Chaper3压力测量

1、航空发动机气动参数测试李长征李长征 副教授副教授动力与能源学院2第三章 压力测量n引言n压力仪表n压力传感器n压力探针30 引言0.1 压力的定义n压力是单位面积上所受的力。n物理学压强 工程压力。n压力p=F/A，n其中F是垂直作用在面积为A上的力40 引言0.2 压力的表示方式n绝对压力、表压力、密封表压、差压n绝对压力表示垂直作用在单位面积上的全部压力，其中包括流体本身的压力和大气压力。50 引言0.2 压力的表示方式n绝对压力、表压力,密封表压，差压n表压力等于绝对压力与大气压力之差。np表p绝对-p大气(当地)n当绝对压力低于当地大气压力时，所测压力称为真空度真空度或负压力负压力。6

2、0 引言0.2 压力的表示方式n绝对压力、表压力,密封表压，差压n密封表压等于绝对压力与密封压力（参考压力）之差。np密封表压p绝对-p密封压力70 引言0.2 压力的表示方式n绝对压力、表压力,密封表压，差压n差压等于两压力的差值。80 引言0.3 压力的单位n国际单位制(SI)。n牛/米2，符号为N/m2n帕斯卡(Pa)。1Pa=1N/m2n工程上常用kPa和MPa等Back90 引言0.3 压力的单位n1kg/cm2=9.8067104Pan1mmHg=1.3332102Pan1mmH2O=9.8067Pan1标准大气压=101325Pan1磅/英寸2=1PSI=6.8947103Pan

3、1mbar=100PaBack10第一节 压力仪表1. 液柱式压力计2. 弹性式压力计3. 压力和压差测量仪表的校验4. 测压仪表的使用Back11第一节 压力仪表1.1 液柱式压力计n1.1.1U型管压力计型管压力计12第一节 压力仪表1.1 液柱式压力计n1.1.2 单管式压力计和多管式压力计单管式压力计和多管式压力计13第一节 压力仪表1.1 液柱式压力计n1.1.3斜管式微压计斜管式微压计n测量微小的正压、负压和差压。14第一节 压力仪表1.1 液柱式压力计12Uppgh型管1212()ppgh单管12sinppgl斜管 15小，读数相对误差小太小，液面太长反而难读15第一节 压力仪表

4、1.1 液柱式压力计n特点：结构简单，使用方便，测量准确度高n用途：广泛使用于实验室和工业部门测量较小的压力、负压和差压n原理：利用液柱所产生的压力与被测压力平衡，并根据液柱高度来确定被测压力大小的压力计。所用液体叫封液封液，常用的有水水、酒精酒精、水银水银、四氯化碳四氯化碳等。n结构形式：U型管、单管、多管(排管)式、斜管式微压力计等等16第一节 压力仪表1.1 液柱式压力计n液柱式压力计的测量误差及其修正液柱式压力计的测量误差及其修正环境温度变化，封液密度，标尺长环境温度变化，封液密度，标尺长度都会发生变化。度都会发生变化。环境温度偏离规定温度环境温度偏离规定温度2020后，封液密度改变对

5、压力计读数影响的后，封液密度改变对压力计读数影响的修正公式修正公式201(20)hht17第一节 压力仪表1.1 液柱式压力计n液柱式压力计的测量误差及其修正液柱式压力计的测量误差及其修正 重力加速度修正 仪器使用地点的重力加速度10.00265cos(2 )(12/)NggH RH , 使用地点的海拔高度(m)和纬度( )29.80665/Ngm s，标准重力加速度R6356766m地球公称半径（纬度45 海平面处）18第一节 压力仪表1.1 液柱式压力计n液柱式压力计的测量误差及其修正 重力加速度修正/NNhh ggNh标准地点封液液柱高度h测量地点封液液柱高度19第一节 压力仪表1.1

6、液柱式压力计n液柱式压力计的测量误差及其修正液柱式压力计的测量误差及其修正毛细现象造成的误差通常用加大管径来减少毛细现象的影响。 封液为酒精时管内径d3mm 封液为水、水银等时管内径d 8mm20第一节 压力仪表1.1 液柱式压力计n液柱式压力计的测量误差及其修正液柱式压力计的测量误差及其修正 刻度、读数、安装等方面的误差 读数时，眼睛应与封液弯月面最低点或最高点持平，并沿切线方向读数。 U型管压力计和单管压力计都要求铅垂安装Back21第一节 压力仪表1.2 弹性式压力计n1.2.1弹簧管压力表22第一节 压力仪表1.2 弹性式压力计n1.2.1弹簧管压力表23第一节 压力仪表1.2 弹性式

