《建筑環(huán)境測試技術》第5章 壓力測量

1、第五章第五章 壓力測量壓力測量 壓力壓力 垂直作用于物體表面上的力垂直作用于物體表面上的力 壓強壓強 垂直作用于單位面積物體表面上的力垂直作用于單位面積物體表面上的力 在建筑環(huán)境與設備的測試中，并不嚴格區(qū)分壓在建筑環(huán)境與設備的測試中，并不嚴格區(qū)分壓力和壓強。通常所說的壓力實際上是指力和壓強。通常所說的壓力實際上是指壓強壓強。 壓差壓差 測量兩個壓力之差稱壓差測量兩個壓力之差稱壓差 表壓力表壓力 壓力儀表指示的壓力值壓力儀表指示的壓力值 缺省情況下，缺省情況下，所說的壓力值即指表壓力所說的壓力值即指表壓力 表壓力表壓力可正可負，為負時其絕對值稱為可正可負，為負時其絕對值稱為真空度真空度。第一節(jié)第

2、一節(jié) 概述概述PJPBPZ一、基本概念一、基本概念 帕帕(Pa) N/m2，國際單位，國際單位 兆帕兆帕(MPa) 106Pa 工程大氣壓，工程大氣壓， kgf/cm2 ，98070 Pa 約等于一個大氣壓約等于一個大氣壓（1.013e+5 Pa) ，“自自來水壓頭是來水壓頭是5公斤公斤”，用的就是這個單位。，用的就是這個單位。 mmH2O， 9.81 Pa mmHg ，133 Pa壓力單位壓力單位二壓力測量儀表的分類二壓力測量儀表的分類1液柱式壓力計液柱式壓力計2彈性式壓力計彈性式壓力計3電氣式壓力計電氣式壓力計4活塞式壓力計活塞式壓力計第二節(jié)第二節(jié) 液柱式壓力計液柱式壓力計v分類分類 U型

3、管壓力計型管壓力計 單管壓力計單管壓力計 斜管式微壓計斜管式微壓計v特點特點：結構簡單，使用方便，準確度比：結構簡單，使用方便，準確度比較高，常用于測量低壓、負壓、差壓。較高，常用于測量低壓、負壓、差壓。v缺點缺點：體積大，讀數(shù)不方便，玻璃管易：體積大，讀數(shù)不方便，玻璃管易損壞。損壞。一一U型管壓力計型管壓力計 假設被測的介質為氣體，可忽假設被測的介質為氣體，可忽略被測介質的高度形成的靜壓略被測介質的高度形成的靜壓值。根據(jù)流體靜力學原理可得：值。根據(jù)流體靜力學原理可得：U型管內徑一般為型管內徑一般為5-20mm，為了減少毛細現(xiàn)象管子內徑為了減少毛細現(xiàn)象管子內徑一般不少于一般不少于10mm，)(

4、2121hhgPPPP2P1U型管h1h20二二單管式壓力計單管式壓力計 因為因為A1、A2為常數(shù)，這樣可通為常數(shù)，這樣可通過一次讀數(shù)進行壓差測量。當過一次讀數(shù)進行壓差測量。當A2/A1很小時，很小時，h1可忽略，公式可忽略，公式簡化為：簡化為： 12212211AAhhAhAh212212221) 1()()(hAAghAAhghhgPPd212212221) 1()()(hAAghAAhghhgPPx直管h1h22hgP三、三、斜管式壓力計斜管式壓力計lAAhlAAh121211alhsin2l aAAgal lAAghhgP)sin()sin()(121221P1P2斜管h1h2Ll a

5、AAgal lAAghhgP)sin()sin()(121221l aAAgal lAAghhgP)sin()sin()(121221主要用于測量微小的壓力、負壓和壓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。液柱，將測量管傾斜放置。 四液柱式壓力計的測量誤差及其修正四液柱式壓力計的測量誤差及其修正1環(huán)境溫度變化的影響及修正環(huán)境溫度變化的影響及修正 對于一般的工業(yè)測量，主要考慮工作液對于一般的工業(yè)測量，主要考慮工作液密度變化對壓力測量的影響。修正公式密度變化對壓力測量的影響。修正公式為：為：ghP)(100tthhtt

