材料加工測試技術(shù)基本參量的測量第1頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五材料加工測試技術(shù)

張占領河南科技大學材料學院第2頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五

主要講溫度的測量；介紹流體壓力的測量、流體流量的測量。第四章基本參量的測量第3頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4.1.1溫度和溫標1）溫度：度量物體熱平衡狀態(tài)下冷熱程度的物理量，本質(zhì)是物體內(nèi)部微粒無規(guī)則運動的平均動能。不能直接測量，屬于特殊量。

七個基本物理量：長度m；質(zhì)量kg；時間s；電流A；熱力學溫度K；物質(zhì)的量mol；發(fā)光強度cd（坎德拉，一光源在給定方向上的發(fā)光強度，該光源發(fā)出頻率為0.540×1012Hz的單色輻射，且在此方向上的輻射強度為1/683瓦特每球面度。0.540×1012Hz輻射波長約為555nm，是人眼感覺最靈敏的波長。）2）溫標：衡量溫度高低的標尺，用某些物質(zhì)的相平衡溫度定義。一、經(jīng)驗溫標：攝氏0℃-100℃，華氏32℉-212℉，列示0oR-80oR。二、熱力學溫標：273.16K對應0℃三、國際溫標：代號T90，單位K，與攝氏溫標值基本一致，少用4.1溫度的測量第4頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五3）溫標的傳遞計量體系，計量局4）測溫方法和分類接觸式：傳導、對流；非接觸式：熱輻射。動態(tài)響應快，特殊場合，范圍寬；中間介質(zhì)影響，需要修正。4.1.1溫度和溫標第5頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4.1.2接觸法測溫常用的測溫方法、測溫范圍，表4-1一、利用體積變化：溫度轉(zhuǎn)換成非電量，簡單、方便，人工測溫。二、溫度變化轉(zhuǎn)換成電量：電阻、電壓、熱電勢，應用廣泛。1）熱電阻測溫（1）金屬熱電阻測溫：常用的鉑、銅、鎳，以及低溫測量通用的銠鐵、鉑鈷，測溫原理、特性及溫度范圍見第三章。表4-1.一、按準確度等級分類鉑標準化熱電偶（低于961.75℃），工業(yè)用標準化熱電偶鉑熱電阻誤差：A級(0.15℃+0.002t)；B級(0.3℃+0.005t)

銅熱電阻誤差：(0.3℃+610-3t)二、按結(jié)構(gòu)分類線繞型：有2-4根引出線鎧裝型：封裝在不銹鋼管內(nèi)薄膜型：鉑膜，依附在基極上，測表面溫度4.1.2接觸法溫度第6頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4.1.2接觸法溫度第7頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4.1.2接觸法溫度第8頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五主要參數(shù)：一、百度電阻比：百度電阻比二、溫度系數(shù)：三、初始電阻

0℃時的電阻R0.

分度號：與初始電阻阻值相應的阻值與溫度關(guān)系的分度表。Cu53（R0=53），Pt100（R0=100）四、測量電流：最大值6mA。五、時間常數(shù)反映熱電阻阻值隨溫度變化的慣性，與電阻的體積、保護套管、被測對象對熱電阻的傳熱情況等有關(guān)。通常工業(yè)用熱電阻的時間常數(shù)達幾分鐘，鉑熱電阻的有幾十秒，鎧裝鉑熱電阻的有3-15秒。4.1.2接觸法溫度第9頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五（2）半導體熱敏電阻測溫

NTC負溫度系數(shù)，PTC正溫度系數(shù)，CTR開關(guān)型一、結(jié)構(gòu)形式：片狀，桿狀，線狀，珠狀，薄膜狀二、主要參數(shù)：由工藝決定的常數(shù)Bn(p25)，材料常數(shù)Bp(p26)，溫度系數(shù)

(NTC熱敏電阻溫度系數(shù)n，PTC溫度系數(shù)p(p26))

