建筑環(huán)境測試技術(shù) 第4版 課件 Chapter 6 壓力測量_第1頁
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文檔簡介

第六章壓力測量1建筑環(huán)境測試技術(shù)BuiltEnvironmenttestingtechnology2第六章壓力測量概述液柱式壓力計彈性壓力計電氣式壓力計壓力檢測儀表選用和校驗應(yīng)用實例了解壓力的主要測量方法及常用儀表掌握液柱式壓力計、彈性壓力計的原理掌握霍爾式壓力變送器的工作原理了解壓力檢測儀表的選用、安裝和校驗

本章目標(biāo)3

工程技術(shù)上,壓力對應(yīng)于物理概念中的壓強(qiáng),即指均勻而垂直作用于單位面積上的力,符號P表示,單位Pa。壓力測量:穩(wěn)定壓力測量、瞬態(tài)壓力測量。測量范圍:低壓、中壓、高壓及負(fù)壓或真空度。單位:帕(Pa);巴(bar);1Pa=1N/m2=10-5bar。工程大氣壓(kgf/m2);標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm);毫米水柱高(mmH2O);毫米汞柱高(mmHg);46.1壓力測量概述一、壓力的單位4常用壓力單位換算表5÷帕(Pa)巴(bar)工程大氣壓(kgf/cm2)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)毫米水柱(mmH20)毫米汞柱(mmHg)磅力/平方英寸(1bf/in2)帕(Pa)11×10—51.019716×10—50.9869236x10—51.019716×10-10.75006x10—21.450442×10—4巴(bar)1x10511.0197160.98692361.019716×1040.75006×1031.450442×10工程大氣壓(kgf/cm2)0.980665×1050.98066510.967841×1040.73556×1031.4224×10標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)1.01325×1051.013251.0332311.03323×1040.76×1031.4696×10毫米水柱(mmH20)0.980665×100.980665×10-41×10-40.96784×10-410.73556×10-11.4224×10-3毫米汞柱(mmHg)1.333224×1021.333224×10-31.35951×10-31.3158×10-31.35951×1011.9338×10-2磅力/平方英寸(1bfAn2)0.68949×1040.68949×10-10.70307×10-10.6805×10-10.70307×1030.51715×10215絕對壓力PJ:介質(zhì)承受的實際壓力。大氣壓力PD

:由地球表面空氣柱重量形成的壓力,稱為大氣壓力。與海拔、地理位置、氣象等因素有關(guān)。表壓力PB:高于大氣壓的絕對壓力與大氣壓力PD

之差。真空度或負(fù)壓PZ:低于大氣壓的絕對壓力與大氣壓力PD之差。6二、壓力的表示方法66.1壓力測量概述一般情況均以大氣壓的絕對壓力為參考點較高真空度時,常使用絕對壓力表示介質(zhì)壓力。二、壓力的表示方法76.1壓力測量概述液柱式壓力檢測法 利用液體靜力學(xué)原理,把被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度差進(jìn)行測量。彈性法壓力測量 利用各種形式的彈性元件,在被測介質(zhì)的壓力作用下產(chǎn)生的彈性變型(位移)來測壓。電氣式壓力檢測 利用壓力敏感元件直接將壓力轉(zhuǎn)換成電阻、電荷等電量的變化?;钊綁毫z測(平衡法) 利用某標(biāo)準(zhǔn)重力或砝碼的重量與被測壓力相平衡的原理測量。三、壓力的檢測方法86.1壓力測量概述(1)液柱式壓力計:根據(jù)流體靜力學(xué)原理,把被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度。利用這種方法測量壓力的儀表有U形管壓力計,單管壓力計和斜管壓力計等。(2)彈性式壓力計:根據(jù)彈性元件受力變形的原理,將被測壓力轉(zhuǎn)換成位移。四、壓力測量儀表的分類96.1壓力測量概述(3)電氣式壓力計:將被測壓力轉(zhuǎn)換成各種電量。如電感、電容、電阻、電位差等,依據(jù)電量的大小實現(xiàn)壓力的間接測量。(4)活塞式壓力計:將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞面積上所加平衡砝碼的質(zhì)量。它普遍地被作為標(biāo)準(zhǔn)儀器用來對彈性式壓力計進(jìn)行校驗和刻度。四、壓力測量儀表的分類106.1壓力測量概述分類方式類

