壓力差壓測量

1、3 壓力差壓測量3.1 壓力差壓的概念及單位3.1.1 概念1）壓力、差壓、絕對(duì)壓力和表壓l 壓力 介質(zhì)垂直作用在單位面積上的力，即物理學(xué)的壓強(qiáng)。l 差壓 兩個(gè)壓力之差。l 絕對(duì)壓力 介質(zhì)垂直作用在單位面積上的全部壓力。l 表壓力 絕對(duì)壓力與當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐拇髿鈮褐?。工程上需要測量的往往是物體超出大氣壓以外的壓力大小，因此壓力計(jì)的指示值都是表壓力（即通入儀表的壓力是絕對(duì)壓力，顯示的是表壓力）。絕對(duì)壓力=表壓力+大氣壓力表壓力=絕對(duì)壓力 大氣壓力2）正壓、負(fù)壓、真空度l 正壓（壓力）：表壓力為正時(shí)。l 負(fù)壓（真空）：表壓力為負(fù)時(shí)。l 真空度：負(fù)壓的絕對(duì)值。3）壓力單位l 國際單位：帕斯卡（帕、Pa）

2、1Pa=1牛頓/米（Nm2），工程上常用kPa，MPa。l 習(xí)慣常用：工程大氣壓kgfcm2、mmHO、mmHg等 見P87，表3.13.1.2壓力傳感器的種類l 機(jī)械式：液柱式、活塞式、彈性元件式；（結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價(jià)格低廉）l 電氣式：壓電式、壓阻式、壓磁式。（動(dòng)態(tài)性能好，靈敏度高，易于小型化，便于遠(yuǎn)傳，目前正在發(fā)展）3.2 液柱式壓力計(jì)原理：流體靜力學(xué)原理，流體內(nèi)某一點(diǎn)的靜壓力，由這一點(diǎn)的高度，流體的密度和外加壓力決定。應(yīng)用：0.1Pa以下的壓力、差壓和負(fù)壓，也常作為校驗(yàn)低壓和微壓儀表的標(biāo)準(zhǔn)儀器。 特點(diǎn)：簡單，使用方便，精度較高；體積大，讀數(shù)不便，不能遠(yuǎn)方測量，易損壞。3.2.1 U

3、形管壓力計(jì)1）數(shù)學(xué)模型：設(shè)P被測壓力；P參比壓力（多為大氣壓），當(dāng)PP時(shí)，液柱的高度差（h+h）：由流體靜力學(xué)知：在連續(xù)同一均質(zhì)液體中，同一高度上的靜壓力相等。以AA面為基準(zhǔn)高度，由壓力平衡知：展開整理得：這是普遍公式，給出了P與h，h的關(guān)系。l 一般情況=則 P= P+ g(-)(h+h)l 如果<<則P= P+ g (h+h)2）結(jié)論：l 只要已知H，P，則只需測出h，h即可求出被測壓力P。l 差壓測量P=P-P= g(-)(H-h)+g(-)(h+h)如果= 則：P= g(-)(h+h)如果<< 則：P= g (h+h)l 表壓數(shù)值：如P=P（大氣壓）則P= P-

4、P即為表壓3）幾個(gè)問題：（口頭）l （h+h）不可能太大，否則讀數(shù)制造都不方便，可以改變的是封液密度，以改變測壓量程。密度越小，則測壓范圍越大，但是讀數(shù)靈敏度越低。l 如使=與相差不大時(shí)，（-）越小，則同樣(h+h)越大，所以靈敏度越高，可測量微壓。l U形管壓力計(jì)只讀一側(cè)數(shù)據(jù)時(shí)若U形管兩側(cè)的截面積不等時(shí)，2h代替（h+h）就會(huì)產(chǎn)生誤差。l 對(duì)封液的要求：不與被測介質(zhì)發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，流動(dòng)性好，液面清晰。3.2.2液柱式壓力計(jì)的幾種變形儀表（簡介）l 單管壓力計(jì)這是用h代替（h+h）與上邊的2h代替（h+h）不相同解決了兩次讀數(shù)的不便。F>>F A/A0 PP+ g (-)h當(dāng)A

