第六章壓力計量

1、顏幸堯顏幸堯 cjlu_ 1第六章 壓力計量第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念第二節(jié)第二節(jié) 液柱式壓力計液柱式壓力計第三節(jié)第三節(jié) 彈簧式壓力表彈簧式壓力表第四節(jié)第四節(jié) 活塞式壓力計活塞式壓力計第五節(jié)第五節(jié) 壓力傳感器及其應(yīng)用壓力傳感器及其應(yīng)用2第一節(jié) 基本概念一、壓力計量的應(yīng)用 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、科學(xué)研究、醫(yī)療衛(wèi)生、安全防護以及人民日常生活的各個領(lǐng)域中，凡是利用液體、氣體、蒸汽等介質(zhì)作為動力、加熱、密封試驗等，都有反應(yīng) “壓力”這個物理量。 壓力如同其它的狀態(tài)參數(shù)一樣，是工業(yè)生產(chǎn)過程及自動化過程中極為重要的控制參數(shù)。因此，需要使用各種能顯示壓力的儀器儀表來計量壓力的大小和變化 。33 3二、

2、壓力的概念 壓力又稱壓強，但在工程上都習(xí)慣稱之為壓力。 壓力的定義：指流體垂直且均勻的作用在物體單位面積上的力。 P=F/A 式中: P 壓力量值（Pa） F 作用力（N） A 單位面積（）第一節(jié) 基本概念4第一節(jié) 基本概念 大氣壓力 大氣自重所產(chǎn)生的對地球表面的單位面積上的力，也稱氣壓，以Pb表示。大氣壓力量值隨海拔高度、地理緯度和氣象情況不同而改變。 絕對壓力 是以零作為參考點的壓力的差壓，又稱全壓力或總壓力，以Pa表示。5第一節(jié) 基本概念 表壓力 即壓力儀器儀表指示的壓力，是以環(huán)境大氣壓為零參考點的壓力，以P表示。習(xí)慣上指高于大氣壓的壓力。 疏空 又叫真空表壓力。當絕對壓力小于大氣壓力時

3、，大氣壓力與絕對壓力之差?；蛘f在封閉容器中的壓力比大氣壓低多少。常用符號Ph表示。6第一節(jié) 基本概念7第一節(jié) 基本概念 大氣壓力 絕對壓力 表壓力 疏空1.011052.211051.011050.811051.011050.511051.011051.011058第一節(jié) 基本概念三、流體特性及其靜力平衡初步分析 流體是液體和氣體的總稱。不論是液體還是氣體，它們都自一個共同的特性就是：流體不能保持一定的形狀，而具有很大的流動性。它只能承受壓力，不能承受拉力和切力。當它承受切力時，流體就會流動。壓力測量的對象流體壓力9第一節(jié) 基本概念流體靜壓力的兩個重要特性（1）流體靜壓力方向必然是沿著作用面的

4、內(nèi)法線方向。（2）靜止流體中任意一點的各個方向靜壓力數(shù)值都相等。等壓面：在靜止流體中，凡是壓力相等的諸點組成的面稱為等壓面。在等壓面上各點的壓力值為一常數(shù)。10第一節(jié) 基本概念 流體靜壓力方程P=P0+ghP0 液體自由表面壓力，Pa； 工作介質(zhì)密度，kg/m3；g一當?shù)刂亓铀俣?，m/s2 ；h液體內(nèi)距自由表面深度，m；Ph深處壓力，Pa11在同一容器的同種液體中，靜壓力P的大小與距自由表面深 度h呈線性變化。卻流體壓力值隨液體深度的增加而增加。液體中的靜壓力只與自由表面下的深度有關(guān)，而與容器形 狀無關(guān)。在液體自由表面下深度為h的各點壓力值均相等。這就證明 了只有重力作用下的靜止流體的等壓面

5、為一水平面。工作介質(zhì)溫度不變時流體密度是個常數(shù)。流體靜壓力基 本方程不僅適合于液體，也適合于未經(jīng)壓縮的氣體。第一節(jié) 基本概念12第一節(jié) 基本概念 在測量氣體壓力時需要考慮溫度變化對壓力量值的影響；也需要考慮壓力改變時對氣體體積或密度的影響。解決這類問題使用描述氣體壓力、溫度、體積之間關(guān)系的理想氣體狀態(tài)方程是很方便的。13第一節(jié) 基本概念 理想氣體狀態(tài)方程P一氣體絕對壓力，PaV氣體體積, M3m氣體質(zhì)量，kgM摩爾氣體質(zhì)量，kgR普適氣體常數(shù), NM/kgKr熱力學(xué)溫度開爾文，K14第一節(jié) 基本概念 當溫度T為常量時，pV=常量 在一定溫度條件下，一定量的理想氣體的體積與壓力成反比，而密度與壓

