建筑环境测试技术第5章压力测量课件.ppt
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1、第五章第五章 压力测量压力测量 5.1 概述概述5.2 液柱式压力计液柱式压力计5.3 弹性压力计弹性压力计5.4 电气式压力检测电气式压力检测5.5 压力检测仪表的应用与校准压力检测仪表的应用与校准15.1 概述概述 o压力:垂直作用在物体单位面积上的力。压力:垂直作用在物体单位面积上的力。o绝对压力绝对压力=表压力表压力+大气压大气压 如果绝对压力高于当地大气压力,则高出的部分为正压;如果绝对压力高于当地大气压力,则高出的部分为正压;如果如果绝对压力低于当地大气压力,则低处的部分为负压。绝对压力低于当地大气压力,则低处的部分为负压。o单位:单位:国际单位制:帕(国际单位制:帕(Pa)1Pa
2、1N/m210-5bar 巴(巴(bar)、工程大气压)、工程大气压(kgf/m2)、标准大气压、标准大气压(atm)、毫米水柱毫米水柱(mmH2O)、毫米汞柱、毫米汞柱(mmHg)25.1.1 压力测量方法压力测量方法 o平衡法压力测量平衡法压力测量 液柱高度的重力或砝码的重量与液柱高度的重力或砝码的重量与被测压力相平衡。被测压力相平衡。o弹性法压力测量弹性法压力测量 利用弹性元件在压力作用下产生利用弹性元件在压力作用下产生的弹性变形(位移)。的弹性变形(位移)。o电气式压力检测电气式压力检测 使用压力传感器直接将压力转换使用压力传感器直接将压力转换成电阻、电荷量等电量变化。成电阻、电荷量等
3、电量变化。P2P1U型管型管h1h2035.1.2 压力测量仪表的分类压力测量仪表的分类从工作原理及结构的角度,将压力传感器分为四大类:从工作原理及结构的角度,将压力传感器分为四大类:o液柱式压力计液柱式压力计 根据流体静力学原理,把被测压力转换成液柱高度。如根据流体静力学原理,把被测压力转换成液柱高度。如U形管压力形管压力计、单管压力计和斜管压力计等。计、单管压力计和斜管压力计等。o弹性式压力计弹性式压力计 根据弹性元件受力变形的原理,将被测压力转换成位移的测量,如根据弹性元件受力变形的原理,将被测压力转换成位移的测量,如弹性压力表。弹性压力表。o电气式压力检测电气式压力检测 将被测压力转换
4、成各种电量(电感、电容、电阻、电位差等),依将被测压力转换成各种电量(电感、电容、电阻、电位差等),依据电量的大小实现压力的间接测量。如压电式压力传感器、压阻式据电量的大小实现压力的间接测量。如压电式压力传感器、压阻式压力传感器等。压力传感器等。o负荷式压力计负荷式压力计 将被测压力转换成砝码的质量,如活塞式压力计、钟罩式微压计。将被测压力转换成砝码的质量,如活塞式压力计、钟罩式微压计。45.2 液柱式压力计液柱式压力计 o原理:利用液柱产生的静压力与被测压力相平衡的原理,原理:利用液柱产生的静压力与被测压力相平衡的原理,通过液柱高度来反映被测压力大小。通过液柱高度来反映被测压力大小。o优点:
5、结构简单、使用方便,有相当高的准确度,在本优点:结构简单、使用方便,有相当高的准确度,在本专业中应用很广泛。专业中应用很广泛。o缺点:量程受液柱高度的限制,体积大,玻璃管易损、缺点:量程受液柱高度的限制,体积大,玻璃管易损、读数不方便。读数不方便。55.2.1 U形管压力计形管压力计 o结构:结构:由由U形玻璃管、工作液、刻度尺组成。形玻璃管、工作液、刻度尺组成。o测量过程:两个管口测量过程:两个管口分别接压力分别接压力P1和和P2。o当当P1P2时,左右两管时,左右两管的液体的高度相等。的液体的高度相等。o当当P2 P1时,时,U形管的形管的两管内的液面便会产两管内的液面便会产生高度差。生高
6、度差。65.2.1 U形管压力计形管压力计 21PPP)(21hhgP式中:式中:U形管内所充工作液的密度;形管内所充工作液的密度;g U形管所在地的重力加速度;形管所在地的重力加速度;h1,h2 U形管左右两管的液面相形管左右两管的液面相对于对于0刻度的高度差。刻度的高度差。75.2.2 单管压力计单管压力计 o结构:结构:U形管,但两侧管子的直径相差很大。形管,但两侧管子的直径相差很大。o原理:在两侧压力作用下,一侧液原理:在两侧压力作用下,一侧液面下降,另一侧液面上升。下降液面下降,另一侧液面上升。下降液体的体积与上升液体的体积相等。体的体积与上升液体的体积相等。式中式中:h1,2宽口容