標稱電阻R25：25℃時的熱敏電阻阻值時間常數(shù)：反映熱敏電阻隨溫度變化的熱慣性，與比熱C、耗散系數(shù)H有關(guān)。耗散系數(shù)H：熱敏電阻溫度變化1℃所耗散的功率，W/℃。轉(zhuǎn)變點溫度Tc：PTC、CTR曲線上的拐點溫度。三、測溫誤差基本誤差：與熱電阻材料的純度、成分、工藝、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。附加誤差：測量電流使熱電阻升溫；引線電阻隨溫度變化(要求小于Cu電阻R0的0.2%，小于Pt電阻R0的0.12%)。用三線制，四線制。4.1.2接觸法溫度第10頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五2）PN結(jié)電壓測溫（1）原理和特性電流通過PN結(jié)時的正向壓降UD與溫度T的關(guān)系：J：正向電流密度；Js：PN結(jié)反向飽和電流密度；k：波爾茲曼常數(shù)；q：電子電荷。(4-3)※：Js一定時，保持J不變，則，即UD與T呈線性關(guān)系。4.1.2接觸法溫度第11頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五（2）類型一、單晶體管溫度傳感器利用三極管基極b和射極e間PN結(jié)電壓Ube和溫度T的關(guān)系來測溫。（4-5）

C為常數(shù)p117

特點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，功耗小，響應快；靈敏度不穩(wěn)定，失調(diào)電壓大(為使運算放大器輸出端為0V或接近0V所需加于兩輸入端間的補償電壓)，互換性差，穩(wěn)定性不佳。二、集成溫度傳感器感受溫度的晶體管、放大電路、電源、線性化電路等制作在同一芯片上。

特點：靈敏度高，靈敏度與偏置電流無關(guān)，抗干擾；但成本高。4.1.2接觸法溫度第12頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五3）熱電偶測溫利用“熱電偶的熱電勢”與“兩結(jié)點的溫度”之間的關(guān)系來測溫。特點：一、測溫精度高，測溫范圍寬（4~3000K）；二、熱電勢-溫度特性穩(wěn)定，復現(xiàn)性好；三、質(zhì)量小，熱容量小，時間常數(shù)小，動態(tài)響應速度快；四、結(jié)構(gòu)簡單、便于維修；五、易于實現(xiàn)遠距離溫度測量和溫度控制。（1）熱電偶材料任何兩種材料的熱電極都可以配成熱電偶。但要滿足熱電性能好、測量靈敏度高、物理性質(zhì)良好、物理化學性能穩(wěn)定、測溫范圍寬及機械加工性能好等條件，很難。常用的材料有銅、鐵、鉑、鉑銠合金和鎳鉻合金等。4.1.2接觸法溫度第13頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五（2）熱電偶的類型一、標準化熱電偶生產(chǎn)工藝成熟，能成批生產(chǎn)，性能穩(wěn)定，應用廣泛，具有統(tǒng)一的分度表，并已列入國際專業(yè)標難中的熱電偶。國際電工委員會(IEC)制定的熱電偶標準包括熱電偶的分度表、分度公式和熱電勢對其分度表的允許偏差。

8種標準熱電偶的型號標志：S、R、B、K、N、E、J、T。又稱字母標志熱電偶。熱電偶分級和允許偏差：表4-2

標難化熱電偶的主要性能特點：表4-3，p118。二、非標準化熱電偶為了測量更高的溫度，或為了改善穩(wěn)定性等要求，人們不斷地研制新型熱電偶。未標準化的熱電偶及其主要特點見表4-4，p120.4.1.2接觸法溫度第14頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4.1.2接觸法溫度第15頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五（3）熱電偶的結(jié)構(gòu)形式根據(jù)自身結(jié)構(gòu)分：裝配式、鎧裝式、消耗式、薄膜式等；根據(jù)用途分：表面式，快速式，多點式，測量氣體用熱電偶等。一、裝配式熱電偶：又稱普通工業(yè)用熱電偶。要求：兩電極間電氣絕緣，熱電極不受有害物質(zhì)侵蝕，熱接觸良好，便于安裝。4.1.2接觸法溫度第16頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4.1.2接觸法溫度第17頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五只要兩個熱電極有電氣接觸即可測量。4.1.2接觸法溫度第18頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五二、鎧裝式熱電偶由熱電極、絕緣材料和金屬套管三者組合加工而成的一條電纜式的整體線材。特點：時間常數(shù)小，響應速度快；體積小，熱容量小，能夠較準確地測量小物體的溫度；可繞性好，易彎曲，機械性能好，在低溫、高溫、腐蝕性強等惡劣條件下均能安全使用；壽命長，若測量端損壞，可截去損壞部分，重新焊接后繼續(xù)使用。4.1.2接觸法溫度第19頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4.1.2接觸法溫度第20頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五三、消耗式熱電偶微型快速熱電偶，用于測定熔融鋼水、鐵水和其他熔融金屬溫度的快速熱電偶。特點：熱電偶元件很小，熱電極的長度僅為25~40mm，直徑為0.05~0.1mm，裝在外徑為3mm的U形石英管內(nèi)。4.1.2接觸法溫度第21頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五四、薄膜式熱電偶測溫元件是采用真空鍍膜或化學涂覆等方式制成的厚0.01~0.1μm的薄膜。這種薄膜熱電偶測溫，對傳熱面熱流與流體的影響小，響應速度極快，時間常數(shù)為μs~ms級。測溫范圍為-200~300℃。有片狀、針狀和薄膜狀3種結(jié)構(gòu)。4.1.2接觸法溫度第22頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五（4）熱電偶的冷端溫度補償熱電偶的分度表和根據(jù)分度表刻度的溫度儀表是以冷端溫度為0℃建立的熱電勢與溫度的關(guān)系。實際使用中，冷端往往不是0℃,甚至不是定值。因此，必須采取修正或補償措施。一、冷端恒溫法

