1、流 量 測 試第7章1 在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中，特別是化工、制藥和供水等過程控制中，流量是必須測量和控制的物理量。 流體在單位時間內(nèi)流經(jīng)某一有效截面的體積或質(zhì)量，也稱為瞬時流量,前者稱體積流量qv（m3/s)，后者稱質(zhì)量流量qm(kg/s)。流量的概念7.1 基本概念2體積流量：質(zhì)量流量： 注意：用體積流量表征流體時，必須同時給出流體的壓力和溫度，因?yàn)榱黧w的體積在不同的壓力和溫度下，是不同的。如果在截面上速度分布是均勻的，則：32、總量：指在一段時間內(nèi)流過管道某橫截面的流體數(shù)量，也稱為累積流量。3、平均流量：流體的總量除以流體流過的時間間隔。 流量計：用來測量流量的儀表的統(tǒng)稱。 測量總量的儀表

2、稱為流體計量表或總量計。41、流量是三大工業(yè)過程控制量 (壓力、溫度、流量)之一；2、石油、天然氣、化工原料等流 體的計量直接關(guān)系到國家利益；3、自來水、灌溉、污水處理等關(guān) 系到國計民生。二.流量測量的重要性5大型化工企業(yè)中，流量是控制工藝過程和保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。6 （二）、 流量的測量方法 流體的狀態(tài)（如介質(zhì)的溫度，壓力等）及流體的黏度、腐蝕性、導(dǎo)電性也不同，很難用同一種方法或原理測量不同的流體的流量。 某些場合的流體時高溫、高壓的，某些場合是氣液兩相或液固兩相的混合流體。 根據(jù)測量方法不同分為速度式、容積式和質(zhì)量式三類。 7三.流量計分類容積式總量流量計瞬時流量計速度式壓差式流體阻力

3、式測速式流體振動式容積流量計質(zhì)量流量計8 1 容積式 2 速度式總量流量計大致有兩大類：7.2 總量流量計9容積式流量計（一）、容積式流量計的結(jié)構(gòu)和工作原理 結(jié)構(gòu)：容積式流量計內(nèi)部有一個已標(biāo)定容積的計量室，容積是在儀表殼體與旋轉(zhuǎn)體之間形成的。 工作原理：旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動，使流體從流入口流向排出口，當(dāng)流體經(jīng)過儀表時，利用儀表入口和出口之間產(chǎn)生的壓力差，推動旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動，將流體從計量室中容積V0，一份一份地推送出去。 橢圓齒輪流量計根據(jù)旋轉(zhuǎn)體的結(jié)構(gòu)不同，分為 腰輪式流量計 刮板式流量計10 用儀表內(nèi)一個固定容量的容積連續(xù)地測量被測介質(zhì)，最后根據(jù)定量容積稱量的次數(shù)來決定流過的總量。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，這類儀表主要

4、有：1.容積式計量表11 每轉(zhuǎn)一周，四個相同月牙形腔（測量室）被形成、被封閉、被傳送、被卸出。兩個齒輪共送出4個標(biāo)準(zhǔn)容積的流體。1） 橢圓齒輪流量計粘度愈大的介質(zhì)，從齒輪和計量空間隙中泄漏出去的泄漏量愈小，因此被測介質(zhì)的粘度愈大，對測量愈有利。 12橢圓齒輪流量計的結(jié)構(gòu)和工作原理131415（三）、橢圓齒輪流量計的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：由于是借助于固定的容積來計量流量，與流體的流動狀態(tài)及黏度無關(guān)。若保證加工精度，且各運(yùn)動部件的配合緊密，使用中不腐蝕和磨損，測量精度可很高，一般為0.5%1%，較好時可達(dá)0.2%。 缺點(diǎn)：對流體的清潔度要求較高。另外，齒輪容易磨損。16（四）、應(yīng)有領(lǐng)域172） 腰輪流量計（

