第三章 壓力與真空度檢測儀表

第三章壓力檢測與儀表3.1概述3.2彈性式壓力計3.3壓力(差壓)傳感器3.5壓力檢測儀表選用3.4真空計3.1.1壓力的概念及單位1.壓力:指均勻垂直地作用在單位面積上的力。2.單位(SI):帕斯卡,簡稱帕(Pa)。

3.1概述1Pa=1N/m21MPa=1X106Pa第三章壓力檢測與儀表單位PaatmmmHgmmH2Okgf/cm2(at)barPsi帕斯卡（Pa）19.869×10-67.5×10-30.1021.02×10-510-51.45×10-4標準大氣壓（atm）1.01325×10517601.033×1041.0331.03314.706毫米汞柱（mmHg）1.33322×1021.316×10-3113.601.36×10-31.333×10-31.933×10-2毫米水柱（mmH2O）9.8963750.968×10-47.36×10-210.9997×10-49.80×10-51.422×10-3千克力/厘米2(工程大氣壓)（kgf/cm2）9.80665×1040.96873610410.98066514.217巴（bar）1050.986657501.02×1041.02114.5磅/寸2（Psi）6.895×1026.8×10-251.7157.04×1027.03×10-26.895×10-21表3-1常用壓力換算表注意:表中除單位Pa和bar之外均為非許用單位,只在舊儀器及某些國家尚沿用。P真空度P絕對壓力P表壓P絕對壓力大氣壓力線絕對壓力的零線絕對壓力、表壓、負壓（真空度）的關(guān)系3.1.2壓力的表示方法在壓力測量中,常有絕對壓力.表壓.負壓或真空度。真空度(負壓):當被測壓力低于大氣壓力時,大氣壓力和絕對壓力之差,即

p真空度=p大氣壓力-p絕對壓力表壓:是絕對壓力和大氣壓力之差,即:

p表壓=p絕對壓力-p大氣壓力

第三章壓力與真空度檢測儀表3.1概述絕對壓力:以絕對零壓為零點的壓力。壓力儀表測量的為表壓或真空度。3.1.3壓力檢測的基本方法利用彈性元件受壓力后發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生的彈性力與被測壓力相平衡的原理。1)彈性力平衡法利用一定高度的液體產(chǎn)生的重力或砝碼的重量與被測壓力相平衡的原理。2)重力平衡方法3.1概述將壓力轉(zhuǎn)換成位移,測出彈性元件變形的位移就可測出壓力。例如彈簧管壓力計、波紋管壓力計及膜式壓力計等。例如液柱式壓力計、活塞式壓力計。將被測壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)移成一個集中力,用外力與之平衡,測得平衡時的外力就是被測壓力。3)機械力平衡方法敏感元件在壓力的作用下某些物理特性發(fā)生與壓力成確定關(guān)系變化的原理。4)物性測量方法3.1.3壓力檢測的基本方法3.1概述主要用在壓力或差壓變送器,精度較高,但結(jié)構(gòu)復雜。將被測壓力直接轉(zhuǎn)換成電量進行測量。如壓電式.應(yīng)變片式.電容式.壓阻式壓力傳感器等。液柱式壓力計原理:基于流體靜力學原理,把被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度進行測量。221hpop(a)U形管壓力計（b）單管壓力計（c）傾斜式壓力計圖3-2液柱式壓力計221hpophpopPoLaph彈性元件是一種簡單可靠的測壓敏感元件。3.2彈性式壓力計3.2.1彈性元件特點:測量范圍寬,結(jié)構(gòu)簡單,價格便宜,使用方便等。將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件變形的位移進行測壓的儀表。測量范圍:幾百帕到數(shù)千兆帕。是截面呈橢圓形或扁圓形的中空金屬管,當通入壓力p后,它的自由端就會產(chǎn)生位移。(1).彈簧管(單圈和多圈的)適合測高、中、低壓。(2).彈性膜片適合測中、低壓。由具有彈性的金屬或非金屬片構(gòu)成,在壓力作用下能產(chǎn)生變形。膜片膜盒硅油3.2.1彈性元件(3).波紋管外部存在波紋的彈性金屬片構(gòu)成金屬筒體。彈性元件易于變形,且位移很大。適合測微壓和低壓(不超過1MPa)。3.2.1彈性元件p—壓力,Pa；A—承受壓力的有效面積,m2；C—彈性元件的剛度系數(shù)。3.2.2測量原理根據(jù)虎克定律,彈性元件在一定范圍內(nèi)變形與所受外力成正比,即:x=pA/C測量原理:彈性元件材料、尺寸等確定后,則彈性元件產(chǎn)生拉伸或壓縮位移x與被測壓力p成正比。3.2.3彈簧管壓力計