別按作用原理和準(zhǔn)確度等級分作用原理液柱式壓力計活塞式壓力計彈性式壓力計電氣式壓力計準(zhǔn)確度等級一等標(biāo)準(zhǔn)二等標(biāo)準(zhǔn)三等標(biāo)準(zhǔn)0.5級1.0級1.5級2.5級國家基準(zhǔn)工作基準(zhǔn)一等標(biāo)準(zhǔn)二等標(biāo)準(zhǔn)三等標(biāo)準(zhǔn)精密壓力計一般壓力計0.01,0.02,0.05,0.10.2,0.5,1.0,1.52.5,4.0級0.25,0.4,0.6級1.0,1.5,2.5,4.0級按測量范圍分微壓:<10kPa;低壓:10~250kPa;中壓:0.5~100MPa高壓:l0~1000MPa;超高壓:>1000MPa按被測壓力的特點和種類分氣壓計:檢測大氣壓力的壓力計;壓力計:檢測表壓力的壓力計真空計:檢測負(fù)壓力的壓力計;壓差計:檢測兩處壓力差的壓力計微壓計:用于檢測10kPa以下的壓力計按顯示方法和功能分現(xiàn)場顯示型:如指針式壓力計和記錄式壓力計遠(yuǎn)距離顯示型:如遠(yuǎn)傳壓力計、電氣式壓力計報警或調(diào)節(jié)型:如電接點式壓力計數(shù)字顯示型:如數(shù)字式壓力計按用途分普通型;耐熱型;耐振型;密封型;禁油型;蒸汽型壓力測量儀表的分類11原理: 利用液柱對液柱底面產(chǎn)生的靜壓力與被測壓力相平衡的原理,通過液柱高度來反映被測壓力大小的儀表。特點: 結(jié)構(gòu)簡單、使用方便,有相當(dāng)高的準(zhǔn)確度,在本專業(yè)中應(yīng)用很廣泛。其缺點是量程受液柱高度的限制,體積大,玻璃管易損及讀數(shù)不方便等。應(yīng)用: 常用于低壓、負(fù)壓或壓力差的檢測。6.2液柱式壓力計12結(jié)構(gòu):由U形玻璃管、工作液及刻度尺組成。測量:兩個管口分別接壓力P1和P2。當(dāng)P1=P2時,左右兩管的液體的高度相等。當(dāng)P2≠P1時,U形管的兩管內(nèi)的液面便會產(chǎn)生高度差。式中:ρ-U形管內(nèi)所充工作液的密度;

g-U形管所在地的重力加速度;

h1,h2-U形管左右兩管的液面相對于0刻度的高度差。特點:測量差值;高度與

ρ有關(guān)13一、U管測壓原理及結(jié)構(gòu)136.2液柱式壓力計14表5-3液柱式壓力常用封液的性質(zhì)封液名稱化學(xué)符號有無毒性在20℃時的密度/(kg/m3)體膨脹系數(shù)/℃一1水銀水酒精四氯化碳HgH2oC2H5OHCCL4有無無有13545.7998.2789.2159418.2×10-520.7×10-5112×10-5124×10-514一、U管測壓原理及結(jié)構(gòu)6.2液柱式壓力計二、杯形(單管)測壓原理及結(jié)構(gòu)原理:式中:h1,h2-分別為寬口容器內(nèi)液面的下降高度及測量管內(nèi)液面的上升高度;

