压力测量及其仪表

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其实是答辩的标题地方
弹性元件检测压力的输出只是机械位移信号,该信号可 以就地显示,也可以变换为电信号以供远传。这种变换 一般称为电变送。 电阻式、电感式、电容式、应变式、力平衡式、霍尔式、 振弦式、光纤式等。 目前工业生产使用的电变送后的压力信号都是标准化的 电流或电压信号,其变送器都是定型的产品。
压力的测量 我们毕业啦
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1
压力测量的目的
确定沿程阻力 如水泵,等
确定流体输送管路的阻力; 为选择流体机械设备提供依据;
测定压力容器内部压力,保证容器安全工作。
1.1 基本概念
压力:介质垂直而均匀的作用在单位面积(S)上的力(F), 称为压力(p)也即物理学的压强。 p=F/S • 差压(Δp):两个压力之差。 与地理纬度、 海拔高度、气 • 在压力测量中,由于参照点的不同,在工程上压力有不同 象条件有关 表示方法: (1)绝对压力(pa):被测介质作用在物体表面上的全部压力。 (2)大气压力:由地球表面空气质量所形成的压力。 • (3)表压力(pg) :绝对压力与当地大气压之差。压力计的 显示值都是表压力(即通入仪表的压力是绝对压力,显示 的是表压力)。 (4)真空度(pv) (负压):当绝对压力小于大气压力时, 表压力为负值(负压力),其绝对值为真空度。
3.7 波纹管压力计
波纹管是外周沿轴向有深槽形状的波纹褶皱,可沿轴向伸缩的薄壁管 子。它受压时的线性输出范围比受拉时的大,故常在压缩状态下使用。 波纹管式压差计以波纹管为感压元件来测量压差信号,有单波纹管、 双波纹管两种,主要用作流量和液位测量的显示仪表。
3.8 电接点压力表
当其与设定指针上的触头(上限或下限)相接触(动断或动合)的瞬时,致使 控制系统中的电路得以断开或接通,以达到自动控制和发信报警的目的
h2
2.5 液柱式压力计的测量误差
• 1.环境温度变化的影响 对于一般的工业测量,主要考虑工作液密度变化对压力测量的影响。 • 2.重力加速度变化的影响 在不同的工作地点,重力加速度g是不同的。 • 3.毛细现象(表面张力)影响: 为了减少该误差,通常要求测量管的内径一般不小于10mm。对于一 定的结构的封液的压力计,毛细现象引起的读数误差是一定的。(水 <2mm,Hg<1mm),不随液面的高低变化,属于系统误差,很易修正。 • 4.读数误差的影响
A2 A2 P 2 P g (h1 h2 ) g ( l l sin a) g ( sin aL )l A1 A1 A2 A2 (h1 h2 ) g ( l l sin a) g ( sin h1 a)l A1 A1 A2 l sin a) g ( sin a)l 斜管 A1
正确读数方式:眼与液面的顶,底平。
弹性式压力仪表 我们毕业啦
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3.1 弹性式压力计
• 原理:弹性压力表是利用各种不同形状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。弹性元件的 形变大小是压力的函数,通过测量弹性元件的形变就可以间 接得到被测压力的大小。 • 优点:结构简单、牢固可靠、可在一些恶劣环境下使用,测 压范围广、使用方便、造价低廉、有足够的精度,可远传。 • 缺点:频率响应低,不宜用于测量动态压力。 • 弹性元件材料:通常使用合金结构钢,如镍铬结构钢、镍铬 钼结构钢等,也有使用碳钢、铜合金和铝合金等。 • 常用弹性压力表:弹簧管式、膜片(盒)式、波纹管式
3.5 弹簧管压力计
• 工作原理:弹簧管固定端输入压 力,在压力的作用下,其自由端 产生位移,并通过拉杆带动放大 传动机构,使指针偏转并在刻度 盘上指示出被测压力值。
• 测量范围宽:0.2Pa~10MPa
• 不同材料的弹簧管适用于不同的被测压
力和被测流体介质。当压力低于20MPa时, 一般采用磷铜;压力高于20MPa时,可采 用不锈钢或高强度合金钢。
3.6 膜片压力计
由于盒内抽成真空,当大气压力作用于盒面上时,盒面被压缩,并带动传 动杠杆使指针转动,根据指针转动的幅度即可读得大气压力数值。 适用于测量微小压力和真空,测量范围一般在-2000~4000Pa.
