现代检测技术李英顺电子教案第12章

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1、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12.1概述概述 压力是工业生产过程中重要压力是工业生产过程中重要的工艺参数之一，因此，正确地的工艺参数之一，因此，正确地测量和控制压力是保证工艺生产测量和控制压力是保证工艺生产过程良好地运行，达到高产优质过程良好地运行，达到高产优质低耗及安全生产的重要环节。低耗及安全生产的重要环节。12.1概述概述压力是垂直而均匀地作用在单位面积压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力，即物理学中常称的压强。它的上的力，即物理学中常称的压强。它的大小由受力面积和垂直

2、作用力两个因素大小由受力面积和垂直作用力两个因素所决定，用数学式表示所决定，用数学式表示为为SFp p压力；压力；垂直作用力；垂直作用力；S12.1.1压力的定义压力的定义受力面积。受力面积。式中，式中，F12.1概述概述 在国际单位制中，压力的单位为在国际单位制中，压力的单位为2米牛顿 表示，简称为表示，简称为“帕帕”。它的物理意义是。它的物理意义是1 1牛顿的力垂直作用在牛顿的力垂直作用在1 1平方米面积平方米面积上所产生的压力。因帕的单位太小，工程上常用上所产生的压力。因帕的单位太小，工程上常用Pa310和和Pa610表示。表示。其他过去在工程上常用的单位如下：其他过去在工程上常用的单位

3、如下：）：这是过去工程上最常采）：这是过去工程上最常采用的压力单位。即用的压力单位。即 上所产生的压力。上所产生的压力。12.1.2压力的计量单位压力的计量单位 均匀而垂直地作用在均匀而垂直地作用在2mN，称为，称为“帕斯卡帕斯卡”,符号以符号以PaMPa工程大气压（工程大气压（2cmkgfkgf121cm12.1概述概述 毫米汞柱（毫米汞柱（）、毫米水柱）、毫米水柱（）：在）：在 的面积上分别由的面积上分别由 水柱水柱或或 水银柱质量所产生的水银柱质量所产生的 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，它随时间和地点的不同变化很大。地点的不同变化很大。我

4、国现在已统一采用国际统一单位我国现在已统一采用国际统一单位“Pa”。绝对压力：被测介质作用于物体表面上的全部压绝对压力：被测介质作用于物体表面上的全部压力称为绝对压力，用符号力称为绝对压力，用符号Pi表示。表示。mmHgOmmH221cmmm1mm112.1概述概述l 大气压力：由地球表面空气质量所形成的压力，称大气压力：由地球表面空气质量所形成的压力，称为大气压力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件为大气压力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件而变化，用符号而变化，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

5、，。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，其测得的压力值均是表压，此时是处于大气之中，其测得的压力值均是表压，此时绝对压力大于大气压力。绝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，。0pppiggvpp12.1概述概述 此外，工程上此外，工程上按压力随时间的按压力随时间的变化关系还有静变化关系还有静态压力（不随时态压力（不随时间变化或变化缓间变化或变化缓慢的压力）和动慢的压力）和动态压力（随时间态压力（随

6、时间作快速变化的压作快速变化的压力）之分。力）之分。图图12-112-1 各种压力之间的关系各种压力之间的关系12.1概述概述根据不同工作原理，压力检测方法可分为如下几种：根据不同工作原理，压力检测方法可分为如下几种：重力平衡方法重力平衡方法 这种方法利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量这种方法利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理，将被测压力转换为液柱高度或平衡砝与被测压力相平衡的原理，将被测压力转换为液柱高度或平衡砝码的重量来测量。例液柱式压力计和活塞式压力计。码的重量来测量。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

7、作用发生弹性变形而产生的弹性力与被利用弹性元件受压力作用发生弹性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理，将压力转换成位移，通过测量弹性元件位测压力相平衡的原理，将压力转换成位移，通过测量弹性元件位移变形的大小测出被测压力。可测量压力、负压、绝对压力和压移变形的大小测出被测压力。可测量压力、负压、绝对压力和压差，应用最为广泛。差，应用最为广泛。12.1.3压力检测的基本方法压力检测的基本方法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，通过测量平衡时的外力测得被测力，用外力与之平衡，通过

8、测量平衡时的外力测得被测压力。力平衡式仪表可以达到较高精度，但是结构复杂。压力。力平衡式仪表可以达到较高精度，但是结构复杂。物性测量方法物性测量方法 利用敏感元件在压力的作用下，其某些物理特性发利用敏感元件在压力的作用下，其某些物理特性发生与压力成确定关系变化的原理，将被测压力直接转换生与压力成确定关系变化的原理，将被测压力直接转换为各种电量来测量。如应变式、压电式、电容式压力传为各种电量来测量。如应变式、压电式、电容式压力传感器等。感器等。12.2液柱式压力计液柱式压力计 液柱测压是最简单的测压手段，应用液柱测量液柱测压是最简单的测压手段，应用液柱测量压力的方法是以流体静力学原理为基础的。它

