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第第12章章 压力测量压力测量12.1概述概述12.2液柱式压力计液柱式压力计12.3弹性压力计弹性压力计12.4振筒式压力传感器振筒式压力传感器第1页12.1概述概述 压力是工业生产过程中主要压力是工业生产过程中主要工艺参数之一，所以，正确地测工艺参数之一，所以，正确地测量和控制压力是确保工艺生产过量和控制压力是确保工艺生产过程良好地运行，到达高产优质低程良好地运行，到达高产优质低耗及安全生产主要步骤。耗及安全生产主要步骤。第2页12.1概述概述压力是垂直而均匀地作用在单位面积上压力是垂直而均匀地作用在单位面积上力，即物理学中常称压强。它大小由受力，即物理学中常称压强。它大小由受力面积和垂直作用力两个原因所决定，力面积和垂直作用力两个原因所决定，用数学式表示用数学式表示为为压力；压力；垂直作用力；垂直作用力；12.1.1压力定义压力定义受力面积。受力面积。式中，式中，第3页12.1概述概述 在国际单位制中，压力单位为在国际单位制中，压力单位为 表示，简称为表示，简称为“帕帕”。它物理意义是。它物理意义是1 1牛顿力垂直作用在牛顿力垂直作用在1 1平方米面积上平方米面积上所产生压力。因帕单位太小，工程上惯用所产生压力。因帕单位太小，工程上惯用和和表示。表示。其它过去在工程上惯用单位以下：其它过去在工程上惯用单位以下：）：这是过去工程上最常采）：这是过去工程上最常采取压力单位。即取压力单位。即 上所产生压力。上所产生压力。12.1.2压力计量单位压力计量单位 均匀而垂直地作用在均匀而垂直地作用在，称为，称为“帕斯卡帕斯卡”,”,符号以符号以工程大气压（工程大气压（第4页12.1概述概述 毫米汞柱（毫米汞柱（）、毫米水柱（）、毫米水柱（）：在）：在 面积上分别由面积上分别由 水柱或水柱或 水银柱水银柱质量所产生质量所产生 压力。压力。标准大气压标准大气压:又称为无力大气压，它随时间和又称为无力大气压，它随时间和地点不一样改变很大。地点不一样改变很大。我国现在已统一采取国际统一单位我国现在已统一采取国际统一单位“Pa”。绝对压力：被测介质作用于物体表面上全部压力绝对压力：被测介质作用于物体表面上全部压力称为绝对压力，用符号称为绝对压力，用符号Pi表示。表示。第5页12.1概述概述l大气压力：由地球表面空气质量所形成压力，称为大气压力：由地球表面空气质量所形成压力，称为大气压力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件而大气压力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件而改变，用符号改变，用符号Po表示。表示。l表压：绝对压力与当地大气压之差称为表压，用符表压：绝对压力与当地大气压之差称为表压，用符号号Pg表示，表示，。通常压力测量仪表总。通常压力测量仪表总是处于大气之中，其测得压力值均是表压，此时绝是处于大气之中，其测得压力值均是表压，此时绝对压力大于大气压力。对压力大于大气压力。l真空度（负压）：当绝对压力小于大气压力时，表真空度（负压）：当绝对压力小于大气压力时，表压为负值（负压力），其绝对值称为真空度，用符压为负值（负压力），其绝对值称为真空度，用符号号 表示，表示，。第6页12.1概述概述 另外，工程上另外，工程上按压力随时间改按压力随时间改变关系还有静态变关系还有静态压力（不随时间压力（不随时间改变或改变迟缓改变或改变迟缓压力）和动态压压力）和动态压力（随时间作快力（随时间作快速改变压力）之速改变压力）之分。