0℃恒溫法：熱電偶的冷端置于冰水混合物中。

非0℃恒溫法：熱電偶的冷端置于熱容量較大的恒溫容器中。4.1.2接觸法溫度第23頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4.1.2接觸法溫度第24頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五二、冷端溫度校正法根據(jù)熱電偶中間溫度定則：

二次查表法：從分度表中查出,與相加；二次查分度表求得測量端溫度T.

經(jīng)驗系數(shù)法：大部分熱電偶的熱電特性是非線性的，直接查表修正溫度有偏差。需用經(jīng)驗公式修正：T=Ts+KTn，Tn：冷端溫度；Ts：Tn下儀表指示溫度。

補償導線法：當熱電偶的冷端與熱端距離較近時，冷端溫度受熱端影響而變化較大，需延伸熱電極至恒溫環(huán)境中。但熱電極材料甚貴，需尋找在低溫范圍熱電特性與熱電偶相同而廉價的金屬來替代熱電偶延伸熱電極。此“熱電極對”叫熱電偶的補償導線(補償型C)。測量時還需對冷端溫度進行修正。優(yōu)點：節(jié)約貴金屬熱電偶，降低成本；缺點：增加補償誤差。常用補償導線表4-5注意：補償導線與熱電偶匹配；連接時注意極性，切勿接反；接點溫度相同。4.1.2接觸法溫度第25頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4.1.2接觸法溫度第26頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五三、自動補償法在熱電偶測量回路中串入一個裝置，它產(chǎn)生的電勢隨Tn的變化正好為。

電橋補償法：

RT是溫度系數(shù)較大的銅電阻（通常設計，20℃時電橋平衡）

補償熱電偶法：正向串接和反響串接效果相同（作業(yè)）4.1.2接觸法溫度圖4-7用補償熱電偶的測量線路第27頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五

半導體集成溫度傳感器補償法：

AD590電流型集成溫度傳感器4.1.2接觸法溫度第28頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五（5）熱電偶測溫電路熱電偶測溫的基本測溫電路組成：熱電偶、補償導線、普通導線和直流電測儀表。

基本測溫電路,(a)

雙表測量電路,(b)兩個儀表顯示同一溫度，現(xiàn)場一個，控制室一個。要求：儀表內(nèi)阻要大，電路中電流近似為零。4.1.2接觸法溫度7第29頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五多支熱電偶共用一臺顯示儀表,圖(c)通過切換開關(guān)輪流顯示。共用冷端補償。4.1.2接觸法溫度第30頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五具體應用：一、串聯(lián)測溫電路圖4-10(a)

將多支型號相同熱電偶依次按正負極相連接。

特點：熱電勢大，準確度高，可檢測微小的溫度變化。儀表需單獨分度。

注意：各熱電偶應有一致的參考端溫度。4.1.2接觸法溫度第31頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五二、并聯(lián)測溫電路圖4-10(b)

多支型號相同的熱電偶正極與正極、負極與負極分別連接。若各熱電偶的電阻平均值相近，則輸出總熱電勢等于熱電偶的熱電動勢的平均值。

特點：熱電勢小，但相對誤差也小，僅為單支熱電偶；當部分熱電偶發(fā)生斷路時，不影響整個測量系統(tǒng)的工作；適用于測平均溫度。

注意：溫度差別較大時，每支熱電偶回路需加限流電阻，以防熱電偶間互相短路。4.1.2接觸法溫度第32頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五三、溫差測量電路圖4-10(c)

