物理學中,把單位面積上所承受的垂直作用力稱為壓強,在制冷、冷凍設備工程中就稱為壓力。氣體的壓力是大量氣體分子熱運動時對壁面撞擊的結(jié)果。工程上壓力常以符號P表丁。
與大氣相通時,兩端液體受當?shù)卮髿鈮毫Φ淖饔茫褐叨认嗟取?/div>
若將管的右端與受壓縮氣體的密閉客器相連時,右端的液柱向
左壓,兩端形成液位差,如圖1、耳所示。容器內(nèi)壓力越大,則
液位差矗越高,矗表示容器內(nèi)壓力大于大氣壓B的數(shù)值,這個差值
矗就是表壓力。
如果客器內(nèi)壓力小于大氣壓力,在大氣壓B的作用下,左端的液柱向右壓,客器
內(nèi)壓力越小,兩端的液位差矗越大,矗就是真空度。
三、壓力的測量
用來測量氣體或液體壓力的工業(yè)自動化儀表,又稱壓力表或壓力計。壓力表可以指示、
記錄壓力值并可附加報警或控制裝置。儀表所測壓力包括壓力、大氣壓力、正壓力(習
慣上稱表壓)、負壓(習慣上稱真空)和差壓。工程技術(shù)上所測量的多為表壓。壓力的國際單位為帕(Pa)。壓力的其他單位(非法定計量單位)還有:千克力/平方厘米(屹優(yōu)土)、巴(bar)、毫米水柱(mmH刃)、毫米汞柱ho)(即托)等。
壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)。如高壓客器的壓力超過額定值時便是不安全的,必須
進行測量和控制。在某些工業(yè)生產(chǎn)過程中,壓力不僅直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率,如
生產(chǎn)合成氨時,氮和氫不僅需在一定的壓力下合成,而且壓力的大小直接影響產(chǎn)量的高低。
此外,在一定的條件下,測量壓力還可以間接得出溫度、流量和液位等參數(shù)。
1.簡史
1643年,意大利人且托里拆利首先測定標準的大氣壓力值為760mmH刃,奠定了液
柱式壓力測量儀表的基礎(chǔ)。1847年,法國人且波登制成的波登管壓力表,由于結(jié)構(gòu)簡單、
實用,很快在工業(yè)中獲得廣泛應用,一直是常用的壓力測量儀表。20世紀上半葉出現(xiàn)遠傳
壓力表和電接點壓力表,從而解決壓力測量值的遠距離傳送和壓力的報警、控制問題。20
世紀60年代以后,為適應工業(yè)控制、航空工業(yè)和醫(yī)學測試等方面的要求,壓力測量儀表日
益向體積輕巧、耐高溫、耐沖擊、耐振動和數(shù)字顯示等方向發(fā)展。
2.分類
壓力測量儀表按工作原理分為液柱式、彈性式、彈簧管壓力表、負荷式和電測式等類
型。
(1)液柱式壓力測量儀表
液柱式壓力測量儀表常稱為液柱式壓力計。它是以一定高度的液柱所產(chǎn)生的壓力與被
測壓力相平衡的原理測量壓力的。多數(shù)是一根直的或彎成U形的玻璃管,其中充以工作液
體。常見的有單管壓力計、U形壓力計。常用的工作液體為蒸餾水、水銀和酒精。因玻璃
管強度不高并受讀數(shù)限制,所測壓力一般不超過0.3MPa。它的特點是靈敏度高。液柱式壓力計主要用作實驗室中的低壓基準儀表,以校驗工作用壓力測量儀表。由于工作液體的重度在環(huán)境溫度、重力加速度改變時會發(fā)生變化,對測量的結(jié)果常需要進行溫度和重力加速度等方面的修正。