5、/A0.01時(shí), 1%l 斜管壓力計(jì)（傾斜微壓計(jì)）當(dāng)、一定時(shí)，越小l越大，l>h讀數(shù)的相對(duì)誤差越小。(不能小于15度，否則會(huì)引起讀數(shù)困難。)3.2.3液柱式壓力計(jì)的誤差l 從公式可以看出P一定時(shí)，P，g，引起誤差；l 毛細(xì)現(xiàn)象（表面張力）影響：管中封液的分界面也不是水平的，呈彎月面（上凸或者下凹），從而使得液面升高或是降低，引起附加誤差。此誤差與封液的種類、管內(nèi)徑有關(guān)內(nèi)徑細(xì)，則誤差高，一般要求管內(nèi)徑大于68mm。對(duì)于一定的結(jié)構(gòu)的封液的壓力計(jì)，毛細(xì)現(xiàn)象引起的讀數(shù)誤差是一定的。（水<2mm,Hg<1mm），不隨液面的高低變化，屬于系統(tǒng)誤差，很易修正。l 溫度變化的影響：溫度變化可

6、導(dǎo)致毛細(xì)現(xiàn)象的變化，標(biāo)尺的變化以及封液密度的變化（其中封液密度變化是主要的誤差源）。l 重力加速度修正：使用實(shí)際重力加速度l 讀數(shù)誤差：正確讀數(shù)方式：眼與液面的頂，底平。l 位置傾斜的誤差（安裝誤差）3.3 彈性元件及彈性壓力表應(yīng)用：測壓范圍廣，從幾mmHO到上萬個(gè)大氣壓。 應(yīng)用最廣，實(shí)際應(yīng)用的壓力表大多是彈性壓力表。組成： 壓力傳感器：彈性元件。 位移轉(zhuǎn)換器：位移放大，就地指示；位移電量，遠(yuǎn)方顯示。顯示部分：機(jī)械式（就地）；電氣式（遠(yuǎn)傳）。3.3.1彈性元件1）作用：壓力變形位移；面積2）原理：（P）被測壓力力（F）彈性變形（位移l）輸出 彈性恢復(fù)力3）種類：l 彈簧管（波登管）Ø

7、 結(jié)構(gòu)：彎曲成圓弧形，螺旋形或S形的非圓截面的管子，封閉一端（自由端），另一端通入被測壓力。截面短軸方向與管子彎曲的徑向方向一致。Ø 原理（簡述）：短軸方向受力面積比長軸方向受力面積大，受力也大，使管子有變圓的趨勢（短軸要伸長，長軸要縮短），產(chǎn)生彈性形變。有經(jīng)驗(yàn)公式。Ø 提高靈敏度的措施： 增大中心角（可做成多圈、S形） 降低管壁厚 增大長短軸比a/b值（越扁越靈敏）減小材料的剛度（單位變形所對(duì)應(yīng)的彈性力）Ø 應(yīng)用：大小壓力、負(fù)壓均可，但是一般不用它測量差壓。l 膜片Ø 結(jié)構(gòu)：見圖。Ø 原理：PxØ 種類：按膜片的形狀：平膜片（剛性、

8、撓性）、波紋膜片（三角波、梯形波、正弦波）；按剛度分：彈性膜片、撓性膜片；l 膜盒Ø 結(jié)構(gòu)：見圖。Ø 作用：提高靈敏度，應(yīng)用很廣。l 波紋管（筒）Ø 結(jié)構(gòu)：如圖。Ø 原理：Px，開口端固定，封閉端的位移作為輸出，位移與壓力、有效面積和波紋數(shù)成正比。Ø 特點(diǎn)：工作行程510mm；受壓時(shí)線性范圍大于受拉式的范圍，整個(gè)線性范圍較小。改善線性關(guān)系和量程的方法：力彈簧，這時(shí)彈性元件的特性主要由彈簧來決定，彈黃管主要起隔離介質(zhì)以及壓力轉(zhuǎn)換成作用力的作用4）材料：l 測低壓、負(fù)壓：黃銅，磷青銅等。l 測高壓：鋼，不銹鋼等。3.3.2彈性壓力表前面講過的各類彈