9、根据压力的方法是以流体静力学原理为基础的。它根据液柱高度来确定被测的压力值。液柱所用的液体种液柱高度来确定被测的压力值。液柱所用的液体种类很多，可以采用单纯物质，也可以用液体混合物，类很多，可以采用单纯物质，也可以用液体混合物，但所用液体在与被测物质接触处必须有一个清楚而但所用液体在与被测物质接触处必须有一个清楚而稳定的界面，即所用液体不能与被测介质发生化学稳定的界面，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，同时，液体在环境温度的反应或形成均相混合物，同时，液体在环境温度的变化范围内不应汽化、凝固。常用的工作液体有水变化范围内不应汽化、凝固。常用的工作液体有水银、水、酒精、甲苯、

10、甘油、有机硅油等。银、水、酒精、甲苯、甘油、有机硅油等。液柱压力计最后测量的是液面的相对垂直位液柱压力计最后测量的是液面的相对垂直位移，因此上限只可能达移，因此上限只可能达1.5m左右，下限为左右，下限为0.05m左右，否则就不便于观察，一般液柱压力计的应左右，否则就不便于观察，一般液柱压力计的应用范围约达用范围约达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形玻璃管内装有一定高度的液体，一端与系统相形玻璃管内装有一定高度的液体，一端与系统相连，另一端与大气连接，一般是采用充有水或水连，另一端与大气连接，一般是采用充有水或水银等液体的玻璃银等液体的玻璃U形管、单管或斜管进行压

11、力测量形管、单管或斜管进行压力测量的。的。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)倾斜管压力计倾斜管压力计 图图2-22-2 液柱式压力计液柱式压力计12.2液柱式压力计液柱式压力计 图图12-212-2（a a）所示的）所示的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的仪表。在的仪表。在U U形管两端接入不同压力时，形管两端接入不同压力时，U U形管两边形管两边管内会产生一定的液柱差，液柱差的大小与被测压管内会产生一定的液柱差，液柱差的大小与被测压力有关，因此测得液柱差即可知被测压力或压差的力有关，因此测得液柱差即可

12、知被测压力或压差的数值。数值。根据流体静力平衡原理可知，右边的被测压根据流体静力平衡原理可知，右边的被测压力力 、左边被测压力、左边被测压力ghAAppAA式中，式中，UU形管内工作液体的密度；形管内工作液体的密度；g重力加速度。重力加速度。12.2.1U形管压力计形管压力计pApAUU形管内孔截面积；形管内孔截面积；12.2液柱式压力计液柱式压力计ghpppA由上式可求得两压力的差值由上式可求得两压力的差值 或在已知一个压或在已知一个压力的情况下（例如压力力的情况下（例如压力pApghppA 可见可见U U形管内的液柱差形管内的液柱差h与被测压差或压力成正与被测压差或压力成正比，因此被测压差

13、或压力可以用工作液柱高度比，因此被测压差或压力可以用工作液柱高度h的的大小来表示。大小来表示。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）所示，它相当于将）所示，它相当于将U U形形管的一端换成一个大直径的容器，测压原理仍然与管的一端换成一个大直径的容器，测压原理仍然与U U形管相同。当大容器一侧通入被测压力形管相同。当大容器一侧通入被测压力 ，管一侧，管一侧通入大气压时，满足下列关系通入大气压时，满足下列关系ghDdghhghpppA222121式中，式中，h两液面的高度差；两液面的高度差；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

14、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2h1hdDp12.2液柱式压力计液柱式压力计由于由于 ，故，故 可以忽略不计，则上式可写可以忽略不计，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的高度则管内工作液柱上升的高度dD 22Ddghp1 即可表示被测压即可表示被测压力的大小。力的大小。2h12.2液柱式压力计液柱式压力计ghhp21 倾斜式压力计是用来测量微小的压力和负压的，倾斜式压力计是用来测量微小的压力和负压的，为此将与大容器连通的玻璃管做成倾斜式的以便在为此将与

15、大容器连通的玻璃管做成倾斜式的以便在压力微小变化时可提高读数的精度。压力微小变化时可提高读数的精度。大容器通入被测压力大容器通入被测压力p，则，则与液柱之间的关系为与液柱之间的关系为由于由于dD，则，则sin221Lhhh，代入上，代入上singLp 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Ap12.2液柱式压力计液柱式压力计式中，式中，L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。由于酒精有较小的密度，常用它作为斜管压力计由于酒精有较小的密度，常用它作为斜管压力计的工作液体，以提高微压计的灵敏度。的工

16、作液体，以提高微压计的灵敏度。如果要求倾斜式压力计测量不同的压力范围如果要求倾斜式压力计测量不同的压力范围时，则可采用斜管倾斜角度可变的微压计，即通时，则可采用斜管倾斜角度可变的微压计，即通过改变倾斜角过改变倾斜角为准确测定为准确测定倾斜管内液柱的高度；倾斜管内液柱的高度；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，可以提高测量精度。倾斜式压力计的测压范灵敏，可以提高测量精度。倾斜式压力计的测压范围一般为围一般为 ，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的标准表。其特表压、负压、差压和用

