2022第06章压力测量

本章学习要求：1.掌握流体稳态压力测量的基本原理；2.掌握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；3.掌握动态压力测量传感器的原理、基本结构；4.掌握示功图测量装置以及误差分析。流体压力：对于运动流体，根据测量所取的面不同，可分为总压力、静压力。总压力与静压力之差称为动压力。§1概述总压力静压力(静压)动压力(动压)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。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。差压：用两个压力之差表示的压力，也就是以大气压以外的任意压力作零标准的压力。单位：帕（斯卡)(Pa)。1Pa＝1N/m2。大气压力：105Pa。测压仪表（原理）：可为液柱式、弹性式和电测式等。

压力种类：稳态压力（大气压力、机油压力、冷却水压力等）瞬变压力（气缸内工质压力波、进排气压力波、高压油管中燃油压力等）测压仪表：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）§2常规测压仪表和传感器

ρ1、ρ2、ρ分别为左右侧介质及封液密度；1、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。

(一)U形管压力计

(二)单管压力计

贝兹(Bates)微压计

(三)斜管微压计

刻度放大了1/sinα倍

F1、F2分别为容器和测压管的截面积液柱式压力计的测量误差1.环境条件的影响(1)环境温度变化的修正

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，其修正公式为

(2)重力加速度变化的修正

当测量地点的重力加速度与标准重力加速度相差太大时，应作修正，其公式为h20为20℃时的封液柱高度(m)；h为温度t时封液液柱的高度(m)；为测压地点的重力加速度(m／s2)；gn为标准重力加速度(m／s2)；α为封液的体膨胀系数(1/℃)；t为测量时的实际温度(℃)。

为测量地点的海拔纬度(°)H为测量地点的海拔高度(m)3．安装与测读引起的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。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。2．毛细管现象的影响封液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，其值取决于封液的种类、温度及管子内径。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、弹性测压仪表工作原理：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。将变形的位移传递到仪表的指针或记录器上。(一)弹簧管压力计

(二)膜式压力计

1．膜片压力计2．膜盒压力计3．波纹管式压差计

(三)弹性压力计的误差

1．迟滞误差迟滞误差:在相同压力下，其正反行程的变形量不一样，而且变形落后于被测压力的变化。使用时间长会发生弹性衰退。2．温度误差仪表精度的标定是在标准温度下进行的，环境温度偏离标准温度时，弹性元件的弹性模量会产生变化，因而造成较大的误差。3．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。三、最高压力表

最高压力表：用来测量内燃机气缸燃烧压力，有机械式和气电式两种。

1)机械式最高压力表

2)气电式最高压力表（精度较高）四．典型测压传感器

(1)应变式及压阻式压力传感器：压阻式：物质受外力作用，其电阻率发生变化的现象称为压阻效应（类似应变效应），利用压阻效应测量压力的传感器叫压阻式压力传感器。常用的压阻材料是硅和锗，它们有明显的压阻效应。特点：灵敏度比金属丝式应变片的灵敏度高50～100倍，其精度可达0.1％～0.02％，而且频率响应好，可测量300～500kHz以下的脉动压力，工作可靠。缺点是受温度影响较大，因此使用时应进行温度补偿。(2)电容式差压传感器中心感压膜片和两球面内壁镀膜，分别形成电容Cl和C2，当p1＝p2时，中心感压膜片在中心位置，此时C1＝C2；当差压＝p1－p2≠0时，其差压与两电容器电容间的关系为特点：有结构合理、耐振动冲击、测量范围宽、可靠性强和精度高等优点，尤其适合高工作压力、低差压的测量。制造工艺要求高，造价昂贵。(3)压电式压力传感器

石英片可以并联也可串联。特点：不能用作静态压力测量，一般用于测量10～20kHz的脉动压力。传感器冷却：测量高温介质压力(如在燃气压力)时需要冷却。保持冷却水循环畅通，否则高温会改变传感器灵敏度甚至造成传感器损坏。电压放大或电荷放大:压电传感器的信号很弱而输出阻抗很高，根据压电传感器的输出要求，将信号经过放大(一般是电荷放大)，同时要把高输出阻抗变换成低输出阻抗，信号才能被示波器或其他二次仪表所接受。电荷放大器：以电容作负反馈的高增益运算放大器电荷放大器主要由电荷放大、低通滤波和输出放大三部分组成。运算放大器由Al和Cf、Rl构成电荷放大线路，改变Cf可改变放大器的灵敏度。中间部分为滤波电路，R4、R5和A3组成输出放大级，改变R4即可改变运算放大器A3的反馈系数，这样可让放大器适应不同灵敏度的传感器有不同的增益。

