第4章-力學(xué)量檢測(cè)技術(shù)

1、第四章 力學(xué)量檢測(cè)技術(shù),力學(xué)量檢測(cè)技術(shù),4.1 壓力的測(cè)量,4.1.1壓力的基本概念4.1.2常用壓力檢測(cè)技術(shù)4.1.3壓力檢測(cè)儀表的校準(zhǔn)4.1.4動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)管道4.1.5壓力檢測(cè)儀表的選擇與安裝,壓力是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的工藝參數(shù)之一，正確地測(cè)量和控制壓力是保證工業(yè)生產(chǎn)過程良好地運(yùn)行，達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低耗及安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。,1. 壓力的定義,壓力是垂直而均勻地作用在單位面積上的力，即物理學(xué)中常稱的壓強(qiáng)。工程上，習(xí)慣把

2、壓強(qiáng)稱為壓力。由此定義，壓力可表示為:,4.1.1壓力的基本概念,(4-1),4.1.1壓力的基本概念,2. 壓力的表示方法,絕對(duì)壓力——以完全真空(絕對(duì)壓力零位)作參考點(diǎn)的壓力稱 為絕對(duì)壓力,大氣壓力——由地球表面大氣層空氣柱重力所形成的壓力稱為大氣壓力,表壓力—— 以大氣壓力為參考點(diǎn)，大于或小于大氣壓力的壓力稱為表壓力,差壓(壓差)——任意兩個(gè)壓力之差稱為差壓,4.1.1壓力的基本概念,這幾種表示法的關(guān)系如圖4-1所示。,

3、工程上按壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系還有靜態(tài)壓力和動(dòng)態(tài)壓力之分。,4.1.1壓力的基本概念,3. 壓力的計(jì)量單位,壓力是力和面積的導(dǎo)出量。在國(guó)際單位制中，取力的單位為牛頓，面積單位為米2，則壓力單位為牛頓/米2，用符號(hào)N/m2表示；壓力單位又稱為帕斯卡或簡(jiǎn)稱帕，符號(hào)為Pa。1Pa＝1N/m2。因帕單位太小，工程上常用kPa(103Pa)和MPa (106 Pa) 表示。我國(guó)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有工程

4、大氣壓、物理大氣壓、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。,4.1.1壓力的基本概念,4. 壓力檢測(cè)的基本方法,根據(jù)不同工作原理，壓力檢測(cè)方法可分為如下幾種：,（1） 重力平衡方法——利用一定高度的工作液體產(chǎn)生的重力或砝碼的重量與被測(cè)壓力相平衡的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度或平衡砝碼的重量來測(cè)量。,（2） 彈性力平衡方法 ——利用彈性元件受壓力作用發(fā)生彈性變形而產(chǎn)生的彈性力與被測(cè)壓力相平衡的原理來檢測(cè)壓力。,4.1.1壓力的基本概念,（3） 機(jī)械

5、力平衡方法——將被測(cè)壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成一個(gè)集中力，用外力與之平衡，通過測(cè)量平衡時(shí)的外力測(cè)知被測(cè)壓力。,（4） 物性測(cè)量方法——利用敏感元件在壓力的作用下，其某些物理特性發(fā)生與壓力成確定關(guān)系變化的原理，將被測(cè)壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電量來測(cè)量。,4.1 壓力的測(cè)量,4.1.1壓力的基本概念4.1.2常用壓力檢測(cè)技術(shù)4.1.3壓力檢測(cè)儀表的校準(zhǔn)4.1.4動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)管道4.1.5壓力檢測(cè)儀表的選擇與安裝,4.1.2 常用壓力檢測(cè)

6、儀表,1. 液柱式壓力計(jì),應(yīng)用液柱測(cè)量壓力的方法是以流體靜力學(xué)原理為基礎(chǔ)的。一般是采用充有水或水銀等液體的玻璃U形管、單管或斜管進(jìn)行壓力測(cè)量的，其結(jié)構(gòu)形式如圖4-2所示。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,（1） U形管壓力計(jì),圖4-2(a)所示的U形管是用來測(cè)量壓力和壓差的儀表。在U形管兩端接入不同壓力p1和p2時(shí)，根據(jù)流體靜力平衡原理可知，U形管兩邊管內(nèi)液柱差h與被測(cè)壓力p1和p2的關(guān)系為,,(4-2),由式(4-2)可求得兩壓力的差值

7、?p或在己知一個(gè)壓力的情況下（例如壓力p2），求出另一壓力值：,,(4-3),4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,（2）單管壓力計(jì),單管壓力計(jì)如圖4-2(b)所示。當(dāng)大容器一側(cè)通入被測(cè)壓力p1，管一側(cè)通入大氣壓p2時(shí)，滿足下列關(guān)系,,(4-4),4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,由于D>>d，故d2/D2可以忽略不計(jì)，則式(4-4)可寫成,,(4-5),（3）斜管壓力計(jì),將單管壓力計(jì)的玻璃管制成斜管，如圖4-2(c)所示。則p1與液柱

