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压力的测量

助工
2018-01-09 12:00:25    评分

   一、概述

   压力是反映物质状态的重要参数,它在科学研究和生产活动的各个领域里具有重要意义。工程测试中所称的压力(在物理学中称为压强)是指介质(包括气体或液体)垂直作用在单位面积上的力,因此,压力p可表示为下式:

   p = F/S

  式中 F——— 垂直作用在面积为S上的力。

   工程上通常把压力分为三种表示方法:

   (1)绝对压力。它是指相对于绝对真空而测得的压力。

   (2)表压力。它是指超出当地大气压力的数值,亦即绝对压力与当地大气压力之差。

   p表压 =p绝对 -p当地大气压

   (3)真空度。当绝对压力低于当地大气压力时,表压力为负表压,习惯上把负表压称为真空度。绝对压力愈低,负表压的绝对值愈大,真空度就愈高。

   由于各个领域中广泛应用着不同的压力测量仪表和装置,测量压力的办法也多种多样。根据不同的测量原理,可以把压力测量方法归纳为四大类:

  (1)液体压力平衡原理刷压法。这是通过液体产生的压力,或传递压力来平衡被测压力的原理进行测量压力的方法。它又可分为液柱压力计和活塞压力计。

   液柱压力计法是利用液柱产生的压力与被测介质压力相平衡的原理。它的原理简单、工作可靠、种类各异,图7.37是几种常见的类型。为了满足不同的测量要求,工作液体常用水银、水、酒精、甲苯等。

gooxian-液柱式压力计原理

   活塞式压力计是利用液体传递压力的原理,通常把它作为标准压力发生器,用来校准其他压力仪表。

   (2)机械力平衡原理测压法。这是将被测压力通过某种转换元件转换成一个集中力,然后用一个大小可调的外界力来平衡这个未知的集中力,从而实现对压力的测量。图7.38表示一种采用电磁吸力来平衡膜片作用力的测匝力设备的原理。

  

gooxian-力平衡式压力测量原理

   (3)弹性力变形原理测压法。这类测压方法是利用多种形式的弹性元件在受到压力作用后会产生弹性变形,根据弹性变形的大小来测量压力,这类压力仪表品种多,应用广。通常采用的弹性元件可分为:

  1)平膜片。将弹性材料做成简单的平面膜片,它的刚性较大,工艺简单。

  2)波纹膜片。将模片做成波纹状,可有正弦波纹、三角波纹、梯形波纹等形状,这种膜片灵敏度高,变形较大。有片组合在一起做成膜盒,其变形输出可比单片加大一倍。

  3)挠性膜片。一般用于较低压力的测量。膜片中心有硬心,使它与弹簧配合的线性特性。

  4)波纹管。将弹性材料做成波纹管状,灵敏度高,位移变形大。

  5)弹簧管。它也叫波登管,通常有单圈管和多圈管之分,在工业中应用最为普遍。

   弹性力应变原理测压法中除了上述弹性元件之外,还需要有测量变形的放大机构和机电转换元件,常见的有如下几种:

   1)简单的机械放大机构。采用齿轮,杠杆传动系统刘变形位移进行放大,并带动指针指示压力数值。

   2)机电转换元件。通常采用非电量的电测方法将位移转换成电量,可使用的元件很多,大致有:① 电阻、电感或感应式;② 霍尔元件式;③ 应变片(丝)式;④ 电容式;⑤ 振弦式。