A1,A2-分別為寬口容器及測量管的橫截面積。

當(dāng)A2/A1<<0.01時:且誤差小于1%。

結(jié)構(gòu):U形管,兩側(cè)管子的直徑相差很大,

只進(jìn)行一次讀數(shù)。156.2液柱式壓力計結(jié)構(gòu):變形單管壓力計,為了減小讀數(shù)相對誤差,拉長液柱,把測量管斜放一個角度測量范圍:用于測量微壓、負(fù)壓和壓差原理:帶入上式:常數(shù)項液柱長度三、斜管微壓計測壓原理及結(jié)構(gòu)166.2液柱式壓力計特點:α角越小,L則越長,測量靈敏度就越高;但α角不能太?。ㄒ话悴恍∮?5°),否則讀數(shù)困難,反而增加讀數(shù)誤差。176.2液柱式壓力計U形管液柱式壓力計杯形液柱式壓力計傾斜式液柱壓力計液柱式壓力計的種類186.2液柱式壓力計常用液柱式壓力計的種類與比較191、環(huán)境溫度變化的影響及修正 環(huán)境溫度偏離規(guī)定溫度t0后,工作液密度改變對壓力計讀數(shù)影響的修正公式為 一般情況下可不考慮標(biāo)尺長度變化的影響。四、液柱式壓力計的測量誤差及其修正工作液體膨脹系數(shù),1/℃206.2液柱式壓力計2、重力加速度變化的修正 儀表使用地點的重力加速度由下式計算:式中:H,φ-使用地點的海拔(m)和緯度(°);

gn——標(biāo)準(zhǔn)重力加速度,9.80665m/s2;

R——地球的公稱半徑,6356766m。四、液柱式壓力計的測量誤差及其修正壓力讀數(shù)的修正公式為

hn——標(biāo)準(zhǔn)重力加速度下的工作液液柱高度;hφ——使用地點(重力加速度為gφ)的液柱高度216.2液柱式壓力計3、毛細(xì)管現(xiàn)象的影響

毛細(xì)管吸附性液體產(chǎn)生正誤差;通常要求液柱式壓力計測量管的內(nèi)徑不小于10mm。四、液柱式壓力計的測量誤差及其修正當(dāng)管內(nèi)工作液為吸附性液體時,液面呈凹面【水、酒精】當(dāng)管內(nèi)工作液為非吸附性液體時,液面呈凸面【汞】226.2液柱式壓力計4、讀數(shù)誤差

液柱式壓力計還存在刻度、讀數(shù)、安裝等方面的誤差。四、液柱式壓力計的測量誤差及其修正236.2液柱式壓力計用彈性元件作為壓力敏感元件把壓力轉(zhuǎn)換成位移,位移的大小與被測壓力成正比關(guān)系。目前,作壓力檢測的彈性元件主要有膜片、波紋管和彈簧管。6.3彈性壓力計一、彈性壓力計的原理24彈性元件受外部壓力后其作用力的大小為:F=AP式中:A—彈性元件承受壓力的有效面積 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關(guān)系,即F=CS

式中:C—彈性元件的剛度系數(shù);

S—彈性元件在受到外力F作用下所產(chǎn)生的位移。 彈性元件受壓力為P時。其位移量為:

S=F/C=P?A/C

比值A(chǔ)/C的大小決定了彈性元件的壓力測量范圍,一般地,A/C越小,可測壓力越大.256.3彈性壓力計彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性26(1)彈簧管。單圈彈簧管是彎成圓弧形的金屬管子。當(dāng)通入壓力P后,它的自由端就會產(chǎn)生位移。單圈彈簧管位移量較小,為了增大自由端的位移量,以提高靈敏度,可以采用多圈彈簧管。(2)彈性膜片。它是由金屬或非金屬彈性材料做成的膜片,在壓力作用下,膜片將彎向壓力低的一側(cè),使其中心產(chǎn)生一定的位移。為了增加膜片的中心位移,提高靈敏度,可把兩片膜片焊接在一起,成為一個薄盒子,稱為膜盒。(3)波紋管。它是一個周圍為波紋狀的薄壁金屬筒體,這種彈性元件易于變形,且位移可以很大。膜片、膜盒、波紋管多用于微壓、低壓或負(fù)壓的測量;單圈彈簧管和多圈彈簧管可以作高、中、低壓及負(fù)壓的測量。二、彈性壓力計的種類及性能276.3彈性壓力計28序號分類方法類別名稱1按用途分一般壓力計、精密壓力計、特殊壓力計2按測壓種類分壓力計、真空計、壓力真空計、絕壓計、專用壓力計3按彈性元件種類分彈簧管式、螺旋彈簧管式、膜片式、膜盒式、薄膜式4按耐抗振性能分普通型、抗振動型、耐振動型、抗顛震型、耐顛振型、抗沖擊型5按防護(hù)性能分普通型、防水型、密封型、充油型、防塵型6按表殼公稱直徑分表殼公稱直徑/mm4060100200250接頭螺紋M10×1M14×1.5M20x1.5M20×1.5M20~120×1.57按精度等級分名