8、之間的關(guān)系仍然與式(4-5)相同（目的：提高靈敏度，減小誤差）,,(4-6),4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,2. 彈性壓力計(jì),彈性壓力計(jì)基本組成環(huán)節(jié)如圖4-3所示。,彈性元件是核心部分，用于感受壓力并產(chǎn)生彈性變形；指示機(jī)構(gòu)用于給出壓力示值；調(diào)整機(jī)構(gòu)用于調(diào)整壓力計(jì)的零點(diǎn)和量程。,（1） 彈性元件,工業(yè)上常用的彈性元件如表4-2所示。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,表4-2 彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,4.1.2

9、常用壓力檢測(cè)儀表,（2） 彈簧管壓力計(jì),彈簧管式壓力計(jì)是工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用很廣泛的一種直讀式測(cè)壓儀表，以單圈彈簧管結(jié)構(gòu)應(yīng)用最多。其一般結(jié)構(gòu)如圖4-4所示。,1-彈簧管；2-扇形齒輪；3-拉桿；4-底座；5-中心齒輪；6-游絲；7-表盤； 8-指針； 9-接頭；10-彈簧管橫截面；11-調(diào)節(jié)開口槽,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,工作過程：被測(cè)壓力由接口引入，使彈簧管自由端產(chǎn)生位移，通過拉桿使扇形齒輪逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)嚙合的中心齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與中心

10、齒輪同軸的指針將同時(shí)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，并在面板的刻度標(biāo)尺上指示出被測(cè)壓力值。,特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格低廉，測(cè)壓范圍寬，精度最高。,（3）波紋管壓力計(jì),波紋管壓力計(jì)以波紋管作為壓力-位移轉(zhuǎn)換元件，由于金屬波紋管在壓力作用下容易變形，所以測(cè)壓靈敏度很高。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,圖4-5是一種采用雙波紋管測(cè)量差壓的雙波紋管差壓計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。,1-連接軸；2-保護(hù)閥；3-阻尼環(huán)；4-推板；5-扭力管；6-心軸；7-量程彈簧；8-平衡

11、閥；9-低壓波紋管；10-擺桿；11-阻尼閥；12-中心基座；13-高壓波紋管；14-填充液,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,（4）彈性壓力計(jì)信號(hào)遠(yuǎn)傳方式,彈性壓力計(jì)一般為直讀式儀表。增加轉(zhuǎn)換部件，就可使之兼有信號(hào)遠(yuǎn)傳的功能。常見的轉(zhuǎn)換方式有電位計(jì)式、霍爾元件式、差動(dòng)變壓器式等，如圖4-6所示。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,圖4-6(a)為電位器式，在彈性元件的自由端處安裝有滑線電位器，其滑動(dòng)觸點(diǎn)與自由端連接并隨之移動(dòng)。,特點(diǎn)：比較簡(jiǎn)單

12、，有較好的線性，但滑動(dòng)觸點(diǎn)會(huì)有磨損，可靠性較差。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,圖4-6(b)為霍爾元件式，其轉(zhuǎn)換原理基于半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)。當(dāng)壓力為零時(shí)，因霍爾元件處于方向相反的兩對(duì)磁極間隙中的面積相等，故沒有霍爾電勢(shì)產(chǎn)生。當(dāng)壓力變化時(shí)，霍爾元件被彈性元件自由端帶動(dòng)在磁場(chǎng)中移動(dòng)而使其處在兩對(duì)磁極中的面積不相等，則霍爾元件在垂直于磁場(chǎng)和電流方向的另兩側(cè)將產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，此輸出電勢(shì)與自由端位移大小對(duì)應(yīng)，即與被測(cè)壓力值相對(duì)應(yīng)。,特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

13、單，靈敏度高，壽命長(zhǎng)，但對(duì)外部磁場(chǎng)敏感，耐振性差。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,3. 力平衡式壓力計(jì),力平衡式壓力計(jì)采用反饋力平衡的原理，反饋力的平衡方式可以是彈性力平衡或電磁力平衡等。力平衡式壓力計(jì)的基本構(gòu)成如圖4-7所示,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,圖4-8是一種彈性力平衡式壓力測(cè)量系統(tǒng)的原理示意圖。,它由彈性敏感元件—測(cè)壓波紋管、杠桿、差動(dòng)電容變換器、伺服放大器A、伺服電機(jī)M、減速器和反饋彈簧等元部件組成。,4.1.2 常用壓