膜盒风压表 1一膜盒;2一刻度盘;3一零位调整;4一弧形架;5一指针; 6 一弹簧片;7一曲柄;8一 调整螺丝;9一拉杆;10一拐臂;11 一 固定指针套;12一固定铀;13一形丝;14一引压管接头
• 又可分为机械式和电气式。
机械式:液柱式、活塞式、弹性元件式;(结构简 单,使用方便,价格低廉) 电气式:压电式、压阻式、压磁式。(动态性能好, 灵敏度高,易于小型化,便于远传)
重力平衡法压力仪表 我们毕业啦
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2.1 液柱式压力计
• 分类:U型管压力计;单管压力计;斜管式微压计。 • 原理:流体静力学原理,流体内某一点的静压力,由这一点 的高度,流体的密度和外加压力决定。 • 应用:0.1MPa以下的压力、差压和负压,也常作为校验低压 和微压仪表的标准仪器。 • 优点:简单,使用方便,精度较高; • 缺点:体积大,读数不便,不能远方测量,易损坏。
4、压阻式压力传感器的特点: (1)灵敏度高,频率响应高; (2)测量范围宽,可测低至10Pa的微压到高至60MPa的高压; (3)精度高,工作可靠,其精度可达±0.2%~0.02%; (4) 易于微小型化,目前国内生产出直径φ1.8 ~ 2mm 的压阻式压 力传感器。 5、应变片的共性问题: 工作温度影响——需补偿; 材料选择——硅、锗 加工工艺——缠绕、箔片、印刷、扩散、溅射… 安装位臵及方法——应变大小。
Px
h2
h1 直管
P gh2
当A2/A1≤0.01时,因只读h2引起的误差≤1%
2.4 斜管式压力计
• 主要用于测量微小的压力、负压和压差。 为了减少读数的相对误差,拉长液柱, 将测量管倾斜放臵。注意:倾Leabharlann Baidu a不能 小于15度,否则会引起读数困难。
h2 l sin a
A2 h1 A1 lA2 h1 l A1
h2A2 A h2 ) g( 2 1)h2 A1 A1
h2 A2 A2 P g (h1 h2 ) g ( h2 ) g ( 1)h2 A1 A1
Pd
(
• 因为A1、A2为常数,这样可通过一次 读数进行压差测量。当A1>>A2时, A2/A1≈0,此时h1可忽略,公式简化 为:
3.4 弹簧管(波登管)类型
• 弹簧管又名波登管,由于1852年E.波登取得波登管的专利权,而被命名的。 根据形状和用途的不同,弹簧管可分为4种形式,如图。常见的为C型弹簧管。
• C型弹簧管:一根弯成270°圆弧 的扁圆或椭圆形截面的空心金属 管。管子封闭的一端称为自由端, 即位移输出端,管子开口的一端 称为固定端,被固定在接头上, 作为被测压力的输入端。
3.4 弹簧管(波登管)类型
• 提高灵敏度的措施:1. 增大中心角γ(可做成多圈、S形);2. 降低管壁 厚;3.增大长短轴比a/b值(越扁越灵敏)4. 减小材料的刚度(单位变形所 对应的弹性力) • 弹簧管在量程范围内自由端的位移一般为7-8°,弹簧管作成多圈时,自 由端的位移可达45o。弹簧管的自由端的位移可通过杠杆机构带动指针转 动,这种机构的指针最大转角为180°,通常作成90°的回转角。最常用 的传动机构为杠杆—扇形齿轮机构,可使指针转动270°。
• 1.3 压力的分类
• 压力分为静态压力和动态压力。 • 静态压力(缓变压力):不随时间变化或者变化非常缓 慢的压力。如大气压力、润滑油系统中的机油压力、冷 却系统中冷却介质的压力、流量稳定时节流装臵中的压 力差等。 • 动态压力(瞬变压力):随时间变化很快或者波幅很大 的压力。如气缸内气体的压力波、进排气压力波、高压 燃油系统中的压力波等。 • 压力的测量方法: • 静态压力的测量仪表:一般采用压力表、压力变送器测 量。
