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1、化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告天津大學(xué)化工技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心印制實(shí)驗(yàn)十一 壓力和液位傳感器測(cè)量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1. 了解壓力傳感器和液位傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)2. 學(xué)習(xí)如何安裝和使用壓力傳感器、液位傳感器3. 學(xué)習(xí)如何測(cè)定和校正傳感器的量程曲線4. 學(xué)習(xí)傳感器、數(shù)字轉(zhuǎn)換儀表的連接和參數(shù)設(shè)置5. 學(xué)習(xí)用液位計(jì)和電磁閥一起控制液位的原理及應(yīng)用二、實(shí)驗(yàn)裝置及試劑壓力傳感器一臺(tái),液位傳感器一臺(tái),直流電源,數(shù)字顯示儀表,高位槽,低位槽,電磁閥三、實(shí)驗(yàn)原理壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器,其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過(guò)程的測(cè)量和自控包括石油、化工、航空、制藥、環(huán)境等不同的行業(yè)和過(guò)程,按照不同的類型,還可以有用來(lái)測(cè)量液體
2、或氣體壓力的,測(cè)量物體重量的,測(cè)量流體壓差的和物體的位移量。也可以分別叫做壓力傳感器、重量傳感器、液位傳感器和差壓傳感器等名稱,下本實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單介紹一些常用傳感器原理及其應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)裝置為一個(gè)透明的有機(jī)玻璃塔,也可以作為一個(gè)液體罐。在塔體的下部,安裝有壓力傳感器,通過(guò)改變液體的高度,或者氣體的壓力,都可以造成系統(tǒng)壓力的變化,可以用來(lái)測(cè)量塔內(nèi)液體水產(chǎn)生的壓力,并顯示在數(shù)字儀表上。該數(shù)據(jù)也可以直接連接到計(jì)算機(jī)上,實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控和采集。在塔的上、下部位,安裝有液位傳感器,用來(lái)測(cè)量液體的位差。本實(shí)驗(yàn)中液體是水,不管液體上方的氣體壓力如何變化,液位傳感器只是測(cè)量上下兩個(gè)測(cè)量口之間的壓力差。液位傳感器除了測(cè)量水的
3、液位,還可以用來(lái)控制液位。本實(shí)驗(yàn)就采用液位傳感器,控制一個(gè)電磁閥。先從儀表設(shè)定一個(gè)需要控制的液位高度,當(dāng)傳感器測(cè)量到的高度超過(guò)這個(gè)設(shè)定值時(shí),儀表會(huì)輸出一個(gè)信號(hào),控制電磁閥的打開(kāi),讓塔內(nèi)的液體排出。當(dāng)液位低于設(shè)定的數(shù)值時(shí),儀表會(huì)停止控制信號(hào)的輸出,電磁閥處于關(guān)閉的狀態(tài),這樣,就能保持塔內(nèi)的液位,處在一個(gè)固定的范圍內(nèi)波動(dòng)。傳感器測(cè)量原理: 壓力傳感器的種類繁多,有壓阻式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器電、感式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器,它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。圖 1 壓力/液位傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)量流程
4、圖壓阻式壓力傳感器: 通常是將電阻膜片通過(guò)特殊的粘和劑緊密的粘合在一個(gè)固定基體上,當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí),膜片的電阻值也發(fā)生相應(yīng)的改變,如果電路中有一個(gè)恒流源,從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。通過(guò)用電橋放大后測(cè)量該電壓值,就可以知道施加到膜片上的壓力值。電阻膜片應(yīng)用最多的是金屬電阻膜片和半導(dǎo)體膜片兩種。金屬電阻膜片又分絲狀膜片和金屬箔狀片兩種。金屬電阻膜片是利用吸附在基體材料上金屬絲或金屬箔,受應(yīng)力變化時(shí),電阻發(fā)生變化的特性來(lái)測(cè)量的。應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象,俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。陶瓷電阻膜片沒(méi)有液體的傳遞,壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面,使膜片產(chǎn)生微小的形變,厚膜電阻印刷在陶瓷