14、力檢測(cè)儀表,4. 壓力傳感器,能夠測(cè)量壓力并提供遠(yuǎn)傳電信號(hào)的裝置稱為壓力傳感器，如果裝置內(nèi)部還設(shè)有適當(dāng)處理電路，能將將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（如4~20mA直流電流）輸出，則稱為壓力變送器。,（1） 應(yīng)變式壓力傳感器,應(yīng)變?cè)墓ぷ髟砘趯?dǎo)體和半導(dǎo)體的“應(yīng)變效應(yīng)”，即當(dāng)導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化。電阻值的相對(duì)變化與應(yīng)變有以下關(guān)系：,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,,(4-7),式中，ε—材料的應(yīng)變；K—材料的

15、電阻應(yīng)變系數(shù),金屬電阻應(yīng)變片有絲式應(yīng)變片和箔式應(yīng)變片兩種。如圖4-9所示。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,絲式應(yīng)變片由金屬絲柵(亦稱敏感柵)、基底、引線、保護(hù)膜等組成。,優(yōu)點(diǎn)：散熱條件好，能承受較大電流和較高電壓，輸出靈敏度高，可制成各種需要的形狀，便于大批量生產(chǎn)。,箔式應(yīng)變片逐漸取代絲式應(yīng)變片,箔式應(yīng)變片的敏感柵是用厚度為0.003~0.01mm的金屬箔經(jīng)光刻、腐蝕等工藝制成的。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,應(yīng)變片與彈性元件的裝配可

16、以采用粘貼式或非粘貼式。,圖4-10所示為應(yīng)變筒式壓力傳感器結(jié)構(gòu)。當(dāng)應(yīng)變筒內(nèi)腔承受壓力時(shí)，薄壁筒表面的周向應(yīng)力最大，相應(yīng)的周向應(yīng)變?chǔ)艦椋?(4-8),p—被測(cè)壓力； E—應(yīng)變筒材料的彈性模量； μ—應(yīng)變 筒材料的泊松比； D—應(yīng)變筒外徑；d—應(yīng)變筒內(nèi)徑。,式中，,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,,分析：四片應(yīng)變片接成全橋。當(dāng)沒有壓力作用時(shí)，電橋是平衡的；當(dāng)有壓力作用時(shí)，應(yīng)變筒產(chǎn)生形變，工作應(yīng)變片電阻變化，電橋失去平衡，產(chǎn)生與壓力變化相

17、應(yīng)的電壓輸出。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,圖4-11所示為平膜片式壓力傳感器結(jié)構(gòu)，其上粘貼有如圖4-12(a)所示的箔式組合應(yīng)變片。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,對(duì)于邊緣固定的平圓膜片，當(dāng)受壓力作用時(shí)，膜片上任意一點(diǎn)的應(yīng)變可分為徑向應(yīng)變?chǔ)舝和切向應(yīng)變?chǔ)舤，如圖4-13(a)所示，其值與壓力p的大小和該點(diǎn)到膜片中心的距離r有關(guān)：,,(4-9),式中：,p—被測(cè)壓力；E—膜片材料彈性模量；μ—膜片材料的泊松比；r0—膜片半徑；r—膜片

18、上任意點(diǎn)半徑； h—膜片厚度。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,根據(jù)式(4-9)分析可知，在膜片中心處(r=0)，徑向應(yīng)變?chǔ)舝和切向應(yīng)變?chǔ)舤均達(dá)到最大值，,,(4-10),在膜片邊緣處(r= r0)，切向應(yīng)變?chǔ)舤=0，而徑向應(yīng)變?chǔ)舝達(dá)到負(fù)最大值(壓縮應(yīng)變),,(4-11),在 處，徑向應(yīng)變?chǔ)舝=0。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,根據(jù)上述分析，平圓膜片上應(yīng)變分布規(guī)律如圖4-13(b)所示。,4.1.2 常

19、用壓力檢測(cè)儀表,（2）壓阻式壓力傳感器,壓阻式壓力傳感器是基于半導(dǎo)體材料(單晶硅)的壓阻效應(yīng)制成的傳感器。,圖4-14為一種壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 。,特點(diǎn)：是靈敏度高，頻率響應(yīng)高；測(cè)量范圍寬，精度高，工作可靠。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,（3） 應(yīng)變式壓力傳感器的變送電路,電流輸出型變送器有4線制、3線制、2線制等幾種。圖4-15是一種2線制的壓阻式差壓傳感器的變送器電路原理圖。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,（4）壓電式壓

20、力傳感器,壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的。由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時(shí)產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關(guān)系：,,(4-12),式中，Q—電荷量；k—壓電常數(shù)；S—作用面積；p—壓力。,圖4-16為一種壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,特點(diǎn)：體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠；測(cè)量精度較高；頻率響應(yīng)高，但由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測(cè)量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力。,4.1.