將兩支同型號的熱電偶反向串聯(lián)：把兩支熱電偶的兩個同極連接在一起，另兩個同極接測量儀表。

注意：大部分熱電偶的熱電勢與溫度之間不是線性關(guān)系，因此E不直接反映溫差，若想求得溫差，還需用第三支熱電偶測量出T1或T2。

應用：常用于差熱分析技術(shù)中測量物質(zhì)的相變溫度。4.1.2接觸法溫度第33頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五（6）熱電偶的測量誤差誤差來源：熱電偶、補償導線、冷端處理裝置、測量儀表等。一、熱電偶測溫系統(tǒng)的主要誤差①分度誤差：熱電偶實際熱電特性與標準分度表之間的偏差F.②附加誤差：使用環(huán)境影響造成的誤差A．如沾污使熱電勢變化，氧化還原使穩(wěn)定性變差，高溫、放射使材料揮發(fā)、元素蛻變，材料絕緣性能下降造成漏電、分流熱電勢的輸出等。③冷端溫度補償誤差：補償導線的熱電特性和測量熱電偶的不完全一致，產(chǎn)生補償導線誤差T；自動補償法中的各種補償裝置產(chǎn)生的補償電勢與熱電偶的冷端溫度變化值之間偏差C。④測量儀表誤差：各種測量儀表精度等級不同，誤差D．⑤接線誤差：熱電偶接入測量儀表后就有電流輸出，引線電阻Re的壓降使儀表的測出值存在著誤差L．二、熱電偶測溫系統(tǒng)的誤差估計系統(tǒng)誤差：4.1.2接觸法溫度第34頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五三、熱電偶的動態(tài)誤差及時間常數(shù)熱電偶測量端的熱慣性以及與被測物體間的傳熱速率有限，導致熱電偶工作端與被測物體達到同一溫度的時間不一致；溫度變化快時，測出值跟不上被測物體的溫度變化。這種誤差稱為動態(tài)測量誤差。動態(tài)誤差(T為測得溫度)取決于熱電偶的時間常數(shù)τ和測量端溫度隨時間的變化率dT/dt：(4-9)

時間常數(shù)τ：反映測溫敏感元件傳熱特性的一個重要參數(shù)，其大小影響測溫元件的動態(tài)響應速度。

(4-10)式中：c、ρ、V為熱電偶測量端的比熱、密度、體積；、A0為對流換熱系數(shù)和表面積。

減小熱電偶時間常數(shù)的措施：減小測量端接點的體積，增強傳熱：c、ρ、V、、A0；減小套管的壁厚、內(nèi)徑，增大導熱，減小空氣間隙。4.1.2接觸法溫度第35頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4.1.2接觸法溫度第36頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五

輻射測溫原理：處于絕對溫度0K以上的物體都對外輻射電磁波。物體的熱輻射能量Q、輻射波長λ與其溫度T有關(guān)。1）輻射測溫的物理基礎一、基爾霍夫定律基爾霍夫定律：任何物體的輻射能力與其吸收率之比是一個波長和溫度的普適函數(shù)。（4-11）基爾霍夫定律的積分形式：(4-15)

εT：全發(fā)射率(比輻射率,黑度,黑度系數(shù))；A(T)：全吸收率。

單色輻射：（4-16）4.1.3輻射測溫第37頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五二、黑體輻射定律普朗克定律、斯蒂芬-玻耳茲曼定律和位移定律。

普朗克定律：在半球面方向所有輻射：

(4-17)h為普朗克數(shù)，6.62617610-3J?sT較小時，（4-18）維恩位移定律：隨溫度升高，發(fā)射能量最大的那個波長的長度向短的方向移動。對式(4-17)求導：令，得（4-19）

-200~3000℃：λ主要范圍0.75~40μm。在紅外輻射區(qū)，這是紅外技術(shù)用于測溫的重要原因。4.1.3輻射測溫第38頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五

斯蒂芬—玻耳茲曼定律(全輻射定律、四次方定律)

絕對黑體：絕對黑體每單位面積向半球方向發(fā)射的全部波長的輻射與T的四次方成正比。（4-20）斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)σ=5.6697×10-8W/(m2?K4)灰體：（4-21）2）輻射式測溫方法和溫度計按檢測被測物體所輻射的能量不同分成：

