安徽建筑工程學(xué)院建筑環(huán)境測(cè)試技術(shù).ppt
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第5章:壓力測(cè)量,授課課時(shí):2學(xué)時(shí)主要內(nèi)容:壓力測(cè)量的概述;壓力測(cè)量的意義。壓力測(cè)量方法及其壓力測(cè)量?jī)x表的分類。液柱式壓力計(jì)、彈性壓力計(jì)、電氣式壓力計(jì)。壓力儀表的選擇、檢驗(yàn)與安裝。各類壓力儀表的特點(diǎn)及使用場(chǎng)所。壓力測(cè)量在建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)的意義,各類測(cè)壓儀表的測(cè)壓原理,測(cè)壓儀表的結(jié)構(gòu),壓力儀表的設(shè)計(jì)和選型。,,重點(diǎn)和難點(diǎn):各類測(cè)壓儀表的測(cè)壓原理,測(cè)壓儀表的結(jié)構(gòu),壓力儀表的設(shè)計(jì)和選型,測(cè)量壓儀表的測(cè)量原理。,主要章節(jié),5.1概述5.2液柱式壓力計(jì)5.3彈性壓力計(jì)5.4電氣式壓力檢測(cè)5.5壓力檢測(cè)儀表的應(yīng)用與校準(zhǔn),壓力垂直作用于物體表面上的力壓強(qiáng)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(cè)試中,并不嚴(yán)格區(qū)分壓力和壓強(qiáng)。通常所說(shuō)的壓力實(shí)際上是指壓強(qiáng)。壓差測(cè)量?jī)蓚€(gè)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(shuō)的壓力值即指表壓力表壓力可正可負(fù),為負(fù)時(shí)其絕對(duì)值稱為真空度。,5.1概述,,1、基本概念,帕(Pa)N/m2,國(guó)際單位兆帕(MPa)106Pa工程大氣壓,kgf/cm2,98070Pa約等于一個(gè)大氣壓(1.013e+5Pa),“自來(lái)水壓頭是5公斤”,用的就是這個(gè)單位。mmH2O,9.81PammHg,133Pa,壓力單位,2、壓力測(cè)量?jī)x表的分類,1)液柱式壓力計(jì)2)彈性式壓力計(jì)3)電氣式壓力計(jì)4)活塞式壓力計(jì),5.2液柱式壓力計(jì),1、分類U型管壓力計(jì)單管壓力計(jì)斜管式微壓計(jì)特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便,準(zhǔn)確度比較高,常用于測(cè)量低壓、負(fù)壓、差壓。缺點(diǎn):體積大,讀數(shù)不方便,玻璃管易損壞。,1)U型管壓力計(jì),假設(shè)被測(cè)的介質(zhì)為氣體,可忽略被測(cè)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(xì)現(xiàn)象管子內(nèi)徑一般不少于10mm,,,2)單管式壓力計(jì),因?yàn)锳1、A2為常數(shù),這樣可通過(guò)一次讀數(shù)進(jìn)行壓差測(cè)量。當(dāng)A2/A1很小時(shí),h1可忽略,公式簡(jiǎn)化為:,Pd,,,,,,,,,Px,直管,,,,,,,,,h1,h2,3)斜管式微壓計(jì),P1,主要用于測(cè)量微小的壓力、負(fù)壓和壓差。為了減少讀數(shù)的相對(duì)誤差,拉長(zhǎng)液柱,將測(cè)量管傾斜放置。,2、液柱式壓力計(jì)的測(cè)量誤差及其修正,環(huán)境溫度變化的影響及修正對(duì)于一般的工業(yè)測(cè)量,主要考慮工作液密度變化對(duì)壓力測(cè)量的影響。修正公式為:,重力加速度變化的影響及修正,標(biāo)準(zhǔn)重力加速度下的工作液柱高度,使用地點(diǎn)的工作液柱高度,,3.毛細(xì)現(xiàn)象的影響為了減少該誤差,通常要求測(cè)量管的內(nèi)徑一般不小于10mm。,問(wèn)題?,斜管式微壓計(jì)用水作介質(zhì),可以嗎?液柱式壓力計(jì),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(jì),測(cè)量時(shí)看不到液柱,是怎么回事?,5.3彈性式壓力計(jì),,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(cè)壓力的作用下,產(chǎn)生彈性變形制成的測(cè)壓儀表特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固可靠、測(cè)壓范圍廣、使用方便、造價(jià)低廉、有足夠的精度,可遠(yuǎn)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(shí)周邊夾緊,測(cè)低壓、微壓。將兩塊膜片沿周邊對(duì)焊起來(lái),形成一膜盒,膜盒式微壓計(jì)通常用于測(cè)量爐膛和煙道尾部負(fù)壓。精度等級(jí)為2.5,最高可達(dá)1.5級(jí)。