21、2 常用壓力檢測(cè)儀表,（5）電容式壓力傳感器,電容式壓力傳感器采用變電容測(cè)量原理，根據(jù)平行板電容器的電容量表達(dá)式：,,(4-13),式中，ε —電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；A—兩平行板相對(duì)面積；d—兩平行板間距。,①差動(dòng)變極距式電容壓力傳感器,圖4-17是一種電容式差壓傳感器示意圖。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,對(duì)于差動(dòng)平板電容器，其電容變化與板間距離變化的關(guān)系可表示為：,,(4-14),式中 C0—初始電容值；d0—極板間初始距離；

22、?d—距離變化量。,特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，靈敏度高，過載能力大；精度高；可以測(cè)量壓力和差壓。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,②變面積式電容壓力傳感器,圖4-18所示為一種變面積式電容壓力傳感器。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,（6）諧振式壓力傳感器,諧振式壓力傳感器是靠被測(cè)壓力所形成的應(yīng)力改變彈性元件的諧振頻率，通過測(cè)量頻率信號(hào)的變化來檢測(cè)壓力。,圖4-19為一種振筒式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,被測(cè)壓力由引壓孔引

23、入振筒內(nèi)，筒外為大氣壓。被測(cè)壓力作用于筒壁，筒壁受壓張緊后剛度發(fā)生變化，振筒固有頻率相應(yīng)改變。振筒的固有頻率與作用壓力的關(guān)系可近似表示為：,,(4-15),式中，fp—受壓后的振筒固有頻率；f0—筒內(nèi)外壓力相等時(shí)的固有頻率；α—振筒結(jié)構(gòu)系數(shù)；p—被測(cè)壓力。,4.1.2 常用壓力檢測(cè)儀表,圖4-19為一種振筒式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。,特點(diǎn)：適用于氣體壓力的測(cè)量，其體積小，輸出頻率信號(hào)，重復(fù)性好，耐振；精度高，且有良好的穩(wěn)定性。,4.1

24、壓力的測(cè)量,4.1.1壓力的基本概念4.1.2常用壓力檢測(cè)技術(shù)4.1.3壓力檢測(cè)儀表的校準(zhǔn)4.1.4動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)管道4.1.5壓力檢測(cè)儀表的選擇與安裝,4.1.3 壓力檢測(cè)儀表的校準(zhǔn),壓力檢測(cè)儀表的校準(zhǔn)分為靜態(tài)校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)兩種。,校準(zhǔn)的基本方法是，利用標(biāo)準(zhǔn)裝置產(chǎn)生的壓力作為輸入量，輸入待校準(zhǔn)的壓力傳感器或儀表，并將其輸出量與輸入的標(biāo)準(zhǔn)量作比較，獲得一系列校準(zhǔn)數(shù)據(jù)或曲線。,1. 靜態(tài)校準(zhǔn),靜態(tài)校準(zhǔn)方法有標(biāo)準(zhǔn)壓力法與標(biāo)準(zhǔn)表

25、法兩種。,標(biāo)準(zhǔn)壓力法是將被校表的示值與標(biāo)準(zhǔn)壓力值比較，主要用于校驗(yàn)0.25級(jí)以上的精密壓力表，亦可用于校驗(yàn)各種工業(yè)用壓力表。,4.1.3 壓力檢測(cè)儀表的校準(zhǔn),a、b、c—截止閥；1—標(biāo)準(zhǔn)砝碼；2—測(cè)量活塞；3—活塞筒；4—油杯；5—進(jìn)油閥；6—被校壓力表；7—油；8—工作活塞；9—手搖壓力發(fā)生器；10—絲杠；11—手輪,4.1.3 壓力檢測(cè)儀表的校準(zhǔn),2. 動(dòng)態(tài)校準(zhǔn),產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)的裝置有多種形式，根據(jù)其所提供的信號(hào)的性質(zhì)可分為兩

26、類，一是穩(wěn)態(tài)周期性壓力信號(hào)源（機(jī)械正弦壓力發(fā)生器、凸輪控制噴嘴、電磁諧振器等）；一是非穩(wěn)態(tài)壓力信號(hào)源（激波管、閉式爆炸器、快速卸載閥及落錘液壓動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置）。,（1）穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn),穩(wěn)態(tài)周期性壓力信號(hào)源能夠提供幅值穩(wěn)定、頻率可調(diào)的正弦壓力信號(hào)。,4.1.3 壓力檢測(cè)儀表的校準(zhǔn),圖4-22是電磁式正弦壓力發(fā)生器 ；圖4-23為機(jī)械式正弦壓力發(fā)生器 。,特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但難以提供高頻高振幅的壓力信號(hào)。,4.1.3 壓力檢測(cè)儀表的校準(zhǔn)