5、羅茨流量計） 工作原理與橢圓流量計相同，只是轉(zhuǎn)子不是橢圓齒輪，而是一對由圓弧和擺線圍成的中間凹進(jìn)的腰形光輪，形成菱角形測量室?？捎糜谝后w、氣體流量測量。18容積式流量計19特點(diǎn)：計量精度高，基本誤差一般為0.5，特殊的可達(dá)0.2或更高。通常在昂貴介質(zhì)或需要精確計量的場合使用。沒有前置直管段要求。這一點(diǎn)在現(xiàn)場使用中有重要的意義?？捎糜诟哒扯攘黧w的測量。范圍度寬，一般為10：1到5：1，特殊的可達(dá)30：1或更大。直讀式儀表，無需外部能源，可直接獲得累計總量，清晰明了，操作簡便。1.容積式計量表207.3 流體阻力式流量計21管道內(nèi)置入一阻力體。根據(jù)阻力體不同，這類流量計有： 轉(zhuǎn)子(浮子)流量計 靶

6、式流量計一.工作原理流量大小阻力體受力變化阻力體 運(yùn)動位置變化22 浮子受力： B: 流體內(nèi)浮子的浮力 F: 流體作用于浮子的力 W: 浮子的重力WFB錐體浮子環(huán)隙1.轉(zhuǎn)子(浮子)流量計結(jié)構(gòu)：錐形管浮子轉(zhuǎn)子(浮子)流量計原理圖23力平衡條件：轉(zhuǎn)子(浮子)流量計的測量原理重力浮力阻力24該環(huán)形流通面積為A0，則體積流量為：25則體積流量：26Rrhqv與h近似成線性關(guān)系。27流體流量的修正：標(biāo)定流體的密度為0，實(shí)測流體的密度為，則在同一個A0處有：從儀表刻度上讀出的流量值乘上修正系數(shù)Cg，為實(shí)測值。28浮子式流量計 在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到小流量的測量，因流體的流速低，要求測量儀表有較高的靈敏度，才

7、能保證一定的精度。差壓式流量計對管徑小于50mm、低雷諾數(shù)的流體的測量精度是不高的。此時可采用而轉(zhuǎn)子流量計來測量，流量可小到每小時幾升。29 工作原理 差壓式流量計是恒節(jié)流面積，變壓降來反映流量的大小。 而轉(zhuǎn)子流量計，采用的是恒壓降、變節(jié)流面積的流量測量方法。3031故：轉(zhuǎn)子流量計是以定壓降、變節(jié)流面積法測量流量的。323334 1、錐形管是玻璃的，直接目視轉(zhuǎn)子的位置。 2、在轉(zhuǎn)子內(nèi)安裝磁鐵，錐形管外安裝磁環(huán)隨轉(zhuǎn)子上下移動，觸發(fā)顯示。轉(zhuǎn)子位置信號的引出：12353、在轉(zhuǎn)子內(nèi)安裝磁鐵，錐形管外安裝雙霍爾磁場傳感器，測出磁場的水平分量和垂直分量，可確定轉(zhuǎn)子位置。4、在轉(zhuǎn)子上方安裝一導(dǎo)磁棒，使差動變

8、壓器輸出隨轉(zhuǎn)子位置變化。36 轉(zhuǎn)子流量計的特點(diǎn) 1、轉(zhuǎn)子流量計主要適合于檢測中小管徑、較低雷諾數(shù)的中小流量； 2、流量計結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，工作可靠，儀表前直管段長度要求不高； 3、轉(zhuǎn)子流量計必須垂直安裝，流體流向必須自下而上；37 結(jié)構(gòu)簡單； 使用維護(hù)方便； 測量范圍寬； 工作可靠且線性刻度； 適用性廣。 轉(zhuǎn)子(浮子)流量計的特點(diǎn)38 靶式流量計由靶式流量變送器和顯示儀表兩部分組成，其測量元件是一個在測量管中心并垂直于流向的被稱為“靶”的圓板。通過測量流體作用在靶上的力而實(shí)現(xiàn)流量測量 靶式流量計是60年代隨著工業(yè)生產(chǎn)迫切需要解決高粘度、低雷諾數(shù)流體，的流量測量而發(fā)展起來的一種新型流量測量儀表