分。图图12-112-1各种压力之间关系各种压力之间关系第7页12.1概述概述依据不一样工作原理，压力检测方法可分为以下几个：依据不一样工作原理，压力检测方法可分为以下几个：重力平衡方法重力平衡方法 这种方法利用一定高度工作液体产生重力或砝码重量与被测这种方法利用一定高度工作液体产生重力或砝码重量与被测压力相平衡原理，将被测压力转换为液柱高度或平衡砝码重量来压力相平衡原理，将被测压力转换为液柱高度或平衡砝码重量来测量。例液柱式压力计和活塞式压力计。测量。例液柱式压力计和活塞式压力计。弹性力平衡方法弹性力平衡方法 利用弹性元件受压力作用发生弹性变形而产生弹性力与被测利用弹性元件受压力作用发生弹性变形而产生弹性力与被测压力相平衡原理，将压力转换成位移，经过测量弹性元件位移变压力相平衡原理，将压力转换成位移，经过测量弹性元件位移变形大小测出被测压力。可测量压力、负压、绝对压力和压差，应形大小测出被测压力。可测量压力、负压、绝对压力和压差，应用最为广泛。用最为广泛。12.1.3压力检测基本方法压力检测基本方法第8页12.1概述概述机械力平衡方法机械力平衡方法 这种方法是将被测压力经变换元件转换成一个集中这种方法是将被测压力经变换元件转换成一个集中力，用外力与之平衡，经过测量平衡时外力测得被测压力，用外力与之平衡，经过测量平衡时外力测得被测压力。力平衡式仪表能够到达较高精度，不过结构复杂。力。力平衡式仪表能够到达较高精度，不过结构复杂。物性测量方法物性测量方法 利用敏感元件在压力作用下，其一些物理特征发生利用敏感元件在压力作用下，其一些物理特征发生与压力成确定关系改变原理，将被测压力直接转换为各与压力成确定关系改变原理，将被测压力直接转换为各种电量来测量。如应变式、压电式、电容式压力传感器种电量来测量。如应变式、压电式、电容式压力传感器等。等。第9页12.2液柱式压力计液柱式压力计 液柱测压是最简单测压伎俩，应用液柱测量压力液柱测压是最简单测压伎俩，应用液柱测量压力方法是以流体静力学原理为基础。它依据液柱高度来方法是以流体静力学原理为基础。它依据液柱高度来确定被测压力值。液柱所用液体种类很多，能够采取确定被测压力值。液柱所用液体种类很多，能够采取单纯物质，也能够用液体混合物，但所用液体在与被单纯物质，也能够用液体混合物，但所用液体在与被测物质接触处必须有一个清楚而稳定界面，即所用液测物质接触处必须有一个清楚而稳定界面，即所用液体不能与被测介质发生化学反应或形成均相混合物，体不能与被测介质发生化学反应或形成均相混合物，同时，液体在环境温度改变范围内不应汽化、凝固。同时，液体在环境温度改变范围内不应汽化、凝固。惯用工作液体有水银、水、酒精、甲苯、甘油、有机惯用工作液体有水银、水、酒精、甲苯、甘油、有机硅油等。硅油等。第10页 液柱压力计最终测量是液面相对垂直位移，液柱压力计最终测量是液面相对垂直位移，所以上限只可能达所以上限只可能达1.5m左右，下限为左右，下限为0.05m左右，左右，不然就不便于观察，普通液柱压力计应用范围约不然就不便于观察，普通液柱压力计应用范围约达达1m水银柱高压力。液柱压力计是在水银柱高压力。液柱压力计是在U形玻璃管形玻璃管内装有一定高度液体，一端与系统相连，另一端内装有一定高度液体，一端与系统相连，另一端与大气连接，普通是采取充有水或水银等液体玻与大气连接，普通是采取充有水或水银等液体玻璃璃U形管、单管或斜管进行压力测量。形管、单管或斜管进行压力测量。