5、膜片的背面,陶瓷電阻膜片的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達(dá)-40135,而且具有測(cè)量的高精度、高穩(wěn)定性。在歐美國(guó)家有全面替代其它類型傳感器的趨勢(shì),在中國(guó)也越來(lái)越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴(kuò)散硅壓力傳感器。高特性,低價(jià)格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向。擴(kuò)散硅的原理,是利用被測(cè)介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上(不銹鋼或陶瓷),使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移,使傳感器的電阻值發(fā)生變化。電容式壓力傳感器:將膜片和基片構(gòu)成一個(gè)腔體,待測(cè)壓力使得陶瓷膜片彎曲情形,如此就能改變組件的電容量,借著加入必須的電子電路,盡可能將此變形與壓力之變化互成關(guān)系。因此電容量的變化即比例于壓力
6、的變化。半導(dǎo)體壓力傳感器:此種裝置也是應(yīng)用壓電效應(yīng)與電橋電阻形式獲得量測(cè)結(jié)果,在硅支撐物上利用擴(kuò)散的方法,用以產(chǎn)生膜片,包含電橋電阻的單元以靜電處理固定在支撐玻璃上。所以,它就與外界形成機(jī)械性的隔離。當(dāng)硅質(zhì)膜片偏向時(shí),電橋的輸出就隨著改變。采用硅- 藍(lán)寶石作為半導(dǎo)體敏感元件,具有無(wú)與倫比的計(jì)量特性。藍(lán)寶石系由單晶體絕緣體元素組成,不會(huì)發(fā)生滯后、疲勞和蠕變現(xiàn)象;藍(lán)寶石比硅要堅(jiān)固,硬度更高,不怕形變;藍(lán)寶石有著非常好的彈性和絕緣特性(1000OC以內(nèi)),因此,利用硅-藍(lán)寶石制造的半導(dǎo)體敏感元件,對(duì)溫度變化不敏感,即使在高溫條件下,也有著很好的工作特性;藍(lán)寶石的抗輻射特性極強(qiáng);另外,硅- 藍(lán)寶石半導(dǎo)
7、體敏感元件,無(wú)p-n 漂移,因此,從根本上簡(jiǎn)化了制造工藝,提高了重復(fù)性,確保了高成品率??稍谧類毫拥墓ぷ鳁l件下正常工作,并且可靠性高、精度好、溫度誤差極小、性價(jià)比高。壓電式壓力傳感器: 這種轉(zhuǎn)換器的工作原理是利用材料的壓電效應(yīng),當(dāng)該材料收到一定壓力變化時(shí),會(huì)在材料兩端產(chǎn)生電壓。壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英(二氧化硅)是一種天然晶體,壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的,在一定的溫度范圍之內(nèi),壓電性質(zhì)一直存在,但溫度超過(guò)這個(gè)范圍之后,壓電性質(zhì)完全消失(這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”)。由于隨著應(yīng)力的變化電場(chǎng)變化微小(也就說(shuō)壓電系數(shù)比較低),所以石英逐漸被其他
8、的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù),但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體,能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度,所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用?,F(xiàn)在壓電效應(yīng)也應(yīng)用在多晶體上,比如現(xiàn)在的壓電陶瓷,包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT 、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理,壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量,因?yàn)榻?jīng)過(guò)外力作用后的電荷,只有在回路具有無(wú)限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。實(shí)際的情況不是這樣的,所以這決定了壓電傳感器只能夠測(cè)量動(dòng)態(tài)的應(yīng)力。壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測(cè)量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。它具
9、有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。傳感器接線原理:對(duì)于壓力傳感器,信號(hào)的輸出可以分成三線制和二線制兩種方式。一般三線制信號(hào)輸出通常是電壓信號(hào),而電流信號(hào)的輸出一般為兩線制。當(dāng)壓力傳感器接受到不同的壓力時(shí),元件會(huì)發(fā)生電阻或電壓的變化。當(dāng)在元件的兩端接上一個(gè)直流電壓時(shí),也就是通常的電源,那么在回路中,就會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)力的電流。如果把這個(gè)電流通過(guò)一個(gè)電阻,那么電阻兩端就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)固定的電壓。該電流或電壓值,隨壓力的變化而變化,得到了準(zhǔn)確的電壓或電流值,就可以反算出元件承受的壓力。傳感器輸入信號(hào): 0
