压力和差压测量卢.pptx
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1、 在工业生产、科学研究等各个领域中,压力是经常需要测量的重要参数。本章介绍压力的测量方法、测量中所用的仪器设备及所用典型传感器的基本原理及结构。3.1压力的测量压力的测量3.1.1压力的基本概念压力的基本概念 压力是工业生产过程中重要的工艺参数之一,正确地测量和控制压力是保证工业生产过程良好地运行,达到高产优质低耗及安全生产的重要环节。1.压力的定义压力的定义压力是垂直而均匀地作用在单压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力,即物理学中常称的压强。位面积上的力,即物理学中常称的压强。工程上,习惯把压强称为压力。工程上,习惯把压强称为压力。由此定义,压力可表示为:2.压力的表示方法压力的表示方法由
2、于参照点不同,在工程上压力有几种不同表示方法。(1)绝对压力绝对压力 (2)大气压力大气压力(3)表压力表压力(4)真空度真空度(负压负压)(5)差压差压(压差压差)图3-1 各种压力之间的关系 这几种表示法的关系如图3-1所示。此外,工程上按压力随时间的变化关系还有静态压力(不随时间变化或变化缓慢的压力)和动态压力(随时间作快速变化的压力)之分。3.压力的计量单位压力的计量单位 压压力力是是力力和和面面积积的的导导出出量量。在国际单位制中,取力的单位为牛顿,面积单位为米2,则压力单位为牛顿/米2,用符号N/m2表示;压力单位又称为帕斯卡或简称帕,符号为Pa。1Pa1N/m2。因 帕 单 位
3、太 小,工 程 上 常 用 kPa(103Pa)和MPa(106Pa)表示。我国已规定帕斯卡为压力的法定单位。由于历史发展的原因、单位制的不同以及使用场合的差异,压力还有多种不同的单位。目前工程技术部门仍在使用的压力单位有工程大气压、物理大气压、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。4.压力检测的基本方法压力检测的基本方法根据不同工作原理,压力检测方法可分为如下几种:(1)(1)重重力力平平衡衡方方法法:利用一定高度的液体产生的重力或者砝码的重量与被测压力相平衡。如液柱式或者活塞式压力计(2)(2)弹弹性性力力平平衡衡方方法法:利用弹性元件受压变形产生变形,弹性力被测压力(3)(3)物物性性测测量量方方法
4、法:利用敏感元件在压力,物理特性发生变化。应变式、电容式压力传感器(4)(4)机械力平衡方法机械力平衡方法 压力 转换为集中力3.2.液柱式压力计液柱式压力计 应用液柱测量压力的方法是以流体静力学原理为基础的。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,其结构形式如图所示。(1)U(1)U形管压力计形管压力计(2)(2)单管压力计单管压力计(3)(3)斜管压力计斜管压力计弹性式压力仪表弹性式压力仪表3.3.弹性压力计弹性压力计 当当被被测测压压力力作作用用于于弹弹性性元元件件时时,弹弹性性元元件件便便产产生生相相应应的的弹弹性性变变形形(即即机机械械位位移移)。根据变形
5、量的大小,可以测得被测压力的数值。弹性压力计的组成环节如图3-4所示:弹弹性性元元件件是核心部分,其作用是感受压力并产生弹性变形,弹性元件采用何种形式要根据测量要求选择和设计;在弹性元件与指示机构之间是变变换换放放大大机机构构,其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大;指指示示机机构构(如指针与刻度标尺)用于给出压力示值;调整机构用于调整零点和量程。图3-4 弹性压力计组成框图(1)(1)弹性元件弹性元件 同样的压力下,不同结构、不同材料的弹性元件会产生不同的弹性变形。常用的弹性元件有弹簧管、波纹管、薄膜等,如表3-1所示。其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量;单圈和多圈弹簧管可用于高、中、
6、低压或真空度的测量。表3-1 弹性元件的结构和特性类别名称示意图压力测量范围kPa输出特性动态性质最小最大时间常数/s自振频率/Hz薄膜式平薄膜010010510-510-210104波纹膜010-3010310-210-110102挠性膜010-5010210-211102波纹管式波纹管010-3010310-210-110102弹簧管式单圈弹簧管010-10106102103多圈弹簧管010-2010510102 弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈钢等,各适用于不同的测压范围和被测介质。通过各种传动放大机构直接指示被测压力值。这类直读式测压仪表有弹簧管压力计弹簧管压力计、波纹波纹管
7、差压计管差压计、膜盒式压力计膜盒式压力计等。弹性式压力表弹性式压力表弹性式压力表弹性式压力表工作原理工作原理:是是基基于于以以弹弹性性受受压压后后弹弹性性元元件件产产生生弹弹性性变变形形(位位移移)为为基础的压力测量仪表基础的压力测量仪表弹性元件弹性元件:膜片;膜盒;波纹管;单、多圈弹簧管膜片;膜盒;波纹管;单、多圈弹簧管膜片膜盒组件单、多圈弹簧管波纹膜片弹性式压力表弹性式压力表弹性元件的特性弹性元件的特性弹性元件:弹性元件:弹簧管将压力弹簧管将压力P转换为角位移转换为角位移xxx虎克定律虎克定律:性能指标:性能指标:1、刚度;、刚度;2、灵敏度;、灵敏度;3、弹性滞后;、弹性滞后;4、弹性后