9、可用于低雷諾數(shù)、含固體顆粒的漿液及腐蝕介質(zhì)流量測量。它具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝維修方便，成本低。 靶 式 流 量 計39靶式流量計的結(jié)構(gòu)如圖所示，在被測管道中心迎著流速方向安裝一個靶，當(dāng)介質(zhì)流過時，靶受到流體的作用力。這個力由兩部分組成，一部分是流體和靶表面的摩擦力，另一部分是由于流束在靶后分離，產(chǎn)生壓差阻力，后者是主要的。當(dāng)流體的雷諾數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時，阻力系數(shù)不隨雷諾數(shù)變化，而保持常數(shù)，這時阻力為式中，F(xiàn)為靶受到流體的阻力； 為阻力系數(shù)；A1為靶迎流面積，d為靶直徑；v為靶和管壁間環(huán)面積中的平均流速；為介質(zhì)密度。40流量與靶輸出力F的平方根成正比測量靶所受的力F，就可以測定被測介質(zhì)的流量417.4

10、 測速式流量計421.渦輪流量計2.超聲波流量計測速式流量計的分類43以動量矩守恒原理為基礎(chǔ)，渦輪的旋轉(zhuǎn)速度隨流量的變化而變化，從渦輪的轉(zhuǎn)速可求出流量值；一.渦輪流量計44qv=f/K f流量計輸出信號的頻率；K流量計的儀表系數(shù)；451） 高精確度，基本誤差可達(dá)0.251.5，在所有流量計中，它屬于最精確的。2） 重復(fù)性好，短期重復(fù)性可達(dá)0.05-0.2；3） 輸出脈沖頻率信號，無零點(diǎn)漂移，抗干擾能力強(qiáng)。4） 測量范圍度寬，中大口徑可達(dá)40：1-10：1。5） 結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，安裝維護(hù)方便。6） 適用高壓測量，儀表表體上不必開孔，易制成高壓型儀表。7） 難以長期保持校準(zhǔn)特性，需要定期校驗(yàn)。渦輪流

11、量計的特點(diǎn)46超聲波流量計的原理：流速不同會使超聲波在流體中傳播的速度發(fā)生變化，通過分析計算改變的超聲波信號，可以檢測到流體的流速，進(jìn)而可以得到流量值。二.超聲波流量計主要介紹傳播速度差法和多普勒法。47 通過測量超聲波脈沖在順流和逆流傳播過程中的速度之差來得到到被測流體的流速。1.傳播速度差法測量速差的方法有：時差法、相差法和頻差法。F1到J2超聲波傳播速度為：F2到J1超聲波傳播速度為：得到：481）時差法 測量順、逆流傳播時由于超聲波傳播速度不同而引起的時間差。順流傳播時間為：逆流傳播時間為：時間差為：491）時差法因此可得出流速：流量正比于時間差：50測量順、逆流傳播時超聲波信號的相位

12、差。2）相差法F1和F2發(fā)射角頻率為w的連續(xù)超聲波，則J1和J2到的信號相位差為：流量正比于相位差：51脈沖重復(fù)頻率的定義: 在單通道中一個發(fā)射脈沖被接收器接收之后，立即發(fā)射出另一個脈沖，這樣以一定頻率重復(fù)發(fā)射,這個頻率稱為脈沖重復(fù)頻率。 頻差法是目前常用的測量方法，它是在前兩種測量方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的測量順、逆流傳播時超聲脈沖的重復(fù)頻率差。 3）頻差法52順流和逆流重復(fù)發(fā)射頻率分別為:3）頻差法頻率差為：流量正比于頻率差：53 多普勒效應(yīng)是當(dāng)聲源和目標(biāo)之間有相對運(yùn)動，會引起反射聲波與聲源在頻率上的變化，這種頻率變化正比于運(yùn)動目標(biāo)和靜止的換能器之間的相對速度。2.多普勒法利用聲學(xué)多普勒原理確

13、定流體流量。54 從發(fā)射晶體T1發(fā)射的超聲波束遇到流體中運(yùn)動著顆粒或氣泡，再反射回來由接收晶體R1接收。 發(fā)射信號與接收信號的多普勒頻率偏移與流體流速成正比。多普勒法原理（忽略管壁影響，并假設(shè)流體沒有速度梯度，以及粒子是均勻分布的。）55超聲波流量計的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：流體中不插入任何元件，對流速無影響，也沒有壓力損失；能用于任何液體，也能測量氣體的流量；非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量 ；量程比較寬，可達(dá)5：1；輸出與流量之間呈線性等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：只能用于測量200以下的流體；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。56 按檢測件的作用原理分： 節(jié)流式、動壓頭式、水力阻力式、離心式、動壓增益式和射

