1、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,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-1Pa=1N/m2。 2 标准大气压atm：当温度为0、重力加速度
2、为9.80665m/s2 、高度为0.760m、密度为13.5951103kg/m3的水银柱所产生的压力。1atm=101325Pa,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。1at=1kgf/cm2=9.80665104Pa 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。1bar=106dyn/cm2=105Pa 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n=1.33322106N/m3，重力加速度n=9
3、.80665m/s2）下，1mmHg=1Torr=1/760atm=133.322Pa而对于水柱来说，在其标准情况（温度t=4、重量密度n=9.80665103N/m3、重力加速度n=9.80665m/s2下，1mmH2O=9.80665Pa 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。1psi=1lbf/in2=6.89476103Pa,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）
4、。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 0105帕低压 105107帕（100公斤力/厘米2）高压 1076X108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 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：P = P1- P0=h=nh 式中 液体（常用的是水银和水）
5、的重量密度； 液体的密度； n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。,由式上可知，只有当和n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（）往往要随使用时的环境温度而变，重力加速度（n）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（）和重力加速度（n）或按一定的理论公式进行修正。 当P0=0时，被测压力的差值P= P1为绝对压力。 当P0=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 = P1- P0为差压。,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
6、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 式中S0为导电材料的灵敏系数；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（r）、切向应变（t）与所承受的压力（P）间的关系为：r=3P/8Eh2(1-2)(R2-3r2) t=3P/8Eh2(1-2)(R2-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；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全桥电路，即组成电桥的四个
7、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。,恒电压电桥输出信号可表示为：Uout=恒电流电桥输出信号可表示为：Uout=,3 变磁式压力传感器,4 电容式压力传感器,5 真空测量方法,真空测量也属压力测量的一个领域，其测量范围指低于大气压的压力。 1 热导式真空计一条被电流加热的金属丝，在低压气体中，随着真空度的提高，气体愈加稀薄，热丝传导给气体的热量愈来愈少，热量在热丝上积累，使它的温度升高。利用测量热丝的温度的方法可间接测出其真空度。图2-20为加热丝热损失与气压的关系。图2-2
8、1为热偶式真空计的结构示意图，其中热电偶紧贴热丝，导管真空系统连通。整个形状象玻璃灯泡。,2 电离式真空计热阴极电离真空极测量范围为10-310-8托（mmHg）；它很像一个三极电子管，如图2-22所示。不同的是它的阳极A（称为收集极）加负电压（如-25V），作圆筒形。而栅极G（称加速极）加较高电压（+200V）.热阴极式电离真空计阴极K被通电加热，发射出热电子，由于加速极正电位的作用，使电子动能增加，与管内气体碰撞时使其电离，其正离子被具有负电位的A所收集，形成离子流。而负离子（电子）被加速极吸收形成电子流。,Ii=L P Ie L:电离管灵敏度； P:被测气体压力；Ie:发射电流。或：P=
9、即只要 Ie 保持不变（可用稳流源），可根据 Ii的大小来确定被测压力P（真空程度）。,二 流量信号的传感与变送,1 节流式流量计 节流式流量计是一种速度式流量计；又称为压差式流量计，它使目前工业中测量气体、液体最常用的仪表。它是利用安装在管道中的节流装置（如孔板、喷嘴、文丘利管等），使流体流过时，产生局部收缩，节流装置前后产生静压差。压差大小与流体体积流量一一对应，测出压差即可测出流量。,节流装置流过体积流量Q和压力差的平方根成正比：Q=流量系数（推导略）； 流体密度； F0开孔面积； g重力加速度； p1 ,p2节流装置前后端面处的压力。,2变面积式流量计（转子流量计）这是目前工业和实验室
10、中广泛使用的一种小流量测量仪表。主体是垂直放置的锥形管（图1-24 a），管中有一自由浮动的转子。流体自下而上流动，在气流冲击下浮子向上浮起。浮子受两个力的作用：一是上升力，它与浮子最大迎气流面积成正比，与四周气流流速平方成正比，另一个力是浮子自重力。当两个力平衡时浮子稳定在一定高度上，实际对一个具体浮子，要它稳定在某一位置，它周围环形通道面积中气流流速是固定的。当被测流体流量不同时，获得上述固定流速的高度是不同的。因流量计主体是倒锥管（变面积）。经推导（略）体积流量为,3涡轮流量计 涡轮流量计也是一种速度式流量计。如图1-25所示，流体流过时，冲击涡轮叶片使涡轮旋转。叶片为导磁材料，对着叶轮
11、的部位的壳体内装有感应线圈，线圈中心是永久磁铁， 叶轮旋转时，周期性地改变线圈磁路的磁阻，线圈中感应出同步的脉冲信号。流量越大，涡轮转速越高，脉冲信号频率越高，容积流量和线圈脉冲频率f成正比。,4 质量流量计,科里奥利质量流量计是广泛使用的一种先进的质量流量计，不仅用于航空航天，近期也广泛用于材料加工过程中。 该种流量计是根据牛顿第二定律建立起力、加速度和质量三者关系的直接式质量流量计。其内部有一振动测量管，当无流体流过时测量管不产生形变，当有流体流过时产生扭曲变形（科里奥利现象），通过两端电磁信号检测器来获得相位差，该相位差与流过的质量流量成正比。,三 气氛信号的传感与变送,1 1 红外线气
12、体分析仪 红外线是一种波长在0.751000m之间的电磁波，所占频带比可见光宽的多。热的物体可以产生红外辐射，红外辐射被物体接受可以产生热量。因此有时红外辐射称“热辐射”。红外辐射穿过某种气体时，可对某一特定波长的红外辐射有吸收作用，使透过的辐射强度减弱。而这种气体浓度愈大，吸收作用愈强，基于这个性质，人们制成红外线气体分析器。图1-27a和图1-27b分别为CO2和CO对红外线的吸收光谱图。,2 氧浓差电势探头氧化锆传感器是一种新型测氧仪表，其核心部分指氧化锆探头。它的结构简单，反应快，是一种很有前途的传感器。最早用在监测锅炉的燃烧情况。后来在金属热处理领域中用其测炉气氧量，从而间接检测炉气碳势。为可控气氛热处理提供新型检测方法。氧化锆测氧探头是利用氧浓差电池原理工作的。如图1-29a所示，在氧化高两面烧结一层多孔铂电极。当两面气体中氧分压不同时，例如PAPC，在氧化锆内部即产生氧离子迁移，由高氧侧向低氧侧扩散，形成固体电解质氧浓度电池，,四 测试仪表,1 动圈式仪表 动圈式仪表本质上是磁电式电压表。它与不同的传感器配用可以给于不同的物理量度。如温度表、压力表、湿度表等。,2 自动平衡式仪表,携带式直流电位差计,台式记录仪,
