角為180o，通常作成90度的回轉(zhuǎn)角。最常用的傳動機構(gòu)為杠桿—扇形齒輪機構(gòu)，可使指針轉(zhuǎn)動270o。,電接點壓力表：不僅可實現(xiàn)壓力的測量，而且可實現(xiàn)壓力的報警和控制。,5.4電氣式壓力檢測,1.位移式壓力壓差變送器：將彈性元件的位移轉(zhuǎn)變成電信號。,1）電容式壓力壓差變送器：采取差動電容方式。膜片d7.5—75，δ0.05—0.2，maxΔd=0.1mm。,特點：靈敏度高、精度高，精度可達0.2、0.25，穩(wěn)定可靠。尤適用于測高靜壓微壓差的場合。,由C1、C2可得,設(shè)測量膜片在Δp作用下的位移Δd，Δd=k1Δp。,2）霍爾壓力變送器,（1）霍爾效應(yīng)：把半導(dǎo)體單晶薄片置于磁場B中，如果在它的兩個縱向面上通以一定大小的電流，則在晶體的兩個橫向端面之間出現(xiàn)電勢UH，叫霍爾效應(yīng)，產(chǎn)生的電勢稱為霍爾電勢。,靈敏度常數(shù),(2)霍爾電勢的產(chǎn)生：將固定在彈性元件上的霍爾片放置在一非均勻磁場中，在這區(qū)間，磁場強度具有均勻的梯度，當(dāng)霍爾片在彈性元件的帶動下偏離正中位置，通過霍爾片的磁場強度發(fā)生變化，霍爾片就有正比于位移的霍爾電勢產(chǎn)生。,注意：1)RH受溫度影響較大，在實際當(dāng)中常采用恒溫措施或采用溫度補償措施，例如在電勢輸出回路中串一溫度補償電橋。2)要注意減少由于霍爾片兩電極不對稱焊接引起的不等位電勢，因不等位電勢的存在，使霍爾片處于正中時，電勢輸出不為0。,2.壓電式壓力傳感器,壓電效應(yīng)：壓電材料在受壓時會在其表面產(chǎn)生電荷，產(chǎn)生的電荷量與所受的壓力成正比。壓電材料：單晶體，例如石英、酒石酸鉀鈉等多晶體，例如壓電陶瓷，在沒有極化之前，因各單晶體的壓電效應(yīng)都互相抵消表現(xiàn)為電中性，為此必須對壓電陶瓷先進行極化處理，經(jīng)極化處理的壓電陶瓷具有非常高的壓電系數(shù)，為石英的幾百倍。,特點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，小巧輕便，工作可靠，具有線性度高量程范圍大等優(yōu)點。缺點：但是由于產(chǎn)生的電荷量少，因此后續(xù)需加高阻抗的直流放大器。由于晶體邊緣上存在漏電現(xiàn)象，因此不能用于穩(wěn)態(tài)測量。,壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu),3.固體壓阻式壓力壓差傳感器,1）原理：電阻的尺寸發(fā)生變化，例如電阻的長度、橫截面積發(fā)生變化將引起電阻的變化。電阻的電阻率發(fā)生變化也將引起電阻阻值的變化。分類：①應(yīng)變片：受壓時，電阻的尺寸L、S發(fā)生變化，引起電阻的變化。②半導(dǎo)體擴散硅：在壓力的作用下，電阻率發(fā)生變化。通常半導(dǎo)體擴散硅電阻變化的靈敏度要遠遠高于應(yīng)變片，大約為100倍。,公式：,2）膜片的應(yīng)力分析其膜片受到從下向上的壓力時，中心區(qū)受拉應(yīng)力（假設(shè)應(yīng)力為正），周邊區(qū)受壓應(yīng)力（應(yīng)力為負），在R=0處應(yīng)力達到正的最大值，而在大約距中心60%的地方應(yīng)力為0。,優(yōu)點：①溫度補償，②使輸出信號加倍。注意：供給橋路的電流要恒定，即為一恒流源。輸出電壓為10-100多毫伏，后續(xù)一般要加電壓放大電路。,,3）電阻分布及測量橋路,5.5壓力檢測儀表的選擇與校驗,1.壓力檢測儀表的選擇①測壓范圍，②被測介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)，③測試精度要求。