9、性元件與各種位移變換器配合，可制成各種指示式和遠(yuǎn)傳式壓力表。1）彈簧管壓力表l 結(jié)構(gòu)：（單圈為例）（圖）l 位移傳遞過程：自由端位移l拉桿扇形齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)表針轉(zhuǎn)動(dòng)l 游標(biāo)的作用：防止傳動(dòng)部分卡死，連接部分之間有一定的間隙，而此間隙引起的變差，加游標(biāo)可保證各個(gè)連接部分之間只有一個(gè)方向的接觸，克服間隙引起的變差影響。2）膜式微壓計(jì)測量小壓力或者是負(fù)壓的膜式微壓計(jì)一般均為膜盒式，基本結(jié)構(gòu)原理一致。l 結(jié)構(gòu)（圖）3）雙波紋管差壓計(jì)：差壓計(jì)的應(yīng)用：廣泛用來作為流量與水位測量的顯示儀表。l 結(jié)構(gòu)（圖）l 傳動(dòng)過程：設(shè)波紋管B和B的有效受力面積相等的情況為F，則B受力 PF，B受力PF，當(dāng)PF &g

10、t; PF時(shí)，B受壓縮B伸長，彈簧伸長，當(dāng)B和B和彈簧組成的 彈性系統(tǒng)的反作用力與差壓的作用力相等時(shí)，活動(dòng)部分在新的位置上達(dá)到了平衡，中心軸向右移l擺桿帶動(dòng)扭力管轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)角信號(hào)，帶動(dòng)顯示部分。l 位移l與差壓P的關(guān)系據(jù)力平衡原理：有（2K+K）l=P·F 推出l=P·F/（2K+K）其中K和K分別為波紋管和彈簧組的剛度（剛度=力/變形位移）K、K、F為常數(shù)位移l與差壓P成線性關(guān)系。l 幾個(gè)問題的分析：Ø 量程的改變方法：國產(chǎn)的CW系列差壓計(jì)，連接軸總的行程為5mm，通過改變K、K、F可改變量程。一般采用兩個(gè)措施：改變K（改變彈簧粗細(xì)或指數(shù)K提高，P增大）；改變

11、F（改換波紋管直徑）R增大，則P減小。Ø 承受靜壓：差壓計(jì)的特點(diǎn)是差壓不大，而靜壓可能很高，所以在選擇表時(shí)還必須考慮靜壓能力是否滿足工作要求。Ø B的溫度補(bǔ)償作用：不加B時(shí)，溫度升高，充液體積改變，波紋管做不規(guī)則變形引起誤差；加入B后，充液的體積變化由B來容納。（因?yàn)锽未與剛性軸相連，可以自由伸長，而B和B不可以）Ø 單向過壓保護(hù)：由于差壓計(jì)差壓小，靜壓高，而l=5mm,過大則損壞，所以P不可過大，更不允許單向受壓，當(dāng)發(fā)生P過大時(shí)，由單向受壓保護(hù)閥把容室隔斷，防止波紋管的進(jìn)一步變形。Ø 阻尼裝置：為了防止差壓頻繁波動(dòng)引起的指針擺動(dòng)不定，要加阻尼?？煞譃楣?/p>

12、定阻尼（阻尼環(huán)）和可調(diào)阻尼（阻尼旁路閥）Ø 波紋管位移的外傳：要求：密封外傳：扭力管的構(gòu)造：3.2，厚0.2mm的彈性管，尾端封閉并與擺桿，中心軸焊為一體，另一端與外壁及中心軸基座焊死（不漏油）中心軸通過瑪璃軸承引出。因?yàn)榕ち芎鼙?，所以能作彈性扭轉(zhuǎn)。3.4彈性元件位移的遠(yuǎn)傳遠(yuǎn)距離測壓的兩種方法：用長管道傳遞壓力信號(hào)，再由直接指示儀表顯示（不經(jīng)濟(jì)，不安全）； 彈性元件就地把位移轉(zhuǎn)換成電量，用電氣表表示（常用，對(duì)應(yīng)的是遠(yuǎn)傳壓力表，它的關(guān)鍵在于位移與電量的轉(zhuǎn)換原理以及方法。）3.4.1霍爾效應(yīng)位移變換器1）霍爾片結(jié)構(gòu)及霍爾效應(yīng)：l 結(jié)構(gòu)：一塊半導(dǎo)體材料（如鍺等）制成的薄片。l 霍爾效應(yīng)：