全輻射測溫法——接收全部波長輻射的能量；

亮度測溫法——僅接收其中某一波長輻射的能量；

比色測溫法——檢測其中某兩個波長所輻射能量之比。4.1.3輻射測溫第39頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五圖4-12輻射式溫度計的基本結(jié)構(gòu)（1）全輻射法一、工作原理將一個黑體(工業(yè)黑體模型)加熱至TF，使其產(chǎn)生的輻射M0(TF)與被測物體溫度T時的輻射M(T)一樣，則：（4-22）關(guān)鍵：實現(xiàn)求得εT。εT越小，校正量越大。4.1.3輻射測溫第40頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五二、全輻射高溫計聚焦輻射能量的光學系統(tǒng)有透射式和反射式兩種。將輻射能量轉(zhuǎn)換成電信號的探測器有熱電偶(或熱電堆)、熱敏電阻和熱釋電元件。

顯示儀表有自動平衡式、動圈式和數(shù)字式。物鏡l將被測溫的輻射集中投射到熱電堆3的測量端6上，由此變換成熱電勢輸出。測溫范圍：適合測量700~1000℃，最低400℃。4.1.3輻射測溫第41頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五

特點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便；輸出是電信號，便于自動測溫和控溫應用，常用于生產(chǎn)過程中在線檢測。

注意：①測量距離，②中間介質(zhì)的影響，③環(huán)境溫度的影響，④全發(fā)射率εT.

應用：①箱式爐溫度測量②工件表面溫度測量③高溫鹽浴爐溫度測量4.1.3輻射測溫第42頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五（2）亮度法(單色輻射法)測溫及光學高溫計一、工作原理只接受被測體的某一波長輻射能，與黑體比對，據(jù)此來測溫度。（4-23）二、亮度高溫計根據(jù)亮度比較辦法的不同分為：

燈絲隱滅式光學高溫計4.1.3輻射測溫第43頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五

恒定亮度光學高溫計：燈絲電流恒定，亮度不變，吸收玻璃顏色逐漸變深，吸收率隨轉(zhuǎn)動角度改變，調(diào)整玻璃角度，使被物鏡引入的亮度與燈絲亮度一致，吸收玻璃的角度反映被測溫度。

光電高溫計：將被測溫的輻射能由檢測變換器中的光敏元件變換成電信號，此電信號經(jīng)放大后(直流或交流放大)作溫度顯示(直接式)或作反饋信號完成平衡調(diào)節(jié)(平衡式)。(幾百至兩三千度)4.1.3輻射測溫第44頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五（3）比色法、比色溫度Ts及比色溫度計一、原理：利用被測物兩個波長λ1、λ2輻射能之比來反映溫度。根據(jù)維恩公式，兩個特定波長λ1、λ2上的輻射之比R：（4-24）當λ1、λ2一定時，比值R是被測溫度T的函數(shù)。注意：顯示儀表的指示用絕對黑體標定。被測體非黑體時，儀表指示的溫度Ts并不是被測體的真實溫度，而是說明此時被測體在波長λ1、λ2的單色輻射能量之比R和溫度為Ts的絕對黑體在同樣波長λ1、λ2的單色輻射能量之比值相等。Ts定義為被測物體的比色溫度。需修正：（4-26）4.1.3輻射測溫第45頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五二、比色高溫計

特點：結(jié)構(gòu)復雜，價格較貴，受變化及中間介質(zhì)吸收影響小，溫度校正量很小。工作原理：光線經(jīng)分光鏡3分成兩路，多空盤5使兩路光交替通過，顯示儀表12得到兩路光輻射的M1(1,T)和M2(2,T)的比值R，從而得到溫度T。4.1.3輻射測溫第46頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五3）三種測溫法的比較輻射法：測量簡單，響應速度快，相對靈敏度與被測溫度輻射波長λ無關(guān)，受εT和被測體與高溫計之間的吸收介質(zhì)影響較大，測量距離小。

