空氣壓力測量及壓力關系

一、測壓儀器

在礦井通風測量儀器中，測定空氣壓力的便攜式儀器有三類：一是測量壓力的氣壓計；二是測量相對壓力的壓差計和皮托管；三是可同時測定壓力、相對壓力的精密氣壓計或礦井通風綜合參數檢測儀等。

（一）壓力測量儀器

常用的是空盒氣壓計，其內部構造如圖2-3所示。

圖2-3 空盒氣壓計內部結構圖

1、2、3、4—傳動機構；5—拉桿；6—波紋真空膜盒；7—指針；8—彈簧

空盒氣壓計的感壓元件是外表呈波紋形、內為真空的特殊合金金屬膜盒。當壓力增大或減小時，膜盒面相應地凹下、凸出，通過傳動機構將這種微小位移放大后，驅動指針指示出當時測點的壓力值。

測壓時，將儀器水平放置在測點處，輕輕敲擊儀器外殼，以消除傳動機構的摩擦誤差，放置3～5min待指針變化穩定后讀數。讀數時，視線與刻度盤平面要保持垂直，同時，還要根據每臺儀器出廠時提供的校正表（或曲線），對讀數進行刻度、溫度及補償校正。

常用的DYM3型空盒氣壓計的測壓范圍為80000～108000Pa，小分度為10Pa，經過校正后的測量誤差不大于200Pa。因精度較低，一般只適用于粗略測量和空氣密度測算。

（二）相對壓力測量儀器

測量井巷中（或管道內）某點的相對壓力或兩點的壓力差時，一般需要用皮托管配合壓差計來進行。壓差計有U形壓差計、單管傾斜壓差計、補償式微壓計等。

1、皮托管

皮托管是承受和傳遞壓力的工具。它由兩個同心圓管相套組成，其結構如圖2-4所示。內管前端有中心孔，與標有“+”號的接頭相通；外管前端側壁上分布有一組小孔，與標有“-”號的接頭相通，內外管互不相通。

圖2-4  皮托管

使用時，將皮托管的前端中心孔正對風流，此時，中心孔接受的是風流的靜壓和動壓（即全壓），側孔接受的是風流的靜壓。通過皮托管的“+”接頭和“-”接頭，分別將全壓和靜壓傳遞到壓差計上。

2、U形壓差計

有U形垂直壓差計和U形傾斜壓差計兩種，構造如圖2-5所示。

圖2-5  U形壓差計

a—垂直形  b—傾斜形

1—U形玻璃管；2—標尺

U形垂直壓差計由垂直放置的U形玻璃管和標尺組成，U形玻璃管中裝入蒸餾水或酒精，當玻璃管兩端分別接入不等的空氣壓力時，通過兩端液面的高差，在標尺上讀出兩點之間的空氣壓力差。

U形垂直壓差計精度低，但量程大，適用于精度要求不高，壓差較大的地方，如礦井主通風機房內測量風硐內外的壓差。為了減小讀數誤差，可使用U形傾斜壓差計，其測得的讀數按下式計算壓差：

                          h＝ρgLsinα                          （2-13）

式中   h——兩液面的垂直高差，即壓差，Pa；

  ρ——玻璃管內液體的密度，kg/m3；

  L——兩端液面傾斜長度差，mm；

  α——U形管傾斜的角度（可調整），對于U形垂直壓差計α＝90º。

3、單管傾斜壓差計

單管傾斜壓差計的外部結構和工作原理如圖2-6所示。它由一個大斷面的容器10（面積為F1）和一個小斷面的傾斜測壓管8（面積為F2）及標尺等組成。大容器10和測壓管8互相連通，并在其中裝有用工業酒精和蒸餾水配成的密度為0.81kg/m3的工作液。兩斷面之比（F1/F2）為250～300。儀器固定在裝有兩個調平螺釘9和水準指示器2的底座1上，弧形支架3可以根據測量范圍的不同將傾斜測壓管固定在5個不同的位置上，刻在支架上的數字即為校正系數。大容器通過膠管與儀器的“+”接頭相通，傾斜測壓管的上端通過膠皮管與儀器的“-”接頭相連，當“+”接頭的壓力高于“-”接頭的壓力時，雖然大容器內液面下降甚微，但測壓管端的液面上升十分明顯，經過下式計算相對壓力或壓差h：