7、器内液面的下降高度及测宽口容器内液面的下降高度及测量管内液面的上升高度;量管内液面的上升高度;1,2宽口容器及测量管的横截面积。宽口容器及测量管的横截面积。2211AhAh2121hAAh 85.2.2 单管压力计单管压力计 2211AhAh2121hAAh21221)1()(hAAghhgP 只需要读取只需要读取h2的数值,就可以求得被测压力的数值,就可以求得被测压力P。当当A1A2时,上式可近似为:时,上式可近似为:当当A1/A2100时,误差小于时,误差小于1%。2hgP95.2.3 斜管微压计斜管微压计 o结构:一种结构:一种变形的单管压力计,用于测量微小压力。变形的单管压力计,用于测
8、量微小压力。o测量原理:为了减小读数相对误差,测量原理:为了减小读数相对误差,拉长液柱拉长液柱,把测量管,把测量管斜放一个角度。斜放一个角度。105.2.3 斜管微压计斜管微压计 lAAh211sin2lh lAAghhgP)sin()(1221211lAAho角越小,角越小,l则越长,测量灵敏度就越高;则越长,测量灵敏度就越高;o但是,但是,角不能太小(一般不小于角不能太小(一般不小于15),否则读数困难,),否则读数困难,反而增加读数误差。反而增加读数误差。11125.2.4 液柱式压力计的测量误差及其修正液柱式压力计的测量误差及其修正 1、环境温度变化、环境温度变化 2、重力加速度变化、
9、重力加速度变化 3、毛细管现象、毛细管现象p环境温度偏离规定温度时,工作液(水银)的密度、环境温度偏离规定温度时,工作液(水银)的密度、标尺长度都会发生变化。标尺长度都会发生变化。p工作液(水银)的密度变化是修正的重点,因为水银工作液(水银)的密度变化是修正的重点,因为水银的体积膨胀系数比标尺的线膨胀系数大得多。的体积膨胀系数比标尺的线膨胀系数大得多。p精密测量时,需要对标尺长度变化的影响进行修正。精密测量时,需要对标尺长度变化的影响进行修正。p压力计读数修正公式:压力计读数修正公式:工作液在:工作液在t0t之间的平均体积膨胀系数。之间的平均体积膨胀系数。)(1 00tthhtt135.2.4
10、 液柱式压力计的测量误差及其修正液柱式压力计的测量误差及其修正 1、环境温度变化、环境温度变化 2、重力加速度变化、重力加速度变化 3、毛细管现象、毛细管现象p仪器使用地点的重力加速度:仪器使用地点的重力加速度:RHggn21)2cos(00265.01 hgghnnp压力读数的修正公式:压力读数的修正公式:145.2.4 液柱式压力计的测量误差及其修正液柱式压力计的测量误差及其修正 1、环境温度变化、环境温度变化 2、重力加速度变化、重力加速度变化 3、毛细管现象、毛细管现象p毛细管现象能使测量管内的液柱升高或降低。毛细管现象能使测量管内的液柱升高或降低。当管内工作液表面张力小当管内工作液表
11、面张力小时,如时,如水水、酒精,液面会、酒精,液面会形成形成凹面凹面,产生正误差;,产生正误差;当管内工作液表面张力大当管内工作液表面张力大时,如时,如水银水银,液面会形成,液面会形成凸面凸面,产生负误差;,产生负误差;p为了减小读数误差,通常采用加大管径来减小毛细管的影响。为了减小读数误差,通常采用加大管径来减小毛细管的影响。使用水使用水/酒精时,管径酒精时,管径d3mm。使用水银时,管径。使用水银时,管径d8mm。水银水银水水155.3 弹性压力计弹性压力计o原理:利用弹性元件作为压力敏感元件,把压力转换成弹原理:利用弹性元件作为压力敏感元件,把压力转换成弹性元件的位移,位移的大小与被测压
12、力成正比关系。性元件的位移,位移的大小与被测压力成正比关系。o目前,目前,作为压力检测的弹性元件主要有膜片、波纹管和弹作为压力检测的弹性元件主要有膜片、波纹管和弹簧管簧管。165.3 弹性压力计弹性压力计o常用弹性元件示意图:常用弹性元件示意图:弹性元件受外部压力弹性元件受外部压力P作用后,通过受压面表现为力的作用,作用后,通过受压面表现为力的作用,作用力的大小为作用力的大小为 FA P式中:式中:A 弹性元件承受压力的有效面积弹性元件承受压力的有效面积P 作用力的大小作用力的大小17p同时,根据虎克同时,根据虎克定律,弹性元件在一定范围内的变形与所定律,弹性元件在一定范围内的变形与所受外力成
13、正比关系,即受外力成正比关系,即 FC x 式中:式中:C弹性元件的刚度系数;弹性元件的刚度系数;x 弹性元件在受到外力弹性元件在受到外力F作用下所产生的位移。作用下所产生的位移。弹性元件受压力为弹性元件受压力为P 时。其位移量为:时。其位移量为:x F/C P A/C 比值比值A/C的大小决定了弹性元件的压力测量范围。的大小决定了弹性元件的压力测量范围。A/C越小,可测压力越大。越小,可测压力越大。5.3 弹性压力计弹性压力计185.3.1 膜片膜片 o形状:形状:膜片是一种片状测压弹性元件,外缘固定。膜片是一种片状测压弹性元件,外缘固定。o按剖面形状分为平膜片和波纹膜片。按剖面形状分为平膜