6、力成正比。15第一節(jié) 基本概念 當壓力p為常量時，V/T=常量 當壓力p為定值時，一定量的理想氣體的體積與溫度成正比，而密度與溫度成反比。16第一節(jié) 基本概念 當體積V為常量時，p/T=常量 當體積V為定值時，一定量的理想氣體的壓力與溫度成正比。17第一節(jié) 基本概念四、壓力計量單位l標準大氣壓（物理大氣壓）也稱物理大氣壓，其符號位atm。它是指溫度為0，重力加速度9.80665m/s2時，760mm高水銀所產(chǎn)生的壓強。l工程大氣壓一個工程大氣壓為1kgf/cm2，表示1kgf垂直均勻地作用在1cm2上產(chǎn)生的壓力。18第一節(jié) 基本概念l毫米汞柱其符號單位為mmHg。1毫米汞柱是指溫度為0，重力加

7、速為9.80665m/s2時，1mm高水銀所產(chǎn)生的壓強。l毫米水柱其符號單位為mmH2O。1毫米水柱是指溫度為4，重力加速為9.80665m/s2時，1mm高水柱所產(chǎn)生的壓強。l巴其符號為Bar。1Bar=1000mBar=103dyn/cm2。19第一節(jié) 基本概念以上單位與帕的轉(zhuǎn)換關(guān)系1atm=1.01325105Pa1kgf/cm2=9.80665104Pa1mmHg=1.333224102Pa1mmH2O=9.80665Pa1Bar=1105Pa20第一節(jié) 基本概念請給下面這些單位按照大小排順序：Pa、bar、mmH2O、mmHg、atm、kgf/cm221第一節(jié) 基本概念o由于工農(nóng)業(yè)生

8、產(chǎn)、國防、科研和計量部門使用的壓力計量儀器儀表品種繁多，測量范圍廣泛，又由于儀表使用環(huán)境條件及要求的多樣性，所以壓力計量儀器儀表分類的方法也多種多樣。o一般情況下，可以根據(jù)儀表的工作原理、準確度等級、測量范圍和顯示方法來分類。五、壓力計量儀器儀表的分類22第一節(jié) 基本概念o按工作原理：液柱式、彈性式、活塞式及電測式等o按被測壓力種類：壓力表、氣壓計、真空計和真空表等；o按被測壓力范圍：微壓（10kPa以下），低壓（10 250kPa），中壓（250kPa100MPa），高壓（100MPa 1000MPa）和超高壓（1000MPa以上）23第二節(jié) 液柱式壓力計液體式壓力計又稱液柱式壓力計，它是基

9、于流體靜力學(xué)原理，利用液柱自重產(chǎn)生的壓力去平衡未知壓力的方法來測量壓力的儀表。常用的液體壓力計有：lU形壓力計（雙管）l單管（杯形）壓力計l傾斜式微壓計l補償式微壓計l水銀氣壓計l鐘罩式壓力計。24第二節(jié) 液柱式壓力計25U型管P2P1h1h20第二節(jié) 液柱式壓力計26第二節(jié) 液柱式壓力計2626o假設(shè)被測的介質(zhì)為氣體，可忽略被測介質(zhì)的高度形成的靜壓值。根據(jù)流體靜力學(xué)原理可得：1212()PPPghhP2P1U型管h1h2027第二節(jié) 液柱式壓力計P2P1h1h20已知大氣壓強P2為1.01105Pa，測量讀數(shù)h1=h2=20mm，求被測壓力P1？（已知g=9.8m/s2，介質(zhì)為水）28直管P

10、dPxh1h2第二節(jié) 液柱式壓力計29第二節(jié) 液柱式壓力計2929o因為A1、A2為常數(shù)，這樣可通過一次讀數(shù)進行壓差測量。當A2/A1很小時，h1可忽略，公式簡化為： 22211221221h Adh Ah AhhADPdPx直管h1h22Pgh222122211()()(1)h AAPghhghghAA當精密測量時，h1不可忽略。為了方便讀數(shù)，也可使用特制的專用標尺。30第二節(jié) 液柱式壓力計L 標尺長度H實際液柱高度D儲液杯內(nèi)徑d示值管內(nèi)徑31例：目前，醫(yī)療界大量使用的臺式血壓計是典型杯形壓力計。苴示值管內(nèi)徑為3.3mm，儲汞瓶內(nèi)徑為16.5mm。設(shè)工作壓力為40kPa，t=20，求特制標尺

