压力测量

R1γ = R γ
' 1
R1
'
R2
' R2 γ = R2 γ '
两式相减: 两式相减
(R1 − R2 )γ = (R − R )γ ' 因为： 因为： (R1 − R2 ) < (R1' − R2 ) ' 可得: 可得 γ <γ
' 1 ' 2
'
弹簧管在量程范围内自由端的位移一般 弹簧管作成多圈时， 为7-8o，弹簧管作成多圈时，自由端的位 移可达45 移可达 o。弹簧管的自由端的位移可通 杠杆机构带动指针转动 带动指针转动， 过 杠杆机构 带动指针转动 ， 这种机构的 指针最大转角为180o ， 通常作成90度的 指针最大转角为 通常作成 度的 回转角。 最常用的传动机构为杠杆 杠杆—扇 回转角 。 最常用的传动机构为 杠杆 扇 形齿轮机构，可使指针转动270o。 形齿轮机构，可使指针转动
εs k2 = 4π
•设测量膜片在 Δp作用下的位移 Δd， 设测量膜片在Δ 作用下的位移 作用下的位移Δ ， 设测量膜片在 Δd=k1Δp。 。
k2 C1 = d 0 + ∆d
k2 C2 = d 0 − ∆d
•由C1、C2可得 由
C 2 − C1 ∆d k1 ∆p = = = k 3 ∆p C 2 + C1 d 0 d0
第三节 弹性式压力计
• 原理：弹性压力表是利用各种不同形状 原理： 弹性感压元件在被测压力的作用下， 弹性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 • 特点：结构简单、牢固可靠、测压范围 特点：结构简单、牢固可靠、 使用方便、造价低廉、 广、使用方便、造价低廉、有足够的精 度，可远传 • 常用弹性压力表： 常用弹性压力表： – 弹簧管式 – 膜片（盒）式 膜片（ – 波纹管式
三．固体压阻式压力压差传感器
公式： 公式： R
= ρL / S
1．原理： ． 电阻的尺寸发生变化，例如电阻的长度、 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。 面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。 分类： 应变片：受压时，电阻的尺寸L、 发生 分类：①应变片：受压时，电阻的尺寸 、S发生 变化，引起电阻的变化。 变化，引起电阻的变化。 ②半导体扩散硅：在压力的作用下，电阻 半导体扩散硅：在压力的作用下， 率发生变化。 率发生变化。 • 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100 100倍 于应变片，大约为100倍。
第五章 压力测量
第一节 概述
一、基本概念
PB PJ PZ
• 压力 • 压强
垂直作用于物体表面上的力 垂直作用于单位面积物体表面上的力
• 在建筑环境与设备的测试中，并不严格区分压 在建筑环境与设备的测试中， 力和压强。 力和压强。通常所说的压力实际上是指压强。
• 压差
测量两个压力之差称压差
• 表压力 压力仪表指示的压力值
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 面产生电荷， 面产生电荷 ， 产生的电荷量与所受的压 力成正比。 力成正比。 • 压电材料 ： 单晶体 ， 例如石英 、 酒石酸 压电材料： 单晶体， 例如石英、 钾钠等 • 多晶体 ， 例如压电陶瓷 ， 在没有极化之 多晶体， 例如压电陶瓷， 前 ， 因各单晶体的压电效应都互相抵消 表现为电中性， 表现为电中性 ， 为此必须对压电陶瓷先 进行极化处理， 进行极化处理 ， 经极化处理的压电陶瓷 具有非常高的压电系数， 具有非常高的压电系数 ， 为石英的几百 倍。 •
电压为10-100多毫伏，后续一般要加电压放大电路。 电压为10-100多毫伏，后续一般要加电压放大电路。 10 多毫伏
压 力 变 送 器
缺省情况下， 缺省情况下，所说的压力值即指表压力 表压力 可正可负，为负时其绝对值称为真空度 真空度。 可正可负，为负时其绝对值称为真空度。
压力单位
• 帕(Pa) N/m2，国际单位 • 兆帕 兆帕(MPa) 106Pa • 工程大气压， kgf/cm2 ，98070 Pa 工程大气压，
– 约等于一个大气压（1.013e+5 Pa) ，“自 约等于一个大气压（ 来水压头是5公斤 公斤” 用的就是这个单位。 来水压头是 公斤”，用的就是这个单位。
• 特点：灵敏度高、精度高，精度可达 、0.25， 特点：灵敏度高、精度高，精度可达0.2、 ， 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。
2．霍尔压力变送器 ．
（ 1） 霍尔效应 ： 把半 ） 霍尔效应： 导体单晶薄片置于磁 场B中， 如果在它的两 中 个纵向面上通以一定 大小的电流，则在晶 体的两个横向端面之 间出现电势U 间出现电势 H ， 叫霍 尔效应，产生的电势 称为霍尔电势。 称为霍尔电势。
二．弹性元件及其特性