14、片和波纹膜片。PxPxPxPx平薄片波纹片膜盒195.3.1 膜片膜片 o特性:一般用中心的位移和被测压力的关系来表征。特性:一般用中心的位移和被测压力的关系来表征。当膜当膜片的位移很小时片的位移很小时,压力与位移之间有良好的,压力与位移之间有良好的线性关系线性关系。o膜片和转换元件相结合,可以把压力转换成电信号。膜片和转换元件相结合,可以把压力转换成电信号。o常用的有电容式压力传感器、光纤式压力传感器及力矩平常用的有电容式压力传感器、光纤式压力传感器及力矩平衡式压力变送器等等。衡式压力变送器等等。1.电容式压力传感器电容式压力传感器 1)单端式电容压力传感器)单端式电容压力传感器 2)差动式
15、电容压力传感器)差动式电容压力传感器2.光纤式压力传感器光纤式压力传感器3.力矩平衡式压力变送器力矩平衡式压力变送器201.电容式压力传感器电容式压力传感器单端式单端式 在膜片的一侧,安在膜片的一侧,安装一个与该膜片平装一个与该膜片平行并且固定不动的行并且固定不动的电极板电极板,使膜片与,使膜片与电极板构成一个电极板构成一个平平行板电容器行板电容器。当膜片受压产生位移时,改变了极板与膜片间的距离,从当膜片受压产生位移时,改变了极板与膜片间的距离,从而改变了电容器的电容值。而改变了电容器的电容值。通过测量电容的变化即可测得被测压力。通过测量电容的变化即可测得被测压力。可以用来测量单端压力。可以用
16、来测量单端压力。211.电容式压力传感器电容式压力传感器差动式差动式 在膜片的两侧,各安装一个在膜片的两侧,各安装一个与膜片相平行并且固定不动与膜片相平行并且固定不动的极板(位于金属镀层内的极板(位于金属镀层内部),使膜片与极板构成一部),使膜片与极板构成一对平行板电容器。对平行板电容器。当膜片受压产生位移时,改当膜片受压产生位移时,改变了极板与膜片间的距离,变了极板与膜片间的距离,一个电容器的电容量增大,一个电容器的电容量增大,另一个则减小。另一个则减小。测量这对电容值的变化,并且经过测量电路转换成电流或电测量这对电容值的变化,并且经过测量电路转换成电流或电压信号传输,就构成了差动式电容压力
17、传感器。压信号传输,就构成了差动式电容压力传感器。222.光纤式压力传感器光纤式压力传感器原理:采用光纤及其调制机构实现位移原理:采用光纤及其调制机构实现位移光强的转换。光强的转换。当当入射光纤入射光纤的光束照射到膜片上,其反射光分别被的光束照射到膜片上,其反射光分别被接收光接收光纤纤1、接收光纤、接收光纤2接收,其光强分别是接收,其光强分别是x1和和x2以及光纤至膜片以及光纤至膜片间的距离间的距离d的函数。的函数。233.力矩平衡式压力变送器力矩平衡式压力变送器应用杠杆、电磁反馈等机构,根据力矩平衡原理将膜片的应用杠杆、电磁反馈等机构,根据力矩平衡原理将膜片的位移变换成标准电信号输出。位移变
18、换成标准电信号输出。245.3.2 波纹管波纹管 o波纹管是一种具有等间距、同轴的环状波纹,能沿轴向伸波纹管是一种具有等间距、同轴的环状波纹,能沿轴向伸缩的测压弹性元件。缩的测压弹性元件。o波纹管受沿轴向的作用力波纹管受沿轴向的作用力F时,时,产生的位移为产生的位移为:2200221002/1BRhBAAAnEhFxo波纹管的位移相对较大,因此一般波纹管的位移相对较大,因此一般可在其顶端安装传动机构,带动指可在其顶端安装传动机构,带动指针直接读数。针直接读数。o特点:灵敏度高,常用于检测较低特点:灵敏度高,常用于检测较低的压力。但是迟滞误差较大。的压力。但是迟滞误差较大。255.3.3 弹簧管
19、弹簧管 p弹簧管:截面是非圆形(椭圆弹簧管:截面是非圆形(椭圆形或扁圆形),弯成圆弧状。形或扁圆形),弯成圆弧状。p管子一端固定(开口端),另管子一端固定(开口端),另一端是自由端(封闭)。一端是自由端(封闭)。p工作原理:被测压力介质从开工作原理:被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个口端进入并充满弹簧管的整个内腔,并使弹簧管的自由端产内腔,并使弹簧管的自由端产生位移,同时改变其中心角。生位移,同时改变其中心角。22222011kabbhREP265.3.3 弹簧管弹簧管 p弹簧管可以通过传动机构直接指示被测压力,也可以使用弹簧管可以通过传动机构直接指示被测压力,也可以使用适当的转换元件
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