  (4)其他物理特性测压法。

  1)压电效应测量压力。利用压电晶体在压力作用下,晶格变形来作压力传感器。

   2)压电阻原理测压法。这是利用一些金属或合金在压力直接作用下本身电阻发生变化的原理来测量压力的方法,由于电阻压力系数一般比较较小,因此常用在超高压的测量中。

   3)热导原理测压法。利用气体在压力降低时,导热系数变小的原理来测量真空度

   4)电离真空测量原理。这是根据带有一定能量的质点通过稀薄气体时,可使气体电离的原理,再利用对离子数计数来测量真空。

   二、机械弹性式压力计原理

   如前所述,机械弹性元件压力计是利用弹性材料做成各种不同形状的弹性元件,在被测介质压力作用下产 生 弹 性 变 形 的 原 理 而 制 成 的 测 压 仪 器。图 7.39 是 常 见 的 弹 性 元 件 形 状,图7.39(a)是平膜式弹性元件,它的刚度大,灵敏度低,但有较好的动态特性。由于它的抗振强度高,便于测量腐蚀性、黏度高或有结晶颗粒的介质的压力。平膜式弹性元件变形小,一般不用机械放大机构,而是和机电转换元器件相结合做成压力计。图7.39(b)是波纹膜片,它的刚度较小。线性好,灵敏度较高,但动态特性不太好。图7.39(c)是膜盒弹性元件,由于它的变形较大,可以配以机械放大机构,直接指示被测压力。改变波纹膜片的波纹形状,可以改变它的刚度、线性度,因此按照不同的要求,将波纹设计成三角形、梯形、正弦形等不同的膜盒。图7.39(d)是波纹管弹性元件,它的线性度与灵敏度都比膜片、膜盒元件好,它能够产生较大的位移。波纹管元件除有不同形状的波纹以外,还有单层、双层和多层之分,借以满足不同特性的要求。图7.39(e)是组合式弹性元件,它由波纹管和压弹簧组合而成,便于整体刚度的调节,可以做成系列化产品。组合弹性元件的变形δ和工作压力p、波纹管有效面积Se 成正比,与波纹管刚度 Wb,压弹簧刚度 Wp 之和成反比,即有

 

gooxian-机械弹性式压力计原理

 

gooxian-常用弹性元件

  而且有 gooxian-弹簧刚度,因此只要改变压弹簧的刚度 Wp 即可改变整体刚度。

  弹簧管是应用较广泛的弹性元件。图7.40是用弹簧管作测压传感器的压力计原理图。这种压力计的主要元件是一个弯成圆弧的空心弹簧管,一般管的横截面是扁圆形或椭圆形。管内输入被测压力,弹簧管使内部体积增大而变形,由于管子力趋伸直,使自由端发生位移。在选定的工作范围内,位移的大小与被测压力成线性关系。压力计的放大机构由拉杆2、扇形齿轮3和齿轮轴4组成。当弹簧管自由端伸长时,通过拉杆拉动扇形齿轮,使其绕本身的固定轴转动,并且带动齿轮轴旋转。指针6和齿轮轴固定在一起,于是随齿轮轴旋转而转过一个相应的角度,在刻度盘5上指示出被测压力的数值。

 

gooxian-弹簧管式压力计原理图

  为了消除机械机构中间隙的影响,在指针轴上装了一个力矩不大的游丝。弹簧管的尺寸和材料决定了压力计的测量范围。通常这种压力计的测压范围为5.0×10kPa~1.0×10kPa。

 三、霍尔式压力计原理

 由霍尔元件原理可知,如果将它放在一个磁场中移动,保持控制电流不变,它将输出一个与位移大小有关的霍尔电势。为了使霍尔电势与位移大小成比例,需要设法形成一个线性的不均匀磁场。经常采用两个相同磁铁使极间形成两个方向相反的磁场,磁极端面做成特殊形状的磁靴,如图7.41所示。这样得到的磁感应强度的分布如图中曲线所示。霍尔式压力计利用膜盒作传感器,霍尔元件作机电转换元件,如图7.42所示。

 

gooxian-霍力压力计

   当被测压力发生变化时,膜盒顶部的顶杆将产生位移,推动带有霍尔片的杠杆,由于霍尔元件在两对磁极构成的线性不均匀磁场中移动,作用在霍尔元件上的磁感应强度变化,致使霍尔电势也随之变化。当霍尔元件处于两对磁极中间的对称位置时,霍尔电势为零。当受被测压力的作用,使霍尔元件离开平衡位置而向某一方向偏移时,霍尔元件的输出电势与其所处位置有关即与压力大小有关。国产 HWY 1型压力计就是采用上述原理设计的产品。由于它的输出电势为毫伏级信号,可以传送一定距离。霍尔元件是非接触转换器件,工作可靠,应用比较广泛。但是霍尔元件易受温度影响而造成误差,通常要采取温度补偿措施来提高它的测量准确度。