13、霍爾片的Z軸方向加一感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場，Y軸方向加一電流I，則由于磁場作用片內(nèi)電子產(chǎn)生偏移的結(jié)果，使霍爾片在X軸方向產(chǎn)生電勢的現(xiàn)象。2）霍爾電勢：霍爾系數(shù)形狀系數(shù)厚度電勢導(dǎo)出端長度電流通入端寬度當(dāng)霍爾片材料、尺寸確定后：3）霍爾片式壓力變送器結(jié)構(gòu)（示例）3.4.2電感式位移變換器1）三種結(jié)構(gòu)形式l 變氣隙寬度：Ø 原理：如圖：當(dāng)銜鐵和鐵芯之間的氣隙寬度變化時(shí)，會(huì)使線圈的自感發(fā)生變化： L=/=/2/F=F /2其中：線圈匝數(shù)；R磁路總磁組；空氣導(dǎo)磁系數(shù)；F銜鐵與鐵芯之間的相對(duì)面積；氣隙寬度Ø 特點(diǎn)：靈敏度高；非線性嚴(yán)重，線性范圍小，測量行程有限（一般1mm, 1/5）l 變

14、氣隙面積式：Ø 原理：如圖。銜鐵的位移改變F改變LØ 特點(diǎn)：L與L近似線性，所以行程范圍大，比前者用得多l(xiāng) 螺管式：Ø 原理：如圖 L=/鐵芯下移，則磁路空氣段加長。 R增大，L減小，鐵芯上移，R減小，L增大。Ø 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，行程很大，靈敏度低。為提高靈敏度，再線圈外加等磁材料包起來，稱為外鐵心。2）差接式電感位移變換器上述三種形式都可以作為差接變換器，如圖。l 原理：取兩個(gè)線圈L、L在差接變換器中，鐵心位置變化使得L、L同時(shí)變化，但一個(gè)增大，一個(gè)減小。l 特點(diǎn)：靈敏度提高（L增大、L減小，則L增大一倍），可降低環(huán)境等因素對(duì)于測量的影響（如

15、L、L隨某些因素變化時(shí)，變化量相同，可以使之抵消）3.4.3差動(dòng)變壓器式位移變換器這種變換器是目前應(yīng)用最廣泛的一種12ie1e21）變壓器原理：如圖：設(shè)原邊匝數(shù)，加電源e，其電流I；副邊匝數(shù)，互感電壓e：則有e= - M其中：是原線圈1中的電流的時(shí)間變化率；M是線圈間互感系數(shù)：M=/ R，R為穿過原副線圈磁路的磁阻。當(dāng)結(jié)構(gòu)一定時(shí)，為定值，則M只隨鐵芯位置而改變，并且，決定于交流電源的電壓的幅值與頻率，可以固定為常數(shù)。在鐵芯上移則R減小，e2增加。2）差動(dòng)變壓器原理：（它是實(shí)際采用的形式）一個(gè)原線圈，兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的并按電壓反向串連的副線圈。即：在副邊開路時(shí)，其電壓輸出的瞬時(shí)值u為兩個(gè)副線圈的

16、電勢之差。u = e- e=(M-M)M原線圈與副線圈的耦合互感系數(shù)M=/RM原線圈與副線圈的耦合互感系數(shù)M=/R可見，M1、M取決于鐵芯的位置，u也取決于鐵芯的位置。 U與l的關(guān)系（l為鐵芯位移）當(dāng)鐵芯居中：l=0，則R= R，M = M，e= e，U=0 當(dāng)鐵芯居上：l>0，則R< R，M >M，e>e，U0 當(dāng)鐵芯居下：l<0，則R> R，M <M，e<e，U0 l越大，U越大 結(jié)論：當(dāng)差動(dòng)變壓器的電源電壓一定時(shí)。其輸出的交流電壓的大小只決定于鐵芯的偏離中間位置的位移的大小，而輸出電壓的相位決定于鐵芯偏離中心位置的方向。3）差動(dòng)變壓器式位移

17、變換器的實(shí)用舉例l 結(jié)構(gòu)如圖l 傳動(dòng)：P=P- P膜盒位移lU3.4.4電容式位移變換器1）原理對(duì)于電容器，改變極板之間距離、相對(duì)面積或介電常數(shù)均可可變電容量，實(shí)現(xiàn)位移>電容的轉(zhuǎn)換。l 平行板電容器：l 同軸圓筒式電容器：2）兩種主要形式l 平行板電容變距離；l 同軸圓筒變面積。3）差接式電容變換器以上兩種電容變換器都可以作為差接式特點(diǎn)：靈敏度高，溫度等環(huán)境影響小。4）電容變換式遠(yuǎn)傳差壓計(jì)舉例結(jié)構(gòu)如圖：（圖）電容轉(zhuǎn)換部分：在基座的兩側(cè)球面內(nèi)壁先涂一層絕緣層，再加鍍一層金屬膜作為固定電極，測量膜片作為動(dòng)電極。顯然P =0時(shí)，C=C，X=1/C，X=1/C相等P0時(shí)，CC，XX測量電路一般采