27、,（2）非穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn),激波管是校準(zhǔn)壓力傳感器動(dòng)態(tài)性能時(shí)常用的標(biāo)準(zhǔn)裝置。圖4-24是激波管動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置示意圖。,4.1.3 壓力檢測(cè)儀表的校準(zhǔn),原理：激波陣面在到達(dá)低壓腔端面后將反射回來，反射激波陣面后的壓力將再次升高到P5，形成新壓力階躍?P5=P5- P1。激波管內(nèi)氣體壓力的變化如圖4-25所示。,4.1.3 壓力檢測(cè)儀表的校準(zhǔn),由測(cè)速系統(tǒng)測(cè)出激波速度V，即可根據(jù)式(4-16)~ (4-18)計(jì)算出階躍壓力?P2、?P5,,(4-16)

28、,,,(4-17),(4-18),式中，,Ms—激波馬赫數(shù)；a—校準(zhǔn)時(shí)的當(dāng)?shù)匾羲伲琣=331.3+0.54T m/s， T—校準(zhǔn)時(shí)低壓腔溫度(℃)；P1—低壓室的充氣壓力；P2—入射激波壓力；P5—反射激波壓力。,4.1.3 壓力檢測(cè)儀表的校準(zhǔn),被校壓力傳感器在激波管階躍壓力的激勵(lì)下做衰減振蕩，其波形由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下來，如圖4-26所示。,4.1.3 壓力檢測(cè)儀表的校準(zhǔn),4.1 壓力的測(cè)量,4.1.1壓力的基本概念4.1

29、.2常用壓力檢測(cè)技術(shù)4.1.3壓力檢測(cè)儀表的校準(zhǔn)4.1.4動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)管道4.1.5壓力檢測(cè)儀表的選擇與安裝,4.1.4 動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)的管道效應(yīng),測(cè)量快速變化的壓力時(shí)，壓力傳感器的感壓膜片在測(cè)壓點(diǎn)處應(yīng)與壓力容器壁面保持齊平，如圖4-27(a)所示。但在許多情況下，往往需要采用引壓管道，形成如圖4-27(b)所示安裝方式，這就是動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的管道效應(yīng)。有引壓管道和空腔的壓力檢測(cè)系統(tǒng)可等效為圖4-27(c)所示的壓力傳輸系統(tǒng)。,

30、4.1.4 動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)的管道效應(yīng),引壓管道、空腔這一壓力傳輸系統(tǒng)的固有頻率f可用下面的近似公式來估算：,,（4-19）,c—流體聲速；d—引壓管內(nèi)徑；L—引壓管長(zhǎng)度；V—空腔體積。,式中，,4.1 壓力的測(cè)量,4.1.1壓力的基本概念4.1.2常用壓力檢測(cè)技術(shù)4.1.3壓力檢測(cè)儀表的校準(zhǔn)4.1.4動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)管道4.1.5壓力檢測(cè)儀表的選擇與安裝,4.1.5 壓力檢測(cè)儀表的選擇與安裝,1. 壓力檢測(cè)儀表的選擇,選擇壓力

31、檢測(cè)儀表應(yīng)根據(jù)具體情況，在滿足生產(chǎn)工藝對(duì)壓力檢測(cè)要求的情況下，本著節(jié)約的原則，合理地選擇壓力儀表的類型、量程、精度等級(jí)等。,壓力儀表類型的選擇主要應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：,應(yīng)考慮被測(cè)介質(zhì)情況,,應(yīng)考慮生產(chǎn)過程對(duì)儀表的要求,要考慮壓力儀表使用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件,（1）類型選擇,4.1.5 壓力檢測(cè)儀表的選擇與安裝,（2）量程選擇,壓力儀表的量程要根據(jù)被測(cè)壓力的大小及在測(cè)量過程中被測(cè)壓力變化的情況等條件來選取，為保證測(cè)壓儀表安全可靠地工作，選擇量程

32、時(shí)必須留有足夠的余地。,（3）精度等級(jí)選擇,壓力檢測(cè)儀表的精度等級(jí)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)過程對(duì)壓力測(cè)量所允許的最大誤差，在規(guī)定的儀表精度等級(jí)中選擇確定。,[例4.1] 某壓力容器內(nèi)介質(zhì)的正常工作壓力范圍為0.4~0.6MPa，用彈簧管壓力表進(jìn)行檢測(cè)。要求測(cè)量誤差不大于被測(cè)壓力的5％，試確定該壓力表的量程和精度等級(jí)。,4.1.5 壓力檢測(cè)儀表的選擇與安裝,解：由題意知，被測(cè)對(duì)象的壓力比較穩(wěn)定，設(shè)彈簧管壓力表的量程為A，則根據(jù)最大工作壓力有：,A>

33、;0.6÷2/3=0.9MPa,根據(jù)最小工作壓力有：,A＜0.4÷1/3=1.2MPa,故根據(jù)儀表的量程系列，可選用量程范圍為0~1.0MPa的彈簧管壓力表。由題意，被測(cè)壓力允許的最大絕對(duì)誤差為：,?max＝0.4×5％＝0.02MPa,4.1.5 壓力檢測(cè)儀表的選擇與安裝,儀表精度等級(jí)的選取應(yīng)使得其最大引用誤差不超過允許測(cè)量誤差。對(duì)于測(cè)量范圍0~1.0MPa的壓力表，其最大引用誤差為：,γ＝±