14、流式等幾大類。 節(jié)流式和動壓頭式應(yīng)用最為廣泛。 節(jié)流式特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長，適應(yīng)能力強(qiáng)，幾乎能測量各種工況下的流量，至今無任何一類流量傳感器可與之相比。二、差壓式流量計57（一）、差壓式流量計的組成及測量原理 1、組成節(jié)流裝置：安裝于管道中產(chǎn)生差壓， 節(jié)流件前后的差壓與流量成開方關(guān)系。引壓導(dǎo)管：取節(jié)流裝置前后產(chǎn)生的差壓，傳送給差壓變送 器。差壓變送器：產(chǎn)生的差壓轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號（4-20mA）582、測量原理 當(dāng)流體流通面積突然縮小后，在縮小面積前和縮小面積處，會產(chǎn)生和流體流量成正比的壓差。測量這個壓差就可以得到流量大小。流量越大，輸出的壓差就越大差壓計流經(jīng)節(jié)流件產(chǎn)生的壓差59流體微團(tuán)

15、流束將在節(jié)流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生壓差，流體流量越大，產(chǎn)生的壓差越大。這種測量方法是以流體流動的質(zhì)量守恒定律（連續(xù)性方程）和能量守恒定律（伯努利方程）為基礎(chǔ)。603、節(jié)流裝置61、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置62常用節(jié)流件形式孔板：比較容易制造，但是節(jié)流損失比較大。噴嘴：節(jié)流損失小，但加工難度大。63標(biāo)準(zhǔn)孔板標(biāo)準(zhǔn)噴嘴6465、取壓裝置 標(biāo)準(zhǔn)孔板可采用角接取壓，法蘭取壓 標(biāo)準(zhǔn)噴嘴采用角接取壓66、節(jié)流件配套的儀表 67速度式流量計 速度流量計是液體沖擊葉輪或渦輪旋轉(zhuǎn)時，瞬時 流量和速度成正比，一段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)與該時間段的累積總流量成正比。常用的有渦街流量計、電磁流量計和

16、超聲波流量計。 渦街基本原理：流體流經(jīng)阻擋體或者是特制的元件時，產(chǎn)生了流動振蕩，通過測定其振蕩頻率（與流速或流量有確定的關(guān)系）來反映通過的流量。 根據(jù)渦街基本原理制作的流量傳感器稱為流體振動傳感器。 渦街流量傳感器 流體振動傳感器有 旋進(jìn)流量傳感器 射流流量傳感器68 （一）工作原理 在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體（阻流體），從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖所示。 旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對稱地排列，渦列的形成與流體雷諾數(shù)有關(guān)。69電磁式流量計 （一）、工作原理 電磁流量計是一種根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理來測量管內(nèi)導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的感應(yīng)式儀表。 由電磁流量傳感器和電磁流量

17、轉(zhuǎn)換器組成。把傳感器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成0-10mA電流70 在管道兩端安裝一對電極，當(dāng)由導(dǎo)電液體流過時，兩電極之間將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢： 從而體積流量為71電磁流量傳感器按激磁方式分為直流激磁和交流激磁。 直流激磁用于測量液體金屬表面。 交流激磁是用50Hz工頻市電激磁，產(chǎn)生正弦波交變磁場。72（二）應(yīng)用73（三）、特點(diǎn) 1、電磁流量傳感器不能測量電導(dǎo)率很低的液體。如石油制品和有機(jī)溶劑等。 2、不能測量氣體、蒸汽和含有較多較大氣泡的液體。 3、通用型電磁流量計由于襯里材料和電氣絕緣材料限制，不能測量較高溫度的液體。74流體振動流量計是60年代末期發(fā)展起來的一種較新的流量測量技術(shù)。它具有如下一些特