11、刻度長度及分度值為0.5kPa時的分度值寬度。第二節(jié) 液柱式壓力計32P2斜管h1h2L第二節(jié) 液柱式壓力計33第二節(jié) 液柱式壓力計3333211211Ah AlAhlA2sinhla P1P2斜管h1h2L主要用于測量微小的壓力、負壓和壓差。為了減少讀數(shù)的相對誤差，拉長液柱，將測量管傾斜放置。 221211()(sin )(sin )AAPghhgllaga lAA34第二節(jié) 液柱式壓力計 在溫度恒定、工作液不改變的情況下，管子的傾斜度越小，壓力測量范圍也越小，對垂直高度的液柱差的放大倍數(shù)就越大，從而提高了讀數(shù)精度。35第二節(jié) 液柱式壓力計36第二節(jié) 液柱式壓力計n 傾斜式微壓計管子的傾斜角

12、通常不小于15度，是為了避免 管內(nèi)由于自由表面拉得長而沖散，反而導(dǎo)致讀數(shù)不準確。n 工作介質(zhì)常采用酒精。37第二節(jié) 液柱式壓力計（1）U形管壓力計的結(jié)構(gòu)原理是什么？（2）一臺杯形液體壓力計測量管內(nèi)徑為4mm，杯內(nèi)徑為 80mm，求測量壓力為500mmHg時，修正后標尺高度是多少？思考題38第三節(jié) 彈簧式壓力表o1 概述o原理：彈性壓力表是利用各種不同形狀彈性感壓元件在被測壓力的作用下，產(chǎn)生彈性變形制成的測壓儀表。o特點：結(jié)構(gòu)簡單、牢固可靠、測壓范圍廣、使用方便、造價低廉、有足夠的精度，可遠傳o常用彈性壓力表：n彈簧管式n波紋管式n膜片（盒）式39第三節(jié) 彈簧式壓力表40第三節(jié) 彈簧式壓力表41

13、第三節(jié) 彈簧式壓力表4141Px 彈簧管壓力表由彈簧管，傳動機構(gòu)，指示機構(gòu)及表殼組成。42第三節(jié) 彈簧式壓力表43第三節(jié) 彈簧式壓力表4343o假設(shè)被測壓力大于外界大氣壓力，產(chǎn)生短軸變長，長軸變短的彈性形變，使管子在彎曲方向上的剛度增大，自由端向管子伸直的方向運動。o管子的位移變動通過傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)變成中心齒輪軸的轉(zhuǎn)動，從而帶動指針轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生讀數(shù)。R1R244第三節(jié) 彈簧式壓力表彈性元件的彈性后效和彈性遲滯往往是同時產(chǎn)生的。由于它們的存在，造成了彈性式壓力表的主要示值誤差；彈簧管的殘余變形指在外力作用消失后，長時間彈簧管不能恢復(fù)到原來的形狀和尺寸的現(xiàn)象。彈性元件殘余變形的存在，將導(dǎo)致壓力儀表表示值

14、的失靈、失準或示值不穩(wěn)定現(xiàn)象。45第三節(jié) 彈簧式壓力表彈簧式壓力管的允許誤差計算一般壓力表準確度及允差精密壓力表準確度及允差46例1：一只0-40MPa的2.5級壓力表，其允許基本誤 差是多少？例2：一只-0.1-0.15MPa的1級壓力表，其允許基本 誤差是多少？第三節(jié) 彈簧式壓力表例3：一只20-60MPa的2.5級壓力表，其允許基本誤 差是多少？47第三節(jié) 彈簧式壓力表波紋管壓力計o波紋管：開口端固定，封閉端的位移作為輸出，由于波紋管的位移相對較大，故靈敏度高，常用于測量較低的壓力，精度等級1.5級。48第三節(jié) 彈簧式壓力表49第三節(jié) 彈簧式壓力表膜片式壓力計o膜片：使用時周邊夾緊，測低