§3气流压力测量概念：气流的总压和静压

气流压力：是指气流单位面积上所承受的法向表面力。静压：在静止气体中，由于不存在切向力，故这个表面力与所取面积的方向无关，该压力称为静压。在流动气体中，静压是指相对于运动坐标上的压力，它可用与运动方向平行的单位面积上的表面力来衡量；

总压：是指气流某点上速度等熵滞止到零时所达到的压力，又称滞止压力。若速度相对于相对坐标等熵滞止，则可称为相对滞止压力。

动压：总压与静压之差，称为该点的动压。

对可压缩气体，总压:

总压力静压力(静压)动压力(动压)一、气流总压的测量

(一)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(图6—24)。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。不同型式的总压管对气流偏斜的敏感性：在实际测量时，由于气流方向是变化的，因而使总压管正对气流方向的安装要求难以实现。不敏感偏流角孔口直径对气流偏斜的敏感性(二)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是其头部结构和角度特性，图中λ为材料的热导率。表6—2为常用的L形总压管几何尺寸。L形总压管的缺点是它的不敏感偏流角比较小，一般为±10°～±15°。2．带导流套的总压管图6—28是带导流套的总压管结构图和它的角度特性。由于在总压管外加了一个进口收敛的导流套，从而使其不敏感偏流角明显增大。当出口面积与进口面积比达到20％以上时，可保持稳定的高值(图6—29)。导流套中感受压力的小管位置对气流偏斜的敏感性也有一定影响。故一般将小管放置在进口锥面后。3．多点梳状总压管多点梳状总压管是将若干单点L形总压管按需要组合成梳状总压管，如图6—31所示。梳状总压管按其形状与结构，可分为凸嘴型、凹窝型和带套型。凸嘴型梳状总压管凸出长度与总压管外套直径D的比值一般可取/D＞2.5；凸嘴节距S和凸嘴直径d的比值一般可取s/d＝3～10。这种多点梳状总压管常在测量涡轮机械轴向间隙中的总压时使用，因为它能根据需要沿高度多点测量。

4．耙状总压管耙状总压管，其感受孔总宽度可取L＝(1.2～1.3)t，其中t是叶栅栅距，s/d＝0.5～5，a/d＝5～10，a／δ＝2～4，这样的总压管一般是5°～15°。这种耙状总压管常用于测量涡轮机械沿栅距气流总压的变化。由于较小，因此在气流方向变化较大的流场中测量应注意。5．附面层总压管在固体壁面附近的附面层内，气体总压比主流小得多，其附面层的速度梯度很大，所以测压管内感受的总压平均值总比测压孔几何中心处的总压高。有效中心与几何中心的差值方与管子的内、外径比d/D有关，对于亚音速气流。

由于附面层本身很薄，因此附面层总压管的感受头截面应做成鸭嘴形，孔口呈扁矩形，如图6—34所示。一般h＝0.07～0.1mm，H＝0.12～0.18mm。由于感受孔尺寸极小，故使用时应十分注意测量值的滞后现象。二、气流静压的测量

静压测量有时在机械的固体壁面处进行，有时需在流场中进行，前者采用壁面静压孔，后者采用静压管。

(一)壁面静压测量

利用壁面静压孔来测量气流压力是一种最简单的方法，但要求静压孔附近的壁面光滑平整，而且孔径也不宜开得过大，否则会引起流线在测量孔附近变形(图6—35)，使测量产生误差。图6—36壁面静压测量时孔口尺寸对测量的影响，纵坐标为静压管读数与正确压力值的差值相对于动压头的百分数。由图可见，若孔径达到1.0mm，误差可达1％左右。因此，孔径一般在0.5mm左右，但是孔径太小，不仅引起工艺上的困难，而且使用时也容易堵塞和产生滞后现象。图6—37是孔口倾斜及倒角对静压测量的影响。由图可见，小孔边缘应做成有一个的圆弧或一个R＜D/4小于D/4深度的倒角。在实际使用时，要定期清洗静压孔，清除粘附在测压孔附近的尘粒与污垢，以减少测量误差。(二)静压管