18、點(diǎn)：可得到與流量成正比的頻率輸出信號；被測流體本身就是振動體，無機(jī)械可動部件，幾乎不受流體組成、密度、粘度、壓力等因素的影響；所以，該測量方法越來越受到人們的重視，渦街流量計（Vortex flow meter) 是利用流體流過阻礙物時產(chǎn)生穩(wěn)定的漩渦，通過測量其漩渦產(chǎn)生頻率而實(shí)現(xiàn)流量計量的。渦街流量計由渦街流量傳感器和流量顯示儀表兩部分構(gòu)成，振動式流量計75渦街流量計實(shí)現(xiàn)流量測量的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)中著名的“卡門渦街”原理。在流動的流體中放置一根其軸線與流向垂直的非流線性柱形體(加三角柱、圓柱等)，稱之為漩渦發(fā)生體，見圖。當(dāng)流體沿漩渦發(fā)生體繞流時，會在漩渦發(fā)生體下游產(chǎn)生如圖所示不對稱但有規(guī)律的

19、交替漩渦列，這就是所謂的卡門渦街。76由于漩渦之間的相互影響，其形成通常是不穩(wěn)定的。馮.卡門對渦列的穩(wěn)定條件進(jìn)行了研究，于1911年得到結(jié)論：只有當(dāng)兩漩渦列之間的距離h和同列的兩漩渦之間的距離L之比滿足時，所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的77圓柱體后漩渦發(fā)生的頻率為：787980圓柱體表面開有導(dǎo)壓孔，與圓柱體內(nèi)部空腔相通空腔由隔板分成兩部分，在隔板的中央部分有小孔，在小孔中裝有檢測流體流動的鉑電阻絲 當(dāng)旋渦在圓柱體下游側(cè)產(chǎn)生時，出于升力的作用，使得圓柱體下方的壓力比上方高一些，圓柱體下方的流體在上下壓力差的作用下，從圓柱體下方導(dǎo)壓孔進(jìn)入空腔，通過隔板中央部分的小孔，流過鉑電阻絲，從上方導(dǎo)壓孔流出。如果將

20、鉑電阻絲加熱到高于流體溫度的某溫度值，則當(dāng)流體流過鉑電阻絲時，就會帶走熱量，改變其溫度，也即改變其電阻值。當(dāng)圓柱體上方產(chǎn)生一個旋渦時，則流體從上導(dǎo)壓孔進(jìn)入，由下導(dǎo)壓孔流出，又一次通過鉑電阻絲，又改變一次它的電阻值。由此可知：電阻值變化與流動變化相對應(yīng)，也既與旋渦的頻率相對應(yīng)。所以，可由檢測鉑電阻絲電阻變化頻率得到渦頻率，進(jìn)而得到流量值。81質(zhì)量流量計82在工業(yè)生產(chǎn)中，由于物料平衡，熱平衡以及儲存、經(jīng)濟(jì)核算等所需要的都是質(zhì)量，并非體積，所以在測量工作中，常需將測出的體積流量，乘以密度換算成質(zhì)量流量。但由于密度隨溫度、壓力而變化，所以在測量流體體積流量時，要同時測量流體的壓力和密度，進(jìn)而求出質(zhì)量流

21、量。在溫度、壓力變化比較頻繁的情況下，難以達(dá)到測量的目的。這樣便希望用質(zhì)量流量計來測量質(zhì)量流量，而無需再人工進(jìn)行上述換算。 質(zhì)量流量計83 速度式、容積式流量計，測的是體積流量。但是在工業(yè)生產(chǎn)中，由于物料平衡、熱平衡及儲存，經(jīng)濟(jì)核算等所需要的都是質(zhì)量流量。 質(zhì)量流量計大致分為三類： 直接式：即直接由檢測元件檢測與質(zhì)量流量成比例的量。檢測元件直接反應(yīng)出質(zhì)量流量。 間接式：即用體積流量計和密度計組成的儀表來測量出體積流量和流體密度，通過運(yùn)算得出質(zhì)量流量。 補(bǔ)償式：同時檢測流體的體積流量和流體的溫度、壓力值，再根據(jù)流體密度與溫度、壓力的關(guān)系，計算出流體的密度。從而計算出流體的質(zhì)量流量。補(bǔ)償式質(zhì)量流量