17、作校验低压的标准表。其特点是零位刻度在刻度标尺的下端，使用前需放置水点是零位刻度在刻度标尺的下端，使用前需放置水平，调好零位。平，调好零位。由于由于hL Pa2000012.2液柱式压力计液柱式压力计 液柱压力计虽然构造简单、使用方便、测量准确度液柱压力计虽然构造简单、使用方便、测量准确度高，但耐压程度差、容易破碎，测量范围小、示值与工高，但耐压程度差、容易破碎，测量范围小、示值与工作液体的密度有关，故在使用中应注意下面几点：作液体的密度有关，故在使用中应注意下面几点：1 1）被测压力不能超过仪表测量范围。被测压力不能超过仪表测量范围。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

18、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的方法。作液或采取加隔离液的方法。常用的隔离液如下表常用的隔离液如下表12-112-1所示：所示：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12.2液柱式压力计液柱式压力计表表12-112-1 某些介质的隔离液某些介质的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%98%的浓硫酸或氟油的浓硫酸或氟油 煤油煤油 五氯乙烷五氯乙烷 氨水、水煤气氨水、水煤气水煤气水煤气

19、氧气氧气 变压器油变压器油 变压器油变压器油 甘油甘油 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、过冷和有震动的地方。过热使工作液容易蒸发，而过冷使其容易动的地方。过热使工作液容易蒸发，而过冷使其容易冻结，震动太大会将玻璃管震破，无法进行正常的冻结，震动太大会将玻璃管震破，无法进行正常的数。数。4 4）由于液体的弯月现象，在读取压力值时，视由于液体的弯月现象，在读取压力值时，视线应在液柱面上，观察水时应看凹面处，观察水银时线应在液柱面上，观察水时应看凹面处，观察水银时应看凸面处。应看凸面处。5 5）水平放置的仪表，测量前应

20、将仪表放平，再校）水平放置的仪表，测量前应将仪表放平，再校正零点。如果工作液面不在零位线上，可调零位器或正零点。如果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，使零位对好移动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，以便于观察读数。其它颜色，以便于观察读数。7 7）在使用过程中保持测量管和刻度标尺的清晰，）在使用过程中保持测量管和刻度标尺的清晰，定期更换工作液。经常检查仪表和连接管。定期更换工作液。经常检查仪表和连接管。12.2液柱式压力计液柱式压力计图图12-312-3

21、液面的弯月现象液面的弯月现象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，弹性元件便产生相当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹性变形（即机械位移）。根据变形量的大小，可应的弹性变形（即机械位移）。根据变形量的大小，可以测得被测压力的数值。以测得被测压力的数值。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。弹性元件是核心部分，其作用是感受压力并产生弹弹性元件是核心部分，其作用是感受压力并产生弹性变形，弹性元件采用何种形式要根据测量要求选择和性变形，弹性元件采用何种形式要根据测量要求选择和设计；常用的弹性元件有弹簧管、波纹管、薄膜等，如设计；常用的弹性元件有弹簧

22、管、波纹管、薄膜等，如图图12-412-4所示。所示。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的变形进行变换和放大；用是将弹性元件的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。12.3弹性压力计弹性压力计图图12-412-4 弹性元件的结构弹性元件的结构12.3弹性压力计弹性压力计12.3弹性压力计弹性压力计图图12-412-4 弹性元件的结构弹性元件的结构12.3弹性压力计弹性压力计 弹性元件常用的材料有铜合

23、金、弹性合金、弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，各适用于不同的测压范围和被测介不锈钢等，各适用于不同的测压范围和被测介质。近年来半导体材料也得到了广泛的应用。质。近年来半导体材料也得到了广泛的应用。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的一种测压仪表，并且以单圈弹簧管结构应用的一种测压仪表，并且以单圈弹簧管结构应用最多。最多。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%1.0Pa951010范围为范围为12.3弹性压力计弹性压力

24、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12.3弹性压力计弹性压力计 弹性压力计可以在现场指示，但是许多情况下要求将弹性压力计可以在现场指示，但是许多情况下要求将信号远传至控制室。一般可以在已有的弹性压力计结构上增信号远传至控制室。一般可以在已有的弹性压力计结构上增加转换部件，实现信号的远距离传送。弹性压力计信号多采加转换部件，实现信号的远距离传送。弹性压力计信号多采用电远传方式，即把弹性元件的变形或位移转换为电信号输用电远传方式，即把弹性元件的变形或

25、位移转换为电信号输出。常见的转换方式有电位器式、霍尔元件式、电感式、差出。常见的转换方式有电位器式、霍尔元件式、电感式、差动变压器式等，图动变压器式等，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。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的应力谐振式压力传感器是靠被测压力所形成的应力改变弹性元件的谐振频率，通过测量频率信号的变改变弹性元件的谐振频率，通过测量频率信号的变化来检测压力。这种传感器特别适合与计算机配合化来检测压力。这种传感器特别适合与计算机配合使用，组成高精度的测量控制系统。根据谐振原理使用，组成高精度的测量控制系统。根据谐振原理可以制成振筒、振弦及振膜式等多种型式的压力传可以制成振筒、振弦及振膜式等多种型式的压力传感器。感器。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