7、压力计n1.2.2薄膜式弹性差压计平薄膜波纹膜挠性膜24第一节 压力仪表1.2 弹性式压力计n1.2.2薄膜式弹性差压计25第一节 压力仪表1.2 弹性式压力计n1.2.3波纹管差压计26第一节 压力仪表1.2 弹性式压力计n1.2.3波纹管差压计27第一节 压力仪表1.2 弹性式压力计n弹性式压力计是根据弹性元件受压后产弹性元件受压后产生的变形与压力大小有确定关系的原理生的变形与压力大小有确定关系的原理制成的。n弹性元件：变形f(p)n常用的弹性元件：弹簧管、膜片、膜盒和波纹管等n元件的材料：铍青铜、磷青铜和不锈钢n仪表：弹簧管压力表、薄膜式弹性差压计、波纹管差压计28第一节 压力仪表1.2

8、 弹性式压力计n精度等级：0.2、0.35、0.5、1.0、1.5、2.0n要达到0.1%精度很困难。主要是因为由于环境的影响，仪器的结构，加工和弹性材料的性能不完善，会给压力测量带来各种误差（迟滞误差、弹性后效误差、间隙误差、摩擦误差、温度误差）n静载荷时，被测压力在1/32/3量程上限值范围；n动载荷时，被测压力1/2量程上限值范围左右n由于磨损引起弹性变化，须定期校验。Back29第一节 压力仪表1.3 压力和差压测量仪表的校验n为了保证测压仪表一定精度的测量结果，最基本的条件是：正确使用；定期校验。n校验压力仪表和传感器的标准器有： 活塞式压力计 浮球式压力计 液柱式压力计30第一节

9、压力仪表1.3 压力和差压测量仪表的校验 活塞式压力计活塞式压力计 工作原理工作原理：利用流体静力学中的巴斯卡原理，即作用于平衡液体部分边界上的外力所产生的压力，能均匀地传递到液体的每一点。31第一节 压力仪表1.3 压力和差压测量仪表的校验n单活塞压力计单活塞压力计n只能校验正压力表，有各种量程可供选用n一等标准精度为0.02%n二等标准精度为0.05%n三等标准精度为0.2%32第一节 压力仪表1.3 压力和差压测量仪表的校验n双活塞式真空压力计双活塞式真空压力计n校验压力测量范围 00.025MPa(2.5kg/cm2)n真空测量范围（0760）133.3Pa的压力表和真空表n精度：0.

10、05%n若被校仪表是禁油的，必须配油气分离器33第一节 压力仪表1.3 压力和差压测量仪表的校验浮球式压力计浮球式压力计 输出压力与工作介质粘度无关，又无摩擦影响，仪表灵敏度高，精度高，可达0.03%，测量范围0.010.4MPaGpSBack34第二节 压力传感器1. 压阻式压力传感器2. 压电式压力传感器3. 力平衡式压力传感器4. 频率式压力传感器5. 压力扫描系统Back35第二节压力传感器n压力传感器能感受压力并转换为与压力成一定关系的电信号输出的装置。n实现快速、大量采集n需满足nx=f(p) 线性n准确最关键的是温度n灵敏度大n结构简单，使用方便，价格便宜36第二节 压力传感器2

11、.1 压阻式压力传感器n原理：利用单晶硅的压阻效应工作n压阻效应单晶硅受外力作用产生应力时，其电阻率随应力发生改变的现象n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。组成一个平衡电桥，膜片既是弹性敏感元件，又是转换元件。37第二节 压力传感器2.1 压阻式压力传感器n优点优点：n灵敏度高n无迟滞n频响高n输出电平高n使用方便n可以小型化（Kulite公司，dmax=0.8mm）装入压力探针用于动态压力测量n缺点缺点：n对温度敏感，存在零位温度漂移和灵敏度温度漂移38第二节 压力传感器2.2 压电式压力传感器n压电材料在受到压力时，其表面会出现正电荷和负电荷，这

12、种现象叫做压电效应。n(束缚)电荷量 Q=KF K灵敏度-压电系数n相当于电容器，有 U=Q/C39第二节 压力传感器2.2 压电式压力传感器n压电材料压电材料：n压电晶体（石英SiO2）；n压电陶瓷（锆钛酸铅）。n干扰：n温度变化会出现电荷；n解决办法：n材料（石英陶瓷）；n测高温时需冷却n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无穷大，Q漏失。不适用于稳态测量40第二节 压力传感器2.2 压电式压力传感器n优点：n频响高n灵敏度大n不需电源（自身属发电变换器）n缺点：n输出阻抗高n温度效应大n低频性能差41第二节 压力传感器2.3 力平衡式压力传感器n原理、优缺点、应用42第二节