34、0.02MPa×100％/1.0MPa＝±2％,故應(yīng)選取1.6級(jí)的壓力表。,表4-3 常用壓力計(jì)及壓力傳感器的性能和用途,4.1.5 壓力檢測(cè)儀表的選擇與安裝,4.1.5 壓力檢測(cè)儀表的選擇與安裝,2. 壓力檢測(cè)儀表的安裝,（1）取壓點(diǎn)選擇,1.取壓點(diǎn)不能處于流束紊亂的地方，要選在直管段上 ；2.取壓點(diǎn)上游側(cè)不應(yīng)有突出管路或設(shè)備的阻力件；3.取壓口開孔軸線須與介質(zhì)流動(dòng)方向垂直，引壓管口端面應(yīng)與 設(shè)備連接處的內(nèi)

35、壁保持平齊 ；4.測(cè)量液體壓力時(shí)，取壓點(diǎn)應(yīng)在管道下側(cè)；5.測(cè)量氣體壓力時(shí)，取壓點(diǎn)應(yīng)在管道上側(cè)。,原則：,4.1.5 壓力檢測(cè)儀表的選擇與安裝,（2）引壓管的敷設(shè),1.引壓管的粗細(xì)、長(zhǎng)短均應(yīng)選取合適 ；2.水平安裝的引壓管應(yīng)保持有1:10~1:20的傾斜度 ； 3.測(cè)量氣體時(shí)，向取壓口方向傾斜，并在最低處設(shè)排積液裝置 ；4 .當(dāng)被測(cè)介質(zhì)易冷凝或凍結(jié)時(shí)，還應(yīng)增加保溫伴熱措施。,引壓管的敷設(shè)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：,4.1.5 壓力檢測(cè)

36、儀表的選擇與安裝,（3）壓力儀表的安裝,1.壓力儀表應(yīng)安裝在能滿足規(guī)定的使用環(huán)境條件和易于觀察、維修之處；2.當(dāng)測(cè)量高溫介質(zhì)時(shí)，應(yīng)裝冷凝管或冷凝器；3.測(cè)量有腐蝕性、有結(jié)晶或沉淀物等介質(zhì)壓力時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)保護(hù)措施以防腐蝕、堵塞；4.當(dāng)壓力儀表與取壓點(diǎn)不在同一高度時(shí)，應(yīng)考慮修正液體介質(zhì)的液柱靜壓對(duì)儀表示值的影響。,壓力儀表的安裝要注意以下方面：,4. 2力的測(cè)量,4.2.1力的基本概念4.2.2力的測(cè)量方法4.2.3測(cè)力傳感

37、器,4.2.1力的基本概念,1. 力,力體現(xiàn)了物質(zhì)之間的相互作用，凡是能使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或物體所具有的動(dòng)量發(fā)生改變而獲得加速度或者使物體發(fā)生變形的作用都稱為力。,按照力產(chǎn)生原因的不同分重力、彈性力、慣性力、膨脹力、摩擦力、浮力、電磁力等。按力對(duì)時(shí)間的變化性質(zhì)分靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力兩大類。,4.2.1力的基本概念,2. 力的單位,力在國(guó)際單位制(SI)中是導(dǎo)出量，牛頓第二定律(F=ma)揭示了力(F)的大小與物體質(zhì)量(m)和加速度(a)的關(guān)系，

38、即力是質(zhì)量和加速度的乘積。,3. 力量值的傳遞,力的傳遞方式有定度和檢定兩種：定度是根據(jù)基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀器設(shè)備所傳遞的力值確定被校儀表刻度所對(duì)應(yīng)的力值；檢定是將準(zhǔn)確度級(jí)別更高的基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀器設(shè)備與被檢定測(cè)力儀表進(jìn)行比對(duì)，以確定被檢定測(cè)力儀表的誤差。,4. 2力的測(cè)量,4.2.1力的基本概念4.2.2力的測(cè)量方法4.2.3測(cè)力傳感器,4.2.2力的測(cè)量方法,力的測(cè)量方法,,力平衡法,測(cè)位移法,利用某些物理效應(yīng)測(cè)力,1. 力平衡

39、法,力平衡式測(cè)量法是基于比較測(cè)量的原理，用一個(gè)已知力來平衡待測(cè)的未知力，從而得出待測(cè)力的值。,（1） 機(jī)械式力平衡裝置,圖4-28給出了兩種機(jī)械式力平衡裝置。圖4-28(a)為梁式天平，圖4-28(b)為機(jī)械杠桿式力平衡裝置 。,4.2.2力的測(cè)量方法,（2） 磁電式力平衡裝置,特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，可獲得很高的測(cè)量精度。但這種方法是基于靜態(tài)重力力矩平衡，因此僅適用于作靜態(tài)測(cè)量。,4.2.2力的測(cè)量方法,圖4-29所示為一種磁電式力平