1．膜片：使用时周边夹紧，测低压、微压。 ．膜片：使用时周边夹紧，测低压、微压。 将两块膜片沿周边对焊起来， 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 烟道尾部负压。精度等级为2.5， 烟道尾部负压 。 精度等级为 2.5 ， 最高可 达1.5级。 级 Px
Px 平薄片
Px 波纹片
Px 膜盒
2． 波纹管 ： 开口端固定 ， ． 波纹管： 开口端固定， 封闭端的位移作为输出， 封闭端的位移作为输出， 由于波纹管的位移相对较 故灵敏度高， 大，故灵敏度高，常用于 测 量 较 低 的 压 力 （ 1.0106Pa）精度等级 级。 ）精度等级1.5级 3．弹簧管： ．弹簧管： 单圈弹簧管 多圈弹簧管
U型管
二．单管式压力计
h2 A2 h1 A1 = h2 A2 ⇒ h1 = A1
h2 A2 ∆P = gρ (h1 + h2 ) = gρ ( + h2 ) A1
Pd
A2 = gρ ( + 1)h2 A1
Px h1 直管
因为A 为常数， 因为 1 、 A2 为常数 ， 这样可通 过一次读数进行压差测量。 过一次读数进行压差测量 。 当 A2/A1 很小时 ， h1 可忽略 ， 公式 很小时， 可忽略， 简化为： 简化为： ∆P = gρh2
一．U型管压力计 型管压力计
• 假设被测的介质为气体 ， 可忽 假设被测的介质为气体， 略被测介质的高度形成的静压 根据流体静力学原理可得： 值 。 根据流体静力学原理可得 ：
P1 P2
∆P = P1 − P2 = gρ (h1 + h2 )
h1 0
h2
U型管内径一般为 型管内径一般为5-20mm， 型管内径一般为 ， 为了减少毛细现象管子内径 一般不少于10mm， 一般不少于 ，
灵敏度常数
VH = RH IB
(2)霍尔电势的产生： 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 放置在一非均匀磁场中， 放置在一非均匀磁场中，在这 区间， 区间，磁场强度具有均匀的梯 度，当霍尔片在弹性元件的带 动下偏离正中位置， 动下偏离正中位置 ，通过霍尔 片的磁场强度发生变化， 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 产生。 产生。
• 2．膜片的应力分析
其膜片受到从下向上的压力时， 其膜片受到从下向上的压力时，中心区受拉应 假设应力为正） 周边区受压应力（ 力（假设应力为正），周边区受压应力（应力 为负） 处应力达到正的最大值， 为负 ） ， 在 R=0处应力达到正的最大值， 而在 处应力达到正的最大值 大约距中心60%的地方应力为 。 的地方应力为0。 大约距中心 的地方应力为
h2
三、斜管式压力计
主要用于测量微小的压力、 主要用于测量微小的压力、负压和压 为了减少读数的相对误差， 差。为了减少读数的相对误差，拉长 液柱，将测量管倾斜放置。 液柱，将测量管倾斜放置。
A2 h1 A1 = lA2 ⇒ h1 = l A1
∆P = gρ (h1 + h2 ) =
P1
h2 = l sin a
压电式压力 传感器结构
特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠， 特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠， 具有线性度高量程范围大等优点。 具有线性度高量程范围大等优点。 缺点：但是由于产生的电荷量少，因此后续需 缺点： 但是由于产生的电荷量少， 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 漏电现象，因此不能用于稳态测量。 漏电现象，因此不能用于稳态测量。
• mmH2O， 9.81 Pa ， • mmHg ，133 Pa 二．压力测量仪表的分类
1．液柱式压力计 ． 2．弹性式压力计 ． 3．电气式压力计 ． 4．活塞式压力计 ．
第二节 液柱式压力计
分类 • U型管压力计 型管压力计 • 单管压力计 • 斜管式微压计 特点：结构简单，使用方便， 特点：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。 较高，常用于测量低压、负压、差压。 缺点： 体积大， 读数不方便， 缺点 ： 体积大 ， 读数不方便 ， 玻璃管易 损坏。 损坏。
3．电阻分布及测量桥路 ．
u = 1 I 0 × ( R + ∆R ) − 1 I 0 × ( R − ∆R ) 2 2 ) = I 0 ∆R
优点： 温度补偿， 优点：①温度补偿， 使输出信号加倍。 ②使输出信号加倍。 注意：供给桥路的电流要恒定，即为一恒流源。 注意：供给桥路的电流要恒定，即为一恒流源。输出
Px
弹簧管是怎样产生形变的呢？ 弹簧管是怎样产生形变的呢？
假设被测压力大于外界大气压力，产生短轴变轴变长 ， 长轴变短的弹性形变， 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。 度增大 ， 自由端向管子伸直的方向运动 。 对应的 几何分析如下： 几何分析如下：