工程测量技术_第5章压力测量.

15压力测量工程测试技术25压力测量重点：1、压力测量的基本方法。2、常用的压力显示仪表，压力传感器基本原理及工作特性。3、静压、总压、动压测量在发动机测试中的作用。35.1总论5.1.1发动机测试中的压力测量压力是发动机试验中需大量测量的参数，是热力循环中工质基本的状态参数之一。5.1.2基本参量及其测量1、压力（压强）P=F/A牛顿/米2或帕斯卡（Pa）2、流体力学中，压力包括两部分：静压和动压在水平流道中，一维流动的欧拉运动微分方程υdυ+dP/ρ=0式中υ—速度，P—压力，ρ—密度。45.1总论对不可压缩流ρ=常数，将欧拉方程沿流管积分（取任意两截面1、2）(不可压缩流体的伯努利方程)式中：P1、P2—静压，为总压,为动压压力测量静压测量、动压测量非电量测量：例引入液柱式测压计。非电量电测：压力传感器、放大器、记录仪等构成测试系统。22112vvPPconst222vPP22212vv、2255.2压力显示仪表在热工、气动参数测量中，被测压力范围很广，没有一种压力显示仪表能在规定的精度符合整个范围的要求，必须根据实际情况正确选用。5.2.1液柱式压力计（根据流体静压强分布规律和连通器原理）1、U型管压力计图为U型管压力计的结构图65.2压力显示仪表根据流体静力学原理，当两管分别作用压力P1和P2，工作液体处于静止状态时，如果ρ1=ρ2，如果ρ1ρ，ρ2ρ，可不计ρ1，ρ2，则图3-1（b）是测量微小压力的U型管微压计。2、单管式压力计与斜管式微压计U型管压力计须要读两个液柱高度，不仅费时而且增大了读数误差。图3-2为单管式压力计与斜管微压计，可克服以上缺点。12212112ppg()(Hh)g()(hh)12112ppg()(hh)1212ppg(hh)75.2压力显示仪表单管式压力计——当Ff，F≈0时，有斜管式微压计——斜管式微压计用以测量微小的正压、负压和差压。测量压力时，被测压力通入大截面容器，测量负压时，被测负压通入肘管，测量差压时，将较高的压力通入大截面容器，而较低的压力通入肘管。如改变倾斜角α即改变A值，以适应不同的测量范围。2121)(hρρgpp)/(sin,22DdαgρAAlpΔ85.2压力显示仪表5.2.2弹性式压力计结构特点：根据弹性元件受压变形与压力大小有确定关系的原理制成的。适用范围广，结构简单，是工业上应用最广的压力测量仪表。弹性元件：膜片、膜盒、波纹管和弹簧管。1、弹簧管压力表弹簧管是用一根扁圆形或椭圆形截面的金属管顺着截面短轴方向弯成圆弧形而成。管子的一端封闭，可以自由移动，管子的另一端固定在仪表基座上并开口，当固定端通入被测压力时，弹簧管承受内压，截面形状趋于变成圆形，自由端外移，经连杆、齿轮传动机构带动压力表的指针转动指示被测压力。95.2压力显示仪表105.2压力显示仪表5.2.4测压仪表的使用测压仪表的选择应根据被测压力的种类（压力、负压、绝对压力或差压等），被测介质的物理、化学性质和参数（温度、粘度、腐蚀性与爆炸性等），用途（标准、指示、记录和信号远传等）以及要求的测量精度，被测压力的变化范围等来确定压力表的种类、型式和规格。选择压力表时应使被测压力值在1/3~2/3仪表上限值范围，如果被测压力经常变动，则被测压力为仪表上限值的1/2左右较合适。为了保证测量结果的准确性，在选择压力表的精度等级时，还应估计附加误差，以使总的不确定度符合要求。