建筑环境测试技术之5压力测量

第四节 电气式压力检测
一．位移式压力压差变送器： 将弹性元件的位移转变成 电信号。 1 ．电容式压力压差变送器： 采取差动电容方式。 膜片 d7.5—75mm ， δ0.05—0.2mm ， maxΔd=0.1mm。
•特点：灵敏度高、精度高，精度 可达 0.2 、 0.25 ，稳定可靠。尤适 用于测高静压微压差的场合。
t0 t 0
2. 重力加速度变化的影响及修正
标准重力加速 度下的工作液 柱高度
hn
g gn
h
使用地点的工 作液柱高度
3．毛细现象的影响
• 表面弯月型，通过加大管径来消除 • 酒精：d≥3mm，水银：d≥3mm
问题？
1. 斜管式微压计用水作介质，可以吗？ 2. 液柱式压力计，水作工作介质，为了便于读 数，在水中加入红墨水，可以吗？ 3. 斜管式微压计，调零时，总调不到，可能的 原因是什么？
Px
Pd
h2 A2 A2 h2 ) g ( 1)h2 A1 A1
因为 A1 、 A2 为常数，这样可通 过一次读数进行压差测量。当 A2/A1 很小时， h1 可忽略，公式 简化为： P gh2
h2
h1 直管
特点
• 结构一定，且A1，A2一定时，可直接读h2 得出压力值(无需两次读数) • 误差与A2/A1有关， A2/A1远小于0.001时， 误差<1%
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 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 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： – 弹簧管式 – 膜片（盒）式 – 波纹管式
二．弹性元件及其特性
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，读数精度
±1mmቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
U型管
二．单管式压力计
h2 A2 h1 A1 h2 A2 h1 A1
h2 A2 A2 P g (h1 h2 ) g ( h2 ) g ( 1)h2 A1 A1
1 2
I 0 ( R R) 1 2 I 0 ( R R) I 0 R
优点：①温度补偿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。
输出电压为10-100多毫伏，后续一般要加电压 放大电路。
压阻式压力传感器特点
• 体积小，结构简单，扩散电阻灵敏系数是金属 应变片的50－100倍 • 能直接测微小压力变化，可测几十帕微压 • 动态响应好 • 敏感元件易受温度影响，从而影响压阻系数大 小。解决办法：制作时将温度补偿电路、放大 电路甚至电源变换电路集成在同一单晶膜片上
• 压差计内装有两种密度相近且不互 溶的指示液A 和C而指示液C与被测 流体B亦应不互溶。 • 为了读数方便U管的两侧臂顶端各装 有扩大室，俗称“水库”。扩大室 的截面积要比U管的截面积大得多， 使U管内指示液A的液面差R很大，但 两扩大室内的指示液C的液面变化却 很微小，可以认为维持等高。
p1 p2 Rg( B A )
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 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
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。
s k2 4
2．霍尔压力变送器
（ 1）霍尔效应：把半 导体单晶薄片置于磁 场 B 中，如果在它的两 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UH，叫霍尔 效应，产生的电势称 为霍尔电势。
灵敏度常数
VH RH IB
(2)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，在 这区间，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，通过霍 尔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。
N
S
S
N
VH RH IB
• 注意： ①RH受温度影响较大，在实际当中常采用恒 温措施或采用温度补偿措施，例如在电势 输出回路中串一温度补偿电桥。 ②要注意减少由于霍尔片两电极不对称焊接 引起的不等位电势，因不等位电势的存在， 是霍尔片处于正中时，电势输出不为0。
二．压电式压力传感器
• 压电效应：压电材料在受压时会在其表 面产生电荷，产生的电荷量与所受的压 力成正比。 • 压电材料：单晶体，例如石英、酒石酸 钾钠等 • 多晶体，例如压电陶瓷，在没有极化之 前，因各单晶体的压电效应都互相抵消 表现为电中性，为此必须对压电陶瓷先 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，为石英的几百 倍。
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， 具有线性度高量程范围大等优点。 缺点：由于产生的电荷量少，因此后续需加高 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。
三．固体压阻式压力压差传感器
公式： R
L / S
1．原理： 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。 电阻的电阻率发生变化也将引起电阻阻值的变化。 2.分类：①应变片：受压时，电阻的尺寸L、S发生变化， 引起电阻的变化。用于一般要求的动态压力检测 ②半导体扩散硅：在压力的作用下，电阻率发生 变化。(单晶硅膜片) • 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倍。可用于静态测量，稳定性好
有关斜管微压计
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，不能小于15º 。 这种斜管液柱式压力计测量范围通常 为0~2000Pa，且可以测量到0.98Pa的微 压，为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。
