第四讲压力、流量、气氛测试 压力信号的传感与变送 流量信号的传感与变送 气氛信号的传感与变送 四测试仪表
第四讲 压力、流量、气氛测试 一 压力信号的传感与变送 二 流量信号的传感与变送 三 气氛信号的传感与变送 四 测试仪表
压力信号的传感与变送 (一)压力的定义、单位及分类 在工程上的压力,经常以符号P表示 P=F/S (1-22) 式中F流体介质垂直作用与物体表面的力;S——承受力的面 积 压力的单位是力和面积的导出单位,由于单位制不同以及使用场 合及历史状况的差别,导致压力单位也有很多种,下面介绍几 种常用的压力单位。 1.帕斯卡[Pa:每平方米的面积上作用有一牛顿的力。它是国际 单位制(SI)中规定的压力单位,也是我国国标中规定的压力 单位--Pa]=1|N m-o 标准大气压[atm]:当温度为O[℃]、重力加速度为 9.80665[m/s2]、高度为0.760m]、密度为13.5951×103kgm3]的 水银柱所产生的压力。 lltm]=101325[Pa]
一 压力信号的传感与变送 （一）压力的定义、单位及分类 在工程上的压力，经常以符号P表示： P=F/S （1-22） 式中 F——流体介质垂直作用与物体表面的力；S——承受力的面 积。 压力的单位是力和面积的导出单位，由于单位制不同以及使用场 合及历史状况的差别，导致压力单位也有很多种，下面介绍几 种常用的压力单位。 1． 帕斯卡[Pa]：每平方米的面积上作用有一牛顿的力。它是国际 单位制（SI）中规定的压力单位，也是我国国标中规定的压力 单位----1[Pa]=1[N/m2 ]。 2 ． 标 准 大 气 压 [atm] ： 当 温 度 为 0[℃] 、 重 力 加 速 度 为 9.80665[m/s2 ]、高度为0.760[m]、密度为13.5951×103 [kg/m3 ]的 水银柱所产生的压力。 1[atm]=101325[Pa]
3工程大气压[a。一平方厘米的面积上均匀作用有一公斤力时所 产生的压力 1[at]=1[kgf/cm2]=9.80665X 104[Pal 4.巴[bar]。一平方厘米的面积上均运作用有10达因力是所产生 的压力。 1[bar]=106[ dyn/cm2]=105[Pa] 5.毫米汞柱。以液柱(水银或水或其他液体)高度来表示压力 的大小。常用的有毫米汞柱[mmHg和毫米水柱mmH2O]。1 米汞柱]压力又称为1托[Ior在标准情况(温度to℃]、重 量密度y=1.3332×10N/m3],重力加速度9n=980665[m/s] ImmHg]=l[Torr]=1/760[atm]=133.322[Pal 而对于水柱来说,在其标准情况(温度t4[℃]、重量密度 Y=9.80665×10N/m、重力加速度gn980665[m/]下, lmH2O]=9.8065Pa] 6.磅/英寸2[ps]。一平方英寸的面积上均匀作用有一磅力时所 生的压力。 l[psi]=1[bf/in2]=6.89476×103P
3 工程大气压[at]。一平方厘米的面积上均匀作用有一公斤力时所 产生的压力。 1[at]=1[kgf/cm2 ]=9.80665×104 [Pa] 4． 巴[bar]。一平方厘米的面积上均运作用有106达因力是所产生 的压力。 1[bar]=106[dyn/cm2 ]=105 [Pa] 5． 毫米汞柱。以液柱（水银或水或其他液体）高度来表示压力 的大小。常用的有毫米汞柱[mmHg]和毫米水柱[mmH2O]。1[毫 米汞柱]压力又称为1托[1Torr]。在标准情况（温度t=0[℃]、重 量密度γn =1.33322×106 [N/m3 ]，重力加速度ɡn =9.80665[m/s2 ]） 下， 1[mmHg]=1[Torr]=1/760[atm]=133.322[Pa] 而对于水柱来说，在其标准情况（温度t=4[℃]、重量密度 γn =9.80665×103 [N/m3 ]、重力加速度ɡn =9.80665[m/s2 ]下， 1[mmH2O]=9.80665[Pa] 6． 磅/英寸2 [psi]。一平方英寸的面积上均匀作用有一磅力时所产 生的压力。 1[psi]=1[lbf/in2 ]=6.89476×103 [Pa]
在工程技术中流体压力可分为: 1.大气压。地球表面上的空气重量所产生的压力 它随所在地的海拔高度、纬度和气象情况而变 2.压差(差压)。两个压力之间的相对差值。 3.绝对压力。相对于零压力(真空)所测得的压 力 4.表压力(相对压力)。当绝对压力大于大气压 时,该绝对压力与大气压之差 5.负压(真空表压力)。当绝对压力小于大气压 时,大气压与该绝对压力之差
在工程技术中流体压力可分为： 1．大气压。地球表面上的空气重量所产生的压力。 它随所在地的海拔高度、纬度和气象情况而变。 2．压差（差压）。两个压力之间的相对差值。 3．绝对压力。相对于零压力（真空）所测得的压 力。 4．表压力（相对压力）。当绝对压力大于大气压 时，该绝对压力与大气压之差。 5．负压（真空表压力）。当绝对压力小于大气压 时，大气压与该绝对压力之差