115.3压力传感器5.3.1压阻式压力传感器压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应进行工作的。压阻效应——单晶硅受外力作用产生应力时，其电阻要随应力改变。125.3压力传感器传感器的核心部分是杯状的硅膜片，在膜片上用扩散工艺制成四个等值电阻，称为硅杯，它们构成一个平衡电桥。当压力作用于膜片时，膜片弯曲，R1、R3位于正应变区，电阻值增加，R2、R4位于负应变区，电阻值减少，电桥不平衡，所以有电压输出，此不平衡电压就是压力的度量。135.3压力传感器压阻式压力传感器的优点是灵敏度高、无迟滞、频率响应高、输出电平高、使用方便，特别是尺寸小，使它可以被直接装入压力探针的传压针管中，因此在动态压力测量中应用广泛。扫描阀中使用。压阻式压力传感器的缺点是对温度很敏感，存在零位温度漂移和灵敏度温度漂移等问题，但使用扫描阀可实现实时校准，以减小误差。145.3压力传感器5.3.2压电式压力传感器压电效应与压电传感器配套的必须是高输入阻抗电路，一般使用电荷放大器。测量电路如图。如果放大器输入阻抗Z为无穷大，那么输出电压US等于负反馈电容Cr两端的电压降：srUCQUCQKFQ,,155.3压力传感器由于压电材料的温度效应，在用于测高温介质的压力时，必须采取充分有效的冷却措施以保持稳定的压电性能，克服温度干扰。压电传感器的输出阻抗和电荷放大器的输入阻抗都不可能为无穷大，漏电不可避免。因此压电传感器不适用于稳态测量。压电传感器的优点是频率响应高、灵敏度大、不需电源（自身属于发电变换器）。其缺点是输出阻抗高、温度效应大、低频性能差。165.3压力传感器5.3.5压力扫描系统使用压力扫描系统的目的，一方面是对多路的稳态压力进行快速的测量，以缩短大型试验的时间。另一方面是可以在使用中对压力传感器进行实时校准，以提高测量精度。1、机械式压力扫描阀结构如图，在底座上钻的许多小孔中都装有接压嘴，每个接压嘴接入一路待测压力。旋转阀上只有一条压力通道，转动旋转阀，各接压嘴的待测压力就依次被送到压力传感器进行测量。几十路压力共同使用一个传感器。用三个接压嘴分别接入数值不同的三个标准压力。在旋转阀旋转一圈的过程中，不仅进行了几十个压力的测量，同时也进行了一次校准。利用三个标准压力值，可得到传感器的实时校准特性。用它立即去求各路的待测压力。175.3压力传感器185.3压力传感器2、电子扫描测压系统这种系统每路压力使用一个压力传感器。由数字数据采集系统来采集和处理传感器的输出信号。因此速度比机械式压力扫描要快得多。由于压阻式压力传感器价格低廉，体积可以很小，几十个压阻式传感器可以紧凑布置在几个平方厘米的平面内。但是，必须对全部压阻传感器进行实时校准才能克服其零点及灵敏度漂移问题。因此在各路压力接往自己的传感器之前，先一起经过一个切换阀。测量前切换阀被控制压力p控推向右边，处于校准位置。对所有传感器接入相同的标准压力。195.3压力传感器用三个标准压力值，采集每个传感器的对应输出，就可求得各个传感器的实时校准特性。然后，从右边送入p控，把切换阀推向左边，处于测量位置。各路压力被接往自己的传感器，采集各传感器的输出，用各个传感器自己的实时校准特性求压力，就可获得高精度的结果。205.4压力探针5.4.1总压针气流的总压就是气流绝能等熵滞止下来的压力。只要在气流中放一根管子，其孔口轴线对准气流方向，孔口无毛刺，从管子另一端用密封管路接往压力表，就可测出孔口处的当地总压。典型的总压针头部构造如图。实用上，因气流方向往往不确切知道，故要求总压针对气流方向有一定的不敏感性，即总压针孔口轴线虽然偏离气流方向却仍能正确感受总压。