40、衡測(cè)力系統(tǒng)。,特點(diǎn)：使用方便，受環(huán)境條件影響較小，體積小、響應(yīng)快，輸出的電信號(hào)易于記錄且便于遠(yuǎn)距離測(cè)量和控制。,4.2.2力的測(cè)量方法,（3） 液壓和氣壓式測(cè)力系統(tǒng),圖4-30(a)給出了液壓活塞式測(cè)力系統(tǒng)的原理。,圖4-30(b)是氣壓式測(cè)力系統(tǒng)原理。,氣體壓力p0與被測(cè)力Fi的關(guān)系為,,(4-21),式中，Kd—膜片柔度(m/N)；Kn—噴嘴擋板機(jī)構(gòu)的增益。由式(4-21)可得,,(4-22),Kn實(shí)際并非嚴(yán)格為常數(shù)，但由于乘積K

41、d·Kn >>S，這(Kd·Kn)-1與S相比便可忽略不計(jì)，于是式(4-22)變?yōu)椋?,(4-23),4.2.2力的測(cè)量方法,4.2.2力的測(cè)量方法,2. 測(cè)位移法,在力作用下，彈性元件產(chǎn)生變形，測(cè)位移法通過測(cè)量未知力所引起的位移，從而間接地測(cè)得未知力值。,圖4-31所示是電容傳感器與彈性元件組成的測(cè)力裝置 。,4.2.2力的測(cè)量方法,圖4-32為兩種常用的由差動(dòng)變壓器與彈性元件構(gòu)成的測(cè)力裝置。,3. 利

42、用某些物理效應(yīng)測(cè)力,物體在力作用下會(huì)產(chǎn)生某些物理效應(yīng)，可以利用這些效應(yīng)間接檢測(cè)力值。,4. 2力的測(cè)量,4.2.1力的基本概念4.2.2力的測(cè)量方法4.2.3測(cè)力傳感器,4.2.3測(cè)力傳感器,1. 應(yīng)變式力傳感器,應(yīng)變式力傳感器應(yīng)用最為廣泛 ，應(yīng)變式力傳感器的工作原理與應(yīng)變式壓力傳感器基本相同，它也是由彈性敏感元件和貼在其上的應(yīng)變片組成。,圖4-33給出了常見的彈性元件及應(yīng)變片的貼片方式。圖4-33(a)為柱形彈性元件，圖4-3

43、3(b) 為筒形彈性元件，圖4-33(c) 為梁形彈性元件，圖4-33(d)為薄壁圓環(huán)，圖4-33(e)為S形彈性元件。,4.2.3測(cè)力傳感器,（1）柱形應(yīng)變式力傳感器,柱形彈性元件通常都做成圓柱形和方柱形，用于測(cè)量較大的力。如圖4-33(a)所示。,4.2.3測(cè)力傳感器,,（2） 輪輻式力傳感器,圖4-34是較常用的輪輻式切應(yīng)力傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。,輪輻式力傳感器由輪圈、輪轱、輻條和應(yīng)變片組成。如圖4-34(b)所示，形成與外力成正比的

44、切應(yīng)變。,4.2.3測(cè)力傳感器,2. 壓磁式力傳感器,壓磁式力傳感器一般由壓磁元件、傳力機(jī)構(gòu)組成，如圖4-35(a)所示。其中主要部分是壓磁元件，它由其上開孔的鐵磁材料薄片疊成。,4. 3轉(zhuǎn)矩的測(cè)量,4.3.1轉(zhuǎn)矩的概念4.3.2傳遞法轉(zhuǎn)矩測(cè)量,4.3.1轉(zhuǎn)矩的概念,1. 轉(zhuǎn)矩的定義及單位,使機(jī)械元件轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩或力偶稱為轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)矩。,在國(guó)際單位制(SI)中，轉(zhuǎn)矩的計(jì)量單位為牛頓·米(N·m) ，工程技術(shù)中

45、也曾用過公斤力·米等作為轉(zhuǎn)矩的計(jì)量單位。,2. 轉(zhuǎn)矩的類型,轉(zhuǎn)矩可分為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。,4.3.1轉(zhuǎn)矩的概念,靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是值不隨時(shí)間變化或變化很小、很緩慢的轉(zhuǎn)矩，包括靜止轉(zhuǎn)矩、恒定轉(zhuǎn)矩、緩變轉(zhuǎn)矩和微脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。,動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩是值隨時(shí)間變化很大的轉(zhuǎn)矩，包括振動(dòng)轉(zhuǎn)矩、過渡轉(zhuǎn)矩和隨機(jī)轉(zhuǎn)矩三種。,3. 轉(zhuǎn)矩的測(cè)量方法,轉(zhuǎn)矩的測(cè)量方法可以分為平衡力法、能量轉(zhuǎn)換法和傳遞法。其中傳遞法涉及的轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x器種類最多，應(yīng)用也最廣泛。,4.3.1轉(zhuǎn)矩的

