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第五章 压力测量

第五章 压力测量. 第一节 概述. 垂直作用在单位面积上的力称 压力 。在国际单位制（ SI ）和我国法定计量单位中，压力的单位是“ 帕斯卡 ”，简称“帕”，符号为“ Pa” 。 即 1N 的力垂直均匀作用在 1m 2 的面积上所形成的压力值为 1Pa 。. 过去采用的压力单位“工程大气压力”（ kgf/cm 2 ）、“毫米汞柱”（ mmHg ）、“毫米水柱”（ mmH 2 O ）、“物理大气压”（ atm ）、“巴 ” （ bar ）、“ PSI ” 等均应改成法定计量单位帕。 1 kgf/cm 2 = 0.9807×10 5 Pa

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第五章 压力测量

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  1. 第五章 压力测量

  2. 第一节 概述 垂直作用在单位面积上的力称压力。在国际单位制（SI）和我国法定计量单位中，压力的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为“Pa”。 即1N的力垂直均匀作用在1m2的面积上所形成的压力值为1Pa。

  3. 过去采用的压力单位“工程大气压力”（kgf/cm2）、“毫米汞柱”（mmHg）、“毫米水柱”（mmH2O）、“物理大气压”（atm）、“巴”（bar）、“PSI”等均应改成法定计量单位帕。过去采用的压力单位“工程大气压力”（kgf/cm2）、“毫米汞柱”（mmHg）、“毫米水柱”（mmH2O）、“物理大气压”（atm）、“巴”（bar）、“PSI”等均应改成法定计量单位帕。 1 kgf/cm2 = 0.9807×105Pa 1mmH2O = 0.9807×10Pa 1 mmHg = 1.332×102Pa 1atm = 1.01325×105Pa 1bar=105Pa 1PSI=6.89×103Pa

  4. 一、压力表示方式 • 绝对压力PJ • 大气压力PD • 表压力PB PB= PJ－PD • 真空度PZ（负压） PZ＝PD－ PJ

  5. 二、压力检测方法 1.平衡法：通过仪表使液柱高度的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理测量压力 2.弹性法：利用各种形式的弹性元件，在被测介质的表压力或负压力作用下产生的弹性变形来反映被测压力的大小 3.电气式：用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化

  6. 三、压力测量仪表的分类 • 压力传感器从其原理及结构来看可分为：液柱式、机械式及电气式 • 测量压力的仪表，按信号原理不同，大致可分为四类： • 液柱式：根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度 • 机械式：根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移

  7. 电气式：将被测压力转换成各种电量，如电感、电容、电阻、电位差等，依据电量的大小实现压力的间接测量电气式：将被测压力转换成各种电量，如电感、电容、电阻、电位差等，依据电量的大小实现压力的间接测量 • 活塞式：根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量

  8. 第二节 液柱式压力计 • 利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的原理，通过液柱高度来反映被测压力的大小 • 优点：结构简单，使用方便，有相当高的准确度，在本专业中应用很广泛 • 缺点：量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管容易损坏及读数不方便

  9. 采用水银或水为工作液，用U形管或单管进行测量，常用于低压、负压或压力差的检测采用水银或水为工作液，用U形管或单管进行测量，常用于低压、负压或压力差的检测 • 被广泛用于实验室压力测量或现场锅炉烟、风道各段压力、通风空调系统各段压力的测量

  10. 一、U形管压力计 △P=P1－P2 =ρg(h1+h2) 提高工作液密度将增加压力的测量范围，但灵敏度要降低。

  11. 二、单管压力计 由于U形管压力计需两次读取液面高度，为使用方便，设计出一次读取液面高度的单管压力计。

  12. 因 则 故 由于 D>>d，所以 P =ρgh2

  13. 问：U形管压力计两肘管的内径分别为d1 = 6mm，d2 = 6.5mm，管内封液为水，被测压力作用于较细肘管，使水柱从零位下降195mm。如果以该值的2倍作为被测压力值，试确定由于没有读取较粗肘管的水柱从零位的升高值而造成的测量误差。