6、2. 重力加速度變化的影響及修正重力加速度變化的影響及修正hgghnn標準重力加速標準重力加速度下的工作液度下的工作液柱高度柱高度使用地點的工使用地點的工作液柱高度作液柱高度3 3毛細現(xiàn)象的影響毛細現(xiàn)象的影響為了減少該誤差，通常要求測量管的內徑一為了減少該誤差，通常要求測量管的內徑一般不小于般不小于10mm10mm。問題？問題？w斜管式微壓計用水作介質，可以嗎？斜管式微壓計用水作介質，可以嗎？w液柱式壓力計，水作工作介質，為了便于讀液柱式壓力計，水作工作介質，為了便于讀數(shù)，在水中加入紅墨水，可以嗎？數(shù)，在水中加入紅墨水，可以嗎？w斜管式微壓計，調零時，總調不到，可能的斜管式微壓計，調零時，總調

7、不到，可能的原因是什么？原因是什么？w斜管式微壓計，測量時看不到液柱，是怎么斜管式微壓計，測量時看不到液柱，是怎么回事？回事？第三節(jié)第三節(jié) 彈性式壓力計彈性式壓力計 原理：原理：彈性壓力表是利用各種不同形狀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)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生彈性變形制成的測壓儀表 特點：特點：結構簡單、牢固可靠、測壓范圍結構簡單、牢固可靠、測壓范圍廣、使用方便、造價低廉、有足夠的精廣、使用方便、造價低廉、有足夠的精度，可遠傳度，可遠傳 常用彈性壓力表：常用彈性壓力表： 彈簧管式彈簧管式 膜片（盒）式膜片（盒）式 波紋管式波紋

8、管式二彈性元件及其特性二彈性元件及其特性1膜片膜片：使用時周邊夾緊，測低壓、微壓。：使用時周邊夾緊，測低壓、微壓。將兩塊膜片沿周邊對焊起來，形成一膜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。精度等級為煙道尾部負壓。精度等級為2.5，最高可，最高可達達1.5級。級。PxPxPxPx平薄片波紋片膜盒2波紋管波紋管：開口端固定，：開口端固定，封閉端的位移作為輸出，封閉端的位移作為輸出，由于波紋管的位移相對較由于波紋管的位移相對較大，故靈敏度高，常用于大，故靈敏度高，常用于測量較低的壓力（測量較低的壓力（1.0-106Pa）精度

9、等級）精度等級1.5級。級。Px3彈簧管彈簧管： 單圈彈簧管單圈彈簧管 多圈彈簧管多圈彈簧管 假設被測壓力大于外界大氣壓力，產(chǎn)生短軸變長，假設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。對應的度增大，自由端向管子伸直的方向運動。對應的幾何分析如下：幾何分析如下：彈簧管是怎樣產(chǎn)生形變的呢？彈簧管是怎樣產(chǎn)生形變的呢？11RR22RR2121RRRR兩式相減兩式相減:2121RRRR因為：因為：可得可得:R1R2 彈簧管在量程范圍內自由端的位移一般彈簧管在量程范圍內自由端的位移一般為為

10、7-8o，彈簧管作成多圈時，自由端的位，彈簧管作成多圈時，自由端的位移可達移可達45o。彈簧管的自由端的位移可通。彈簧管的自由端的位移可通過過杠桿機構杠桿機構帶動指針轉動，這種機構的帶動指針轉動，這種機構的指針最大轉角為指針最大轉角為180o，通常作成，通常作成90度的度的回轉角。最常用的傳動機構為回轉角。最常用的傳動機構為杠桿杠桿扇扇形齒輪機構形齒輪機構，可使指針轉動，可使指針轉動270o。 電接點壓力表電接點壓力表：不僅可實現(xiàn)壓力的測量，：不僅可實現(xiàn)壓力的測量，而且可實現(xiàn)壓力的報警和控制。而且可實現(xiàn)壓力的報警和控制。第四節(jié)第四節(jié) 電氣式壓力檢測電氣式壓力檢測一位移式壓力壓差變送器：一位移式