,2)波紋管:開(kāi)口端固定,封閉端的位移作為輸出,由于波紋管的位移相對(duì)較大,故靈敏度高,常用于測(cè)量較低的壓力(1.0-106Pa)精度等級(jí)1.5級(jí)。,3)彈簧管:?jiǎn)稳椈晒芏嗳椈晒?,,假設(shè)被測(cè)壓力大于外界大氣壓力,產(chǎn)生短軸變長(zhǎng),長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)。對(duì)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?yàn)椋?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(shí),自由端的位移可達(dá)45o。彈簧管的自由端的位移可通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng),這種機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)為杠桿—扇形齒輪機(jī)構(gòu),可使指針轉(zhuǎn)動(dòng)270o。,電接點(diǎn)壓力表:不僅可實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量,而且可實(shí)現(xiàn)壓力的報(bào)警和控制。,5.4電氣式壓力檢測(cè),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(hào)。,1)電容式壓力壓差變送器:采取差動(dòng)電容方式。膜片d7.5—75,δ0.05—0.2,maxΔd=0.1mm。,特點(diǎn):靈敏度高、精度高,精度可達(dá)0.2、0.25,穩(wěn)定可靠。尤適用于測(cè)高靜壓微壓差的場(chǎng)合。,由C1、C2可得,設(shè)測(cè)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(chǎng)B中,如果在它的兩個(gè)縱向面上通以一定大小的電流,則在晶體的兩個(gè)橫向端面之間出現(xiàn)電勢(shì)UH,叫霍爾效應(yīng),產(chǎn)生的電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)。,靈敏度常數(shù),(2)霍爾電勢(shì)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(chǎng)中,在這區(qū)間,磁場(chǎng)強(qiáng)度具有均勻的梯度,當(dāng)霍爾片在彈性元件的帶動(dòng)下偏離正中位置,通過(guò)霍爾片的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化,霍爾片就有正比于位移的霍爾電勢(shì)產(chǎn)生。,注意:1)RH受溫度影響較大,在實(shí)際當(dāng)中常采用恒溫措施或采用溫度補(bǔ)償措施,例如在電勢(shì)輸出回路中串一溫度補(bǔ)償電橋。2)要注意減少由于霍爾片兩電極不對(duì)稱焊接引起的不等位電勢(shì),因不等位電勢(shì)的存在,使霍爾片處于正中時(shí),電勢(shì)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(shí)會(huì)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:?jiǎn)尉w,例如石英、酒石酸鉀鈉等多晶體,例如壓電陶瓷,在沒(méi)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(duì)壓電陶瓷先進(jìn)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(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)。缺點(diǎn):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(cè)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(zhǎng)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(shí),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(kuò)散硅:在壓力的作用下,電阻率發(fā)生變化。通常半導(dǎo)體擴(kuò)散硅電阻變化的靈敏度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí),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(fù)),在R=0處應(yīng)力達(dá)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(diǎn):①溫度補(bǔ)償,②使輸出信號(hào)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(cè)量橋路,5.5壓力檢測(cè)儀表的選擇與校驗(yàn),1.