13、 压力传感器2.4 频率式压力传感器n原理、优缺点、应用43第二节 压力传感器2.5 压力扫描系统n目的n对多路稳态压力进行快速测量（以缩短大型试验的时间）n使用中对压力传感器进行实时校准（以提高测量精度）44第二节 压力传感器2.5 压力扫描系统n机械式压力扫描阀n几十路共同使用一个传感器。旋转阀旋转一圈的过程中，不仅进行了几十个压力测量，同时也进行了一次压力校准。45第二节 压力传感器2.5 压力扫描系统n电子扫描测压系统n每一路压力使用一个压力传感器，几十路压力就用几十个压力传感器。由于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。n必须对全部压阻传感器进行

14、实时校准才能克服其零点及灵敏度漂移问题。Back46第二节 压力传感器2.5 压力扫描系统47第二节 压力传感器2.5 压力扫描系统48第二节 压力传感器2.6 压力仪表和传感器的使用要点n确定压力表的种类、型式和规格n选用根据n被测压力的种类被测压力的种类（压力、负压、绝压、差压）（压力、负压、绝压、差压）n被测介质的物理、化学性质和参数被测介质的物理、化学性质和参数（温度、（温度、粘度、腐蚀性、与爆炸性等）粘度、腐蚀性、与爆炸性等）n用途用途（标准、指示、记录和信号远传等）（标准、指示、记录和信号远传等）n测量精度测量精度n被测压力的变化范围被测压力的变化范围49第二节 压力传感器2.6

15、压力仪表和传感器的使用要点n安装使用n在容器或管道上开取压口应远离各局部阻力在容器或管道上开取压口应远离各局部阻力件件，选在平直段开孔，孔口轴线应与工质流速方向垂直（垂选在平直段开孔，孔口轴线应与工质流速方向垂直（垂直容器或管道内壁面），取压孔口无毛刺和凹凸不平，孔径直容器或管道内壁面），取压孔口无毛刺和凹凸不平，孔径不可大，在保证加工方便和不堵塞情况下，尽可能小些。不可大，在保证加工方便和不堵塞情况下，尽可能小些。n防止仪表与取压口感受件与高温或有害的被防止仪表与取压口感受件与高温或有害的被测介质直接接触测介质直接接触，压力表前装设隔离器。压力表前装设隔离器。n仪表与取压口如果不在同一水平上

16、，则应注仪表与取压口如果不在同一水平上，则应注意校正由于两者高度差对仪表读数造成的额意校正由于两者高度差对仪表读数造成的额外误差。外误差。Back50第三节 压力探针1. 总压探针2. 静压测量3. 总静压针4. 三孔针5. 五孔针6. 校准风洞7. 设计与使用压力探针时应注意的几个问题Back51第三节 压力探针3.1 总压针n1）总压：气流绝能等熵滞止下来的压力。n总压管：用于总压测量的测压管叫总压管n总压测量 52第三节 压力探针3.1 总压针53第三节 压力探针3.1 总压针n2)不敏感角 总压针孔口轴线虽然偏离气流方向却仍能正确感受总压。54第三节 压力探针3.1 总压针n总压测量要

17、领（四不）n不偏（对准气流，充分感受动压）n不堵（孔口无毛刺）n不挡（测点布置要考虑）n不漏（打保险）55第三节 压力探针3.1 总压针影响总压测量的主要因素影响总压测量的主要因素：1. 结构结构 总压测针的不敏感角（即测针的型式）a.孔口倒角，使由10 15b.孔口无倒角，薄壁管c.加引导管， 452. 流速流速 M 气流M数愈高，总压测针的不敏感角愈小加引导管总压针，流速系数由0.240 0.814，不敏感角由45 353. 允差允差 气流M数一定，允差愈小，总压测针的不敏感 角愈小*- -0 .1 %=1 2PPP测*- -0 .5 %=2 2PPP测0 .8 7 8某 探 针时56第三

18、节 压力探针3.1 总压针n4.感压管感压管感压管应有一定伸出长度，以避开壳体在气流中产生的扰动区。各感压管之间应有一定的间距，以避免相互干扰。57第三节 压力探针3.1 总压针n结构型式结构型式n 梳状总压针（径向布点）n 耙状总压针（周向布点）n 有时利用发动机零件直接构成梳状总压管，如在涡轮空心导向叶片上58第三节 压力探针3.1 总压针59第三节 压力探针3.1 总压针n5)总压针形式nL型、带套型、球窝型、多点型（梳状、耙状）60第三节 压力探针3.1 总压针n总压针形式nL型、带套型、球窝型、多点型（梳状、耙状）61第三节 压力探针3.1 总压针n总压针形式62第三节 压力探针3.

