工程測量技術(shù)_第5章壓力測量

1、15 壓力測量工程測試技術(shù)25 壓力測量n重點(diǎn)：n1、壓力測量的基本方法。n2、常用的壓力顯示儀表，壓力傳感器基本原理及工作特性。n3、靜壓、總壓、動(dòng)壓測量在發(fā)動(dòng)機(jī)測試中的作用。35.1 總論n5.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)測試中的壓力測量n壓力是發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中需大量測量的參數(shù)，是熱力循環(huán)中工質(zhì)基本的狀態(tài)參數(shù)之一。n5.1.2 基本參量及其測量n1、壓力（壓強(qiáng)） P=F/A 牛頓/米2或帕斯卡（Pa）n2、流體力學(xué)中，壓力包括兩部分：靜壓和動(dòng)壓n在水平流道中，一維流動(dòng)的歐拉運(yùn)動(dòng)微分方程 d+dP/=0n式中速度，P壓力，密度。45.1 總論n對不可壓縮流=常數(shù)，將歐拉方程沿流管積分（取任意兩截面1、2）n

2、(不可壓縮流體的伯努利方程)n n 式中：P1、P2靜壓， 為總壓, 為動(dòng)壓n壓力測量 n靜壓測量、動(dòng)壓測量n非電量測量：例引入液柱式測壓計(jì)。n非電量電測：壓力傳感器、放大器、記錄儀等構(gòu)成測試系統(tǒng)。 22112vvPPconst22 2vPP2 2212vv 、 2255.2 壓力顯示儀表n在熱工、氣動(dòng)參數(shù)測量中，被測壓力范圍很廣，沒有沒有一種壓力壓力顯示儀表顯示儀表能在規(guī)定的精度符合整個(gè)范圍符合整個(gè)范圍的要求，必須根據(jù)實(shí)際情況正確選用。n5.2.1 液柱式壓力計(jì)液柱式壓力計(jì)（根據(jù)流體靜壓強(qiáng)分布規(guī)律靜壓強(qiáng)分布規(guī)律和連通器原理連通器原理）n1、U型管壓力計(jì)n圖為U型管壓 力計(jì)的結(jié)構(gòu)圖65.2 壓

3、力顯示儀表n根據(jù)流體靜力學(xué)原理，當(dāng)兩管分別作用壓力P1和P2，工作液體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，n如果1=2，n如果1，2f，F(xiàn)0時(shí)，有斜管式微壓計(jì)斜管式微壓計(jì)微壓計(jì)用以測量微小微小的正壓、負(fù)壓和差壓差壓。測量壓力時(shí)，被測壓力通入大截面容器，測量負(fù)壓時(shí)，被測負(fù)壓通入肘管，測量差壓差壓時(shí)，將較高的壓力通入大截面容器，而較低的壓力通入肘管。如改變傾斜角即改變 A值，以適應(yīng)不同的測量范圍。 2121)(hgpp )/(sin , 22DdgAAlp 85.2 壓力顯示儀表n5.2.2 彈性式彈性式壓力計(jì)n結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：根據(jù)彈性元件受壓變形與壓力大小有確定關(guān)系的原理制成的。適用范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，是工業(yè)上應(yīng)用最廣的壓

4、力測量儀表。n彈性元件：膜片、膜盒、波紋管和彈簧管。n1、彈簧管壓力表彈簧管壓力表n彈簧管是用一根扁圓形扁圓形或橢圓形橢圓形截面的金屬管順著截面短軸短軸方向彎成圓弧形圓弧形而成。管子的一端封閉，可以自由移動(dòng)，管子的另一端固定在儀表基座上并開口，當(dāng)固定端通入被測壓力時(shí)，彈簧管承受內(nèi)壓，截面形狀趨于變成圓形，自由端外移，經(jīng)連桿、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)壓力表的指針轉(zhuǎn)動(dòng)指示被測壓力。95.2 壓力顯示儀表105.2 壓力顯示儀表n5.2.4 測壓儀表的使用n測壓儀表儀表的的選擇選擇應(yīng)根據(jù)被測壓力的種類種類（壓力、負(fù)壓、絕對壓力或差壓等），被測介質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)和參物理、化學(xué)性質(zhì)和參數(shù)數(shù)（溫度、粘度、腐蝕性

