热工测量及仪表_第5章_压力仪表讲解.ppt

第五章 压力测试技术 5.1 压力的力学测量方法 5.2 压力的电学测量方法 5.3 电阻应变式压力传感器 5.4 压阻式压力传感器 5.5 电感式压力传感器 5.6 压电式压力传感器 5.7 压力检测仪表的安装 5.8 传感器的标定 格里克(Guericke) 格里克是个博学多才的军人 ，从小就喜欢读书，爱好科学； 莱比锡大学毕业．1621年又到耶 拿大学攻读法律；1623年，再到 莱顿大学钻研数学和力学． 他1631年入伍，在军队中担 任军械工程师，工作很出色．后 来，投身政界，1646年当选为马 德堡市市长．无论在军旅中，还 是在市府内，都没停止科学探索 ． 马德堡半球试验 概述概述 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 : 表压（Gauge pressure）: 相对于大气压力的差压绝对 压力和大气压力之间的差压,用符号Pg表示 正压力（ Positive pressure ）：绝对压力高于大气压力 时的表压，简称正压 负压力（ Negative pressure ）：绝对压力低于大气压力 时的表压，简称负压。

真空度（ Vacuum ）：低于大气压力的绝对压力,用符号 Pv表示，Pv=|Pg| 绝对压力（Absolute pressure）: 相对于绝对真空所测得 的压力,用符号Pi表示 几种通用的非法定的压力计量单位 1 工程大气压（单位符号为：at）（kgf/cm2） 1kg的力垂直作用在 1cm2面积上所形成的压力 2 标准大气压（单位符号为： atm） 最初规定在摄氏温度0℃、纬度45°、晴天时海平 面上的大气压强为标准大气压，其值大约相当于76厘 米汞柱高但是汞的密度大小受温度的影响 为了确保标准大气压是一个定值，1954年第十届 国际计量大会决议声明，规定标准大气压值为1标准大 气压＝101325牛顿／米2，即为101325帕斯卡（Pa) 4 约定毫米水柱（单位符号为： mmH2O） 在标准重力加速度下，4℃时1mm高的水柱在1cm2 的底面上所产生的压力 3 约定毫米汞柱（单位符号为：mmHg） 在标准重力加速度下，0℃时1mm高的水银柱在 1cm2的底面上所产生的压力 托里拆利用1米长一端封闭的玻璃柱做的实验，注 满水银后倒立在水银槽内，水银的高度为760mm，如 果是水，应该是10.336m 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 PSI: 磅/平方英寸，换算关系：1公斤力/平方厘米=14.223磅/平方英寸=0.1MPa Bar: 1巴(bar)=100,000帕(Pa)=10牛顿/平方厘米 表压、绝对压力和负压（真空度）的关系 压力测量方法 § 一、力学测量方法：液体压力平衡、弹性 力平衡 § 二、电学测量方法：电位式、应变式、电 容式、电感式、电涡流、压电式、压阻式 § 重力平衡方法：利用一定高度的工作液体产生的重力或 砝码的重量与被测压力相平衡 § 弹性力平衡方法：利用弹性元件受压力作用发生弹性变 形而产生的弹性力与被测压力相平衡 § 机械力平衡方法：将被测压力经变换元件转换成一个集 中力，用外力与之平衡 § 物性测量方法：利用敏感元件将被测压力直接转换为各 种电量 压力测量方法（续） 5.1.1液体压力平衡 u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 u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 u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 5.1 压力的力学测量方法 § 基本原理：流体静力学原理 一般是采用充有水或水银等液体的玻璃U形管、单管或 斜管进行压力测量的。

u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 u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 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 静止液体的压力 流量孔板的压降 测 速 管 压力测量在气固两相流中的应用 完整的压力测量系统 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 因 则 故 由于 Dd，所以 P =ρgh2 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 由于Lh，所以斜管压力计比单管压力计 更灵敏，可以提高测量精度 L—斜管内液柱的长度；α—斜管倾斜角 Ø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 Ø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 5.1.2 弹性力平衡方法 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 § 基本原理：当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便 产生相应的弹性变形(即机械位移)根据变形量的大小， 可 以测得被测压力的数值 弹性压力计组成框图 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 § 常用的有弹簧管、波纹管、薄膜等同样压力下，不同 结构、不同材料的弹性元件产生不同的弹性变形 波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量； ü单圈和多圈弹簧管可用于高中低压或真空度测量 § （1）波纹管 是一种表面有许多同心环状波纹的薄壁圆筒开口端焊 接于固定基座上,并将流体通入管内，在流体压力作用下， 密封的自由端会产生一定的位移在弹性范围内，自由端的 位移与作用压力成线性关系 § （2）波登管 是横截面为空心椭圆形或扁圆形的金属管当管的固定 端通入有一定压力的流体时，管内外的压力差(管外一般为大 气压力)迫使管截面趋于圆形，这种变形导致波登管封闭的自 由端产生线位移或角位移 （3）弹簧管 Ø截面为非圆形（椭 圆形或扁圆形）， 并弯成圆弧状的空 心管子 Ø一端为封闭（自由 端），一端为开口 （固定端） § 弹簧管压力计 弹簧管式压力计是工业生 产上应用很广泛的一种直读 式 测压仪表，以单圈弹簧管结 构 应用最多。