                       h＝LKg  ，Pa                        （2-14）

式中 L——傾斜測壓管的讀數，mm；

K——儀器的校正系數（又稱常數因子），測壓時傾斜測壓管在弧形支架上的相應數字。

圖2-6  YYT—200型單管傾斜壓差計結構

1—底座；2—水準指示器；3—弧形支架；4—加液蓋；5—零位調整旋鈕；

6—三通閥門柄；7—游標；8—傾斜測壓管；9—調平螺釘；10—大容器；11—多向閥門

儀器的操作和使用方法如下：

（1）注入工作液。將零位調整旋鈕5調整到中間位置，測壓管固定在弧形支架的適當位置，旋開加液蓋4，緩緩注入預先配置好的密度為0.81 kg/m3的工作液，直到液面位于傾斜測壓管的“0”刻度線附近，然后旋緊加液蓋，再用膠皮管將多向閥門11中間的接頭與傾斜測量管的上端連通。將三通閥門柄6撥在儀器的“測壓”位置，用嘴輕輕從“+”端吹氣，使酒精液面沿測壓管緩慢上升，察看液柱內有無氣泡，如有氣泡，應反復吹吸多次，直至氣泡消除為止。

（2）調零。首先調整儀器底座上的兩個調平螺釘9，觀察水準指示器內的氣泡是否居中，使儀器處于水平。順時針轉動三通閥門柄6到“校正”位置，使大容器和傾斜測壓管分別與“+”接頭和“-”接頭隔斷，而與大氣相通。旋動零位調整旋鈕5，使測壓管的酒精液面對準“0”刻度線。

（3）測定。根據待測壓差的大小，將傾斜測壓管固定在弧形支架相應的位置上，用膠皮管將較大的壓力接到儀器的“+”接頭，較小的壓力接到儀器的“-”接頭。逆時針轉動三通閥門柄6到“測壓”位置，讀取測壓管上酒精液面的讀數和弧形支架的K值，用式（2-14）計算壓差值或相對壓力。

常用的YYB—200B型單管傾斜壓差計大測量值為2000Pa，小分刻度為2Pa，誤差不超過大讀數的1.0%。單管傾斜壓差計是通風測量中應用廣的一種壓差計。

4、補償式微壓計

補償式微壓計可以作的壓差測量，其主要構造和原理如圖2-7所示。它有充水的大小兩個容器2和1，下部用膠皮管9連通。大容器與儀器的“-”接頭相通，小容器與儀器的“+”接頭相通。轉動讀數盤3，大容器可隨之上下移動。當“+”“-”接頭的壓力相同時，兩容器液面處于同一平面上，通過裝在小容器上的反射鏡6可以看到水準器7的同它自己的像正好相接（如圖2-7b所示）。當“+”接頭壓力大于“-”接頭壓力時，小容器液面下降，反射鏡6內的和影像互相接觸重疊，通過轉動讀數盤3，使兩液面再次恢復到同一水平面上，由大容器的垂直移動距離（從標尺11和讀數盤3上讀出）來確定大小容器所受到的壓力差。

圖2-7  DJM9型補償式微壓計

1—小容器；2—大容器；3—讀數盤；4—指針；5—螺蓋；6—反射鏡；

7—水準器；8—調節螺母；9—膠皮管；10—調平螺釘；11—標尺

儀器的操作和使用方法如下：

（1）注入蒸餾水并調零。轉動讀數盤3，使讀數盤及位移指針4均處于“0”點。打開螺蓋5，注入蒸餾水，直到從反射鏡中觀察到水準器7的正、倒影像近似接觸。蓋緊螺蓋，緩慢轉動讀數盤使大容器2上下移動數次，以排除膠皮管9內的氣泡。用調平螺釘10將儀器調平，慢慢轉動調節螺母8使小容器微微移動，水準器中的正、倒影尖恰好相接觸。若兩個影尖重疊，表明水量不足，應再加水；若兩個影尖分離，表明水量過多，應排出部分水量。

（2）測定。儀器調平、調零后，將被測壓力較大的膠皮管接到儀器的“+”接頭，壓力較小的膠皮管接到儀器的“-”接頭上。小容器1中的液面下降，從反射鏡6中可觀察到水準器的正、倒影像消失或重疊，順時針緩慢轉動讀數盤3，直到兩個影像再次恰好相接。指針4所指示的標尺整數與讀數盤所指的小數之和，即為所測壓力差值。