5、與爆炸性等），用途用途（標(biāo)準(zhǔn)、指示、記錄和信號(hào)遠(yuǎn)傳等）以及要求的測量精度，被測壓力的變化范圍壓力的變化范圍等來確定壓力表的種類、型式和規(guī)格。n選擇壓力表時(shí)應(yīng)使被測壓力值在1/32/3儀表上限值范圍上限值范圍，如果被測壓力經(jīng)常變動(dòng)壓力經(jīng)常變動(dòng)，則被測壓力為儀表上限值的1/2左右左右較合適。n為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在選擇壓力表的精度等級時(shí)，還應(yīng)估計(jì)附加誤差，以使總的不確定度符合要求。115.3 壓力傳感器n5.3.1 壓阻式壓阻式壓力傳感器n壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)進(jìn)行工作的。n壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)單晶硅受外力作用產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，其電阻要隨應(yīng)力改變。125.3 壓力傳感器n傳感器的核心部

6、分是杯狀的硅膜片，在膜片上用擴(kuò)散工藝制成四個(gè)等值電阻，稱為硅杯硅杯，它們構(gòu)成一個(gè)平衡電橋。n當(dāng)壓力作用于膜片時(shí)，膜片彎曲，R1、R3位于正應(yīng)正應(yīng)變變區(qū)，電阻值增加，R2、R4位于負(fù)應(yīng)變負(fù)應(yīng)變區(qū)，電阻值減少，電橋不平衡，所以有電壓輸出，此不平衡電壓就是壓力的度量。135.3 壓力傳感器n壓阻式壓阻式壓力傳感器壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高靈敏度高、無遲滯、無遲滯、頻率頻率響應(yīng)高響應(yīng)高、輸出電平高、使用方便、輸出電平高、使用方便，特別是尺寸小尺寸小，使它可以被直接裝入壓力探針的傳壓針管中，因此在動(dòng)動(dòng)態(tài)壓力測量中應(yīng)用廣泛態(tài)壓力測量中應(yīng)用廣泛。n掃描閥掃描閥中使用。n壓阻式壓力傳感器的缺點(diǎn)缺點(diǎn)是對溫度

7、很敏感溫度很敏感，存在零位零位溫度漂移溫度漂移和靈敏度溫度漂移靈敏度溫度漂移等問題，但使用掃描閥掃描閥可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，以減小誤差。145.3 壓力傳感器n5.3.2 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n壓電效應(yīng)n與壓電傳感器配套的必須是高輸入阻抗電路，一般使用電荷放大器電荷放大器。測量電路如圖。n如果放大器輸入阻抗輸入阻抗Z為無窮大為無窮大，那么輸出電壓US等于負(fù)反饋電容Cr兩端的電壓降：srUCQUCQKFQ,155.3 壓力傳感器n由于壓電材料的溫度效應(yīng)，在用于測高溫介質(zhì)的壓力時(shí)，必須采取充分有效的冷卻措施以保持穩(wěn)定的壓電性能，克服溫度干擾。n壓電傳感器的輸出阻抗和電荷放大器的輸入阻

8、抗都不可能為無窮大，漏電不可避免。因此壓壓電傳感器不適用于穩(wěn)態(tài)測量電傳感器不適用于穩(wěn)態(tài)測量。n壓電傳感器的優(yōu)點(diǎn)是頻率響應(yīng)高頻率響應(yīng)高、靈敏度大、靈敏度大、不需電源（自身屬于發(fā)電變換器）。其缺點(diǎn)是輸出阻抗高、溫度效應(yīng)大溫度效應(yīng)大、低頻性能差低頻性能差。165.3 壓力傳感器n5.3.5 壓力掃描掃描系統(tǒng)n使用壓力掃描系統(tǒng)的目的，一方面一方面是對多路的穩(wěn)態(tài)壓力進(jìn)行快速的測量，以縮短大型試驗(yàn)的時(shí)間。另一方面另一方面是可以在使用中對壓力傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，以提高測量精度。n1、機(jī)械式壓力掃描閥、機(jī)械式壓力掃描閥n結(jié)構(gòu)如圖，在底座上鉆的許多小孔中都裝有接壓嘴，每個(gè)接壓嘴接入一路待測壓力。旋轉(zhuǎn)閥旋