(1).結(jié)構(gòu)1—彈簧管;

2—拉桿;

3—扇形齒輪;

5--指針;

4—中心齒輪;

6—面板;7—游絲;

8—調(diào)節(jié)螺釘;

9—接頭。分單圈和多圈;按用途分普通壓力表.耐腐蝕氨用壓力表.禁油氧氣壓力表。它們外形和結(jié)構(gòu)相同,只是材料不同。彈簧管1是測量元件,是一根彎成270°的橢圓截面的空心金屬管。管子的自由端B封閉,另一端固定在接頭9上。(2).工作原理(單圈彈簧管)通入壓力p后,橢圓形截面在p作用下將趨于圓形,使自由端B產(chǎn)生位移,且與p的大小成正比(具有線性刻度)。所以只要測得B點的位移量,就能反映壓力p的大小。p3.2.3彈簧管壓力計

放大過程:

自由端B的位移通過拉桿2使扇形齒輪3作逆時針偏轉(zhuǎn),指針5通過同軸的中心齒輪4的帶動作順時針偏轉(zhuǎn),在面板6的刻度標尺上顯示出被測壓力p的數(shù)值。由于B的位移與p的大小成正比,則刻度標尺是線性的。p游絲7用來克服因扇形齒輪與中心齒輪間的傳動間隙而產(chǎn)生的儀表變差。改變調(diào)節(jié)螺釘8的位置,可調(diào)整儀表的量程。(2).工作原理(單圈彈簧管)3.2.3彈簧管壓力計

(3).彈簧管材料的選擇當P<19.6MPa時,選用磷青銅或黃銅的材料。當P≥19.6MPa時,選用合金鋼或不銹鋼的材料。所測流體種類不同,所用彈簧管材料不同。彈簧管壓力表的型號命名：3.2.3彈簧管壓力計

普通彈簧管壓力表上帶有報警或控制觸點的壓力表。當壓力偏離給定范圍時,及時發(fā)出信號,提醒操作人員注意或通過中間繼電器實現(xiàn)壓力自動控制。(4).電接點信號壓力表3.2.2.2彈簧管壓力計

Y3.3.1

霍爾壓力傳感器依據(jù):根據(jù)霍爾效應(yīng),即利用霍爾元件將由壓力所引起的彈性元件的位移轉(zhuǎn)換成霍爾電勢,從而實現(xiàn)壓力的測量?；魻栯妱?UH=RHBI

RH--霍爾常數(shù),與霍爾片材料、幾何形狀有關(guān)?；魻柶砂雽w材料制成的薄片。恒定磁場B外電場(直流穩(wěn)壓電源)1霍爾效應(yīng):電子逆Y軸運動時,受電磁力的作用,使其運動發(fā)生偏移,在X軸上出現(xiàn)電位差(霍爾電勢)。這物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。3.3壓力(差壓)傳感器定義:能檢測壓力信號,并轉(zhuǎn)換成電信號進行輸出的器件。分類:壓電式.壓阻式.應(yīng)變式.電感式.電容式.霍爾式等。

應(yīng)用:所測壓力不高、壓力波動小、信號需要遠傳的場合。2霍爾式壓力傳感器霍爾電勢與位移關(guān)系:UH=RHBII為定值,B為非均勻霍爾片位置不同,B就不同位移與霍爾電勢成正比例。實現(xiàn)位移－電勢的線性轉(zhuǎn)換。結(jié)構(gòu):霍爾元件.磁鋼與彈簧管。工作原理:壓力→彈性位移→霍爾片移動→霍爾電勢。3.3.1霍爾壓力傳感器引入壓力產(chǎn)生位移結(jié)構(gòu):1.隔離膜片;2,7固定電極;3.硅油;4.測量膜片;5.玻璃層;6.底座;8.引線。P1P2工作原理:在壓力作用下,通過膜片的位移引起電容量變化來測出壓力(或差壓)的。ΔP=P1-P23.3.2電容式壓力傳感器平行極板電容器的電容量為:電容變換器有變間隙式、變面積式和變介電常數(shù)式三種。在ΔP=0時,d0d0d1d2ΔP≠0時,3.3.2電容式壓力傳感器設(shè)在壓差ΔP的作用下移動距離Δd,可近似認為:Δd=K1ΔP平面線位移型3.3.2