46、概念,（1） 平衡力法及平衡力類轉(zhuǎn)矩測(cè)量裝置,平衡力法轉(zhuǎn)矩測(cè)量裝置又稱作測(cè)功器。圖4-36為平衡力法測(cè)量轉(zhuǎn)矩的原理。,特點(diǎn)：平衡力法直接從機(jī)體上測(cè)轉(zhuǎn)矩，不存在從旋轉(zhuǎn)件到靜止件的轉(zhuǎn)矩傳遞問題。但它僅適合測(cè)量勻速工作情況下的轉(zhuǎn)矩，不能測(cè)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。,4.3.1轉(zhuǎn)矩的概念,（2） 能量轉(zhuǎn)換法,依據(jù)能量守恒定律，通過測(cè)量其他形式的能量如電能、熱能參數(shù)來測(cè)量旋轉(zhuǎn)機(jī)械的機(jī)械能，進(jìn)而獲得與轉(zhuǎn)矩有關(guān)的能量系數(shù)來確定被測(cè)轉(zhuǎn)矩大小的方法即能量轉(zhuǎn)換法。,（3）

47、 傳遞法,傳遞法是指利用彈性元件在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)物理參數(shù)的變化與轉(zhuǎn)矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系來測(cè)量轉(zhuǎn)矩的一類方法。,4. 3轉(zhuǎn)矩的測(cè)量,4.3.1轉(zhuǎn)矩的概念4.3.2傳遞法轉(zhuǎn)矩測(cè)量,4.3.2傳遞法轉(zhuǎn)矩測(cè)量,1. 應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測(cè)量,根據(jù)材料力學(xué)的理論，轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)矩M的作用下，其橫截面上最大剪應(yīng)力τmax與軸截面系數(shù)W和轉(zhuǎn)矩M之間的關(guān)系為,,(4-25),,(4-26),式中，D—軸的外徑；d—空心軸的內(nèi)徑。,4.3.2傳遞法轉(zhuǎn)矩測(cè)量,τmax無法用應(yīng)變片

48、來測(cè)量，但與轉(zhuǎn)軸中心線成±45?夾角方向上的正負(fù)主應(yīng)力σ1和σ3的數(shù)值等于τmax，即,,(4-27),根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，應(yīng)變?yōu)?,(4-28),,(4-29),式中，E—材料的彈性模量(Pa)；μ—材料的泊松比。,4.3.2傳遞法轉(zhuǎn)矩測(cè)量,2. 壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器,特點(diǎn)：壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器是非接觸測(cè)量，使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，基本上不受溫度影響和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速限制，而且輸出電壓很高(可達(dá)10V)。,,4.3.2傳遞法轉(zhuǎn)矩測(cè)量,3. 扭

49、轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量,扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量法是通過扭轉(zhuǎn)角來測(cè)量轉(zhuǎn)矩的。,根據(jù)材料力學(xué)，在轉(zhuǎn)矩M作用下，轉(zhuǎn)軸上相距L的兩橫截面之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角?為,,(4-30),式中，G—軸的剪切彈性模量。,由(4-30)式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，其上兩截面間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩成比例，因此可以通過測(cè)量扭轉(zhuǎn)角來測(cè)量轉(zhuǎn)矩。,4.3.2傳遞法轉(zhuǎn)矩測(cè)量,（1） 光電式轉(zhuǎn)矩傳感器,光電式轉(zhuǎn)矩傳感器如圖4-39所示。在轉(zhuǎn)軸上安裝兩個(gè)光柵圓盤，兩個(gè)光柵盤外側(cè)設(shè)有光源和光敏元件

50、。,特點(diǎn)：這是一種非接觸測(cè)量方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便可靠，且測(cè)量精度不受轉(zhuǎn)速變化的影響。,4.3.2傳遞法轉(zhuǎn)矩測(cè)量,（2） 相位差式轉(zhuǎn)矩傳感器,圖4-40所示是基于磁感應(yīng)原理的磁電相位差式轉(zhuǎn)矩傳感器。,,特點(diǎn)：相位差式轉(zhuǎn)矩傳感器是非接觸測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，對(duì)環(huán)境條件要求不高，精度一般可達(dá)0.2％。,4.3.2傳遞法轉(zhuǎn)矩測(cè)量,（3） 振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器,圖4-41所示是振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器。振弦自振頻率fg與振弦中的張力F的平方根成正比：