亮度法：相對靈敏度與被測溫度和所選定的波長λ成反比，相對誤差與λ、TL成正比，受影響小，誤差中等。

比色法：相對靈敏度與被測溫度T成反比，與λ1、λ2的倒數(shù)之差成正比，誤差受λ影響小，且受被測物與儀表之間的中間介質(zhì)波動影響亦小。4.1.3輻射測溫第47頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4）紅外輻射測溫以往限于技術(shù)條件，測溫范圍限于700℃以上。由于透光材料通常對波長較長的紅外光有吸收，因此紅外測溫技術(shù)較多采用反射系統(tǒng)。大氣對波長1.8~2.8μm、3.0~5.5μm、8~14μm三個波段具有良好的透射率(俗稱3個“大氣窗口”)，而這三個波段正好處于紅外波段內(nèi)，這對紅外測溫的應用十分有利。4.1.3輻射測溫第48頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五

流體形狀隨容器變化，在外力作用下內(nèi)部發(fā)生相對運動。在材料科學與工程的生產(chǎn)過程與科學實驗中，經(jīng)常需要檢測流體的壓力、流速和流量等主要參數(shù)。特別是流體壓力的測量與控制。4.2.1流體壓力和壓力測量單位1）壓力的概念工程技術(shù)中流體壓力的概念在物理學中定義為壓強。2）壓力的表示方法一、絕對壓力以絕對零壓為參考零點表示的壓力，通常用符號p表示。二、表壓力以當前大氣壓力p0為參考零點表示的壓力，通常用符號pe表示。材料工程測試技術(shù)領域中，除特別指出外，均使用表壓力pe。

pe＞0時，稱之為正壓；pe＜0時，稱之為負壓。常用真空度pv表示負壓的大?。?.2流體壓力的測量第49頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五3）壓力的測量單位國際單位：帕，1Pa＝lN/m2

各種壓力單位之間的換算關(guān)系：4.2流體壓力的測量第50頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4.2.2常見的壓力測量方法與壓力表的分類壓力測量可以轉(zhuǎn)變?yōu)樽饔迷谝阎娣e上力的測量。壓力測量的范圍很寬，場合各異，測量方法豐富、測量儀表種類繁多。1）按測量范圍分類壓力表超高壓＞6×108Pa；高壓107~6×108Pa；低壓105~107Pa；微壓0~105Pa

真空壓力表粗真空103~105Pa；低真空10-1~103Pa；高真空10-6~10-1Pa；超高真空10-10~10-6Pa；極高真空＜10-10Pa。2）按應用場合分類工業(yè)用，實驗室用，壓力標準傳遞的標準壓力計。4.2流體壓力的測量第51頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五3）按測壓方法和儀表工作原理分類（1）液柱平衡式：液柱產(chǎn)生的壓力(液柱式)或液柱傳遞的壓力(活塞式)與被測壓力平衡。（2）機械力平衡式：被測壓力通過膜片等彈性元件集中成作用力，與儀表提供的氣動力或電磁力產(chǎn)生的機械力達到平衡，此時產(chǎn)生電磁力的電流大小，或產(chǎn)生氣動力的氣壓大小反映被測壓力。（3）彈性力平衡式：彈性元件(彈簧管、膜片、膜盒等)在被測壓力作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生的彈性力與被測壓力平衡。彈性元件的變形量反映被測壓力。一、機械彈性式壓力計：將彈性元件的變形量通過齒輪、杠桿等傳動機構(gòu)放大后測量。二、電測式壓力計：將彈性元件的變形量轉(zhuǎn)換為電量后測量。常用變換方法：電阻式(應變式與電位器式)，電感式，電容式，電磁式，霍爾式，壓電式。4.2流體壓力的測量第52頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五（4）用于真空測量的熱導式真空計與電離式真空計熱導式真空計：氣體壓力降低，其導熱性能變差。電離式真空計：稀薄氣體被電離時產(chǎn)生的離子數(shù)量與氣體壓力有關(guān)。（5）用于超高壓(＞6×108Pa)測量的壓阻式壓力計利用金屬或合金的壓阻效應，將被測壓力變換成相應的電阻值。4.2流體壓力的測量第53頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4.2.3常用的壓力測量儀表1）液柱式壓力計

U形管壓力計；單管壓力計；傾斜管微壓計：影響因素：環(huán)境溫度，重力加速度的變化。

特點：結(jié)構(gòu)簡單，直觀，測量范圍較窄，耐壓能力差，毛細作用有影響。4.2流體壓力的測量第54頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五2）活塞式壓力計