9、轉(zhuǎn)閥上只有一條壓力通道，轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥，各接壓嘴的待測壓力就依次被送到壓力傳感器進(jìn)行測量。幾十路壓力共同使用一個(gè)傳感器幾十路壓力共同使用一個(gè)傳感器。用三個(gè)接壓嘴分別接入數(shù)值三個(gè)接壓嘴分別接入數(shù)值不同的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力不同的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力。在旋轉(zhuǎn)閥旋轉(zhuǎn)一圈旋轉(zhuǎn)一圈的過程中，不僅進(jìn)行了幾十個(gè)壓力的測量，同時(shí)也進(jìn)行了一次校準(zhǔn)也進(jìn)行了一次校準(zhǔn)。利用三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力值，可得到傳感器的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)特性。用它立即去求各路的待測壓力。175.3 壓力傳感器185.3 壓力傳感器n2、電子掃描電子掃描測壓系統(tǒng)n這種系統(tǒng)每路壓力使用一個(gè)壓力傳感器每路壓力使用一個(gè)壓力傳感器。由數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)來采集和處理傳感器的輸出信號(hào)。因此速度比

10、機(jī)械式壓力掃描要快得多。n由于壓阻式壓力傳感器價(jià)格低廉，體積可以很小，幾十個(gè)壓阻式傳感器可以緊湊布置在幾個(gè)平方厘米的平面內(nèi)。但是，必須對全部壓阻傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)才能克服其零點(diǎn)及靈敏度漂移問題。因此在各路壓力接往自己的傳感器之前，先一起經(jīng)過一個(gè)切換閥切換閥。測量前切換閥被控制壓力p控推向右邊，處于校準(zhǔn)位置。對所有傳感器接入相同的標(biāo)準(zhǔn)壓力。195.3 壓力傳感器n用三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力值，采集每個(gè)傳感器的對應(yīng)輸出，就可求得各個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)特性。n然后，從右邊送入p控，把切換閥推向左邊，處于測量位置。各路壓力被接往自己的傳感器，采集各傳感器的輸出，用各個(gè)傳感器自己的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)特性求壓力，就可獲得高精度的

11、結(jié)果。205.4 壓力探針n5.4.1 總壓針n氣流的總壓總壓就是氣流絕能絕能等熵滯止滯止下來的壓力。只要在氣流中放一根管子，其孔口軸線對準(zhǔn)氣流方向，孔孔口無毛刺口無毛刺，從管子另一端用密封管路接往壓力表，就可測出孔口處的當(dāng)?shù)乜倝?。典型的總壓針頭部構(gòu)造如圖。n實(shí)用上，因氣流方向往往不確切知道，故要求總壓針總壓針對對氣流方向方向有一定的不敏感性不敏感性，即總壓針孔口軸線雖然偏離氣流方向卻仍能正確感受總壓。方向特性如曲方向特性如曲線線，縱坐標(biāo)表示總壓針測得總壓p測*與氣流真實(shí)總壓p*之差占動(dòng)壓頭（v2/2）的百分?jǐn)?shù)，橫坐標(biāo)為氣流方向與孔口軸線的夾角。215.4 壓力探針225.4 壓力探針n從圖中

12、可見第4種孔口加倒角的直管有較好的不敏感性，達(dá)達(dá)15仍無誤差仍無誤差。如果外面再加一引導(dǎo)管（第5種），則可提高 不敏感不敏感性性至至45。n可以將總壓針組合成梳狀總壓針梳狀總壓針，n也可以組合成耙狀成耙狀，如圖，n還可以在發(fā)動(dòng)機(jī)零件上直接構(gòu)成總壓針（如在渦輪空心導(dǎo)向葉片渦輪空心導(dǎo)向葉片上上）。n感應(yīng)管的伸出長度伸出長度及之間的間距間距有一定要求，如圖，避免產(chǎn)生干避免產(chǎn)生干擾擾。235.4 壓力探針n5.4.2 靜壓測量靜壓測量n1、壁面靜壓孔壁面靜壓孔n對于管內(nèi)流動(dòng)，如果橫截面上各點(diǎn)的靜壓大致相等，可用壁面開小孔壁面開小孔的方法感受靜壓，如圖。n流體流經(jīng)孔口，流線會(huì)向流線會(huì)向孔內(nèi)彎曲彎曲。n孔