,1）儀表量程選用為保證安全性，壓力較穩(wěn)定時，最大工作壓力不超過儀表量程的3/4，壓力波動較大時，最大工作壓力不超過儀表量程的2/3。為保證準確度，最小工作壓力不低于滿量程的1/3。,2）儀表精度的選擇,根據(jù)在測量時允許的最大測量誤差選擇儀表，可根據(jù)儀表的精度等級算出用該儀表測量可能引起的最大示值絕對誤差。另外在選擇儀表時不需一味追求高精度，只要滿足測量精度要求即可。,彈簧管壓力表量程和精度系列,我國目前彈簧管壓力表量程系列，1,1.6,2.5,4.0,6.0kPa以及10n倍精度系列，精密表0.1,0.16,0.25,0.4工業(yè)表1.0,1.5,2.5,,例題：有一壓力容器，壓力范圍0.4~0.6MPa，壓力變化速度較緩，不要求遠傳。試選擇壓力儀表（給出量程和精度等級）測量該壓力，測量誤差不大于被測壓力的4%。,,根據(jù)最大工作壓力,根據(jù)最小工作壓力,被測壓力的最大示值絕對誤差,所選儀表的基本誤差,所以可選擇量程范圍為0—1.0MPa彈簧管壓力表,可選擇1.5級的壓力表,3）儀表類型選擇①被測介質(zhì)壓力大小，②被測介質(zhì)的性質(zhì)，例如，氧氣、乙炔都有專門的測量儀表，對腐蝕性介質(zhì)要采用不銹鋼或其他耐腐蝕的材料，③對儀表輸出信號的要求，例如是否需要為電信號，④使用環(huán)境。,2.壓力表的校驗,活塞式靜重壓力計,工作原理：加壓泵壓縮活塞內(nèi)的介質(zhì)，使其具有壓力P，這個壓力作用到活塞的有效面積F上形成向上的作用力FP，當(dāng)此力與活塞、承重盤、砝碼的總重量G平衡時，那么介質(zhì)的壓力P=G/F，F(xiàn)為有效面積，計算公式為：,其中，R為活塞半徑，h為活塞與活塞缸之間的徑向間隙?；钊麎毫τ嫷挠行娣e在銘牌或檢定書上給出，一般為1cm2、0.1cm2。注意：活塞與活塞缸、承重盤、砝碼必須配套使用，不能與其他壓力計互換。,3．壓力表的安裝1）取壓口的選擇,氣上部防堵汽側(cè)上部防堵，防液，防氣液側(cè)下部防堵，防汽,取壓口位置穩(wěn)定無渦流區(qū)（直線管段，避開拐彎、分叉等）。除了被測介質(zhì)以處，不接觸其它物質(zhì)不易堵塞取壓孔形狀孔徑要小要與壁面垂直孔口應(yīng)無毛刺,2）導(dǎo)壓管的敷設(shè)，為了使導(dǎo)壓管正確傳遞壓力或壓差，應(yīng)作到：①導(dǎo)壓管長度小于50m，內(nèi)徑為6-10mm。②對于水平敷設(shè)，導(dǎo)壓管要有1：10～1：20的坡度，測量液體介質(zhì)時下坡，測量氣體介質(zhì)時上坡。3）當(dāng)被測介質(zhì)易冷凝或凍結(jié)，必須加裝伴熱管后再行保溫；當(dāng)測量腐蝕性介質(zhì)時，應(yīng)加裝隔離罐；當(dāng)測量高溫蒸氣壓力時，應(yīng)加裝冷凝盤管；測量含塵氣體時，應(yīng)加裝灰塵捕集器；測量高于60度的介質(zhì)時，應(yīng)加裝環(huán)行圈；,4）當(dāng)測量液體壓力時，在導(dǎo)壓管系統(tǒng)最高處應(yīng)安裝集氣瓶；當(dāng)測量氣體壓力有可能有液體冷凝時，在導(dǎo)壓管系統(tǒng)最低處應(yīng)加裝水分離器；當(dāng)被測介質(zhì)有可能產(chǎn)生沉淀時，應(yīng)在儀表前安裝沉降器。5）取壓口與壓力表之間應(yīng)加裝隔離閥。6）在測量較小壓力時，若儀表與取壓口不在同一水平高度，則應(yīng)對測壓進行校正。,討論題,1．試述差壓式流量計的基本組成及測試原理及使用特點。2．彈性壓力計常用彈性元件有哪幾種？各使用什么壓力范圍？。,課后小結(jié),通過本章學(xué)習(xí)同學(xué)們掌握了壓力測量方法及其壓力測量儀表的分類。液柱式壓力計、彈性壓力計、電氣式壓力計。壓力儀表的選擇，了解了壓力儀表的檢驗與安裝。熟悉了各類壓力儀表的特點及使用場所,