第9章 9.3.4压力计量

c．光导纤维压力传感器
利用光波传导压力信息 特点：不受电磁干扰,电气绝缘 好,耐腐蚀, 无电火花, 可 以在高压、易燃易爆环 境中测量压力 灵敏高度，可挠性好， 可插入狭窄空间进行测量
5．数字式
压力传感器
信号分析处理
A/D 转换
压力数字显示
9.3.7
真空计量
真空——在给定的空间内，低于一个标准 大气压的气体状态 真空系统气体压强：＜1 atm （0.1MPa）
活塞式流量计 特点： 稳定性高、重复性好等优点， 具有流量标准装置所需的功能
气体活塞式流量装置的内压力 最高可达 200 kPa，能满足高 压损流量计
工作原理： 活塞向下运动，将缸内气 体通过管路、流量计排出。 在活塞向下匀速运动时，气 缸内压力经过一上升过程后 逐步达到稳定值。气体在这 个过程中温度、压力、体积 被认为不发生变化。由于缸 体内径已知， 可计算出活 塞运行一定距离排出气体的 体积值。以此作为标准体积 流量，与流量计示值相比较， 从而检测流量计。
2) 气体流量计量方法 a. 钟罩法 b. 活塞法 c. 音速喷嘴法
a. 钟罩法
适用于常压下气体流量的计量
原理：将一钟罩型容器扣置于水或油槽中，并 被槽中的水或油密封，与外部大气隔绝；当被 测气体充入钟罩或将气体从钟罩内排除时，根 据钟罩上升或下降的高度(对应被测气体的体积) 和所需的时间，就可以求得流量值 使用条件：常压
4．电测式
常用电测式 压力仪表：
应变式 固态压阻式 压电式 电感式 电容式 振频式
P
压力→电信号转换材料
U , I, Q
a．应变式压力传感器 压力变化→电阻值变化
应变片——金属导体或半导体阻 值随压力所产生的应变 而变化
b．压电式压力传感器 压电效应——某些晶体受压力作用 发生机械变形时， 在其相对的两个侧面 上产生异性电荷 常用材料：石英和钛酸钡
(3) P0 ——音速喷嘴前端气体滞止绝对压力（Pa） T0 ——音速喷嘴前端气体滞止绝对温度（K） R ——气体常数（J/（kg×K）） 对于空气， RM = 287.1
M
（4） 实际条件下的质量流量 在实际条件下, 音速喷嘴的质量流量公式：
(4)
式中， qmi ——音速喷嘴在实际条件下的质量流量（kg/s） C*i——气体在实际条件下的临界流函数，假定气 体为一维、等熵流动, 利用实际气体的热力学性质 表，可用计算机计算出来。 C ——流出系数，C是对“一维、等熵流动” 等假 设条件的修正。C只是雷诺数Red的函数。
9.3.6
压力计量
工程上的压力=物理学中的压强：
F P A
压力计量仪器仪表分类： 1. 液体式 2. 弹簧式 3. 活塞式 4. 电测式和数字式
1．液体式 利用液柱的高度差来测试压力的仪器
常用液体式压力仪器：
封闭式水银压力计
水银气压计 U型(双管)和杯型(单管)压力计 环天平式压力计 钟罩式压力计 补偿式微压计 斜管微压计
B. 麦克劳压缩式真空计（麦氏真空计） 根据气体的压差及气体的压缩比等参数，由 玻义耳—马略特定律求得绝对压力值 适用对象：低真空
P1，V1 P2，V2
P1V1 = P2V2
P1 =（P2-P1）/（V1/V2-1）
= ΔP/（V1/V2-1）
PM-2麦氏真空计
玻义耳—马略特定律：对于一定质量的气体， 其温度保持不变时，其压强和体积成反比： PV=const.