微差压强计Micromanometer
第五章 压力测量
第五章 压力测量
基本教学内容
压力的 基本概念 液柱式压力计 U型管压力计、单管压力计、斜管式微压计 弹性式压力计 弹簧管式、膜片（盒）式、波纹管式 电气式压力测量 电容式压力压差变送器、霍尔压力变送器、压 电 式压力传感器、固体压阻式压力压差传感器 压力检测仪表的选择与校验
1．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，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，最高可 x 达1.5级。
x
x
Px
P x
P x
平膜片
波纹膜片
波纹管
2 ．波纹管：开口端固定， 封闭端的位移作为输出， 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 （ 1.0106Pa）精度等级1.5级。
压力测量方法
• 平衡法
使用重力平衡压力，测量重力，推算压力。
• 变形法
在压力作用之下弹性元件发生变形，测量变形量， 推 算压力
• 电气法
在压力作用之下材料的某种电性质发生变化，测量 该 电量，推算压力
第二节 液柱式压力计
分类 • U型管压力计the U-shaped tube • 单管压力计 • 斜管式微压计 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。 缺点：体积大，读数不方便， 玻璃管易损坏。
被测压力 p表压 1 p负压或真空度 被测压力 大气压力线
P绝对
（P0 )
Pa
绝对压力的零线 0
表压、绝对压力、真空度、大气压力间的关系
压力单位
• 帕(Pa) N/m2，国际单位 • 兆帕(MPa) 106Pa • 工程大气压， kgf/cm2 ，98070 Pa 约等于一个大气压（1.013e+5 Pa) ，“自来水压 头是5公斤”，用的就是这个单位。 • mmH2O， 9.81 Pa • mmHg ，133 Pa • psi, 6895Pa
（2）被测压强不能超过仪表测量范 （3）正确选择充液介质 ①测低压充低密度介质（可使h大） ②测高压充高密度介质（否则冒顶） ③要避免充液与被测介质有化学反应
（4）液柱压强计安装位置应避开过热、过 冷及有震动的地方。并应竖直安装，防 止带来附加误差。一般，冬天常在水中 加入少许甘油或者采用酒精、甘油、水 的混合物作为工作液以防冻结。
• 常用的工作液：水银、水、酒精。当被 测压强或压强差很小，且流体是水时， 还可用甲苯、氯苯、四氯化碳等作为指 示液。
一．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：
P1 P2
P P 1 P 2 g (h1 h2 )
h1
0
4. 斜管式微压计，测量时看不到液柱，是怎么 回事？
五、液柱式压强计使用注意事项
• 液柱式压强计虽然构造简单、使用方便、测量 准确度高，但耐压程度差、测量范围小、容易 破碎，其示值与工作液体密度有关，因此在使 用中必须注意以下几点： （1）若取压点不在同一水平面，用液柱式压强 计测量压强差时，必须考虑取压点的位能。如 图 设取压点1、2相对与某基准面的垂直距离 分别为z1、z2，则有
（5）液体的毛细现象 （6）保持测量管和刻度标尺的清晰，定期 更换工作液。经常检查是否有泄漏现象。 （7）测量瞬时值不得超过量程。
液柱式压力计
• 封液
水，酒精，四氯化碳，水银
• 优点
可测微压 简单可靠、准确度高 • 缺点 不能测过高压力 测量结果难以转成电量，因而难以远传、自动记录和 用于动态测量
• 压差很小时，为扩大读数R，减小相对误 差，可通过减少A，B液体密度差来实现。 故可用此种方法来实现微小压差的测量。 • 工业上采用石蜡油-工业酒精组对 • 实验室采用苄醇-氯化钙溶液组对
补偿式微压计
四．液柱式压力计的测量误差及其修正
P gh
1．环境温度变化的影响及修正
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。修正公式 为： h h 1 (t t )
3．膜片的应力分析
其膜片受到从下向上的压力时，中心区受拉应 力（假设应力为正），周边区受压应力（应力 为负），在 R=0处应力达到正的最大值，而在大 约距中心58%的地方应力为0。
4．电阻分布及测量桥路
1 u1 I ( R R ) 2 0 2 I 0 ( R R)
三、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，将测量管倾斜放置。
A2 h1 A1 lA2 h1 l A1
P1
h2 l sin a
P2 h1
L
h2
A2 斜管 A2 P g (h1 h2 ) g ( l l sin a) g ( sin a)l A1 A1 A A A2 22 ( h1 h) llsin sina a)) g g ( sin h2 gg ( ( l l sin a a))ll 2) 1 A A1 A 1 11
3．弹簧管： 单圈弹簧管 多圈弹簧管
Px
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 长，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。对 应的几何分析如下： R1
R1 R
' 1
'
'
R2
R2 R
' 2
' ' ' R R R R 两式相减: 1 2 1 2 ' 因为： R1 R2 R1' R2 ' 均匀壁厚圆形弹簧管不可用 可得:
弹簧管在量程范围内自由端的位移一 般为 7-8o ，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 180o，通常作成 90º 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270o。
特点
• 弹簧管压力计结构简单，使用方便，测 压范围宽，目前工业测量中应用最广泛 • 可测负压、正压、高压 • 一般弹簧管压力计的测压范围为－ 105~109Pa，精度度最高可达±0.1%。 • 滞后效应影响较大，选择弹性特性好的 材料 • 温度变化直接影响弹性元件的特性