11、壓力壓差變送器：將彈性元件的位移轉變成將彈性元件的位移轉變成電信號。電信號。1電容式壓力壓差變送器電容式壓力壓差變送器：采取差動電容方式。采取差動電容方式。 膜片膜片d7.575，0.050.2，maxd=0.1mm。42sk 特點：靈敏度高、精度高，精度可達特點：靈敏度高、精度高，精度可達0.2、0.25，穩(wěn)定可靠。尤適用于測高靜壓微壓差的場合。穩(wěn)定可靠。尤適用于測高靜壓微壓差的場合。ddkC021ddkC022pkdpkddCCCC30101212由由C1、C2可得可得設測量膜片在設測量膜片在p作用下的位移作用下的位移d，d=k1p。2霍爾壓力變送器霍爾壓力變送器 （1）霍爾效應霍爾效應：

12、把半：把半導體單晶薄片置于磁導體單晶薄片置于磁場場B中，如果在它的兩中，如果在它的兩個縱向面上通以一定個縱向面上通以一定大小的電流，則在晶大小的電流，則在晶體的兩個橫向端面之體的兩個橫向端面之間出現(xiàn)電勢間出現(xiàn)電勢UH，叫霍，叫霍爾效應，產(chǎn)生的電勢爾效應，產(chǎn)生的電勢稱為霍爾電勢。稱為霍爾電勢。IBRVHH靈敏度常數(shù)靈敏度常數(shù)(2)霍爾電勢的產(chǎn)生霍爾電勢的產(chǎn)生： 將固定在彈性元件上的霍爾片將固定在彈性元件上的霍爾片放置在一非均勻磁場中，在這放置在一非均勻磁場中，在這區(qū)間，磁場強度具有均勻的梯區(qū)間，磁場強度具有均勻的梯度，當霍爾片在彈性元件的帶度，當霍爾片在彈性元件的帶動下偏離正中位置，通過霍爾動下

13、偏離正中位置，通過霍爾片的磁場強度發(fā)生變化，霍爾片的磁場強度發(fā)生變化，霍爾片就有正比于位移的霍爾電勢片就有正比于位移的霍爾電勢產(chǎn)生。產(chǎn)生。NSSN 注意注意：RH受溫度影響較大，在實際當中常采用受溫度影響較大，在實際當中常采用恒溫措施或采用溫度補償措施，例如在電恒溫措施或采用溫度補償措施，例如在電勢輸出回路中串一溫度補償電橋。勢輸出回路中串一溫度補償電橋。要注意減少由于霍爾片兩電極不對稱焊接要注意減少由于霍爾片兩電極不對稱焊接引起的不等位電勢，因不等位電勢的存在，引起的不等位電勢，因不等位電勢的存在，是霍爾片處于正中時，電勢輸出不為是霍爾片處于正中時，電勢輸出不為0。 IBRVHH二壓電式壓力

14、傳感器二壓電式壓力傳感器 壓電效應壓電效應：壓電材料在受壓時會在其表：壓電材料在受壓時會在其表面產(chǎn)生電荷，產(chǎn)生的電荷量與所受的壓面產(chǎn)生電荷，產(chǎn)生的電荷量與所受的壓力成正比。力成正比。 壓電材料壓電材料：單晶體單晶體，例如石英、酒石酸，例如石英、酒石酸鉀鈉等鉀鈉等 多晶體多晶體，例如壓電陶瓷，在沒有極化之，例如壓電陶瓷，在沒有極化之前，因各單晶體的壓電效應都互相抵消前，因各單晶體的壓電效應都互相抵消表現(xiàn)為電中性，為此必須對壓電陶瓷先表現(xiàn)為電中性，為此必須對壓電陶瓷先進行極化處理，經(jīng)極化處理的壓電陶瓷進行極化處理，經(jīng)極化處理的壓電陶瓷具有非常高的壓電系數(shù)，為石英的幾百具有非常高的壓電系數(shù)，為石英的