15、壓、微壓。將兩塊膜片沿周邊對焊起來，形成一膜盒，膜盒式微壓計通常用于測量爐膛和煙道尾部負壓。精度等級為2.5，最高可達1.5級。PxPxPxPx平薄片波紋片膜盒50第四節(jié) 活塞式壓力計5050o活塞式壓力計具有量程寬、準確度高、使用方便等特點，在科研單位及計量部門有廣泛的應(yīng)用?；钊钊睵FFAp為使活塞恢復(fù)到平衡位置，需要加上質(zhì)量為m的砝碼ApmgmgpA活塞式壓力計的測量準確度主要由活塞有效面積的測量不確定度決定51第四節(jié) 活塞式壓力計o根據(jù)測量范圍不同，活塞式壓力計有多種結(jié)構(gòu)形式：l帶簡單活塞的壓力計-測量中高壓；l單活塞式壓力真空計-測量壓力和疏空l帶平衡液柱活塞式壓力計-測量范圍寬，

16、可以從零開始出來壓力；l雙活塞式壓力真空計-可以從零開始測量；52第四節(jié) 活塞式壓力計直接加荷式這種壓力計特點是：負荷直接作用于活塞上?；钊到y(tǒng)有效面積均為1cm2，量程為0.110MPa。目前我國生產(chǎn)的活塞式壓力計，測量上限在25MPa以下的均采用直接加荷式53第四節(jié) 活塞式壓力計間接加荷式 這種壓力計適用于測量上限高于25MPa的中、高壓活塞式壓力計。采用間接加荷是為了保護直徑較細的活塞在高壓下不致產(chǎn)生彎曲變形。54第四節(jié) 活塞式壓力計單活塞壓力真空計測量范圍：表壓力：0-0.25Mpa疏空：-0.01-0Mpa55第五節(jié) 壓力傳感器及其應(yīng)用 在壓力檢測技術(shù)中，傳感器因其準確度高，安全可靠

17、，動態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，能遠程傳輸?shù)忍攸c，在很多場合下已取代傳統(tǒng)的壓力儀表。一、傳感器的原理56第五節(jié) 壓力傳感器及其應(yīng)用能將力轉(zhuǎn)換為電壓的傳感器壓電傳感器57第五節(jié) 壓力傳感器及其應(yīng)用二、傳感器的特性1.靈敏度 ：o靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化值與輸入變化值之比，靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化值與輸入變化值之比，用用K 來表示：來表示： dyyKdxx58第五節(jié) 壓力傳感器及其應(yīng)用作圖法求曲線上某一指定點的靈敏度過程作圖法求曲線上某一指定點的靈敏度過程xyx1xy0切點切點傳感器特傳感器特性曲線性曲線yKx59第五節(jié) 壓力傳感器及其應(yīng)用2.分辨力 指傳感器能檢出被測信號的最小變化量。當

18、被測量的變化小于分辨力時，傳感器對輸入量的變化無任何反應(yīng)。對數(shù)字儀表而言，如果沒有其他附加說明，可以認為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。一般地說，分辨力的數(shù)值小于儀表的最大絕對誤差。60第五節(jié) 壓力傳感器及其應(yīng)用3.線性關(guān)系： 人們總是希望傳感器的輸入與輸出的關(guān)系成正比，即線性關(guān)系。這樣可使顯示儀表的刻度均勻，在整個測量范圍內(nèi)具有相同的靈敏度。如果傳感器的輸入與輸出的關(guān)系為非線性關(guān)系，可以用計算機予以糾正 。61第五節(jié) 壓力傳感器及其應(yīng)用傳感器輸入輸出的線性關(guān)系與非線性關(guān)系的比較62第五節(jié) 壓力傳感器及其應(yīng)用4.遲滯現(xiàn)象o 遲滯是指傳遲滯是指傳感器正向特性感器正向特性和反向特性的和反向特性的不一致程度，不一致程度，用計算機逐點用計算機逐點測量得到的某測量得到的某傳感器遲滯特傳感器遲滯特性示意圖性示意圖63第五節(jié) 壓力傳感器及其應(yīng)用一、電阻應(yīng)變式壓力傳感器6363o原理：o電阻的尺寸例如電阻的長度、橫截面積發(fā)生變化將引起電阻的變化。電阻的電阻率發(fā)生變化也將引起電阻阻值的變化。分類：o應(yīng)變片：受壓時，電阻的尺寸L、S發(fā)生變化，引起電阻的變化。o半導(dǎo)體擴散硅：在壓力的作用下，電阻率發(fā)生變化。o通常半導(dǎo)體擴散