19、1 总压针n总压针形式63第三节 压力探针3.1 总压针n总压针形式64第三节 压力探针3.1 总压针n总压针形式65第三节 压力探针3.1 总压针n附面层总压探针66第三节 压力探针3.1 总压针n超声速气流总压测量67第三节 压力探针3.2 静压测量n静压：就是运动气流里气体本身的热力学压力。即当感受器在气流中与气流以相同速度运动时感受到的压力。n静压测量n对不敏感角、M数、感受器的结构参数的影响测量精度的因素更为敏感，n因而静压测量比总压测量要困难的多。68第三节 压力探针3.2 静压测量n静压测量方法：n壁面静压孔法n静压管法n要领：n不改变流场（1/2v2不变，加速导致偏低）n不感受

20、动压（否则偏高）69第三节 压力探针3.2 静压测量n1) 壁面静压孔 管流（理论）常认为 在横截面上压力P相等 直线分布 优点：简单；干扰小、精度高 孔口、孔径、孔深a. 孔径愈大、弯曲流线愈甚，误差愈大，M数愈大，误差愈大，孔径一般采用0.51.0mm；孔径太小，则反应缓慢，加工困难，且易被微尘堵塞，b. 孔口锐边，无毛刺c. 孔深/孔径 h/D3，太浅会增加流线歪曲 方位a.孔轴线与壁面垂直，位于光滑的平直段上70第三节 压力探针3.2 静压测量n1) 壁面静压孔壁面静压孔 n 影响气流静压测量的主要因素影响气流静压测量的主要因素： 1、开孔直径及气流、开孔直径及气流M数的影响；数的影响

21、；孔径愈大、弯曲流线愈甚，误差愈大，M数愈大，误差愈大，孔径一般采用0.51.0mm；孔径太小，则反应缓慢，加工困难，且易被微尘堵塞。 2、孔轴方向及小孔形状的影响；、孔轴方向及小孔形状的影响；孔口保持锐边，无毛刺，孔轴线与壁面垂直，开孔处应位于管道内壁局部光滑的直线段上。 3、开孔孔深不能太小；、开孔孔深不能太小；孔深/孔径 h/D3，太浅会增加流线歪曲。 4、压力管接管咀宜用螺纹连接。、压力管接管咀宜用螺纹连接。若采用焊接，易使管壁严重变形，形成凸凹不平，从而干扰气流。71第三节 压力探针3.2 静压测量n1) 壁面静压孔72第三节 压力探针3.2 静压测量n1) 壁面静压孔73第三节 压

22、力探针3.2 静压测量n2) 静压针n当必须测量气体中某点的静压，或是需要测量流路中某截面的静压分布时，才使用静压针n对气流的干扰不可避免n几何尺寸应尽量小（满足强度）n应对气流方向的变化尽量不敏感n静压孔轴线应垂直气流方向nL型静压针结构简单、易加工、性能也不错，但尺寸较大74第三节 压力探针3.2 静压测量n2) 静压针75第三节 压力探针3.2 静压测量n2) 静压针 原理a. 气流流过静压管头部(附面层)v,pb. 支杆对气流有阻碍作用(支杆滞止) v,pc. 适当的设计抵消，使得开孔感受的正好是来流的静压d. x1=3d1 x2=7.5e. 管径12mm ，孔径0.30.4mm76第

23、三节 压力探针3.2 静压测量n2) 静压针孔数与不敏感角a. 孔数2（28个沿周向等距）头部a. M0.7(高亚音速，局部超音速)锥型校准静压针对工艺质量很敏感，每只都带有各自的系统误差，必须在校准风洞吹风校准，获得其校准特性（速度特性，角度特性）才能使用。77第三节 压力探针3.2 静压测量n2) 静压针 a. 直角型静压针78第三节 压力探针3.2 静压测量n2) 静压针 B. 圆盘型静压针 c. 带引导管型静压针 79第三节 压力探针3.2 静压测量n2) 静压针80第三节 压力探针3.3 总静压针n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（Pitor Tube）。n通过测量气流的总、静压和总温以计算出速度。n总压比较容易测量，所以设计时主要应满足静压孔的要求。总静压针的角度特性由静压开孔决定。2()vpp81第三节 压力探针3.3 总静压针82第三节 压力探针3.4 三孔针n气流速度与方向测量为了测准气流的方向，要求感受器对气流方向的变化特别敏感，这与总压感受器的要求正好相反，不敏感角由静压开孔决定三孔针测量二元气流的速度方向五孔针测量三元气流的速度方向83第三节 压力探针3.4 三孔针n三孔针84第