22、則量方法，是目前工業(yè)上普遍應(yīng)用的一種測量方法。84 壓力在生產(chǎn)過程中起著舉足輕重的作用，在自動控制系統(tǒng)中對壓力的控制和管理是關(guān)鍵。壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)之一。許多工藝過程只有在一定的壓力條件下進(jìn)行，才能取得預(yù)期的效果；壓力的監(jiān)控也是安全生產(chǎn)的保證。壓力的檢測和控制是保證工業(yè)生產(chǎn)過程經(jīng)濟(jì)性和安全性的重要環(huán)節(jié)。壓力測量儀表還廣泛地應(yīng)用于流量和液位的間接測量方面。 在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等各個領(lǐng)域中,壓力是需要檢測的重要參數(shù)之一,它直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量,又是生產(chǎn)過程中一個重要的安全指標(biāo)。因此,正確測量和控制壓力是保證生產(chǎn)過程良好運(yùn)行,達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn),低消耗和安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。此外,對于一些不易直接測

23、量的參數(shù),如液位,流量等往往也通過壓力的檢測來間接獲取。因而,壓力的檢測在工業(yè)生產(chǎn)如石油,電力,化工,冶金,航天航空, 環(huán)保,輕工等領(lǐng)域中具有特殊的地位和意義。7.5 壓力的測試851、壓力的定義 流體或固體垂直作用在單位面積（S）上的力（F）稱為壓力（p），也稱壓強(qiáng)。 工程中常采用的壓力有絕對壓力（pa）、表壓力（pg）、真空（pv）和差壓等幾種。86 pa、pg、pv與p0之間的關(guān)系 873 . 壓力的分類 壓力：靜態(tài)壓力和動態(tài)壓力 靜態(tài)壓力：不隨時間變化 或變化非常緩慢的壓力。 動態(tài)壓力：隨時間變化的壓力。 壓力測量方法 靜態(tài)壓力測量：一般采用壓力表、壓力變送器進(jìn)行測量。88壓力單位及壓

24、力檢測方法 壓力傳感器是使用最廣泛的一種傳感器，它是檢測氣體、液體、固體等所有物體間作用力能量的總稱，也包括測量高于大氣壓的壓力計以及低于大氣壓的真空計。 壓力敏傳感器的種類很多，傳統(tǒng)的測量方法是利用彈性元件的變形和位移來表示，但它的體積大、笨重、輸出非線性。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和良好的彈性，研制出半導(dǎo)體力敏傳感器， 主要有硅壓阻式和電容式兩種，它們具有體積小、質(zhì)量輕、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，因此半導(dǎo)體力敏傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。89壓力的單位 在工程上，“壓力”定義為垂直均勻地作用于單位面積上的力，通常用 P表示，單位力作用于單位面積上，為一個壓力單位。在國際單位制中，定義

25、1牛頓力垂直均勻地作用在1平方米面積上所形成的壓力為1“帕斯卡”，簡稱“帕”，符號為Pa。加上詞頭又有千帕(kPa)、兆帕(MPa)等。我國已規(guī)定帕斯卡為壓力的法定單位。 目前，工程技術(shù)部門仍在使用的壓力單位還有工程大氣壓、物理大氣壓、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。表3-1給出了各壓力單位之間的換算關(guān)系。90壓力單位換算表 91壓力傳感器的分類與選型 工業(yè)生產(chǎn)過程中壓力測量的范圍很寬，測量的條件和精度要求各異。常用壓力傳感器按原理可以分為四種： 以液體靜力學(xué)原理為基礎(chǔ)制成的液壓式壓力傳感器； 根據(jù)彈性元件受力變形原理并利用機(jī)械機(jī)構(gòu)將變形量放大的彈性變形壓力傳感器； 基于靜力學(xué)平衡原理將在已知面積上