第11页12.2液柱式压力计液柱式压力计a)Ua)U形管压力计形管压力计 b)b)单管压力计单管压力计 c)c)倾斜管压倾斜管压力计力计 图图2-22-2液柱式压力计液柱式压力计第12页12.2液柱式压力计液柱式压力计 图图12-212-2（a a）所表示）所表示U U形管是用来测量压力和压差形管是用来测量压力和压差仪表。在仪表。在U U形管两端接入不一样压力时，形管两端接入不一样压力时，U U形管两边形管两边管内会产生一定液柱差，液柱差大小与被测压力相管内会产生一定液柱差，液柱差大小与被测压力相关，所以测得液柱差即可知被测压力或压差数值。关，所以测得液柱差即可知被测压力或压差数值。依据流体静力平衡原理可知，右边被测压力依据流体静力平衡原理可知，右边被测压力 、左边、左边被测压力被测压力式中，式中，UU形管内工作液体密度；形管内工作液体密度；重力加速度。重力加速度。12.2.1U形管压力计形管压力计UU形管内孔截面积；形管内孔截面积；第13页12.2液柱式压力计液柱式压力计由上式可求得两压力差值由上式可求得两压力差值 或在已知一个压力或在已知一个压力情况下（比如压力情况下（比如压力 可见可见U U形管内液柱差形管内液柱差h与被测压差或压力成正比，与被测压差或压力成正比，所以被测压差或压力能够用工作液柱高度所以被测压差或压力能够用工作液柱高度h大小来大小来表示。表示。第14页12.2液柱式压力计液柱式压力计单管压力计如图单管压力计如图12-212-2（b b）所表示，它相当于将）所表示，它相当于将U U形管一端换成一个大直径容器，测压原理依然与形管一端换成一个大直径容器，测压原理依然与U U形形管相同。当大容器一侧通入被测压力管相同。当大容器一侧通入被测压力 ，管一侧通，管一侧通入大气压时，满足以下关系入大气压时，满足以下关系式中，式中，两液面高度差；两液面高度差；玻璃管内液面上升高度；玻璃管内液面上升高度；大容器内液面下降高度；大容器内液面下降高度；玻璃管直径；玻璃管直径；大容器直径。大容器直径。12.2.2单管压力计单管压力计第15页12.2液柱式压力计液柱式压力计因为因为 ，故，故 能够忽略不计，则上式可写能够忽略不计，则上式可写成成 ，此时表示当工作液体密度，此时表示当工作液体密度 一定时，一定时，则管内工作液柱上升高度则管内工作液柱上升高度 即可表示被测压即可表示被测压力大小。力大小。第16页12.2液柱式压力计液柱式压力计 倾斜式压力计是用来测量微小压力和负压，为此倾斜式压力计是用来测量微小压力和负压，为此将与大容器连通玻璃管做成倾斜式方便在压力微小将与大容器连通玻璃管做成倾斜式方便在压力微小改变时可提升读数精度。改变时可提升读数精度。大容器通入被测压力大容器通入被测压力，则，则与液柱之间关系为与液柱之间关系为因为因为，则，则，代入上，代入上式后可得式后可得12.2.3倾斜式压力计倾斜式压力计，斜管通大气压力，斜管通大气压力第17页12.2液柱式压力计液柱式压力计式中，式中，斜面与水平面夹角。斜面与水平面夹角。角，可用水准仪测校水平位置。角，可用水准仪测校水平位置。因为酒精有较小密度，惯用它作为斜管压力计工因为酒精有较小密度，惯用它作为斜管压力计工作液体，以提升微压计灵敏度。作液体，以提升微压计灵敏度。假如要求倾斜式压力计测量不一样压力范围假如要求倾斜式压力计测量不一样压力范围时，则可采取斜管倾斜角度可变微压计，即经过时，则可采取斜管倾斜角度可变微压计，即经过改变倾斜角改变倾斜角为准确测定为准确测定倾斜管内液柱高度；倾斜管内液柱高度；第18页12.2液柱式压力计液柱式压力计 ，所以倾斜式压力计比单管压力计更，所以倾斜式压力计比单管压力计更灵敏，能够提升测量精度。倾斜式压力计测压范围灵敏，能够提升测量精度。倾斜式压力计测压范围普通为普通为 ，精度为，精度为0.50.511级，可用来测级，可用来测表压、负压、差压和用作校验低压标准表。