影響因素：重力加速度變化，摩擦力，粘滯力。特點：計量范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，準確度高，重復性好，可測量正壓、負壓及絕對壓力。應用：用作壓力基準器。精密測壓，儀表準確度可達0.02級。4.2流體壓力的測量第55頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五3）彈性式壓力計被測壓力作用彈性元件形變機械機構(gòu)或電測方法檢出并放大位移量顯示（1）機械彈性式壓力計常用的彈性元件結(jié)構(gòu)，彈簧管，螺旋管，膜片，膜盒，波紋管。一、彈簧管壓力計應用最為廣泛，測量范圍大，結(jié)構(gòu)簡單，準確度高，線性度高。二、膜片式壓力計簡單牢固，便宜,

非線性較大，準確度中等，動態(tài)響應慢。4.2流體壓力的測量第56頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五（2）電測式壓力儀表自學p141-142

被測壓力電信號，壓力信號遠距離傳送。壓力計組成：壓力傳感器、測量電路、信號處理裝置。信號處理裝置：指示器，記錄儀，甚至有控制器、微處理器等。

分兩類：一種是采用由彈性元件變形造成電路參數(shù)變化，如電位器式、電感式、電容式等；另一種是應用某些物理效應將被測壓力直接轉(zhuǎn)換成電信號，如應變式、壓電式、霍爾式、諧振式等。傳感器的工作原理已在第三章介紹。一、電阻、電感壓力計p141-142

二、電容式壓力計三、壓電式壓力汁四、霍爾式壓力計五、應變式壓力計4.2流體壓力的測量第57頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4.2.4真空的測量真空一般以絕對壓力來表示。常用真空計測量范圍，表4-9。特點：范圍很寬，測量難度較大，測量準確度不高(10%~20%)。

絕對真空計：直接測量壓力的高低，如壓縮式真空計。

相對真空計：測與系統(tǒng)壓力有關(guān)的物理量，再通過比較的方法獲得壓力值，如熱導式真空計、電離式真空計。1）壓縮式真空計又稱麥氏真空計，測量范圍103~10-3Pa。特點：結(jié)構(gòu)簡單，準確度較高（5%），可作為基準儀器。工作原理：將一定體積的被測氣體壓縮，使氣體絕對壓力增大到可以用液柱法測量的程度，再根據(jù)壓縮比算出被測氣體壓力。圖4-24，被測壓力p與壓差h成正比。特點：裝置簡單易造，準確度較高，屬絕對測量，可作為基準或標準儀器。4.2流體壓力的測量第58頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4.2流體壓力的測量第59頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4.2流體壓力的測量P1,V1初始P,V第60頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五2）熱導式真空計原理：絕對壓力較低時，氣體的導熱系數(shù)與其壓力成正比。測得被測氣體的導熱能力，即可間接測量其真空度。通電加熱的電阻元件(熱絲)在相同功率下加熱，熱絲自身溫度隨氣壓降低而上升，熱絲溫度與被測氣體壓力之間存在定量關(guān)系。測壓范圍：10-1~104Pa.一、電阻真空計圖4-25a