電容式壓力傳感器A壓電效應(yīng):壓電材料在沿一定方向受到壓力或拉力作用時發(fā)生變形,并在其表面上產(chǎn)生電荷;而在去掉外力后,又回到原來的不帶電狀態(tài),這種現(xiàn)象就稱為壓電效應(yīng)。壓電元件:石英晶體、壓電陶瓷、半導體材料。3.3.3

壓電式壓力傳感器利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測壓力轉(zhuǎn)換為電信號的。

壓電元件在彈性范圍內(nèi)其產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關(guān)系。即:q=k·S·p

q為電荷量;k為壓電常數(shù);S為作用面積;p為被測壓力。石英晶體的壓電效應(yīng)XYZ天然結(jié)構(gòu)：六角棱柱體晶體學常用三根相互垂直的軸來表示3.3.3

壓電式壓力傳感器B壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)更換壓電元件可改變壓力的測量范圍,還可用多個壓電元件疊加的方式提高儀表的靈敏度。特點:體積小,結(jié)構(gòu)簡單緊湊,全密封,工作可靠;固有頻率高,不需外加電源;適于工作頻率高的壓力測量。3.3.3

壓電式壓力傳感器1—絕緣體;2—壓電元件;3—殼體;4--膜片;C工作原理:被測壓力均勻作用在膜片上,使壓電元件受力而產(chǎn)生電荷。電荷量經(jīng)放大轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出,其大小與輸入壓力成正比。測量范圍:0～70MPa,測量精確度為1％,0.2％,0.06％。引線3.3.4

應(yīng)變式壓力傳感器材料的電阻變化取決于“應(yīng)變效應(yīng)”和“壓阻效應(yīng)”。應(yīng)變片是基于應(yīng)變效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件。金屬導體或半導體的電阻值為：μ為應(yīng)變材料的泊松比;ε=dl/l為應(yīng)變。A理論基礎(chǔ)—由幾何尺寸變化引起的。電阻絲在外力作用時發(fā)生機械變形,其電阻隨之發(fā)生變化的現(xiàn)象,叫應(yīng)變效應(yīng)。3.3.4

應(yīng)變式壓力傳感器—由電阻率變化引起的。受壓力后,其晶格間距發(fā)生變化,電阻率隨壓力變化的現(xiàn)象,叫壓阻效應(yīng)。A理論基礎(chǔ)導體阻值的變化只取決于電阻率和材料幾何尺寸的變化。金屬材料,以應(yīng)變效應(yīng)為主,稱為金屬電阻應(yīng)變片,制成應(yīng)變式壓力傳感器。半導體材料,以壓阻效應(yīng)為主,稱為半導體應(yīng)變片,制成壓阻式壓力傳感器。電阻率的變化與電阻絲體積的變化成正比,即：3.3.4

應(yīng)變式壓力傳感器K為電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)。A理論基礎(chǔ)組成:彈性元件、應(yīng)變片以及相應(yīng)測量電路。3.3.4