其特点表压、负压、差压和用作校验低压标准表。其特点是零位刻度在刻度标尺下端，使用前需放置水平，是零位刻度在刻度标尺下端，使用前需放置水平，调好零位。调好零位。因为因为第19页12.2液柱式压力计液柱式压力计 液柱压力计即使结构简单、使用方便、测量准确度液柱压力计即使结构简单、使用方便、测量准确度高，但耐压程度差、轻易破碎，测量范围小、示值与工高，但耐压程度差、轻易破碎，测量范围小、示值与工作液体密度相关，故在使用中应注意下面几点：作液体密度相关，故在使用中应注意下面几点：1 1）被测压力不能超出仪表测量范围。被测压力不能超出仪表测量范围。2 2）被测介质不能与工作液混合或起化学反应。当被）被测介质不能与工作液混合或起化学反应。当被测介质与水或水银混合或发生反应时，则应更换其它工测介质与水或水银混合或发生反应时，则应更换其它工作液或采取加隔离液方法。作液或采取加隔离液方法。惯用隔离液以下表惯用隔离液以下表12-112-1所表示：所表示：12.2.4液柱式压力计使用注意事项液柱式压力计使用注意事项第20页12.2液柱式压力计液柱式压力计表表12-112-1一些介质隔离液一些介质隔离液测量介质测量介质隔离液隔离液测量介质测量介质隔离液隔离液氯气氯气氯化氢氯化氢硝酸硝酸98%浓硫酸或氟油煤油五氯乙烷氨水、水煤气氨水、水煤气水煤气水煤气氧气氧气变压器油变压器油变压器油变压器油甘油甘油第21页12.2液柱式压力计液柱式压力计 3 3）液柱压力计安装位置应避开过热、过冷和有震）液柱压力计安装位置应避开过热、过冷和有震动地方。过热使工作液轻易蒸发，而过冷使其轻易冻结，动地方。过热使工作液轻易蒸发，而过冷使其轻易冻结，震动太大会将玻璃管震破，无法进行正常数。震动太大会将玻璃管震破，无法进行正常数。4 4）因为液体弯月现象，在读取压力值时，视线因为液体弯月现象，在读取压力值时，视线应在液柱面上，观察水时应看凹面处，观察水银时应看应在液柱面上，观察水时应看凹面处，观察水银时应看凸面处。凸面处。5 5）水平放置仪表，测量前应将仪表放平，再校正）水平放置仪表，测量前应将仪表放平，再校正零点。假如工作液面不在零位线上，可调零位器或移动零点。假如工作液面不在零位线上，可调零位器或移动可变刻度标尺或灌注工作液体等，使零位对好可变刻度标尺或灌注工作液体等，使零位对好 6 6）工作液为水时，可在水液中加入一点红墨水或）工作液为水时，可在水液中加入一点红墨水或其它颜色，方便于观察读数。其它颜色，方便于观察读数。7 7）在使用过程中保持测量管和刻度标尺清楚，定）在使用过程中保持测量管和刻度标尺清楚，定时更换工作液。经常检验仪表和连接管。时更换工作液。经常检验仪表和连接管。第22页12.2液柱式压力计液柱式压力计图图12-312-3液面弯月现象液面弯月现象第23页12.3弹性压力计弹性压力计 当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生对当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生对应弹性变形（即机械位移）。依据变形量大小，能够测应弹性变形（即机械位移）。依据变形量大小，能够测得被测压力数值。得被测压力数值。弹性压力计主要由四部分组成。弹性压力计主要由四部分组成。弹性元件是关键部分，其作用是感受压力并产生弹弹性元件是关键部分，其作用是感受压力并产生弹性变形，弹性元件采取何种形式要依据测量要求选择和性变形，弹性元件采取何种形式要依据测量要求选择和设计；惯用弹性元件有弹簧管、波纹管、薄膜等，如图设计；惯用弹性元件有弹簧管、波纹管、薄膜等，如图12-412-4所表示。