26、的重量作為負(fù)荷的壓力傳感器； 通過彈性元件制成的將被測壓力轉(zhuǎn)換成電阻、電感、電容、頻率等各種電學(xué)量的壓力傳感器。921彈性式壓力傳感器 當(dāng)被測壓力作用于彈性元件時，彈性元件就產(chǎn)生相應(yīng)的變形。根據(jù)變形的大小，可以知道被測壓力的數(shù)值。彈性式壓力傳感器就是基于彈性元件(彈簧管、膜盒、膜片、波紋管等)受壓后產(chǎn)生的位移與被測壓力呈一定函數(shù)關(guān)系的原理制成的。 (1)彈簧管式壓力表。單圈彈簧管是彎成圓弧形的空心管子，它的截面呈扁圓形或橢圓 形，結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，普通彈簧管式壓力表的結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。93 圖3-1單圈彈簧管的結(jié)構(gòu) 圖3-2彈簧管式壓力表的結(jié)構(gòu) 彈性式壓力傳感器94工作原理: 當(dāng)被測壓力由

27、接頭9通入彈簧管，使彈簧管l的自由端8向右上方擴(kuò)張，自由端8的彈性變形通過拉桿2使扇形齒輪3做逆時針偏轉(zhuǎn)，則指針5通過同軸的中心齒輪4的帶動而做順時針偏轉(zhuǎn)，在面板6的刻度標(biāo)尺上顯示出被測壓力P的數(shù)值。由于彈性元件通常是工作在彈性特性的線性范圍內(nèi)，可認(rèn)為彈性元件的位移與被測壓力呈線性關(guān)系，彈簧管壓力表的刻度標(biāo)尺是線性的。游絲7用來克服扇形齒輪和中心齒輪間的傳動間隙而產(chǎn)生的儀表變差。調(diào)整螺釘8用于改變機(jī)械傳動的放大倍數(shù)，改變其位置可以調(diào)整壓力表的量程。95(2)霍爾片式遠(yuǎn)傳壓力傳感器 霍爾片是一種半導(dǎo)體材料制成的薄片。如圖3-3所示，在霍爾片的z方向施加磁場強(qiáng)度為B的恒定磁場，在y軸方向通以恒定電

28、流，。當(dāng)載流子(電子)在霍爾片中運(yùn)動時，因受電磁力作用使電子運(yùn)動軌道偏移，造成霍爾片一個端面有電子積累，另一個端面上正電荷過剩，則在它的x軸方向出現(xiàn)了電位差，此電位差稱為霍爾電勢 ，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 霍爾電勢與霍爾元件的材料、幾何尺寸、輸入電流，及磁感應(yīng)強(qiáng)度B等有關(guān)，其關(guān)系式為 = BI (3-6)式中， 為霍爾常數(shù)。 與B,I成正比，提高B和I的值可增大 ，但都是有限的。一般I=3mA20mA，B約為零點(diǎn)幾特斯拉，所得的約為幾十毫伏數(shù)量級。元件的厚度越小靈敏度越高。一般d=01mm02mm，薄膜型霍爾元件只有l(wèi)m左右。96霍爾片式傳感器 圖3-3 霍爾效應(yīng) 圖3-4 霍爾片式彈簧管

29、壓力傳感器 972電氣式壓力傳感器 電氣式壓力傳感器感受被測壓力并將壓力信號轉(zhuǎn)換為電氣信號輸出，供信號處理、顯示、控制之用。在測量變化、脈動壓力和高真空、超高壓等場合采用電氣式壓力傳感器較為合適。 (1)應(yīng)變式壓力傳感器。電阻應(yīng)變片是可以將試件上應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的敏感元件，它是應(yīng)變式傳感器中的主要組成部分。電阻應(yīng)變片有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片，使用時應(yīng)變片可以比較理想地黏貼在被測試件的各個部位，或與彈性元件制成專用的傳感器使用。 金屬導(dǎo)線電阻 R=L/S (3-7)式中，為電阻率；S為截面積；L為金屬絲的長度。當(dāng)金屬絲受外力作用時，使長度、面積發(fā)生變化，加，受壓縮短時阻值減小，阻值變