1．圆盘形静压管图6—38是典型的圆盘形静压管。测量时，将其垂直插入气流中，于是，感受孔感受到的是气流静压。当气流与圆盘平面平行的内面产生偏斜(即产生α角)时，对静压测量影响极小，但气流在垂直于圆盘端面的平面内偏斜(即形成β角)，则敏感性极大。因此，要求圆盘形静压管的支杆与圆盘平面要尽量垂直，插入气流要十分注意其β角。试验证明，圆盘直径越小，所感受静压与真实静压差值越大，对β角的变化也越敏感，一般圆盘直径为15～20mm，所有静压管都必须经过标定。2．直角形(L形)静压管图6—39是典型的L形静压管。由于静压管进口处呈半球体，气流在此获得加速，又因为测点后的支杆滞止作用，压力又有所回升，所以适当选择静压孔的位置，使两种影响趋势相反，以互相抵消其影响，可以使测量值更接近实际值。

3．带套管的静压管图6—43是带套管的静压管及其特性。试验证明，在静压孔外加套管，能改善α角偏转对静压管的影响，但是静压孔在套内的轴向位置对其性能影响颇大。在被测空间小的场合，由于其头部尺寸较大，难以采用这种静压管，常用的带套管的静压管各部份尺寸如图6—43所示。

§4测压仪表的标定

压力标定：静态标定和动态标定两种，目的是求出测量压力值的标定系数。1、静态标定：只有当它的输入阻抗非常高时，一般要求绝缘电阻大于1012Ω时，才能使用静态标定。标定仪器和方法：活塞式压力计或活塞式压力校验仪，标定时将传感器安装在活塞式压力计上，应使传感器联接的压力信号测量处理系统保持与气缸压力测量时完全相同，不得进行任何调整，重要的测量，最好测试前后各标定一次，根据传感器量程和估计所测气缸压力的最大值，从零到最大压力值之间设定若干个标定压力值（一般不小于5个数值），分别用活塞式压力计施加标定压力值，从零压力开始上升到标定值。由数据采集系统采样得出相应的输出电压值，对这些值用最小二乘法计算处理可求出标定系数值和测量系统的线性度。

2、动态标定：确定压力幅值大小（标定系数）和测量装置的频率响应特性

动态标定方法：一种是将传感器输入标准频率及标准幅值的压力信号与它的输出信号进行比较，这种方法称为对比法，例如将测压管装在标定风洞上的标定。另一种方法是通过激波管产生一个阶跃的压力并施于被标定的传感器上，根据其输出曲线求得它们的频率响应特性。激波管动态标定是一种最为基本的动态标定方法。

激波管作为压力源，为传感器动态标定提供一个上升时间极快的大幅值的压力阶跃。

膜片可用金属箔或其他硬塑膜，当激波管开始工作时，直流电源3接通吸动撞针机构4，使撞针捅破膜片，高压气流向低压端。

根据被标定传感器的要求(阶跃压力、恒压时间)，求得激波管的初始压力比以及其他参数。由于被标定的传感器是贴平于低压段端面内壁安装的，膜片所受压力与壁面相同，因此若输入信号为阶跃压力，输出信号的U＝f（t）曲线所示。§6内燃机气缸动态压力（示功图）的测量一、概述内燃机动态压力波类型

示功图测试的量：压力、角标和上止点位置三个量。

二、测量装置示功图测量及数据处理工作原理图

压力传感器

传感器：通常选用压电式传感器。

安装方式：直接安装或用铜套安装，传感器用专用套筒拧紧，拧紧力矩25~30N

m，传感器的位置应尽可能靠近气缸燃烧室的中部。

注意事项：1、要保证冷却液、润滑油、缸内气体的可靠密封，防止冷却液或润滑油流进或渗入安装孔，以免引起传感器受潮而使绝缘电阻下降。

2、传感器底面应尽可能与缸盖底面平齐，否则会有压力通道效应。会引起测试的气缸压力曲线带有锋利的毛刺或变形，影响测量准确性。a、用铜套安装

b、直接安装

气缸压力传感器安装方式气缸体A/D采样器及计算机分析处理系统采样器的功能：是将放大器输出的模拟信号转换成数字信号，以满足输入电子计算机的需要。采样器两个重要指标：分辨率和转换速度。分辨率：用转换成数字量的二进制数的位数来表示，采样器有8位的直至16位，通常使用的以12位居多。位数越多，分辨率越高，它的“量化误差”就越小