15、幾百倍。倍。v特點特點：結構簡單、緊湊，小巧輕便，工作可靠，：結構簡單、緊湊，小巧輕便，工作可靠，具有線性度高量程范圍大等優(yōu)點。具有線性度高量程范圍大等優(yōu)點。v缺點缺點：但是由于產(chǎn)生的電荷量少，因此后續(xù)需：但是由于產(chǎn)生的電荷量少，因此后續(xù)需加高阻抗的直流放大器。由于晶體邊緣上存在加高阻抗的直流放大器。由于晶體邊緣上存在漏電現(xiàn)象，因此不能用于穩(wěn)態(tài)測量。漏電現(xiàn)象，因此不能用于穩(wěn)態(tài)測量。壓電式壓力壓電式壓力傳感器結構傳感器結構三固體壓阻式壓力壓差傳感器三固體壓阻式壓力壓差傳感器1原理原理： 電阻的尺寸發(fā)生變化，例如電阻的長度、橫截電阻的尺寸發(fā)生變化，例如電阻的長度、橫截面積發(fā)生變化將引起電阻的變化。

16、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電阻的電阻率發(fā)生變化也將引起電阻阻值的變化?；?。分類：分類：應變片應變片：受壓時，電阻的尺寸：受壓時，電阻的尺寸L、S發(fā)生發(fā)生變化，引起電阻的變化。變化，引起電阻的變化。 半導體擴散硅半導體擴散硅：在壓力的作用下，電：在壓力的作用下，電阻率發(fā)生變化。阻率發(fā)生變化。 通常半導體擴散硅電阻變化的靈敏度要遠遠高通常半導體擴散硅電阻變化的靈敏度要遠遠高于應變片，大約為于應變片，大約為100100倍。倍。SLR/公式：公式： 2 2膜片的應力分析膜片的應力分析 其膜片受到從下向上的壓力時，中心區(qū)受拉應其膜片受到從下向上的壓力時，中心

17、區(qū)受拉應力（假設應力為正），周邊區(qū)受壓應力（應力力（假設應力為正），周邊區(qū)受壓應力（應力為負），在為負），在R=0處應力達到正的最大值，而在處應力達到正的最大值，而在大約距中心大約距中心60%的地方應力為的地方應力為0。優(yōu)點優(yōu)點：溫度補償，溫度補償， 使輸出信號加倍。使輸出信號加倍。注意注意：供給橋路的電流要恒定，即為一恒流源。輸出供給橋路的電流要恒定，即為一恒流源。輸出電壓為電壓為10-10010-100多毫伏，后續(xù)一般要加電壓放大電路。多毫伏，后續(xù)一般要加電壓放大電路。RIRRIRRIu0021021)()(RI RRIRRI u 0021021)()(3電阻分布及測量橋路電阻分布及測量橋

18、路第五節(jié)第五節(jié) 壓力檢測儀表的選擇與校驗壓力檢測儀表的選擇與校驗一一壓力檢測儀表的選擇壓力檢測儀表的選擇 測壓范圍，測壓范圍，被測介質的物理化學性被測介質的物理化學性質，質，測試精度要求。測試精度要求。1.儀表量程選用儀表量程選用 為保證安全性，壓力較穩(wěn)定時，為保證安全性，壓力較穩(wěn)定時，最大工作最大工作壓力壓力不超過儀表量程的不超過儀表量程的3/4，壓力波動較大，壓力波動較大時，最大工作壓力不超過儀表量程的時，最大工作壓力不超過儀表量程的2/3。 為保證準確度，為保證準確度，最小工作壓力最小工作壓力不低于滿量不低于滿量程的程的1/3。 2儀表精度的選擇儀表精度的選擇v 根據(jù)在測量時允許的最大測