  14. 解：

  15. 三、斜管微压计 主要用于测量微小压力、负压和压差，它将单管液柱压力计的测量管倾斜放置，这样可以提高灵敏度，减少读数相对误差。

  16. 倾斜角度越小，l越长，测量灵敏度就越高；但不可太小，否则液柱易冲散，读数较困难，误差增大。倾斜角度越小，l越长，测量灵敏度就越高；但不可太小，否则液柱易冲散，读数较困难，误差增大。 • 这种倾斜管液柱式压力计可以测量到0.98Pa的微压。为了进一步提高微压计的精确度，应选用密度小的酒精作为工作液体。

  17. 四、液柱式压力计的测量误差及其修正 1. 环境温度变化 2. 重力加速度变化 3. 毛细管现象

  18. 第三节 弹性式压力计 用弹性传感器（又称弹性元件）组成的压力测量仪表称为弹性式压力计。弹性元件受压后产生的形变输出（力或位移），可以通过传动机构直接带动指针指示压力（或压差），也可以通过某种电气元件组成变送器，实现压力（或压差）信号的远传。

  19. 弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形大小与被测压力成正比关系。弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形大小与被测压力成正比关系。

  20. 1. 膜片 • 按剖面形状分为平膜片和波纹膜片 • 常用材料 • 可与其他转换元件合用 • 电容式压力传感器 • 光纤式压力传感器 • 力矩平衡式压力变送器

  21. 2. 波纹管 • 优点：灵敏高，可测较低压力 • 缺点：迟滞误差较大，精度一般只有1.5级

  22. 3. 弹簧管 • 截面为非圆形（椭圆形或扁圆形），并弯成圆弧状的空心管子 • 一端为封闭（自由端），一端为开口（固定端）

  23. （1）弹簧管压力表 • 结构简单，使用方便，价格低廉，使用范围广，测量范围宽 • 可测负压、微压、低压、中压和高压 • 精度有0.5、1.0、1.5、2.5等

  24. （2）电远传式弹簧压力仪表 • 霍尔压力传感器 • 电感式压力传感器

  25. 第四节 电气式检测 • 电气式压力检测方法一般是用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。 • 能实现压力－电量转换的压敏元件主要有压电材料、应变片和压阻元件。

  26. 1. 压电式压力传感器 • 压电效应原理：压电材料受压时会在其表面产生电荷，其电荷量与所受的压力成正比。 • 压电材料：单晶体、多晶体 • 特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，线性度好，频率响应高，量程范围广

  27. 2. 应变式压力传感器 • 应变片是基于应变效应工作的一种压力敏感元件，当应变片受外力作用产生形变时，应变片的电阻值也将发生相应变化。 • 应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及相应的桥路组成的。

  28. r＝0，εr、εt达最大值 r=r0， εt=0 r=0.58r0， εr=0 r=r0，εr达负的最大值

  29. 3. 压阻式压力传感器 • 压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件，它指在半导体材料的基片上用基成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。 • 扩散电阻正常工作需依附弹性元件，常用的是单晶体硅膜片。

  30. 优点：体积小，结构简单，能直接反映微小的压力变化，动态响应好优点：体积小，结构简单，能直接反映微小的压力变化，动态响应好 • 缺点：敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数的大小

  31. 第五节 压力检测仪表的选择与校验 一、压力检测仪表的选择 1. 仪表量程的选择 • 被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的3/4 • 被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3 • 为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的1/3 • 优先满足最大工作压力条件

  32. 2. 仪表精度的选择 压力检测仪表的精度主要根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。

  33. 3. 仪表类型的选择 • 从被测介质压力大小来考虑 • 被测介质的性质 • 对仪表输出信号的要求 • 使用的环境

  34. 二、压力仪表的校验 • 校验就是将被校验压力表和标准压力表通以相同压力，比较它们的指示数值，如果被校表对于标准表的读数误差，不大于被校表规定的最大准许绝对误差时，则认为被校表合格。 • 常用的校验仪器是活塞式压力计，它由压力发生部分和测量部分组成，它的精度等级有0.02、0.05和0.2级，可用来校准0.25级精密压力表，也可校准各种工业用压力表，被校压力的最高值为60MPa。

  35. 测量部分 压力发生部分

  36. 三、压力表的安装 1. 取压口的选择 • 在管道或烟道上取压 • 测量流动介质的压力 • 测量液体介质的管道上取压

  37. 2. 导压管的铺设 导压管是传递压力、压差信号的。

  38. 3. 压力、压差计的安装

  39. 倾斜式微压计

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