30、化與應(yīng)變關(guān)系是 RR=K引起電阻值變化，受力伸長時阻值增式中，R為金屬絲電阻的變化量；K為金屬材料的應(yīng)變靈敏度系數(shù)，在彈性極限內(nèi)，基本為常數(shù)；為金屬材料的長度應(yīng)變值， =LL (3-8) 應(yīng)用電阻應(yīng)變片進(jìn)行測量時，需要和電橋電路一起使用。因?yàn)閼?yīng)變片電橋電路的輸出信號微弱，采用直流放大器又容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，故多采用交流放大器對信號進(jìn)行放大處理。所以應(yīng)變片電橋電路一般都采用交流電源供電，組成交流電橋。電橋又分為平衡電橋和不平衡電橋兩種。平衡電橋僅適用于測量靜態(tài)參數(shù)，而不平衡電橋則適用于測量動態(tài)參數(shù)。98電阻應(yīng)變片 圖3-5金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu) 99應(yīng)變式壓力測量系統(tǒng)組成使用注意事項(xiàng)1)在測量前應(yīng)對系

31、統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，以獲取測量系統(tǒng)的靈敏度及相關(guān)靜態(tài)特性指標(biāo)。2)使用時要注意電橋調(diào)平衡。3)系統(tǒng)抗干擾及絕緣措施。被測壓力應(yīng)變式壓力傳感器靜態(tài)壓力標(biāo)定機(jī)動態(tài)電阻應(yīng)變儀測量記錄儀器100應(yīng)變片壓力傳感器 圖3-7應(yīng)變片壓力傳感器示意圖 101(2) 壓阻式壓力傳感器 壓阻式壓力傳感器是用集成電路工藝技術(shù)，在硅片上制造出四個等值的薄膜電阻，并組成電橋電路，當(dāng)不受壓力作用時，電橋處于平衡狀態(tài)，無電壓輸出；當(dāng)受到壓力作用時，電橋失去平衡，電橋輸出電壓。電橋輸出的電壓與壓力成比例。其工作原理圖如圖3-8所示。 圖3-8 壓阻式壓力傳感器工作原理圖102(3)壓電傳感器 壓電傳感器是利用某些壓電材料的壓電效應(yīng)制

32、成的，被廣泛用于力、壓力、加速度等非電量的測量。 壓電傳感器的工作原理是以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。某些物質(zhì)(如石英、鋯鈦酸鉛等)在特定方向上受到外力作用時，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其相應(yīng)的兩表面上產(chǎn)生符號相反的電荷而形成電場。當(dāng)外力去掉時，又重新恢復(fù)到原來的不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 常見的壓電材料有單晶和多晶兩種。前者以石英晶體為代表，主要特點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性和老化性能好，常用在標(biāo)準(zhǔn)、高精度傳感器中。后者以鋯鈦酸鉛壓電陶瓷為代表，主要特點(diǎn)是容易制作，性能可調(diào)，便于批量生產(chǎn)，大多用于普通測量用的壓電傳感器中。實(shí)際使用的壓電材料主要有天然石英、人造鈮酸鋰單晶、鈦酸鋇及鋯

33、鈦酸鉛系壓電陶瓷。另外，有機(jī)高分子壓電材料聚偏二氟乙烯也有廣泛應(yīng)用。103 壓電傳感器 圖3-9壓電晶片及等效電路 104壓電式壓力測量系統(tǒng)組成被測壓力壓電式壓力傳感器靜態(tài)壓力標(biāo)定機(jī)電荷放大器測量記錄儀器105 壓電式壓力傳感器 圖3-10 電荷放大器等效電路 圖3-11壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖 106(4) 電容式傳感器 以電容器作為敏感元件，將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化的傳感器稱為電容式傳感器。電容式傳感器在力學(xué)量的測量中占有重要地位，它可以對荷重、壓力、位移、振動、加速度等進(jìn)行測量。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)特性好等許多優(yōu)點(diǎn)，因此在自動檢測技術(shù)中得到普遍的應(yīng)用。 現(xiàn)以平板式電容器來說明電容式傳感器的工作原理。電容是由兩個金屬電極、中間有一層電介質(zhì)構(gòu)成的，如圖3-12所示。當(dāng)在兩極板間加上電壓時，電極上就會儲存有電荷，所以電容器實(shí)際上是一個儲存電場能的元件。平板式電容器在忽略邊緣效應(yīng)時，其電容量C可表示為 C= A/d= A d (3-16)107電容式傳感器式中， 為兩極