13、徑越大孔徑越大，彎曲越嚴(yán)重，靜壓測量的誤差也越大。并且誤差隨M數(shù)增大而增加。n但孔徑太小孔徑太小則反應(yīng)遲緩，且易被灰塵堵塞。一般取孔徑為0.51.0mm。由圖可看出，用孔徑0.5mm的小孔測靜壓，在馬赫數(shù)M0.8范圍，靜壓測量誤差可以小于等于動(dòng)壓頭的0.3%。245.4 壓力探針255.4 壓力探針n2、靜壓針靜壓針n亞音速氣流測量用的靜壓針的典型結(jié)構(gòu)如圖。n在A-A截面的靜壓孔外的氣流靜壓，一方面一方面因氣流受半球頭部的加速加速作用而降低，另一方面另一方面因受支桿的阻滯阻滯作用而提高。n實(shí)驗(yàn)表明，按圖示尺寸在A-A截面處這兩種影響正好互兩種影響正好互相抵消相抵消，從而使開孔感受的正好是來流的

14、靜壓。265.4 壓力探針n靜壓針的特性對工藝質(zhì)量工藝質(zhì)量很敏感。n每只靜壓針具有各自的系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差，也就是具有自己的校準(zhǔn)特性，如圖。275.4 壓力探針n5.4.3 總靜壓針總靜壓針n將總壓針與靜壓針組合在一起構(gòu)成總靜壓針，或稱風(fēng)速管、畢托管畢托管。n它就是在靜壓針中套一根測總壓的管子，把總、靜壓分別引出，如圖。n由于總壓比較容易測量容易測量，所以設(shè)計(jì)時(shí)主要應(yīng)滿足靜壓孔主要應(yīng)滿足靜壓孔的要求。總靜壓孔的角度特性角度特性由靜靜壓開孔壓開孔決定。285.4 壓力探針n5.4.4 三孔針三孔針n三孔針用來測量二維流的總壓、靜壓與方向。圖3-24示出三種三孔針的典型結(jié)構(gòu)。n有兩種使用方法：轉(zhuǎn)動(dòng)法

15、轉(zhuǎn)動(dòng)法與不轉(zhuǎn)動(dòng)法不轉(zhuǎn)動(dòng)法。 n1、轉(zhuǎn)動(dòng)法、轉(zhuǎn)動(dòng)法n測量時(shí)將三孔針繞支桿的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，n 使 p1=p3 , 使1、3孔對稱于氣流n 方向，從而保證第2孔對準(zhǔn)氣流，n p2=p*。氣流方向角就可以從坐n 標(biāo)機(jī)構(gòu)上直接讀出。295.4 壓力探針n每枝三孔針在校準(zhǔn)風(fēng)洞吹風(fēng)做出速度特性曲線速度特性曲線。使用時(shí)根據(jù)測得的p1/p2= p1/p*求出()= p /p*（P24頁），進(jìn)而按()及p*=p2算出靜壓p。n2、不轉(zhuǎn)動(dòng)法不轉(zhuǎn)動(dòng)法n用不轉(zhuǎn)動(dòng)法時(shí)，先將三孔針按其定位基準(zhǔn)固定在校準(zhǔn)風(fēng)洞的坐標(biāo)架上。然后得到角度角度、總壓總壓和速度速度特性曲線。n吹風(fēng)時(shí)，記下相應(yīng)的p1、p2、p3值，n按此求出角度系數(shù)角度系數(shù)Kn總壓系數(shù)總壓系數(shù)K0 總壓p* n速度系數(shù)速度系數(shù) p。305.4 壓力探針n圓柱形三孔針圓柱形三孔針只能在低速時(shí)使用低速時(shí)使用（0.6）。n=45的三管形三孔針三管形三孔針可用到0.75，=60的可用到0.8，=75的可用到0.9。 n楔形三孔針楔形三孔針用于高亞音速氣流測量，值可取 8、18、23、24.5。315.4 壓力探針