應(yīng)變式壓力傳感器B應(yīng)變式壓力傳感器壓力p→應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變→電阻發(fā)生變化→毫伏電勢。測量片R1沿應(yīng)變筒軸向貼放;溫度補償片R5沿徑向貼放。圓筒形應(yīng)變壓力傳感器及應(yīng)變檢測橋路R1R5R1R5應(yīng)變片測量電路VER1R2R3R4金屬應(yīng)變片：V與應(yīng)變成線形關(guān)系,可以用電橋測量電壓測量應(yīng)變。應(yīng)變電阻片將一根電阻絲彎曲且并行地排列成柵形,貼附在基板上成為電阻柵;金屬絲兩端有引出線;線柵上蓋絕緣的保護片。電阻絲一般為高阻金屬細絲如康銅絲。直徑Ф=0.02~0.04mm,長L=25~150mm,寬D=3~30mm,電阻值R0為60Ω,120Ω,200Ω,300Ω,500Ω,1000Ω。(a)絲式應(yīng)變片(b)箔式應(yīng)變片圖6—2應(yīng)變電阻片的結(jié)構(gòu)應(yīng)變計金屬應(yīng)變片案例：橋梁固有頻率測量案例：沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測壓阻效應(yīng):單晶半導體受到外力作用時,其載流子的遷移率發(fā)生變化,而改變其電阻率ρ,從而引起電阻值的相對變化,這種現(xiàn)象稱為半導體的壓阻效應(yīng)。Ke為壓阻系數(shù),σ為應(yīng)力。3.3.5壓阻式壓力傳感器工作原理:利用單晶硅的壓阻效應(yīng)而構(gòu)成。用集成電路工藝,在單晶硅的特定方向上擴散一組等值電阻,并接成橋路。3.3.5壓阻式壓力傳感器當p變化時,使膜片變形,膜片上的電阻值發(fā)生變化,使電橋輸出相應(yīng)壓力變化的電信號。

結(jié)構(gòu):特點:精度高.工作可靠.頻率響應(yīng)高.遲滯小.尺寸小.重量輕.結(jié)構(gòu)簡單。適于惡劣環(huán)境下使用,便于實現(xiàn)顯示數(shù)字化。可測差壓.速度.高度.加速度等參數(shù)。MPM280OEM裝配型壓阻式壓力傳感器

通用型MPM380型壓阻式壓力傳感器

3.4真空計真空計是檢測真空度的儀表。按真空計刻度方法分類:絕對真空計和相對真空計。 分類:絕對真空計:U形管壓力計、壓縮式真空計等；相對真空計:熱傳導真空計和電離式真空計等。按真空計測量原理分類:直接測量和間接測量真空計。真空度較小時,采用直接測量真空計;真空度較大時,采用間接測量真空計。比較管3.4.1壓縮式真空計(麥氏真空計)結(jié)構(gòu):工作原理:根據(jù)波義耳定律,即在溫度不變的條件下,氣體壓力與體積成反比的關(guān)系來測量真空度。壓縮前、后壓強與體積變化關(guān)系為：

p—被測空間的真空度;V—測量管的容積;H—水銀柱的高度差;VC=πd2H/4—測量管內(nèi)氣體容積。測前的位置3.4.1壓縮式真空計

特點：

(1)刻度與氣體種類無關(guān),這是對永久性氣體而言。

(2)測量范圍較寬、精度較高。

(3)不能連續(xù)測量。由于每測量一次需升降水銀一次，不能連續(xù)讀數(shù),操作費時。

(4)水銀蒸氣對人體有害。

(5)不能測量蒸汽的壓強?？蓽y量1Pa~133.3μPa的真空度。3.4.2熱電偶式真空計工作原理:利用發(fā)熱絲周圍氣體的導熱率與氣體的稀薄程度(真空度)間的關(guān)系。結(jié)構(gòu):玻璃管內(nèi)封裝兩組金屬絲。一組:加熱絲,是鉑絲或鎢絲,通入恒定的加熱電流；一組:熱電偶熱電極,工作端焊在加熱絲上,測加熱絲表面溫度,一般用鎳鉻—康銅熱電偶。工作過程:通被測真空度→p↓(真空度升高)→加熱絲附近氣體逐漸稀薄,導熱率↓→散失的熱量↓(I恒定加熱絲產(chǎn)生的熱量不變)→熱絲的溫度↑→熱電偶輸出熱電勢,在顯示儀表上顯示真空度。3.4.2熱電偶式真空計測量上限通常為13.33mPa(即10-4mmHg)。特點:可測量氣體和蒸汽的壓力,把真空度變換為電信號,可實現(xiàn)自動檢測和控制;但能夠檢測的真空度不太高,而且怕振動。3.4.3電離式真空計工作原理:帶電粒子(電子)通過稀薄氣體時,使氣體分子電離;其它條件不變時,氣體分子電離的離子數(shù),正比于氣體壓強,測出離子數(shù)(即離子電流),就可知被測空間的真空度。按電離方式分類:熱陰極電離真空計;

冷陰極電離真空計;放射性電離真空計。熱陰極電離真空計結(jié)構(gòu):由密封于玻璃管內(nèi)的三個電極組成。即陰極.加速極.收集極。1-燈絲;2-陰極;3-加速極;4-收集極加速極電位為100～300V,陰極電位為0V,收集極電位為-10V～-40V。