8、效、弹性后效弹簧管压力表弹簧管压力表2.工作原理工作原理自由端自由端B的位移与被测压力之间是的位移与被测压力之间是比例关系,因此弹簧管压力表的比例关系,因此弹簧管压力表的刻度时线性的。刻度时线性的。1.单圈式压力表的结构单圈式压力表的结构组成组成测量元件、传动放大机构、显示机构测量元件、传动放大机构、显示机构游游丝丝的的作作用用:克克服服由由于于机机械械传传动动结结构的间隙而产生的测量误差构的间隙而产生的测量误差(变差变差)。调整螺钉的作用调整螺钉的作用:实现量程的调整。实现量程的调整。(2)(2)弹簧管压力表弹簧管压力表 弹簧管式压力表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
9、结构应用最多。其一般结构如图3-5所示。被测压力由接口引入,使弹簧管自由端产生位移,通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转,并带动啮合的中心齿轮转动,与中心齿轮同轴的指针将同时顺时针偏转,并在面板的刻度标尺上指示出被测压力值。图3-5 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 通过调整螺钉可以改变拉杆与扇形齿轮的接合点位置,从而改变放大比,调整仪表的量程。转动轴上装有游丝,用以消除两个齿轮啮合的间隙,减小仪表的变差。直接改变指针套在转动轴上的角度,就可以调整仪表的机械零点。弹簧管压力计结构简单,使
10、用方便,价格低廉,测压范围宽,应用十分广泛。一般弹簧管压力计的测压范围为-105109Pa;精确度最高可达0.1。(3)(3)弹性压力计信号远传方式弹性压力计信号远传方式 弹性压力计可以在现场指示,但是许多情况下要求将信号远传至控制室。一般可以在已有的弹性压力计结构上增加转换部件实现信号的远距离传送。弹弹性性压压力力计计信信号号多多采采用用电电远远传传方方式式,即即把把弹性元件的变形或位移转换为电信号输出。弹性元件的变形或位移转换为电信号输出。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,下图给出两种电远传弹性压力计结构原理。(a)电位器式(b)霍尔元件式弹性压力计信号电远传方
11、式原理电气式压力仪表电气式压力仪表3.4.13.4.1压阻式压力传感器压阻式压力传感器 固体受力后电阻率发固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻生变化的现象称为压阻效应。效应。图3-7压阻式压力传感器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0.20.02;(4)易于微小型化,目前国内生产出直径1.82mm的压阻式压力传感器。(3)(3)压电式压力传感器压电式压力传感器 某些电介质沿着某一某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变个方向受力而发生机械变形形(压缩或伸长压缩或伸长)时,其内
12、时,其内部将发生极化现象,而在部将发生极化现象,而在其某些表面上会产生电荷。其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后,它又会重当外力去掉后,它又会重新回到不带电的状态,此新回到不带电的状态,此现象称为现象称为“压电效应压电效应”。图3-8压电式压力传感器压电式压力传感器特点:(1)体积小,结构简单,工作可靠;(2)测量范围宽,可测100MPa以下的压力;(3)测量精度较高;(4)频率响应高,可达30KHz,是动态压力检测中常用的传感器,但由于压电元件存在电荷泄漏,故不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。3.5压力计的选择、安装和校准压力计的选择、安装和校准1.压力仪表的选择压力仪表的选择 压力仪表的
13、选择应本着经济合理的原则综合考虑仪表类型、测量范围和精度等方面。仪表的类类型型应根据被测介质情况、现场环境及生产过程对仪表的要求 仪表的量量程程要根据被测压力的大小及其在测量过程中变化的情况来选取。仪表的精精度度应根据工艺生产的要求在规定的精度等级中选择确定。所选精度等级应小于或至少等于工艺要求的仪表允许最大引用误差。压力测量系统(包括测取压力的取压口、传递压力的引压管路和测量仪表)安装的正确与否直接影响测量结果的准确性。应根据具体被测介质、管路和环境条件,选取适当的取压口位置、正确安装引压管路和测量仪表。一些常用压力仪表的性能和用途见下表。2.压力仪表的安装压力仪表的安装仪表型式常用测量范围
14、(Pa)精度等级用途与特点液柱式压力计U形管压力计0105或压差、负压高基准器、标准器、工程测量仪表单管压力计0105或压差、负压高基准器、标准器、工程测量仪表斜管压力计02103或压差、负压高基准器、标准器、工程测量仪表弹性压力计弹簧管压力计0109较高工程测量仪表、精密测量仪表膜片式压力计02106或压差、负压一般工程测量仪表、精密测量仪表膜盒式压力计04104或压差、负压一般工程测量仪表、精密测量仪表波纹管压力计04106或压差、负压一般工程测量仪表、精密测量仪表活塞式压力计02.5108或负压很高基准器、标准器电位计式压力传感器06107一般工程测量仪表电容式压力传感器0107或压差较
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