18、用橋路。P =0時(shí)，C=C，所以上下電路對(duì)稱U=0 P > 0時(shí)，C< C，X> X3.4.5應(yīng)變式位移變換器1）基本原理：用應(yīng)變傳感器（應(yīng)變片）把彈性元件的變形信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻變化信號(hào)。2）特點(diǎn) 尺寸小、重量輕、簡單可靠，維護(hù)量小，動(dòng)態(tài)性能好，便于小型化；在材料、機(jī)械、實(shí)驗(yàn)等方面應(yīng)用較廣。 3）組成：彈性元件（壓力變形）+ 應(yīng)變片（變形電阻）+ 電阻測量儀表4）電阻應(yīng)變片工作原理l 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：1、基底；2、電阻柵；3、保護(hù)層；4、引線其中：電阻柵是用一定方法制成的并固定在基底上的電阻絲或電阻薄膜；基底是用來保持電阻柵一定形狀的，與被測物體粘合傳遞變形，絕緣。l 工作原理：

19、電阻柵變形 阻值變化（幾何尺寸以及電阻率兩方面變化結(jié)果）l 應(yīng)變片用于壓力測量的例子Ø 組合式應(yīng)變片加在一個(gè)附加的懸臂梁上，由高的靈敏度和高的測量精度，一般不只有一張應(yīng)變片，而在不同的應(yīng)變區(qū)貼兩張或者是四張。在測量應(yīng)變電阻時(shí)一般接成橋路，如圖：當(dāng)P加大時(shí)彈簧管伸直，梁上彎RR增加，RR減小，所以靈敏度提高了四倍。另外，其他因素對(duì)R的影響，因?yàn)镽、R、R、R相同，所以互相抵消。Ø 直接式：應(yīng)變片直接貼在彈性元件上來測量彈性元件的應(yīng)變問題：應(yīng)該在什么位置？應(yīng)變最大處² 彈簧管：4080°處變形最大，一般在60°附近；截面積在0.9a處。²

20、 平膜片：根據(jù)應(yīng)變曲線（圖）切向應(yīng)變：整個(gè)半徑均為正，但中心大，兩邊小，邊緣為0。法向應(yīng)變：中間正邊緣負(fù)，r=a處= 0，所以a為半徑的園做分界線，內(nèi)正，外負(fù)。粘貼方法：為提高靈敏度，提高精度，一般貼兩張（一正，一負(fù)）或貼四張（兩正兩負(fù)）5）壓阻效應(yīng)與半導(dǎo)體應(yīng)變片l 壓阻效應(yīng)：在外加應(yīng)力的作用下，電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象。l 半導(dǎo)體應(yīng)變片原理：利用半導(dǎo)體材料的電阻率在外加應(yīng)力的作用下發(fā)生改變的壓阻效應(yīng)，直接測取微小應(yīng)變。l 特點(diǎn)：靈敏度比金屬應(yīng)變片高50倍以上，阻值大，響應(yīng)快。6）應(yīng)變片的共性問題l 工作溫度影響需補(bǔ)償；l 材料選擇硅、鍺l 加工工藝?yán)p繞、箔片、印刷、擴(kuò)散、濺射l 安裝位置及方法應(yīng)變大小。3.4.6壓電效應(yīng) 對(duì)于某些電介質(zhì)物體，在沿一定方向?qū)ζ涫┘訅毫蚶Χ怪冃螘r(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，使物體的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。物體產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，電荷的極性隨外力方向改變而變化，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)有很多，如天然形成的石英晶體，人工制造的壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛、鉛酸鋰等。 3.5 活塞式壓力計(jì)以及壓力計(jì)的選擇和使用3.5.1活塞式壓力計(jì)結(jié)構(gòu)3.5.2壓力計(jì)選擇項(xiàng)目（量程、精度、外形尺寸、顯示功能、是否帶變送器）l 量程選擇為保護(hù)彈性元件，壓