方向特性如曲线，纵坐标表示总压针测得总压p测*与气流真实总压p*之差占动压头（ρv2/2）的百分数，横坐标β为气流方向与孔口轴线的夹角。215.4压力探针225.4压力探针从图中可见第4种孔口加倒角的直管有较好的不敏感性，β达±15°仍无误差。如果外面再加一引导管（第5种），则可提高不敏感性β至±45°。可以将总压针组合成梳状总压针，也可以组合成耙状，如图，还可以在发动机零件上直接构成总压针（如在涡轮空心导向叶片上）。感应管的伸出长度及之间的间距有一定要求，如图，避免产生干扰。235.4压力探针5.4.2静压测量1、壁面静压孔对于管内流动，如果横截面上各点的静压大致相等，可用壁面开小孔的方法感受静压，如图。流体流经孔口，流线会向孔内弯曲。孔径越大，弯曲越严重，静压测量的误差也越大。并且误差随M数增大而增加。但孔径太小则反应迟缓，且易被灰尘堵塞。一般取孔径为0.5~1.0mm。由图可看出，用孔径0.5mm的小孔测静压，在马赫数M≤0.8范围，静压测量误差可以小于等于动压头的0.3%。245.4压力探针255.4压力探针2、静压针亚音速气流测量用的静压针的典型结构如图。在A-A截面的静压孔外的气流静压，一方面因气流受半球头部的加速作用而降低，另一方面因受支杆的阻滞作用而提高。实验表明，按图示尺寸在A-A截面处这两种影响正好互相抵消，从而使开孔感受的正好是来流的静压。265.4压力探针静压针的特性对工艺质量很敏感。每只静压针具有各自的系统误差，也就是具有自己的校准特性，如图。275.4压力探针5.4.3总静压针将总压针与静压针组合在一起构成总静压针，或称风速管、毕托管。它就是在静压针中套一根测总压的管子，把总、静压分别引出，如图。由于总压比较容易测量，所以设计时主要应满足静压孔的要求。总静压孔的角度特性由静压开孔决定。285.4压力探针5.4.4三孔针三孔针用来测量二维流的总压、静压与方向。图3-24示出三种三孔针的典型结构。有两种使用方法：转动法与不转动法。1、转动法测量时将三孔针绕支杆的轴线转动，使p1=p3,使1、3孔对称于气流方向，从而保证第2孔对准气流，p2=p*。气流方向角就可以从坐标机构上直接读出。295.4压力探针每枝三孔针在校准风洞吹风做出速度特性曲线。使用时根据测得的p1/p2=p1/p*求出π(λ)=p/p*（P24页），进而按π(λ)及p*=p2算出静压p。2、不转动法用不转动法时，先将三孔针按其定位基准固定在校准风洞的坐标架上。然后得到角度、总压和速度特性曲线。吹风时，记下相应的p1、p2、p3值，按此求出角度系数Kβ→→β总压系数K0→→总压p*速度系数ζβ→→p。305.4压力探针圆柱形三孔针只能在低速时使用（λ0.6）。φ=45º的三管形三孔针可用到λ≤0.75，φ=60º的可用到λ≤0.8，φ=75°的可用到λ≤0.9。楔形三孔针用于高亚音速气流测量，θ值可取8º、18º、23º、24.5º。315.4压力探针5.4.5五孔针五孔针用来测量三维流的总压、静压与方向。图示出三种五孔针的典型结构。五孔针的作用原理和三孔针相同，它相当于两只三孔针组合在两个互相垂直的平面内。它有两种使用方法：转动法与不转动法。325.4压力探针5.4.6校准风洞各种压力探针制成后都必须在校准风洞中吹风以获得校准曲线。典型的校准风洞如图3-33所示。在其自由射流的核心区，气流的总压等于稳压箱的总压，静压等于大气压，气流方向平行于喷管轴线。核心区流场均匀。