压力测量

热能与动力机械测试技术天津大学机械学院内燃机燃烧学国家重点实验室•压力测量概述；常规测压仪表和传感器；气流压力测量；测压仪表的标定；压力测量系统的动态标定；内燃机气缸动态压力测量。本章主要内容学习要求：☆要求掌握流体稳态压力测量的基本原理、稳态压力传感器的形式及构成，测量误差产生的原因及解决方法。☆动态压力测量传感器的原理、基本结构。☆示功图测量装置以及误差分析。第六章压力测量•压力垂直作用于物体表面上的力。•压强垂直作用于单位面积物体表面上的力。•压差测量两个压力之差称压差。第一节压力测量概述一、基本概念绝对压力：以完全真空作为零标准的压力。在用绝对压力表示低于大气压时，把该绝对压力叫真空度。大气压力：地球表面的空气柱重量所产生的压力表达，常用表示（用较易）表压力：以当地大气压作为零标准的压力。通常，所谓压力就是指表压力。在被测介质的绝对压力大于大气压力时，表压＝绝对压力－大气压力aP0P负压或真空度（又称疏空压力）：即在被测介质的绝对压力低于大气压力时的一种压力表达。在被测介质的绝对压力低于大气压力时：真空度（接近真空的程度）＝大气压力－绝对压力大气压力线被测压力1绝对压力的零线P绝对p负压或真空度p表压Pa)P0（被测压力0二、压力单位帕(Pa)N/m2，国际单位兆帕(MPa)106Pa工程大气压，kgf/cm2，98070Pa约等于一个大气压（1.013e+5Pa)，“自来水压头是5公斤”，用的就是这个单位。mmH2O，9.81PammHg，133Pa三.压力测量方法•1）重力与被测压力的平衡法：通过直接测量单位面积上所承受的垂直方向上力的大小来测量压力。（液柱式压力计和活塞式压力计等）2）弹性力与被测压力的平衡法：当弹性力与被测压力平衡时，弹性元件变形的即反映了被测压力的大小。（弹簧管压力计、波纹管压力计和波纹管压差计等）3）利用物质某些与压力有关的物理性质进行测量：一些物质受压后，它的某些物理性质会发生变化，测量这些变化就能测量出压力。（压阻式传感器、压电式传感器等）这类传感器大都具有精度高、体积小、动态特性好等优点，是当前测压技术的主要发展方向第二节常规测压仪表和传感器•测压仪表：包括液柱式测压仪表、弹性测压仪表、测压传感器（压阻式传感器、压电式传感器、电容式差压传感器）。一.液柱式测压仪表工作原理：利用工作液的液柱所产生的压力与被测压力平衡，根据液柱高度来确定被测压力大小的压力计。其工作液又称封液，常用的有水、酒精和水银。1）U型管压力计2）单管压力计3）斜管式微压计特点：结构简单，使用方便，准确度比较高，常用于测量低压、负压、差压。缺点：体积大，读数不方便，玻璃管易损坏。•1)U形管压力计•当被测介质为气体，如图a所示，其压差为•••式中,ρ1、ρ2、ρ分别为左右侧介质及封液密度；H为右侧介质高度；h为封液液柱高度；g为重力加速度。•当ρ1≈ρ2，且ρρ1时，有Δp=p1-p2=ρghU型管内径一般为5-20mm，为了减少毛细现象管子内径一般不小于10mm.U型管压力计的测压范围最大不超过0.2MPa.•2)单管压力计单管压力计结构如图b所示。其两侧压力差为•••式中，F1、F2：分别为容器和测压管的截面积；h2为封液液柱高度。•当F1F2，且ρρ1时，有121212()(1/)pppgFFh122pppghlAAhlAAh121211alhsin2laAAgallAAghhgP)sin()sin()(121221P1P2斜管h1h2LlaAAgallAAghhgP)sin()sin()(121221laAAgallAAghhgP)sin()sin()(1212213)斜管微压计主要用于测量微小的压力、负压和压差。为了减少读数的相对误差，拉长液柱，将测量管倾斜放置。斜管微压计的刻度比单管压力计的刻度放大了1/sina倍，更便于测量微压，一般这种压力计适于测量2-2000Pa范围的压力。4）液柱式压力计的测量误差•1.