  四、振弦式压力测量原理

  振弦式压力测量原理比较特殊,它是将弹性元件的变形转换成金属弦丝(或弦带)的固有振动频率的变化,输出的是频率信号,不易受干扰。频率传输不失真,便于数字处理。这些优点使它在特殊环境下获得应用,如原油开采深井的压力测量。

  图7.43是振弦压力测量原理图,图7.43(a)中金属弦丝一端固定在膜片上,一端固定在基座上,当膜片在被测压力作用下发生变形时,使弦的张力F 发生变化,从而影响弦的横向振动固有频率f。根据材料力学原理可知它们的关系如下:

 

QQ截图20171219093521

  式中 l ——— 弦的工作长度;

         m ——— 弦的工作段质量。

  可见,振弦把被测压力直接转换成了弦的频率变化。

  

QQ截图20171219094037

   图7.43(b)和(c)是两种测量频率的方法。图7.43(b)中在弦的两侧放一个永久磁铁,工作时,弦中先通一起振脉冲电流。由于电流在弦中流动,又是放在磁场中,受到脉冲力的作用,使弦起振。此后,弦在磁场中振动将产生交变的感应电势,其变化频率就等于弦的自振频率。当被测压力变化时,输出的感应电势的频率亦随之变化。图7.43(c)中在弦的一侧安放电磁铁A,它是作为激振用的,当线圈中通以激磁电流时,A 中产生磁场,弦丝在磁场力作用下被激振。在弦的另一侧安放了带永久磁铁的线圈 B,弦丝振动时使永久磁铁磁阻不断作周期性地变化,因此在线圈 B中感应出交变电势。同样,这个电势的变化频率正好等于弦丝的自振频率。

   振弦测压原理在实际应用中,常将膜片、振弦、振弦夹紧装置和电磁激振装置组合成一个整体,做成振弦式压力传感器。使用两根输出引线将感应电势输出,通过测量其频率来确定所测压力的数值。

   五、光电式压力测量原理

   光电测压原理是利用由于压力变化引起射到光敏元件上的光强度变化,从而获得压力测量数值的力法。图7.44是光电测压传感器的原理图。图中包括弹性膜盒及与其连接的遮光板、光敏元件 LA 和 LB、光源等基本部件。当被测压力作用于膜片时,引起遮光板中狭缝的位移,这样就使投射到光敏元件 LB 上的光强度增强,而同时使光敏元件 LA 上的光强度减弱。如果把光敏元件 LA和 LB 接成差动电路,就能实现光电转换,只要将狭缝位移与光敏元件差动输出电压设计成线性关系,而膜片变形引起的狭缝位移与所测压力是线性关系,就可以使压力和输出电压成比例。

QQ截图20171219094352

 

  

   由于光敏元件容易受温度变化的影响而产生测试误差,为此可采用反馈电路加以补偿。

  图7.45是具有反馈补偿电路的光电测压原理电路。图中光敏元件LA 和LB 的总电流iL 通过公共电阻R,如果由于温度变化使光敏元件电流变化,则电阻只上的共模电压将发生变化,经过反相放大器引起控制元件的输出电流变化,从而调节灯源的发光强度,使光敏元件的差动输出电压获得补偿。

 

QQ截图20171219094608

  设通过光敏元件的电流iλ 与灯源的电流iL 成比例,即有

   iλ =kiL

  灯源电流iL 与控制电流iB 有iL =βiB 的关系,反馈放大器 A 的跨导为G,可以得到

 

QQ截图20171219095050

   此外,值得说明的是,由于灯源老化而引起的比例系数k的变化,通过上述反馈线路亦可消除对输出差动电压的影响。  http://www.gooxian.com/

  光电式测压的特点是光敏元件反应灵敏,输出信号较大,不需要再进行放大,它可以获得连续的输出电压,且具有很高的分辨率。

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