其核心部分是一圆形的硅膜片,膜片厚度一般为0.1mm左右,材料通常是N 型硅。膜片的四周用一圆环(硅环)固定。目前多采用圆形的硅杯一体结构。 在膜片上有4个用集成电路工艺制成的等值P型硅电阻。在0.635r半径之内各 分布两个电阻R2、R3,在半径之外各分布两个电阻R1、R4。膜片的两边有 两个压力腔。一个是和被测系统相连接的高压腔,一个是低压腔,通常和大 气相通。4 个电阻接到电桥电路的4个臂上。当膜片两边存在压力差时,膜 片上各点存在应力。4个电阻在应力作用下,阻值发生变化,电桥失去平衡, 输出相应的电压。此电压和膜片两边的压力差成正比,这样电桥的输出电压 就反应了压力的变化。
3.9 最高压力表
特殊的测压仪表,即测量某一 过程的最高压力,比如内燃机气 缸内的最高燃烧压力,包括机械 式和气电式。
3.10 弹性压力计的误差分析
I. 迟滞误差:同一压力正反行程变形量
不一致、弹性衰退。
II. 温度误差:温度变化带来弹性模量的
变化。
III.间隙和摩擦误差、安装误差等。
压力(差压)变送器 我们毕业啦
• 压力表的其他特殊结 构:表壳内装有带阻 尼元件和阻尼液(一 般为硅油或者甘油) 的压力表即是耐震压 力表,其主要特点是 具有良好的抗震性, 特别适宜于介质有剧 烈脉动或瞬时冲击的 流体压力的测量。 • 此外,有些压力表还 具有泄气孔,是为了 减少压力表意外爆炸 而导致表玻璃飞溅的 力道而设计。
(5)差压:任意两个压力之差称为差压。 绝对压力=大气压力+表压力
1.2 压力的计量单位
压力的单位是力和面积的导出单位,而各种单位制中力和面积的单位不同,则 压力的单位也有多种。 在国际单位中(System International,简称SI):压力的单位是牛顿/米2(N/m2) 称为帕斯卡(简称帕、Pa)1Pa=1N/m2 ≈0.1mmH2O(毫米水柱),工程上常用的 单位有kPa,MPa。 在CGS(Centimeter-Gram-Second 厘米-克-秒单位制,通常在重力学科及相关力 学科目中使用)中,压力的单位是达因/厘米2(dyn/cm2)简称为巴(bar), 1bar=0.1MPa。 标准大气压(atm)大概为101.325kPa。1atm=760mmHg。
2.2 U型管压力计
• 假设被测的介质为气体,可忽略被测介 质的高度形成的静压值。根据流体静力 学原理可得:
P P1 P2 g(h1 h2 )
• U型管内径一般为5-20mm,为了减少毛 细现象管子内径一般不少于10mm
2.3 单管式压力计
h2 A2 h1 A1 h2 A2 h1 A1
• 动态压力的测量:(1)塑性变形测压法:利用铜柱或者铜
球的塑性变形进行测量。(2)弹性变形测压法:将敏感元件感受 压力而产生的弹性变形量转换为电量再进行测量。
1.4 压力的常用测量方法
• 根据工作原理的不同划分为 重力平衡方法:液柱式压力计、活塞式压力计
弹性力平衡方法:弹簧管式压力计 物性测量法:应变式、压电式、电容式压力传感器 机械力平衡方法
4.1 电阻应变式
金属电阻应变片工作原理:压力引 起尺寸变化,导致电阻变化。包括 丝绕式和箔式。
组成:电阻栅、基底、覆盖层
原理:电阻 率变化引起 电阻变化。
工作原理:应变传感器变形时,由于电阻栅的 几何尺寸和电阻率改变,导致其电阻值发生变 化。
4.2 半导体压阻式
1、压阻效应:固体受力 后电阻率发生变化的 现象。 2、压阻式压力传感器就 是基于半导体材料 (单晶硅)的压阻效 应制成测量压力的传 感器。 3、结构: 硅杯:敏感元件 高弹薄膜、硅油:传递 压力和隔热 膜片:起隔离作用以保 证硅杯面引线良好的 绝缘性能
3.2 膜片类型
结构: 按膜片的形状:平膜片(刚性、挠性)、波纹膜片(三角 波、梯形波、正弦波); 按刚度分:弹性膜片、挠性膜片; 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,最高可达1.5级。
3.3 波纹管类型
原理:开口端固定,封闭 端的位移作为输出,位 移与压力、有效面积和 波纹数成正比。 特点:工作行程5~10mm; 由于波纹管的位移相对 较大,故灵敏度高,常 用于测量较低的压力 (1.0-106Pa)精度等级 1.5级。
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