壓力檢測(cè)儀表的選擇①測(cè)壓范圍,②被測(cè)介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì),③測(cè)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(shí),最大工作壓力不超過(guò)儀表量程的3/4,壓力波動(dòng)較大時(shí),最大工作壓力不超過(guò)儀表量程的2/3。為保證準(zhǔn)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(cè)量時(shí)允許的最大測(cè)量誤差選擇儀表,可根據(jù)儀表的精度等級(jí)算出用該儀表測(cè)量可能引起的最大示值絕對(duì)誤差。另外在選擇儀表時(shí)不需一味追求高精度,只要滿足測(cè)量精度要求即可。,彈簧管壓力表量程和精度系列,我國(guó)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(yuǎn)傳。試選擇壓力儀表(給出量程和精度等級(jí))測(cè)量該壓力,測(cè)量誤差不大于被測(cè)壓力的4%。,,根據(jù)最大工作壓力,根據(jù)最小工作壓力,被測(cè)壓力的最大示值絕對(duì)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(jí)的壓力表,3)儀表類型選擇①被測(cè)介質(zhì)壓力大小,②被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì),例如,氧氣、乙炔都有專門的測(cè)量?jī)x表,對(duì)腐蝕性介質(zhì)要采用不銹鋼或其他耐腐蝕的材料,③對(duì)儀表輸出信號(hào)的要求,例如是否需要為電信號(hào),④使用環(huán)境。,2.壓力表的校驗(yàn),活塞式靜重壓力計(jì),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(gè)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(shí),那么介質(zhì)的壓力P=G/F,F(xiàn)為有效面積,計(jì)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。活塞壓力計(jì)的有效面積在銘牌或檢定書(shū)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(jì)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(wú)渦流區(qū)(直線管段,避開(kāi)拐彎、分叉等)。除了被測(cè)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(wú)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(zhǎng)度小于50m,內(nèi)徑為6-10mm。②對(duì)于水平敷設(shè),導(dǎo)壓管要有1:10~1:20的坡度,測(cè)量液體介質(zhì)時(shí)下坡,測(cè)量氣體介質(zhì)時(shí)上坡。3)當(dāng)被測(cè)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(cè)量腐蝕性介質(zhì)時(shí),應(yīng)加裝隔離罐;當(dāng)測(cè)量高溫蒸氣壓力時(shí),應(yīng)加裝冷凝盤管;測(cè)量含塵氣體時(shí),應(yīng)加裝灰塵捕集器;測(cè)量高于60度的介質(zhì)時(shí),應(yīng)加裝環(huán)行圈;,4)當(dāng)測(cè)量液體壓力時(shí),在導(dǎo)壓管系統(tǒng)最高處應(yīng)安裝集氣瓶;當(dāng)測(cè)量氣體壓力有可能有液體冷凝時(shí),在導(dǎo)壓管系統(tǒng)最低處應(yīng)加裝水分離器;當(dāng)被測(cè)介質(zhì)有可能產(chǎn)生沉淀時(shí),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(cè)量較小壓力時(shí),若儀表與取壓口不在同一水平高度,則應(yīng)對(duì)測(cè)壓進(jìn)行校正。,討論題,1.試述差壓式流量計(jì)的基本組成及測(cè)試原理及使用特點(diǎn)。2.彈性壓力計(jì)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(guò)本章學(xué)習(xí)同學(xué)們掌握了壓力測(cè)量方法及其壓力測(cè)量?jī)x表的分類。液柱式壓力計(jì)、彈性壓力計(jì)、電氣式壓力計(jì)。壓力儀表的選擇,了解了壓力儀表的檢驗(yàn)與安裝。熟悉了各類壓力儀表的特點(diǎn)及使用場(chǎng)所,- 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