精度等級表殼公稱直徑/mm精密壓力計0.25級;0.4級;0.6級150;

200;

250普通壓力計1.0級;1.5級;2.5級;4.0級40;

60;

100;

150;

200;

250。8按檢測范圍分

種類

微壓

低壓

中壓

高壓

超高壓

范圍<10kPalO~250kPaO.25~100MPa10~1000MPa>1000MPa彈性式壓力計的種類28三、彈性壓力計的結(jié)構(gòu)1、普通型壓力計工作原理:被測壓力介質(zhì)從開口端進(jìn)入并充滿彈簧管的整個內(nèi)腔,并使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移,同時改變指針偏轉(zhuǎn)。296.3彈性壓力計三、彈性壓力計的結(jié)構(gòu)1、普通型壓力計結(jié)構(gòu)(彈簧管):截面是非圓形(橢圓形或扁圓形),彎成圓弧狀,管子一端封閉,另一端為開口。閉口端作為自由端,開口端作為固定端。特點:彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格低廉,它使用范圍廣,測量范圍寬。測量范圍:負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓,因此應(yīng)用十分廣泛。精度等級:

0.5、1.0、1.5、2.5級。306.3彈性壓力計2、真空計和壓力真空計彈簧管式真空計和壓力真空計也屬于一般壓力計,它的結(jié)構(gòu)原理基本上與上述普通的壓力計相同,所不同的只是儀表的指針指示的移動方向和表盤的刻度方向與普通型壓力計不同。壓力真空表:以大氣壓力為基準(zhǔn),用于測量大于和小于大氣壓力的儀表。真空壓力表:以大氣壓力為基準(zhǔn),用于測量小于大氣壓力的儀表316.3彈性壓力計3、膜片式和膜盒式壓力計形狀:膜片是一種沿外緣固定的片狀形測壓彈性元件,按剖面形狀分為平膜片和波紋膜片;特性:一般用中心的位移和被測壓力的關(guān)系來表征。當(dāng)膜片的位移很小時,它們之間有良好的線性關(guān)系;波紋膜片:壓有環(huán)狀同心波紋的圓形薄膜,其波紋的數(shù)目、形狀、尺寸和分布情況與壓力測量范圍有關(guān);膜盒:將兩塊膜片沿周邊對焊起來,成一盒子,將膜盒內(nèi)部抽成真空、密封,則當(dāng)膜盒外壓力變化時,膜盒中心將產(chǎn)生位移。常用來測量大氣的絕對壓力。326.3彈性壓力計333、膜片式和膜盒式壓力計PxPxPxPx平薄片波紋片膜盒Px波紋管336.3彈性壓力計常用材料:

錫鋅青銅、磷青銅、鈹青銅、高彈性合金、恒彈性合金、碳素銅、不銹鋼等。膜片的厚度一般在0.05~0.3mm。直接應(yīng)用:

膜片受壓力作用產(chǎn)生位移,可直接帶動傳動機(jī)構(gòu)指示。但是,由于膜片的位移較小,靈敏度低,指示精度也不高,一般為2.5級。結(jié)合應(yīng)用: 膜片更多的是和其他轉(zhuǎn)換元件合起來使用,通過膜片和轉(zhuǎn)換元件把壓力轉(zhuǎn)換成電信號。常用的有電容式壓力傳感器、光纖式壓力傳感器及力矩平衡式壓力變送器等。346.3彈性壓力計6.4電氣式壓力計1、電氣壓力計的種類(1)壓阻式:金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料受到被測壓力作用時,根據(jù)壓阻效應(yīng),將壓力變換成電阻的變化,通過對電阻變化的測量,而實現(xiàn)壓力測量。