环境温度变化的影响•当环境温度不是规定的温度20℃时，由于封液密度、标尺长度均发生变化，所以必须进行修正。由于封液的体膨胀系数比标尺的线膨胀系数大1-2个数量级，所以一般只考虑封液密度变化的影响。其修正公式为201(20)vhhat•4.其它误差•安装误差：使用液柱式压力计时，应使压力计处于垂直位置，接头处不得有泄漏，否则会产生安装误差。•读数误差：测取读数时，对水和酒精，应从凹面的谷底算起；对水银，应从凸面的顶峰算起。眼睛应与封液凹面或凸面持平并沿切线方向读数，否则会产生读数误差。3.毛细管现象的影响封液在管内由于毛细管现象引起表面形成弯月面，使液柱产生附加的升高或降低。因此，要求液柱管的内径不能太细，当封液为酒精时，管子内径d≥3mm；封液为水或水银时，管子内径d≥8mm。二.弹性测压仪表•原理：•弹性测压仪表以各种形式的弹性元件(如弹簧管、金属膜和波纹管)受压后产生的弹性变形作为测量的基础。•由于变形的大小是被测压力的函数，故设法将变形的位移传递到仪表的指针或记录器上后，即可直接读出压力的数值。特点：结构简单、牢固可靠、测压范围广、使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远传常用弹性压力表：弹簧管压力计、膜式压力计、波纹管式压差计（一）弹簧管压力计弹簧管压力计主要由弹簧管4、齿轮传动机构、指针3和刻度盘2组成。弹簧管是弹簧管压力计的感压元件。各种形式的弹簧管如图所示。弹簧管的横截面呈椭圆形或扁圆形。当具有压力的介质进入管的内腔后，在压力的作用下，弹簧管会发生变形。Px由于椭圆形短轴方向的内表面积比长轴方向大，因此受力也大，管子截面趋于变圆，产生弹性变形，使弯成圆弧形的弹簧管向外伸张，在自由端产生位移。单圈弹簧管自由端的位移量不能太大，一般不超过2-5mm。为了提高弹簧管的灵敏度，增加自由端的位移，可采用螺旋形或S形（回形）弹簧管。齿轮传动结构的作用：把自由端的位移转换成指针的角位移，使指针能指示出被测值。被测压力波动较大场合，仪表示值应控制在量程的1/2附近；被测压力波动小时，仪表示值可在量程的2/3左右，但被测压力值一般不应低于量程的1/3。(二)膜式压力计•1.膜片压力计•膜片呈圆形，一般由金属制成。使用时周边夹紧，测低压、微压。中心产生的位移量即反映出压力的大小。•常用的弹性波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄片。Px平薄片Px波纹片•挠性膜片一般只起隔离被测介质的作用，它本身几乎没有弹性，是由固定在膜片上的弹簧来平衡被测压力的。xPx膜片压力计常用于测量腐蚀性介质或非凝固、非晶体粘性介质的压力，适用真空至6MPa的压力测量。2.膜盒压力计将两块膜片沿周边对焊起来，形成一膜盒，膜盒式微压计通常用于测量炉膛和烟道尾部负压，测压范围为0-±40kPa。可以增大膜片中心位移，提高测压灵敏度。还可把多个膜盒串接在一起，形成膜盒组。（三）波纹管式压力计•波纹管：开口端固定，封闭端的位移作为输出，由于波纹管的位移相对较大，故灵敏度高，常用于测量较低的压力（1.0-106Pa），精度等级1.5级。xxP波纹管式压差计以波纹管为感压元件来测量压差信号，有单波纹管和双波纹管两种，主要用作流量和液位测量的显示仪表。薄壁管外周沿轴向有深槽形波纹状皱褶，可沿轴向伸缩。波纹管受压时的线性输出范围比受拉时大，因而常在压缩状态下工作。双波纹管压差计（四）弹性压力计的误差分析•迟滞误差•同一弹性元件在相同压力下正反行程的变形量不一样，而且元件的变形往往落后于被测压力的变化。这种迟滞误差是造成弹性压力计误差的主要原因。为了减少迟滞误差，可以采用迟滞误差极小的“全弹性”材料，如溶凝石英等。温度误差仪表精度的标定是在标准温度下进行的，当使用环境的温度偏离标准温度很多时，弹性元件的弹性模量会产生变化，因而造成较大误差。