氣體壓力變化熱導率變化同功率加熱，電阻絲溫度變化電阻變化。用電阻溫度系數(shù)較大的電阻絲，常用鉑絲。二、熱偶式真空計圖4-25b

氣體壓力變化熱導率變化同功率加熱，電阻絲溫度變化熱電偶測溫。4.2流體壓力的測量第61頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4.2流體壓力的測量第62頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五3）電離真空計原理：高速粒子通過稀薄氣體時碰撞氣體分子使之電離，壓力較低(<10-1Pa)時，離子數(shù)與氣體壓力成一定關(guān)系。收集、檢測離子電流即可獲知被測氣體壓力。根據(jù)氣體電離源的不同分為三類：一、熱陰極電離真空計：熱陰極發(fā)射電子使氣體分子電離；二、冷陰極電離真空計：場致發(fā)射、光致發(fā)射或次級發(fā)射的電子使氣體電離；三、放射性電離真空計：放射性同位素輻射的高能粒子使氣體分子電離。熱、冷陰極電離真空計的主要優(yōu)點：可以測量氣體極低的絕對壓力(10-6Pa)，靈敏度高，線性度好，結(jié)構(gòu)簡單。缺點：測量結(jié)果與氣體成分有關(guān)。放射性電離真空計沒有陰極，不會被燒毀，靈敏度較低，絕對壓力較低時產(chǎn)生的離子流很弱，適合絕對壓力較高的真空測量。4.2流體壓力的測量第63頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五熱陰極電離真空計規(guī)管，類似一支三極管。由筒狀板極(離子收集極)C，柵極網(wǎng)G和位于柵極網(wǎng)中心的陰極燈絲F構(gòu)成，筒狀板極在陽極柵網(wǎng)外面。柵極電位在+100～+300V之間，板極的電位在0～-50V之間。第64頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4.2.5壓力測量儀表的選用壓力計選用考慮：1）儀表類型的選用一、測壓要求：測壓范圍，準確度，自動記錄，距離，報警等。二、被測介質(zhì)：介質(zhì)的物性及狀態(tài)(氣、液)，腐蝕性，濕度，粘度，清潔，脈動。三、現(xiàn)場環(huán)境：震動，溫度，電磁場，濕度，防爆等。四、安裝、使用及維護的條件：各種壓力計都有各自的特點。2）儀表測量范圍的確定儀表按規(guī)定的準確度對被測量進行測量的范圍，也就是儀表的量程。測量穩(wěn)定壓力時，最大工作壓力一般不超過量程的2/3；被測壓力的最小值不低于量程的1/3.3）儀表準確度等級的選取在滿足測量誤差要求的基礎上，追求較高的性能價格比。4.2流體壓力的測量第65頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4.3.1流體流量和測量單位一、流量：物料傳輸?shù)乃俾?，即單位時間內(nèi)通過管路(或明渠)有效截面的物料量。總量流量：一段時間內(nèi)的總流量。測流量的叫流量計；測總量流量的叫計量表。二、流量測量單位體積流量：m3/s，m3/h；質(zhì)量流量：kg/s，kg/h。三、流量測量的特點特點：準確度較低，流量計通用性較差，單位量值的傳遞、儀器檢定較為困難。原因：①流體性質(zhì)多樣：單相多相,粘度,溫度,壓力,壓縮,相變,清潔,腐蝕.②管路系統(tǒng)多樣性：管道截面的大小與形狀、內(nèi)壁的粗糙度、彎曲程度等。③流動狀態(tài)多樣性：層流或紊流，旋轉(zhuǎn)流或脈動流，明渠流動等。④使用條件與安裝要求：若不能滿足使用和安裝要求，也會給測量造成較大誤差。4.3流體流量測量第66頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五4.3.2流體流量的測量方法和流量儀表分類1）流體流量的測量方法基本方法：檢測流體流動中自身參數(shù)，如流速、動量，及流動中造成的相應效應，得到與流量相關(guān)的信息。（1）容積法測流體在一段時間內(nèi)的總流量，計算出流量?？偭髁靠捎迷O定的體積量具表征。（2）流速法體積流量qv與其平均流速，測量流速，流速式；或測與流速相關(guān)的物理現(xiàn)象的變化，流量計：差壓式，阻力式，振動式等。4.3流體流量測量第67頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五2）流量儀表的分類按用途分為計量表和流量計。（1）計量表測流體總量：腰輪流量計，橢圓齒輪流量計，刮板流量計，葉輪式流量計等。（2）流量計通過測流速、壓差、阻力、振動等測流量：流速式，差壓式，阻力式，振動式。一、流速式流量計種類：超聲流量計，電磁流量計，以及：①渦輪流量計：流體推動禍輪轉(zhuǎn)動，渦輪的轉(zhuǎn)速反映流體流量。②標志法測速流量計：在流體中設置標志物(或標志部位)，測標志物的速度。③熱線風速計和熱量流量計：測流體對發(fā)熱線的冷卻效果；或流體對元件的加熱。④皮托管式流量計：4.3流體流量測量第68頁，共88頁，2023年，2月20日，星期五二、差壓式流量計文丘利管：通道截面變化→靜壓變化→壓差值與流量有關(guān)。三、流體阻力式流量計轉(zhuǎn)子流量計，沖擊式流量計，靶式流量計。沖擊式流量計：動量守恒原理，測固體散料流量。四、流體振動式流量計，可歸于流速式繞流→振蕩→振蕩規(guī)律與阻擋體有關(guān)。渦街式旋渦流量計：流體中在阻擋體(起旋器)后的兩側(cè)產(chǎn)生一列交替出現(xiàn)的旋渦(卡門渦街),圖4-26a，單側(cè)旋渦產(chǎn)生的頻率f與無阻擋體時流體的平均流速成正比,與起旋器直徑d成反比。雷諾數(shù)