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壓力和差壓的基本概念
在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域中,壓力、差壓經(jīng)常是需要直接檢測(cè)和控制的重要參數(shù),如電廠鍋爐的主蒸汽壓力、再熱汽壓力、爐膛負(fù)壓等等。此外還有些不易直接測(cè)量的參數(shù),如液位、流量等往往也可以通過對(duì)壓力、差壓的測(cè)量來間接獲得。這些參數(shù)都是力的現(xiàn)象,因此在測(cè)量方法和所用儀器設(shè)備上有很多相同的地方。下面介紹壓力、差壓的測(cè)量方法,測(cè)量中所用的儀器設(shè)備及所用典型傳感器的基本原理及結(jié)構(gòu)。
1.壓力和差壓的基本概念
1.1基本概念
壓力和差壓是工業(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)低耗及安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。所謂壓力就是垂直而均勻地作用在單位面積上的力,即物理學(xué)中的壓強(qiáng),而差壓是指兩個(gè)測(cè)量壓力之間的差值,也就是壓力差。
在壓力測(cè)量中,由于參照點(diǎn)的不同,在工程上壓力有不同表示方法。
(1) 壓力。被測(cè)介質(zhì)作用于物體表面上的全部壓力稱為壓力。
(2) 大氣壓力。由地球表面空氣質(zhì)量所形成的壓力,稱為大氣壓力。它隨地理緯度、海拔高度及氣象條件而變化。
(3) 表壓力。壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮褐罘Q為表壓力,工程上需要測(cè)量的往往是物體超出大氣壓以外的壓力大小,因此壓力計(jì)的指示值都是表壓力(即通人儀表的壓力是壓力,顯示的是表壓力)。
(4) 真空度(負(fù)壓)。當(dāng)壓力小于大氣壓力時(shí),表壓力為負(fù)值(負(fù)壓力),其值稱為真空度。
(5) 差壓。任意兩個(gè)壓力之差稱為差壓。
壓力=表壓力+大氣壓力
這幾種表示法的關(guān)系如圖3-1所示。此外,工程上按壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系還有靜態(tài)壓力(不隨時(shí)間變化或變化緩慢的壓力)和動(dòng)態(tài)壓力(隨時(shí)間做快速變化的壓力)之分。
1.1.2壓力單位
壓力是力和面積的導(dǎo)出量。在單位制中,取力的單位為牛頓,面積單位為平方米,則壓力單位為牛頓/平方米,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(106Pa)表示。帕斯卡為壓力的法定單位。目前有些場(chǎng)合習(xí)慣上還用工程大氣壓kgf/cm2、mmH20、mmHg等。
1.1.3壓力的常用測(cè)量方法
壓力的測(cè)量方法可根據(jù)不同的工作原理劃分為重力平衡方法、彈性力平衡方法、物性測(cè)量方法和機(jī)械力平衡方法等。
重力平衡方法是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。例如液柱式壓力計(jì)和活塞式壓力計(jì);彈性力平衡方法是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,將壓力轉(zhuǎn)換成位移,通過測(cè)量彈性元件位移變形的大小測(cè)出被測(cè)壓力。此類壓力計(jì)有多種類型,可以測(cè)量壓力、負(fù)壓、壓力和壓差,應(yīng)用;物性測(cè)量方法是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。如應(yīng)變式、壓電式、電容式壓力傳感器等等;機(jī)械力平衡方法則是將被測(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,力平衡式儀表可以達(dá)到較高精度,但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。測(cè)壓傳感器分為機(jī)械式和電氣式,機(jī)械式如液柱式、活塞式、彈性元件式等,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便,價(jià)格低廉等特點(diǎn)。電氣式如壓電式、壓阻式、壓磁式,具有動(dòng)態(tài)性能好,靈敏度高,易于小型化,便于遠(yuǎn)傳等特點(diǎn)。目前這兩類傳感器均得到了廣泛的使用。