(2)壓磁式:某些鐵磁材料的導(dǎo)磁系數(shù)隨所受壓力而變化,用它作為線圈的鐵芯,壓力變化時線圈的電感或互感就發(fā)生變化,通過對電感或互感的測量,可以實現(xiàn)對壓力的測量。

(3)壓電式:某些電介質(zhì)受到壓力后,其表面產(chǎn)生束縛電荷,通過對此電荷變化的測量,可以實現(xiàn)對壓力的測量。351、電氣壓力計的種類

(4)光纖式:通過壓力對光或光纖的調(diào)制作用,使光的強(qiáng)度、相位或偏振態(tài)發(fā)生變化,通過對它們的測量,實現(xiàn)壓力測量。

(5)振動式:被測壓力作用到弦絲或振筒上,使其產(chǎn)生應(yīng)變,它的振動頻率隨之發(fā)生變化,通過測量此頻率變化,實現(xiàn)對壓力的測量。366.4電氣式壓力計6.4電氣式壓力計2、電氣式壓力傳感器電阻式壓力傳感器電阻絲長電阻絲截面電阻率由于,所以令導(dǎo)線變形應(yīng)變電阻相對變化率37應(yīng)變式傳感器的靈敏度系數(shù),它表示單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化;主要由幾何尺寸變化所引起的電阻變化和材料電阻率變化引起的電阻變化兩部分組成。,對于金屬材料的應(yīng)變式傳感器,前一部分是主要的;而對于半導(dǎo)體材料,后一部分是主要的。386.4電氣式壓力計,①靈敏度系數(shù)值要大,并且在較大應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù);②電阻溫度系數(shù)??;③電阻率大;④機(jī)械強(qiáng)度高且易于拉絲或輾薄;⑤與銅絲的焊接性好,與其他金屬的接觸電勢小。

目前常用的材料有康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金、鉑、鉑鎢合金等?;疽螅?96.4電氣式壓力計,金屬電阻應(yīng)變片組成:金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)1-粘合層;2—基底;3一蓋片;4一敏感柵;5—引線406.4電氣式壓力計6.4電氣式壓力計霍爾效應(yīng):將矩形半導(dǎo)體薄片(鍺、銻化銦、砷化銦等)置于磁場中,磁感應(yīng)強(qiáng)度B與薄片的Z軸相同。沿著薄片的Y軸方向通入恒定的控制電流,在逆Y軸方向就會產(chǎn)生電子流運動,這些帶電粒子在洛倫茲力的作用下會偏離運動軌跡。使得薄片的左側(cè)經(jīng)過電子的累計帶正電荷,薄片的右側(cè)帶負(fù)電荷。這時沿著薄片X軸的兩側(cè)就會產(chǎn)生電位差,這電位差就是霍爾電勢。這一物理效應(yīng)叫做霍爾效應(yīng)。這個矩形半導(dǎo)體薄片就叫做霍爾元件或霍爾片。②霍爾式壓力傳感器41霍爾電勢可表示為:

其中,式中,—霍爾常數(shù),與霍爾片材料、結(jié)構(gòu)有關(guān);

—霍爾系數(shù),霍爾元件的靈敏度;

L—霍爾片電勢導(dǎo)出端長度;

b—霍爾片的電流輸入端寬度;