• 金属弹性膜片将薄膜真空规管隔离成两个 室，分别为接被测真空系统的测量室和接 高真空系统(pb<10-3Pa)的参考压力室。在 这两个室的连通管道上设置一个高真空阀 门7。测量时，先将阀门7打开，用高真空 抽气系统将规管内膜片两侧的空间抽至参 考压力pb。同时调节测量电桥电路，使之平 衡，即指示仪表指零。然后，关闭阀门7， 测量室接通被测真空系统。
低真空测量装置：电容薄膜真空计 • 根据弹性薄膜在压差作用下产生应变而引起电容 变化的原理制成 • 组成：电容式薄膜规管(电容式压力传感器)+测量 仪器 • 仪器结构（依测量电容方法): • A. 偏位法 • B. 零位法——是一种补偿法，具有较高测量精度。 低真空副标准真空计采用了零位法结构
• • • • • • •
音速喷嘴法气体流量标准装置
• 1. 真空泵 2.储气罐 3. 汇流管(容器) 4.开关阀 5. 音速文丘 利喷嘴 6. 滞止容器温度计 7. 滞止容器压力计 8.滞止容器 9.流量调节阀 10.被检表后温度计 11.被检流量计 12.被检 表前压力计
（1） 检定原理 用真空泵1将空气由被检表的上游直管段入口吸入，经 过被检表前直管段、被检表11和被检表下游直管段进 入滞止容器8，在滞止容器的下游，有一组音速喷嘴5， 控制音速喷嘴下游的开关阀门4，可以任意选择所要开 关的音速喷嘴，以达到改变被检表流量的目的，滞止 容器需要测温6测压7，代入公式计算可以得到通过音 速喷嘴的质量流量，亦即通过被检表处的质量流量。 通过测量被检表处的温度10和压力12，可以计算出空 气密度，进而得到标准体积流量。流量调节阀9一般只 用于开关，也可作为调节流量的辅助手段。在进行小 流量检定时，可以不用开启真空泵，只要储气罐2的真 空度能够满足要求即可。真空泵的能力应满足下列两 个条件：第一，真空泵所提供的流量应大于被检流量 计的最大流量；第二，在测量过程中，真空泵所提供 的真空度应满足音速喷嘴的临界压力比。
（5） 式中， Red ——音速喷嘴喉部雷诺数（无量纲） d ——音速喷嘴喉部直径（m） μ0 —— 气体在滞止条件下的动力粘度（kg/ （m· s） 从式(4)中见，只要用试验的方法求得流出系 数C，就可按测得的滞止压力P0和滞止温度T0 （由查表可得C*）计算出质量流量qmi。
2．流量计量仪器
组成：电容式薄膜规管 测量电桥电路 直流补偿电源 低频振荡器 低频放大器 相敏检波器 指示仪表
零位法电容式薄膜真空计结构原理图
• 电容式薄膜规管的中间装着一张金属弹性 膜片，在膜片的一侧装有一个固定电极， 当膜片两侧的压差为零时，固定电极与膜 片形成一个静态电容C0，它与电容C1串联 后作为测量电桥的一条桥臂，电容C2、C3 和C4与C5的串联电容组成其它三条桥臂。
b. 活塞法 使被测气体冲入密闭气缸，推动其中的活 塞，由于气缸的内径是固定的，因而只要 确定了活塞移动的距离和时间，即可求出 流量值。
d
c. 音速喷嘴法 适用于高压，大流量气体
当气体流过音速喷嘴，且其上游和下游压 力比达到临界状态时，通过喷嘴喉部的气 体流速就达到了音速，并且不再受下游压 力变化的影响。于是便可以根据经音速喷 嘴流入定容槽的气体的压力和温度来求出 进入槽内的气体流量。
YB-150B 精密真空表(标准真空表) -0.1～0MPa
2. 相对法 高真空测量装置：热阴极电离真空计
工作原理：气体分子被电离所产生的正离子 数与气体分子密度成正比；测量 出离子数目就可以测得真空系统 的压强。
电离气体的方法：用加速电子轰击气体分子
ZDK 热阴极电离真空计
热阴极发射电子电离气体分子， 离子被收集极收集，根据收集的 离子流大小来测量气体压强
故有 p1-pb=KU2 式中p1 —— 被测压力 pb —— 参考压力
U —— 补偿电压
K —— 规管常数，其值K=Co/d0, Co和d0分别为固 定电极与膜片在平衡状态下的静态电容和间距。 当p1＞ ＞ p0时，测量结果就是绝对压力，即 p1=KU2
• 电容式薄膜真空计测量范围为10-1～101Pa， 其规管常数K可通过校准得到。近年来，电 容式薄膜真空计取得了重大进展，新型的双 电容式薄膜真空计的问世，提高了该类真空 计的精度，扩展了测量范围，使其测量下限 可达10-3Pa。
腰轮流量计外观图