常用的補償式微壓計有DJM9型、YJB-150/250-1型、BWY-150/250型等。其中，DJM9型的測量范圍為0～1500Pa，小分度值為0.1Pa。這類儀器的精度高，可用于微小壓差測量，但受壓力波動影響大，水準針尖不宜調準，多用于實驗室內。

（三）礦井通風綜合參數檢測儀

我國生產的JFY型礦井通風綜合參數檢測儀，是一種能同時測量空氣的壓力、相對壓力、風速、溫度、濕度和時間的精密便攜式本質安全型儀器，適用于煤礦井下使用。其主要技術參數如表2-2所示。

表2-2  JFY型礦井通風綜合參數檢測儀技術參數表

該儀器由壓力傳感器、風速傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器以及智能微機組成。其中的壓力傳感器采用高精度振動筒壓力傳感器，其結構如圖2-8所示，主要由保護筒、激振元件、振動彈性體、溫度傳感器、真空腔和拾振元件等組成。振動彈性體3為一個薄壁圓筒（壁厚0.08mm），是感受壓力的敏感元件，與保護筒1焊接在一起，共同構成真空腔，此腔是測壓基準參考腔。激振元件2、拾振元件6與放大器構成測壓振蕩器，在常壓下產生一個固有的振動頻率f，當壓力P變化時，振蕩器的固有頻率也發生變化，即壓力P與頻率f一一對應，并且單值連續。通過測量頻率f（或周期T ）即可測出外界的壓力P。

圖2-8  振動筒壓力傳感器

1—保護筒；2—激振元件；3—振動彈性體；

4—溫度傳感器；5—真空腔；6—拾振元件；7—底座支架

儀器的操作方法參見儀器面板布置圖2-9。測量前先將電源開關打到“通”的位置，電源電壓指示燈亮，若指示燈發暗，說明電源電壓不足，應先充電。

圖2-9  JFY型礦井通風參數檢測儀面板圖

1—氣孔；2—電源開關；3—電源電壓指示燈；4—壓力記憶開關；5—充電插座；6—壓力鍵；7—壓差鍵；8—溫度鍵；9—相對濕度鍵；10—風速鍵；11—記風速鍵；12—讀平均風速鍵；13—總清鍵；14—備用鍵；15—風速傳感器；16—溫度傳感器；17—濕度傳感器；18—液晶顯示；19—單位顯示；20—電子表

（1）測量壓力。儀器通電后，整機進入自檢狀態，顯示傳感器的周期數，按“總清”鍵，則顯示測點的壓力，單位為hPa。

（2）測量相對壓力。儀器通電后，只要按下“差壓”鍵，并將記憶開關撥向“記憶”位置，則進入相對壓力測定狀態，此時，儀器將按鍵時測點的壓力P0值記入內存中，并將此值作為后面的測壓基準，當儀器發生位移或測點的壓力變化后，面板上液晶窗口顯示的總是壓差值（⊿P =P -P0），單位為mmH2O。只要不斷電和記憶開關處于“記憶”位置不變，后面的測壓基準P0也不變。要想了解其它參數值，只要按下相應的鍵即可。

（3）測量溫度和相對濕度。儀器通電后，不論處于何種狀態，只要按下“溫度”鍵，就顯示當時測點的溫度值；按下“濕度”鍵，就顯示當時測點的相對濕度值。因溫度和濕度傳感器都有滯后現象，因此，從前一測點轉到另一測點時，應等待2～5min后再讀數。

（4）測量風速。可以測量點風速，也可以測量斷面的平均風速。測量點風速時，只要把風速傳感器上的箭頭方向朝向風流，按下“風速”鍵讀數即可，單位為m/s。要測斷面的平均風速時，可利用機械風表測風時的定點法（如圖1-10），先測1點風速，按下“風速”鍵，顯示1點風速值。再按下“記風”鍵，顯示該點風速后，又顯示一下“1”，表示1點的風速已存入內存中；將傳感器移到2點，按下“記風”鍵，顯示2點的風速值后又顯示一下“2”，表示2點的風速已存入內存；……，如此進行，直到將所有測點測完，后再按“讀風”鍵，讀出該巷道斷面的平均風速值。

礦井通風綜合參數檢測儀廣泛應用于礦井通風阻力測定、通風壓能圖測定等工作中。除此之外，常用的數字式氣壓計還有BJ—1型、WFQ—2型等，既能測壓力又可測相對壓力。