其一般结构如右 图 所示 被测压力弹簧管位移 通过拉杆使扇形齿轮偏转 啮 合的中心齿轮转动指针同 时 偏转指示出被测压力 弹簧管压力计结构 1-弹簧管；2-连杆；3-扇形齿轮；4-底 座；5-中心齿轮；6-游丝；7-表盘；8- 指针；9-接头；10-横断面；11-灵敏度 调整槽 调放大比、量程 调隙 直接调零 弹簧管压力表 u结构简单，使用方 便，价格低廉，使 用范围广，测量范 围宽 u可测负压、微压、 低压、中压和高压 u精度有0.5、1.0、1.5 、2.5等 § （4）弹性压力计信号远传方式 弹性压力计结构上增加转换部件实现信号的远传多采 用电远传方式，常见的转换方式有电位计式、霍尔元件式 、 电感式、差动变压器式等 (a)电位器式 (b)霍尔元件式 弹性压力计信号电远传方式原理 （5）力平衡式压力计 采用反馈力平衡的原理，反馈力的平衡方式可以是弹性 力平衡或电磁力平衡等 41 弹性力平衡式压力测量系统的原理示意图 Ø 弹性式压力计的误差 1．迟滞误差 相同压力下，同一弹性元件正反行程的变形量 不一样，产生迟滞误差 2．后效误差 弹性元件的变形落后于被测压力的变化，引起 弹性后效误差。

3．间隙误差 仪表的各种活动部件之间有间隙，示值与弹性 元件的变形不可能完全对应，引起间隙误差 4．摩擦误差 仪表的活动部件运动时，相互间存在摩擦力， 产生摩擦误差 5．温度误差 环境温度的变化会引起金属材料弹性模量的变 化，造成温度误差 Ø 弹性式压力计误差的改善途径 1．用无迟滞误差或迟滞误差极小的“全弹性”材料和温 度误差很小的“恒弹性”材料制造弹性元件 2．采用新的转换技术，减少或取消中间传动机构，以 减少间隙误差和磨擦误差 3．限制弹性元件的位移量，采用无干磨擦的弹性支承 或磁悬浮支承等 4．采用合适的制造工艺，使材料的优良性能得到充分 的发挥 压力仪表的校验 常用的校验仪表是活塞式压力计 校验就是将被校压力表和标准压力表通以相同压力，比较它 们的指示值，如果被校表对于标准表的读数误差不大于被校 表的最大允许绝对误差时，则认为被校表合格 1-油杯； 2-针阀； 3-进油阀； 4-油缸 ； 5-活塞； 6-砝 码； 7-托盘； 8-联接螺母； 9-导 管； 10-手摇油泵 ； 11-水平调节螺 钉； 12-底盘 5.2 压力的电学测量方法 § 压力量的电测系统 § 1.传感器；2.测量回路；3.记录或显示器 5.3 电阻应变式压力传感器 § 电阻应变测量系统 ①电阻应变计——传感元件； ②电阻应变仪——转换部分，它将构件表面 的应变转换为电阻值的相对变化，并将应 变计电阻的相对变化(以电桥转换的方式) 转换成电压或电流信号。

③记录仪器——记录电阻应变仪的输出 应变式压力传感器工作原理 u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 u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 ￿￿ 一根金属电阻丝, 在其未受力时, 原始电阻值为 ￿￿￿￿ R= ￿￿ 式中: ρ——电阻丝的电阻率; ￿￿ L——电阻丝的长度; ￿￿ S —电阻丝的截面积 应变效应:导体或半导体材料沿一定方向受力时,其 阻 值将发生变化,这种现象称为应变效应 工作原理 当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长ΔL, 横截面积相应减 小ΔS, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ, 故引起电阻 值相对变化量为 式中ΔL/L是长度相对变化量, 用应变ε表示 ΔS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量, 即 由材料力学可知, 在弹性范围内, 金属丝受拉力时, 沿轴向 伸长, 沿径向缩短, 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为 式中: μ——电阻丝材料的泊松比, 负号表示应变方向相反 通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数 灵敏度系数受两个因素影响: ①受力后材料几何尺寸的变 化, 即（1+2μ）; ②受力后材料的电阻率发生的变化, 即（ Δρ/ρ）/ε。

对金属材料电阻丝来说, 灵敏度系数表达式中（ 1+2μ）的值要比（（Δρ/ρ）/ε）大得多, 而半导体材料的（（ Δρ/ρ）/ε）项的值比（1+2μ）大得多 大量实验证明, 在电阻 丝拉伸极限内, 电阻的相对变化与应变成正比, 即K为常数 用应变片测量应变或应力时, 根据上述特点, 在外力作用下 , 被测对象产生微小机械变形, 应变片随着发生相同的变化, 同 时应变片电阻值也发生相应变化当测得应变片电阻值变化量 ￿￿ ΔR时, 便可得到被测对象的应变值根据应力与应变的关系, 得到应力值σ为￿￿￿￿ σ=E·ε ￿￿￿￿ 式中 : σ——试件。