19、量誤差選擇根據(jù)在測量時允許的最大測量誤差選擇儀表，可根據(jù)儀表的精度等級算出用該儀儀表，可根據(jù)儀表的精度等級算出用該儀表測量可能引起的最大示值絕對誤差。表測量可能引起的最大示值絕對誤差。v 另外在選擇儀表時不需一味追求高精度，另外在選擇儀表時不需一味追求高精度，只要滿足測量精度要求即可。只要滿足測量精度要求即可。彈簧管壓力表量程和精度系列彈簧管壓力表量程和精度系列 我國目前彈簧管壓力表量程系列，我國目前彈簧管壓力表量程系列，1, 1.6, 2.5, 4.0, 6.0kPa以及以及10n倍倍 精度系列，精密表精度系列，精密表 0.1, 0.16, 0.25, 0.4 工業(yè)表工業(yè)表 1.0, 1.5

20、, 2.5例題例題：有一壓力容器，壓力范圍有一壓力容器，壓力范圍0.40.6MPa，壓力變化速度較緩，不要求遠傳。試選擇壓壓力變化速度較緩，不要求遠傳。試選擇壓力儀表（給出量程和精度等級）測量該壓力，力儀表（給出量程和精度等級）測量該壓力，測量誤差不大于被測壓力的測量誤差不大于被測壓力的4%。30.60.8MPa4A 根據(jù)最大工作壓力根據(jù)最大工作壓力10.41.2MPa3A根據(jù)最小工作壓力根據(jù)最小工作壓力max0.4 4%0.016MPa被測壓力的最大示值絕對誤差被測壓力的最大示值絕對誤差max0.016100%1.6%1.0所選儀表的基本誤差所選儀表的基本誤差所以可選擇量程范圍為所以可選擇量

21、程范圍為01.0MPa彈簧管壓力表彈簧管壓力表可選擇可選擇1.5級的壓力表級的壓力表3儀表類型選擇儀表類型選擇被測介質壓力大小被測介質壓力大小，被測介質的性質，被測介質的性質，例如，氧氣、乙炔都例如，氧氣、乙炔都有專門的測量儀表，對腐蝕性介質要采有專門的測量儀表，對腐蝕性介質要采用不銹鋼或其他耐腐蝕的材料，用不銹鋼或其他耐腐蝕的材料，對儀表輸出信號的要求，對儀表輸出信號的要求，例如是否需要例如是否需要為電信號，為電信號，使用環(huán)境。使用環(huán)境。 二壓力表的安裝二壓力表的安裝 1取壓口的選擇取壓口的選擇 氣氣 上部上部 防堵防堵 汽汽 側上部側上部 防堵，防液，防氣防堵，防液，防氣 液液 側下部側下

22、部 防堵，防汽防堵，防汽氣氣汽汽液液 取壓口位置取壓口位置 穩(wěn)定無渦流區(qū)（穩(wěn)定無渦流區(qū)（直線管段，避開拐彎、分叉直線管段，避開拐彎、分叉等等）。）。 除了被測介質以處，不接觸其它物質除了被測介質以處，不接觸其它物質 不易堵塞不易堵塞 取壓孔形狀取壓孔形狀 孔徑要小孔徑要小 要與壁面垂直要與壁面垂直 孔口應無毛刺孔口應無毛刺2導壓管的敷設導壓管的敷設，為了使導壓管正確傳遞，為了使導壓管正確傳遞壓力或壓差，應作到：壓力或壓差，應作到：導壓管長度小于導壓管長度小于50m50m，內徑為，內徑為6-10mm6-10mm。對于水平敷設，導壓管要有對于水平敷設，導壓管要有1 1：10101 1：2020的坡度，測量液體介質時下坡，測量的坡度，測量液體介質時下坡，測量氣體介質時上坡。氣體介質時上坡。3 3當被測介質易冷凝或凍結，必須當被測介質易冷凝或凍結，必須加裝伴加裝伴熱管熱管后再行保溫；當測量腐蝕性介質時，后再行保溫；當測量腐蝕性介質時，應應加裝隔離罐加裝隔離罐；當測量高溫蒸氣壓力時，；當測量高溫蒸氣壓力時，應應加裝冷凝盤管加裝冷凝盤管；測量含塵氣體時，應；測量含塵氣體時，應加裝灰塵捕集器加裝灰塵捕集器