所表示。在弹性元件与指示机构之间是变换放大机构，其作在弹性元件与指示机构之间是变换放大机构，其作用是将弹性元件变形进行变换和放大；用是将弹性元件变形进行变换和放大；指示机构（如指针和刻度标尺）用于给出压力示值；指示机构（如指针和刻度标尺）用于给出压力示值；调整机构用于调整零点和量程。调整机构用于调整零点和量程。第24页12.3弹性压力计弹性压力计图图12-412-4弹性元件结构弹性元件结构第25页12.3弹性压力计弹性压力计第26页12.3弹性压力计弹性压力计图图12-412-4弹性元件结构弹性元件结构第27页12.3弹性压力计弹性压力计 弹性元件惯用材料有铜合金、弹性合金、弹性元件惯用材料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，各适合用于不一样测压范围和被测不锈钢等，各适合用于不一样测压范围和被测介质。近年来半导体材料也得到了广泛应用。介质。近年来半导体材料也得到了广泛应用。弹簧管式压力计是工业生产上应用最广泛弹簧管式压力计是工业生产上应用最广泛一个测压仪表，而且以单圈弹簧管结构应用最一个测压仪表，而且以单圈弹簧管结构应用最多。多。弹簧管压力计结构简单，使用方便，价格弹簧管压力计结构简单，使用方便，价格低廉，测压范围宽，应用十分广泛。低廉，测压范围宽，应用十分广泛。，精度最高可达精度最高可达范围为范围为第28页12.3弹性压力计弹性压力计11弹簧管弹簧管22拉杆拉杆33扇形齿轮扇形齿轮44中心齿轮中心齿轮55指针指针66面板面板77游丝游丝88调整螺钉调整螺钉99接头接头图图12-512-5弹簧管压力表弹簧管压力表第29页12.3弹性压力计弹性压力计 弹性压力计能够在现场指示，不过许多情况下要求将信弹性压力计能够在现场指示，不过许多情况下要求将信号远传至控制室。普通能够在已经有弹性压力计结构上增加号远传至控制室。普通能够在已经有弹性压力计结构上增加转换部件，实现信号远距离传送。弹性压力计信号多采取电转换部件，实现信号远距离传送。弹性压力计信号多采取电远传方式，即把弹性元件变形或位移转换为电信号输出。常远传方式，即把弹性元件变形或位移转换为电信号输出。常见转换方式有电位器式、霍尔元件式、电感式、差动变压器见转换方式有电位器式、霍尔元件式、电感式、差动变压器式等，图式等，图12-612-6给出两种电远传弹性压力计结构原理。给出两种电远传弹性压力计结构原理。第30页12.3弹性压力计弹性压力计 a)a)电位器式电位器式 b)b)霍尔元件式霍尔元件式 图图12-612-6弹性压力计信号电远传方式原理弹性压力计信号电远传方式原理第31页12.4压力传感器压力传感器 谐振式压力传感器是靠被测压力所形成应力改谐振式压力传感器是靠被测压力所形成应力改变弹性元件谐振频率，经过测量频率信号改变来检变弹性元件谐振频率，经过测量频率信号改变来检测压力。这种传感器尤其适合与计算机配合使用，测压力。这种传感器尤其适合与计算机配合使用，组成高精度测量控制系统。依据谐振原理能够制成组成高精度测量控制系统。依据谐振原理能够制成振筒、振弦及振膜式等各种型式压力传感器。振筒、振弦及振膜式等各种型式压力传感器。第32页12.4.1振筒式压力传感器振筒式压力传感器图图12-712-7振筒式压力传感器振筒式压力传感器第33页12.4.2振膜式压力传感器振膜式压力传感器图图12-812-8振膜式压力传感器振膜式压力传感器第34页
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