10、10.0MP 傳感器輸入信號(hào):010.0MP 0100m水柱 0100m水柱傳感器輸出信號(hào): 020mA 傳感器輸出信號(hào):020mA 420mA 420mA儀表輸入信號(hào): 05v 儀表輸入信號(hào): 05v 15v 15v 二線制傳感器工作原理圖 三線制傳感器工作原理圖圖2 傳感器接線原理在三線制方式,通常一根是電源的正極,用紅線表示,一根是電源的負(fù)極,一般用藍(lán)色或綠色的線連接,第三根是信號(hào)線的正極,一般是黃色線,信號(hào)線的負(fù)極和電源的負(fù)極,是同一根線。比如,一個(gè)三線制的壓力傳感器,電源電壓為24V,壓力測(cè)量的范圍是0.00-0.10MPa,信號(hào)輸出范圍是0-5V,則當(dāng)信號(hào)電壓為1V時(shí),壓力為0.0
11、2MPa。在二線制方式,通常一根是電源的正極,用紅線表示,一根是電源的負(fù)極,一般用藍(lán)色或綠色的線連接,當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí),該回路中的電流就發(fā)生相應(yīng)的變化,一般是在回路中接一個(gè)電阻,再把電阻兩端的直流電壓引出來(lái)測(cè)量。當(dāng)然,也可以直接測(cè)量電路中的電流。比如,一個(gè)二線制的壓力傳感器,電源電壓為24V,壓力測(cè)量的范圍是0.00-0.10MPa,信號(hào)輸出范圍是0-20MA,則當(dāng)回路中電流測(cè)量值為10MA時(shí),系統(tǒng)的壓力為0.05MPa。本實(shí)驗(yàn)中,采用水的變化來(lái)引起壓力和壓差的變化,用壓力傳感器來(lái)測(cè)量氣體或液體的壓力,用差壓傳感器來(lái)測(cè)量液位的差別,也就是液體高度。實(shí)驗(yàn)采用水為實(shí)驗(yàn)物系,水可以連續(xù)的加入到一個(gè)透
12、明的有機(jī)玻璃塔中,該塔也可以代表一個(gè)液體罐。當(dāng)液位不同時(shí),壓力傳感器測(cè)量到的壓力不同,同樣液位傳感器測(cè)量的數(shù)值也不同。通過(guò)不斷的改變液體的高度,就可以按照下式(1)、(2)計(jì)算出壓力和液位值: 液體壓力=H(液體高度)+液體上方氣體壓力(液柱高度) (1) 液位值=低點(diǎn)的(液體高度)+液體上方氣體壓力(液柱高度)-高點(diǎn)的(液體高度)+液體上方氣體壓力(液柱高度) (2) 也可以改變液體上方的氣體壓力,來(lái)觀察壓力傳感器和液位傳感器的數(shù)值變化。 除了用來(lái)測(cè)量壓力和液位以外,該裝置可以用來(lái)控制液體的高度。當(dāng)液位傳感器測(cè)量的液體高度,大于儀表設(shè)定好的控制值時(shí),儀表會(huì)驅(qū)動(dòng)電磁閥打開(kāi),讓液體流到下面的罐中
13、,當(dāng)塔內(nèi)液體小于要求的高度時(shí),電磁閥會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。四、實(shí)驗(yàn)步驟1. 檢查實(shí)驗(yàn)裝置的儀器和設(shè)備,是否完好。 2. 將水管連接到水龍頭上,并連接到有機(jī)玻璃塔的進(jìn)口,檢查是否漏水?水能否流入到塔內(nèi)。3. 檢查壓力傳感器、液位傳感器連線是否正確,并按照實(shí)驗(yàn)原理和儀表說(shuō)明書,將信號(hào),電源線連接好。4. 連接完成后,讓指導(dǎo)教師檢查。待老師確認(rèn)后,可以開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。 5. 按照儀表的操作說(shuō)明,和傳感器的量程說(shuō)明,設(shè)定好儀表的輸入上下限。連接壓力傳感器的儀表設(shè)置范圍為0.00-0.10at,連接液位傳感器的儀表設(shè)置范圍為0-5m。6. 改變液體的高度,從每次改變10厘米水柱,分別記錄壓力傳感器的數(shù)值和液位傳感器的數(shù)
14、值,記錄液體的溫度。7當(dāng)水位達(dá)到80cm時(shí),停止加水,開(kāi)始放水,每次改變10厘米水柱,繼續(xù)記錄壓力傳感器的數(shù)值和液位傳感器的數(shù)值,記錄液體的溫度。8. 關(guān)閉電源,拆除電路,將工具等放回原位。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算和處理一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下:(日期:2014.05.20 氣溫28.2)表1壓力測(cè)量原始數(shù)據(jù)記錄表(上升) 序號(hào)實(shí)驗(yàn)時(shí)間壓力顯示值(at)液位顯示值(m)液體高度(m)液體溫度()117:240.0060.0240217:260.010.1210.09725.3317:270.0210.2270.20524.9417:290.0310.320.30124.8517:300.0410.4210.