3.4.3電離式真空計燈絲加熱陰極,發(fā)射電子使氣體分子電離。過程:加速極加速空間的電子,到達加速極上,形成發(fā)射電流ie。1-燈絲;2-陰極;3-加速極;4-收集極0V+-收集極收集內(nèi)部空間形成的正離子而形成的離子電流i+。被測真空度與離子電流i+和發(fā)射電流ie關(guān)系如下:S—真空計管常數(shù)。3.4.3電離式真空計特點:可測高真空,測量范圍寬;不受振動影響;反應(yīng)快,滯后小。但與氣體的種類有關(guān);在高氣壓時測量精度不高;特別是系統(tǒng)漏氣時,燈絲立即燒毀。測量范圍:0.1333Pa～1.333μPa。根據(jù)工藝生產(chǎn)過程的要求,結(jié)合各方面的情況,加以全面考慮和具體的分析。3.5壓力檢測儀表選用3.5.1壓力檢測儀表的選擇(1).儀表量程的選擇測穩(wěn)定壓力時,P上限≥

4/3

Pmax;測脈動壓力時,P上限≥

3/2

Pmax;測高壓時,P上限≥

5/3

Pmax;

最小值,Pmin≥N/3

。(2).儀表精度的選擇在滿足生產(chǎn)要求的情況下盡可能選用精度較低、價廉耐用的壓力表。K%<|δ允|現(xiàn)

(3).儀表類型的選擇必須滿足工藝生產(chǎn),考慮被測介質(zhì)、現(xiàn)場條件和工藝要求。實際量程符合國家標準規(guī)定值。我國出廠的壓力(差壓)儀表的量程系列:(1.0,1.6,2.5,4.0,6.0)×10nPa。解：由于是往復式壓縮機,則儀表的上限值為：P上限≥3/2Pmax＝3/2×28＝42MPa,根據(jù)就地觀察及能高低報警,查表選電接點壓力表,測量范圍為0～60MPa。例:某臺往復式壓縮機的出口壓力范圍為25～28MPa,測量誤差不得大于1MPa。工藝上要求就地觀察,能高低報警,試正確選用一臺壓力表,指出型號、精度與測量范圍。

下限值:因Pmin≥N/3=60/3=20,則Pmin=25﹥20MPa,滿足要求。精度等級:選1.5級,0～60MPa,YX-150A型電接點壓力表。壓力計的安裝正確與否,直接影響到測量的準確性和壓力計的使用壽命。(1).取壓點的選擇：能反映被測壓力的真實大小。(a).要選在被測介質(zhì)直線流動的管道部分,不要選在管路拐彎、分叉、死角或其他易形成漩渦的地方。(b).測量流動介質(zhì)的壓力時,應(yīng)使取壓點與流動方向垂直,取壓管內(nèi)端面與生產(chǎn)設(shè)備連接處的內(nèi)壁應(yīng)保持齊平.不應(yīng)有凸出物或毛刺。(c).測量液體壓力時,取壓點應(yīng)在管道下部、使導壓管內(nèi)不積存氣體;測量氣體壓力時,取壓點應(yīng)在管道上方,使管道內(nèi)不積存液體。

3.5.2壓力計的安裝(2).導壓管的鋪設(shè)(a).導壓管的粗細要合適,一般內(nèi)徑為6~8mm,長度盡可能短,一般為3~50m,超過50m選用電遠傳壓力表。(b).導壓管水平安裝時,應(yīng)保證有傾斜度(1:10~1:20),以利于積存于其中的液體或氣體排出。(c).當被測介質(zhì)易冷凝或凍結(jié)時,必須加保溫裝置。(d).取壓口到壓力表之間應(yīng)有切斷閥,以備檢修壓力計。應(yīng)裝設(shè)在靠近取壓口的地方。(3).壓力表的安裝(a).安裝在易觀察和檢修的地方,避免振動和高溫。(b).儀表應(yīng)垂直于水平面安裝,并與取壓口在同一高度,否則需考慮附加高度誤差(△p=±Hρg)的修正。(c).儀表安裝處與測量點的距離應(yīng)盡量短,以免指示遲緩。3.5.2壓力計的安裝壓力表位于生產(chǎn)