在工程上,还按压力随时间的变化关系分为 1.静态压力。不随时间变化或随时间变化缓 慢的压力。 2.动态压力。随时间作快速变化的压力。 工程容器压力范围的划分: 微压0~105帕 低压105~107帕(100公斤力/厘米2) 高压107~6X108帕 超高压〉6X108帕 真空可分粗真空、低真空、高真空等
在工程上，还按压力随时间的变化关系分为： 1． 静态压力。不随时间变化或随时间变化缓 慢的压力。 2． 动态压力。随时间作快速变化的压力。 工程容器压力范围的划分： 微压 0~105帕 低压 105~107帕（100公斤力/厘米2） 高压 107~6X108帕 超高压 〉6X108帕 真空 可分粗真空、低真空、高真空等
(二)压力的测量 1.液柱式压力计 Po、P1,U型管内液面间的高度差(h)与被测 压力P1和P差值间关系可表示为 △P=P1-P=vh=pgnh 式中 液体(常用的是水银和水)的重量密 度 p液体的密度 P1 当地的重量加速度 h—液面间的高度差 △P被测压力间的差压
（二）压力的测量 1．液柱式压力计 P0、P1，U型管内液面间的高度差（h）与被测 压力P1 和P0差值间关系可表示为： ΔP = P1 - P0=γh=ρɡn h 式中 γ——液体（常用的是水银和水）的重量密 度； ρ——液体的密度； ɡn——当地的重量加速度； h ——液面间的高度差； ΔP——被测压力间的差压
由式上可知,只有当p和gn为已知常数时,差压 (△P)才与液面间的高度差(h)成正比。而 液面的密度(p)往往要随使用时的环境温度而 变,重力加速度(qn)也随使用地的纬度和海 拔高度而异,在测量压力时都需要实测液体的 密度(p)和重力加速度(gn)或按一定的理论 公式进行修正。 当P=0时,被测压力的差值△P=P1为绝对压力 当P=1时,被测压力的差值△P=P1-1为表压或负 压 当P0为任意值(除0和1大气压外)时,被测压力 的差值△P=P-P0为差压
由式上可知，只有当ρ和ɡn为已知常数时，差压 （ΔP）才与液面间的高度差（h）成正比。而 液面的密度（ρ）往往要随使用时的环境温度而 变，重力加速度（ɡn）也随使用地的纬度和海 拔高度而异，在测量压力时都需要实测液体的 密度（ρ）和重力加速度（ɡn）或按一定的理论 公式进行修正。 当P0 =0时，被测压力的差值ΔP= P1为绝对压力。 当P0 =1时，被测压力的差值ΔP= P1 -1为表压或负 压。 当P0为任意值（除0和1大气压外）时，被测压力 的差值ΔP = P1 - P0为差压
2.膜片应变式 插针 插座 外壳 弓线 安装管孔 安装头 应变片 压力容器 压力感受薄模
2．膜片应变式
膜片式压力传感器的结构示意图如图1-16。当膜片两侧 压力不同时,紧贴其上的应变片随其一起变形而产生 电阻变化。电阻的变化率可表示为 △R/R=SE 式中S为导电材料的灵敏系数;e为材料的轴向线应变 对于周边夹紧的平膜片来说,沿半径(r)的径向应变 (e)、切向应变(E)与所承受的压力(P)间的关 系为: E=3P/8Eh2(1-y2)(R2-3r C=3P/8Eh2(1-y2)(R2 式中,E平膜材料的弹性模量;R—平膜片的工 作半径;h—平膜片的厚度;γ—平膜片的泊松 系数
膜片式压力传感器的结构示意图如图1-16。当膜片两侧 压力不同时，紧贴其上的应变片随其一起变形而产生 电阻变化。电阻的变化率可表示为： △R/R=S0 ε 式中S0为导电材料的灵敏系数；ε为材料的轴向线应变。 对于周边夹紧的平膜片来说，沿半径（r）的径向应变 （εr）、切向应变（εt）与所承受的压力（P）间的关 系为： εr =3P/8Eh2 (1-γ 2 )(R2 -3r 2 ) εt =3P/8Eh2 (1-γ 2 )(R2 -r 2 ) 式中，E——平膜材料的弹性模量；R ——平膜片的工 作半径； h ——平膜片的厚度；γ——平膜片的泊松 系数
为了将电阻的变化转换为电压的变化,往 往都将应变电阻接成桥式电路,为了提高电 桥的灵敏度和使其具有良好的线性及温度补 偿性能,其测量电桥最好是接成仝桥电路, 即组成电桥的四个桥臂电阻均随压力改变, 其中两个感受正应变,另外两个感受负应变。 且当压力为零时,四个桥臂的电阻值相互相 等,电桥输出电压为零。图1-17是应变电阻的 电桥电路 R1 RZ Rl A R2 B 工i R4 R3 R4 R3 (a)恒电压供电 (b)恒电流供电
为了将电阻的变化转换为电压的变化，往 往都将应变电阻接成桥式电路，为了提高电 桥的灵敏度和使其具有良好的线性及温度补 偿性能，其测量电桥最好是接成全桥电路， 即组成电桥的四个桥臂电阻均随压力改变， 其中两个感受正应变，另外两个感受负应变。 且当压力为零时，四个桥臂的电阻值相互相 等，电桥输出电压为零。图1-17是应变电阻的 电桥电路