(2)彈性式壓力測量儀表
彈性式壓力測量儀表是利用各種不同形狀的彈性元件在壓力下產(chǎn)生變形的原理制成的
壓力測量儀表。按采用的彈性元件不同分為彈簧管壓力表、膜片壓力表、膜盒壓力表和波
紋管壓力表等;按功能不同分為指示式壓力表、電接點壓力表和遠傳壓力表等。這類儀表
的特點是結(jié)構(gòu)簡單,結(jié)實耐用,測量范圍寬(-0.1~1500MPa人是壓力測量儀表中應用最多的一種。
(3)彈簧管壓力表
彈簧管壓力表又稱為波登管壓力表,如圖1、5所示。壓力表中的彈簧的自由端是封閉
的,它通過拉桿帶動扇形齒輪轉(zhuǎn)動。測壓時,彈簧管在被測壓力作用下產(chǎn)生變形,因而彈
簧管自由端產(chǎn)生位移,位移量與被測壓力的大小成正比,使指針偏轉(zhuǎn),在度盤上指示出壓
力值。如果表殼內(nèi)通有大氣,壓力表測出的壓力為正壓或負壓;如果將表殼密封并油成真
空,壓力表測出的壓力就是壓力。彈簧管壓力表帶有隔離裝置時,尚可測量溫度較高
或具有腐蝕性、勃稠狀、易結(jié)晶和粉塵狀介質(zhì)的壓力。在度較高(如0.25級以上)的
彈性式壓力測量儀表中,彈性元件多用恒彈性合金甚至石英玻璃制成。傳動機構(gòu)的軸孔中
鑲嵌寶石軸承或滾動軸承。度盤標尺長,有的還能進行數(shù)字顯示。
(4)負荷式壓力測量儀表
負荷式壓力測量儀表常稱為負荷式壓力計。它是直接按壓力的定義制作的,常見的有
活塞式壓力計、浮球式壓力計和鐘罩式壓力計。
如圖1、6所示為活塞式壓力計的結(jié)構(gòu)示意圖?,m碼和活塞系統(tǒng)的重力作用于工作介質(zhì)
(油或氣),產(chǎn)生的壓力按帕斯卡原理(見流體靜力學)傳至壓力計各處,其值等于琺碼和活塞系統(tǒng)的重力除以活塞有效面積。調(diào)整琺碼即可獲得不同的壓力值。由于活塞和琺碼均可以加工和測量,這類壓力計誤差很小,主要作為壓力基準儀表使用,測量范圍從數(shù)十帕至2500MPa。提供的標準壓力值為斷續(xù)值,故操作較復雜。當活塞式壓力計的度在0.05級以上時,則需要對測量結(jié)果進行修正。修正的內(nèi)容有環(huán)境溫度變化引起的活塞有效面積變化的影響、空氣浮力的影響、活塞底部和被校儀表中心的高度差的影響等。壓力高于25MPa時,尚須考慮高壓時活塞桿變形造成的誤差的修正。
(5)電測式壓力測量儀表
這類儀表利用金屬或半導體的物理特性直接將壓力轉(zhuǎn)換為電壓、電流信號或頻率信號
輸出,或是通過電阻應變片等將彈性體的形變轉(zhuǎn)換為電壓、電流信號輸出。代表性產(chǎn)品有
由壓電式、壓阻式、振頻式、電客式和應變式等壓力傳感器所構(gòu)成的電測式壓力測量儀表。
度可達0.02級,測量范圍從數(shù)十帕至700MPa不等。
如圖1、7所示為壓阻式壓力傳感器的原理示意圖。它利用了半導體材料硅受壓后電阻
率改變與所受壓力有一定關(guān)系的原理。用集成電路工藝在單晶硅膜片的特定晶向上擴散一
組等值應變電阻,將電阻接成電橋形式。當壓力發(fā)生變化時,單晶硅產(chǎn)生應變,應變使電
阻值發(fā)生與被測壓力成比例的變化,電橋失去平衡,輸出電壓信號至顯示儀表顯示。