解决的方法是采用温度误差很小的“恒弹性”材料制作弹性元件，如合金Ni42CrTi，Ni36CrTiA等。•间隙和摩擦误差•弹性压力计中传动系统机构间的间隙和摩擦阻力会引起附加误差。此外，这种误差的产生还与仪表的安装不当有关。•为减少这种误差，可以采用新的传动技术，减少或取消中间传动机构，如采用电阻应变转换技术等；还可以采用无干摩擦的弹性支撑或磁悬浮支撑。三.最高压力表•1.机械式最高压力表由弹簧管式压力表、放气阀和单向阀组成。理论上，这种压力表可以测量内燃机气缸内最高燃烧压力，但实际上由于单向阀的惯性作用以及上下作用面面积不同等原因，使指示压力值往往低于实际值。为此，通常只能作为监测或比较测量用。2.气电式最高压力表•高压气压力与气缸压力平衡时，膜片9不再变形，此时不再有跳火产生，这时的压力即为气缸工作的最高压力，即最高燃烧压力。相对而言，气电式最高压力表比机械式最高压力表的精度要高。四.典型测压传感器1.石英晶体压电传感器压电效应：压电材料在受压时会在其表面产生电荷，产生的电荷量与所受的压力成正比。压电材料：单晶体，例如石英、酒石酸钾钠等多晶体，例如压电陶瓷，在没有极化之前，因各单晶体的压电效应都互相抵消表现为电中性，为此必须对压电陶瓷先进行极化处理，经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，为石英的几百倍。•石英片一般为3片，与传力件接触的一片为保护片，以防止另外两片工作片被挤破。两片工作片之间有金属箔9把负电位传导到导电环8，其正极通过壳体接地。石英片并联，传感器有较高的电荷灵敏度，串联的优点是电压灵敏度高。特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，具有线性度高量程范围大等优点。缺点：但是由于产生的电荷量少，因此后续需加高阻抗的直流放大器。由于晶体边缘上存在漏电现象，因此不能用于稳态测量。压电传感器不能用于静态测量：由于测量链的绝缘电阻有限，只有变化才能产生信号，电荷信号不能无限长期保持不泄露。因此压电传感器的信号没有绝对零点，不适合进行长期稳态，如称重应用。对于周期性变化的过程测量，上述限制变成压电传感器的优点，因为它们总是测量相对力，而不是绝对力。因此，任何静态或缓慢变化的附带状态会被自动消除。由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适用于动态测量。被测介质温度高于室温，例如内燃机缸内气体压力测量时，必须采用畅通的冷却水进行冷却，否则高温会改变传感器的灵敏度甚至造成传感器的损坏。传感器的输出信号很弱而输出阻抗很高，必须将微弱的信号经过电压放大或电荷放大。•特点：灵敏度高、精度高，精度可达0.2、0.25，稳定可靠。尤适用于测高静压、微压差的场合。ddkC021ddkC022pkdpkddCCCC30101212•由C1、C2可得•设测量膜片在Δp作用下的位移Δd，Δd=k1Δp。2.电容式差压传感器3.其他压力传感器•除了石英晶体压电传感器、电容式压差传感器外，电阻应变式传感器、电感式传感器和霍尔压力式传感器等也常用于压力测量。第三节气流压力测量*212ppconst一、气流总压的测量•1)总压的测量方法•气流的总压是当速度按等熵流动滞止下来时的压力，常用总压管测量。总压管的管口轴线对准气流方向，另一端管口与压力计连通，这样便可测出被测点的气流总压与大气压之差。•在使用总压管时，如果偏流角a超过不敏感偏流角ap，则应由其角度特性曲线找出相应的真实总压值。•各种总压管的不敏感偏流角还不同程度地受马赫数Ma的影响。偏流角a不大时，马赫数的影响不显著；当a增大时，随着Ma的增大，总压的测量误差也越来越大。•习惯上取使测量误差为速度头1%的偏流角a作为总压管的不敏感偏流角，记作ap，当然ap的范围越大对测量越有利。•2)总压管结构及其性能•1.单点L形总压管•单点L形总压管是最常见的单点总压管，图6-27是