15、40524.8617:310.0510.5220.50424.8717:320.060.6070.59824.9817:330.070.7070.69924.9917:340.080.8060.80224.9表2壓力測(cè)量原始數(shù)據(jù)記錄表(下降) 序號(hào)實(shí)驗(yàn)時(shí)間壓力顯示值(at)液位顯示值(m)液體高度(m)液體溫度()117:360.080.8060.80224.9217:370.070.7090.725317:380.060.60.59625417:390.0510.5170.49825517:390.0410.4170.425617:400.0310.320.30125717:400.0210
16、.2220.20125817:410.0110.1240.10125917:420.0060.02900二實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1. 壓力傳感器測(cè)量校正曲線: 把壓力傳感器測(cè)量的數(shù)值和用水的高度換算的數(shù)值,在直角坐標(biāo)上作圖,X軸為壓力傳感器測(cè)量的實(shí)際數(shù)值,Y軸為用水的密度、溫度和高度換算出的水壓力,這些點(diǎn)可以連接成一條直線,以后只要根據(jù)儀表讀數(shù),就可以知道真實(shí)的壓力。P=gh,其中,代表液體的密度,g是9.8kg/N,h是液位高度。以加水時(shí)第三組數(shù)據(jù)為例,=997.07/m3 ,g=0.205m,則 P=997.07×9.8×0.205=2003Pa=2003Pa ,P=2003
17、215;10-6MPa壓力換算:0.021×98000Pa=2058Pa其他數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程如上,計(jì)算結(jié)果如下表:表3壓力傳感器校正曲線表(上升)序號(hào)實(shí)驗(yàn)時(shí)間壓力顯示值(10-6MPa)壓力計(jì)算值(10-6MPa)液體高度(m)液體溫度()液體密度(/m3)117:24588 0 0996.97217:26980 948 0.09725.3996.97317:272058 2003 0.20524.9997.07417:293038 2941 0.30124.8997.09517:304018 3957 0.40524.8997.09617:314998 4925 0.50424.899
18、7.09717:325880 5843 0.59824.9997.07817:336860 6830 0.69924.9997.07917:347840 7837 0.80224.9997.07表4壓力傳感器校正曲線表(下降) 序號(hào)實(shí)驗(yàn)時(shí)間壓力顯示值(10-6MPa)壓力計(jì)算值(10-6MPa)液體高度(m)液體溫度()液體密度(/m3)117:367840 7837 0.80224.9997.07217:376860 6840 0.725997.04317:385880 5824 0.59625997.04417:394998 4866 0.49825997.04517:394018 390
19、8 0.425997.04617:403038 2941 0.30125997.04717:402058 1964 0.20125997.04817:411078 987 0.10125997.04917:42588 0 0997.04由表3和表4作校正曲線圖:壓力顯示值(10-6MPa)壓力實(shí)際值(10-6MPa)圖3 壓力傳感器測(cè)量校正曲線2. 液位傳感器測(cè)量校正曲線: 把液位傳感器測(cè)量的數(shù)值和用水的實(shí)際高度,在直角坐標(biāo)上作圖,X軸為液位傳感器測(cè)量的實(shí)際數(shù)值,Y軸為水的實(shí)際測(cè)量高度,這些點(diǎn)可以連接成一條直線,以后只要根據(jù)儀表讀數(shù),就可以知道實(shí)際的液位高度。表5 液位傳感器校正曲線表液位上升
20、液位下降液位顯示值/m實(shí)際液位/m液位顯示值/m實(shí)際液位/m0.024 0.000 0.806 0.802 0.121 0.097 0.709 0.700 0.227 0.205 0.600 0.596 0.320 0.301 0.517 0.498 0.421 0.405 0.417 0.400 0.522 0.504 0.320 0.301 0.607 0.598 0.222 0.201 0.707 0.699 0.124 0.101 0.806 0.802 0.029 0.000 由表5校正曲線圖:實(shí) 際 液 位(m)液位顯示值(m)圖4液位傳感器測(cè)量校正曲線六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論對(duì)校正曲線