d—霍爾片厚度?;魻栯妱荩篣H與L成正比,與b成反比426.4電氣式壓力計結(jié)構(gòu):霍爾片與彈簧管的自由端相連,處于兩對磁極所形成的非均勻磁場之中?;魻柶乃膫€端面引出四根導(dǎo)線,其中與磁鋼2平行的兩根導(dǎo)線和直流穩(wěn)壓電源相連接,另兩根導(dǎo)線用來輸出信號?;魻枆毫鞲衅鳎狠敵鲂盘栠B接電源436.4電氣式壓力計原理:在被測壓力作用下,彈簧管的自由端產(chǎn)生位移,改變了霍爾片處于非均勻磁場之中的位置,從而將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成霍爾電勢VH進(jìn)行遠(yuǎn)傳。特點:霍爾片對溫度變化非常敏感,需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償;霍爾片連接的外部直流電源應(yīng)具有恒流特性;以保證流過霍爾片的電流恒定。應(yīng)用:目前霍爾壓力變送器是應(yīng)用較多的一種壓力遠(yuǎn)傳儀表?;魻枆毫鞲衅鳎?46.4電氣式壓力計原理:基于壓電效應(yīng)原理,即壓電材料受壓時會在其表面產(chǎn)生電荷,其電荷量與所受的壓力成正比。壓電材料分類:單晶體,如石英、酒石酸鉀鈉、鈮酸鋰等多晶體,如壓電陶瓷,包括鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等多晶體的壓電陶瓷,經(jīng)極化處理后壓電陶瓷具有非常高的壓電系數(shù),為石英晶體的幾百倍壓電式壓力傳感器456.4電氣式壓力計壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖壓電元件被夾在兩塊彈性膜片之間,當(dāng)壓力作用于膜片,使壓電元件受力而產(chǎn)生電荷電荷量經(jīng)放大可轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出輸出的大小與輸入壓力成正比關(guān)系式中,q-電荷量;

k-壓電常數(shù);

S-作用面積;

p-被測壓力。壓電元件絕緣體膜片殼體466.4電氣式壓力計特點:結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、小巧輕便工作可靠線性度好頻率響應(yīng)高量程范圍大等優(yōu)點晶體上產(chǎn)生的電荷量很小,需要加高阻抗的直流放大器對溫度效應(yīng)大環(huán)境適應(yīng)能力有限,需要增加溫度補(bǔ)償、振動加速度補(bǔ)償?shù)取?76.4電氣式壓力計原理:電容式壓力變送器是通過彈性膜片的位移引起電容量的變化從而測出壓力(或差壓)的。平行極板電容器的電容量為:電容式壓力傳感器電容變換器有變間隙式、變面積式和變介電常數(shù)式三種差動式壓力(壓差)電容轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意圖1,4-隔離膜片2,3-不銹鋼基座5-玻璃絕緣層6-固定電極7-彈性膜片8-引線486.4電氣式壓力計493、電氣式壓力變送器①電阻式差壓變送器,上端接入?yún)⒖級毫2、下端接入被測壓力P1

被測壓力P1與參考壓力相等時,硅膜片不產(chǎn)生應(yīng)變變形當(dāng)被測壓力P1大于參考壓力P2時,硅膜片產(chǎn)生應(yīng)變,使電阻R1=R3<R2=R4,測量電橋失去平衡,其輸出經(jīng)放大及相應(yīng)的變換,將P1的變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號4~20mA的輸出。硅半導(dǎo)體壓力變送器敏感部件原理圖硅半導(dǎo)體壓力變送器測量電路原理圖496.4電氣式壓力計3、電氣式壓力變送器②電容式差壓變送器,506.4電氣式壓力計一、壓力檢測儀表的選用1.壓力檢測儀表量程的選擇,6.5壓力檢測儀表的選用和校驗選擇量程的原則:最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的3/4;在被測壓力波動較大或檢測脈動壓力時,最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的2/3;為了保證檢測準(zhǔn)確度,最小工作壓力不能低于滿量程的1/3;當(dāng)被測壓力變化范圍較大,最大和最小工作壓力不可能同時滿足時,在選擇儀表量程時,應(yīng)首先滿足最大工作壓力要求。512.壓力檢測儀表精度的選擇,目前我國壓力檢測儀表規(guī)定的精度等級有:標(biāo)準(zhǔn)壓力計:0.05,0.1,0.16,0.2,0.25,0.35;一般壓力計:0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等。3.壓力檢測儀表的類型選擇

由于壓力計的種類和型號很多,所以在選擇時應(yīng)根據(jù)被測壓力的大小、被測

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