椭圆齿轮流量计 容积式流量计的一种，用于精密的连续或间 断的测量管道中液体的流量或瞬时流量。特 别适合于重油、聚乙烯醇、树脂等粘度较高 介质的流量测量。
• 在被测介质压差△p＝pl-p2作用下，产生作用力矩使其转动。 • (a)所示位置时，由于P1＞P2，在P1和P2的作用下所产生的合力矩使 轮1产生顺时针方向转动，把轮1和壳体间的半月形容积内的介质排至 出口，并带动轮2作逆时针方向转动，这时1为主动轮，2为从动轮 • (b)上所示为中间位置，1和2均为主动轮 • 在（c）所示位置，P1和P2作用在1轮上的合力矩为零，作用在2轮上 的合力矩使2轮作逆时针方向转动，并把已吸入半月形容积内的介质 排至出口，这时2为主动轮，1为从动轮，与 (a)上所示情况刚好相反 • 如此往复循环，轮1和轮2互相交替地由一个带动另一个转动，将被测 介质以半月形容积为单位一次一次地由进口排至出口．显然，图上(a)、 (b)、(c)所示，仅仅表示椭圆齿轮转动了1／4周的情况，而其所排出 的被测介质为一个半月形容积．所以，椭圆齿轮每转一周所排比的被 测介质量为半月形容积的4倍
9.3.8
流量计量
体积流量——对流体的体积进行计量 质量流量——对质量进行计量流体 流量计量——对流体的体积流量、质量流量和总量 的计量
1．流量计量方法
1) 液体流量计量方法 • 容积法——使液体流人工作量器，根据从量液位 标尺上读出的数值和计时器上得到的时间来确定 流量值 • 称量法——使液体流人称量容器中，通过计量容 器中的液体的质量来获得流量值 • 标准体积管法——在标准体积管内放置一个可移 动的活塞和两个检测开关；当液体流入体积管时， 推动活塞在管内移动；只要确定活塞通过两个检 测开关的时间，就可求得流量值
2．弹簧式
常见弹簧式压力仪表： 弹簧管式 膜片式 膜盒式 波纹管式
PLeabharlann Baidu
弹性敏感元件
弹性形变
传动放大机构
显 示
0～1.6MPa 弹簧管式 精密压力表
3．活塞式
工作原理： 流体静压原理＋帕斯卡 原 理主要用于标准压力 量值的传递
当前在所有的压力计量 中，精度最高
精密压力表检定装置
YS-60型活塞压力计
• 当被测压力p1>pb时，由于规管中的压力差 p1-pb，膜片发生应变引起电容C0改变，破 坏了测量电桥电路的平衡，指示仪表上亦 有相应的指示。调节直流补偿电源电压对 电容C0充电，使其静电力与压差相等，此 时，电桥电路重新达到平衡，指示仪表又 重新指零。根据补偿电压的大小，就能得 出被测压力p1
（2）流量计算公式
当气流处于亚音速时，喉部的气体流速将 随节流压力比（即出口压力P1与上游滞止 压力P0之比）的减小而增大。当节流压力 比减小到一定值时，喉部流速达到最大流 速——音速，即达到所谓的临界流，此时， 如果P0不变，再减小P1（即再减小节流压 力比）流速将保持不变，即流速不再受下 游压力的影响。此时的喷嘴称为音速喷嘴， 又称临界流喷嘴，此时的节流压力比称为 临界压力比。
理想条件下，即气流是一维流动、等熵、 完全气体，可导出临界压力比的计算公式：
（1）
式中，k——气体等熵指数，对于完全气体， k等于比热比。 对于空气，k=1.4，则（P1 /P0）= 0.528
（3） 理想条件下的质量流量
(2) 式中，qmi ——理想条件下质量流量（kg/s） A* ——音速喷嘴的喉部面积（m2） C*i ——气体在理想条件下的临界流函数
真空度= 0.1MPa －真空系统气体压强 （MPa）
真空的划分：
粗真空： 105 中真空： 3×103 高真空： 10-1 超高真空： 10-4 极高真空： 10-7
真空计量方法
1. 绝对法 A. U型压力计（标准差压计） 根据U型管内两液柱面的高度差来求得压力 值 适用对象：粗真空和低真空
U 型 真 空 计
a. 容积式 b. 推理式
a. 容积式流量计——以流体本身的动力推动 其运动部件移动或转动，使流体不断地充 满或离开壳体与运动部件构成的空间，达 到连续计量的目的
腰轮流量计 椭圆齿轮流量计 活塞式流量计 适用对象：高粘度流体
腰轮流量计
• 装于计量室内的一对共轭转子在流通气体的出口 压力差（Pin＞Pout）作用下，两转子交替承受转 动力矩。转子每转动一周，则输出四倍计量室有 效容积的气体，转子的转数通过磁性密封连轴装 置及减速机构，传递到积算指示器，从而显示输 出气体的累计体积流量。（图中仅表示了四分之 一周期）。