21、的結(jié)果進(jìn)行討論和說(shuō)明首先,通過(guò)液位上升與下降時(shí)的壓力、液位值,我們可以知道,兩者的重合性很好,說(shuō)明在儀器量程范圍內(nèi),無(wú)論增加或者減少液體,其相應(yīng)的測(cè)量值并不會(huì)有很大的誤差,而且誤差幾乎可認(rèn)為忽略不計(jì)(實(shí)驗(yàn)誤差主要來(lái)源于傳感器(壓力傳感器、液位傳感器、溫度傳感器)測(cè)量引起的誤差、讀取液位高度所產(chǎn)生的誤差等)。 其次,通過(guò)觀察壓力傳感器校正曲線,我們可以發(fā)現(xiàn),該曲線為一直線,但是不經(jīng)過(guò)原點(diǎn),y = 1.0395x - 267.63, R² = 0.9968和y = 1.0437x - 308.98, R² = 0.9974,說(shuō)明此壓力傳感器測(cè)量線性度較好,重復(fù)性較高。在液位傳感
22、器測(cè)量校正曲線試驗(yàn)中,我們通過(guò)對(duì)液位表顯示值與液體實(shí)際高度進(jìn)行作圖分析得出,y = 1.0264x - 0.027 R² = 0.9999和y = 1.0301x - 0.0286 R² = 0.9999,線性度較高,這說(shuō)明此液位傳感器具有較高的精密度,也說(shuō)明本次得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的重復(fù)性。實(shí)驗(yàn)可改進(jìn)之處:加水可以安裝自動(dòng)控制加水器,設(shè)定每次加水量,自動(dòng)停止。七、實(shí)驗(yàn)問(wèn)題回答1.壓力傳感器有哪幾種主要測(cè)量原理?最少說(shuō)明三種壓力傳感主要有壓阻式傳感器、電容式壓力傳感器、半導(dǎo)體壓力傳感器,其他的還有諸如:電阻應(yīng)變片壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳
23、感器及電容式加速度傳感器等。壓力傳感器主要有壓阻式傳感器,主要原理是:將電阻膜片通過(guò)特殊的粘和劑緊密的粘合在一個(gè)固定基體上,當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí),膜片的電阻值也發(fā)生相應(yīng)的改變,如果電路中有一個(gè)恒流源,從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。通過(guò)用電橋放大后測(cè)量該電壓值,就可以知道施加到膜片上的壓力值。 電容式壓力傳感器:將膜片和基片構(gòu)成一個(gè)腔體,待測(cè)壓力使得陶瓷膜片彎曲情形,如此就能改變組件的電容量,借著加入必須的電子電路,盡可能將此變形與壓力之變化互成關(guān)系。因此電容量的變化即比例于壓力的變化。 半導(dǎo)體壓力傳感器:此種裝置也是應(yīng)用壓電效應(yīng)與電橋電阻形式獲得量測(cè)結(jié)果,在硅支撐物上利用擴(kuò)散的方法,用以
24、產(chǎn)生膜片,包含電橋電阻的單元以靜電處理固定在支撐玻璃上。所以,它就與外界形成機(jī)械性的隔離。當(dāng)硅質(zhì)膜片偏向時(shí),電橋的輸出就隨著改變。2.液位傳感器的安裝有什么要求?測(cè)量原理是什么?液位的測(cè)量是通過(guò)安裝在塔頂和塔底的壓力傳感器所測(cè)的壓力差來(lái)實(shí)現(xiàn)的。塔頂傳感器的安裝高度一定要大于液體的最大液位。當(dāng)液位不同時(shí),壓力傳感器測(cè)量到的壓力不同,同樣液位傳感器測(cè)量的數(shù)值也不同。通過(guò)不斷的改變液體的高度,就可以按照下式(1)、(2)計(jì)算出壓力和液位值: 液體壓力=H(液體高度)+液體上方氣體壓力(液柱高度) (1) 液位值=低點(diǎn)的(液體高度)+液體上方氣體壓力(液柱高度)-高點(diǎn)的(液體高度)+液體上方氣體壓力(液柱高度) (2)3.怎樣使用壓力校正曲線?用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)舉例說(shuō)明。答:壓力校正曲線是測(cè)量值與實(shí)際值的曲線,橫坐標(biāo)為測(cè)量值(顯示值),縱坐標(biāo)為理論計(jì)算的實(shí)際值,根據(jù)測(cè)出的橫坐標(biāo),在曲線上找縱坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)點(diǎn),就可得實(shí)際壓力值。例如壓力傳感器讀
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