转换速度：采样时间是把采样值变成数字量的时间。采样器的转换时间从数毫微秒到数微秒，主要取决于转换类型和位数采样时间越短，采样速度越高。高采样速度有利于采样频率的提高。采样频率：采样时间的倒数。在内燃机示功图测录中，每0.5

CA

(φ)采样一次，若转速n=3000r/min，同时测量喷油系统泵端压力、嘴端压力和针阀升程的变化，加上角标信号共5个参量(z)，求采样频率ff＝6×3000×5/0.5=180kHz

三、上止点相位和转角信号的确定

(一)上止点相位的确定1．磁电法凸尖与传感器磁铁开口之间的间隙Δ1，调整到0.15～0.2mm。当内燃机工作，飞轮转动时，由于凸尖与磁铁间隙Δl处磁通的变化，线圈a、b两端将输出一个变化的电动势(为线圈匝数)。若上止点标记对正时，使凸尖正好对准磁铁中心线C－C，则电动势曲线中的C点即为上止点。这种方法测得的上止点实际上为静态上止点。

2．气缸压缩线法利用压力传感器，在倒拖或灭缸的情况下，测得气缸的压缩压力曲线，如图16所示。在压缩曲线的上部，作若干平行于大气压力线的直线，连接这些直线的中点即可得到上止点线。由于气缸内的压缩空气和缸壁存在热交换，而这种热交换在压缩过程与膨胀过程并不相同，还由于同时不可避免地存在少量的泄漏，所以实际上这条压缩压力曲线并不是对称的。因此按上述方法获得的上止点线可能与大气压力线不垂直，一般差角Δα约为1°曲轴转角。由于用这种方法求得的上止点比较接近工作状态下的动态上止点，因此被广泛采用。（压力峰值法（热力学损失角）、对称面积法）3．电容法（直接动态测定法）利用电容式传感器原理（图17），将传感器的电极2和活塞5分别作为电容的两极，电极与绝缘套3以及传感器壳体4固定在气缸盖1上，都是静止的。当活塞作往复运动时，电容传感器的电容量发生变化。当电容量出现最大值时，即认为活塞处于上止点位置，这样就可将最大电容量的信号作为动态上止点的信号。特点：由于活塞和连杆受力变形及温度的影响，对于四冲程内燃机而言，在压缩冲程和排气冲程中，分别利用电容式动态测量上止点的相位是有差异的，一般压缩上止点相位比排气上止点相位领先，而后者的上止点相位更接近静态上止点的相位。2．磁电法磁电式传感器原理，在曲轴上安装一个齿盘，磁电式传感器固定不动，当曲轴旋转、齿盘上的每一个齿经过传感器时，都会产生一个感应电动势脉冲，齿盘的齿数就决定产生的脉冲数，以此来确定曲轴转角的度数

3．上止点基准法由于两个上止点信号之间的曲轴转角为360°，因此当内燃机运转时，可以根据不断产生的上止点信号，利用计算机数据处理系统来求得曲轴转角信号。采样间隔角：利用光电法和磁电法确定转角信号时，由于光栅盘的光栅数和齿盘的齿数受到尺寸和加工工艺的限制，其角分辨率一般只能做到1°或最小为0.5°，若采用脉冲倍频器增加脉冲频率，则角分辨率可达0.1°。如采用上止点基准法，转角的分辨率可大幅度提高，并可根据需要来确定。(二)

、转角信号的确定1．光电法光电式传感器的原理，在光栅盘的外圈按所要求的角分辨率加工一定数目的转角光栅，在光栅盘的内圈只加工一条光栅作上止点信号用。当光源通过光栅到达另一侧由两个光电元件制成的接受器时，分别产生转角和上止点两组信号。四、示功图测录过程的误差分析

1、压力测量通道引起误差

产生误差的原因：气缸盖结构所限，传感器的底面不能与组成燃烧室的缸盖工作面平齐，有一个测试通气孔，测量压力带来误差①

改变了发动机的原有工作状态，使发动机压缩比减小，压缩终点的压力降低，示功图形发生变化。②

导致图形失真（滞后）:压力将通过通道内的弹性气体进行传递,压力通道的频率特性影响着测量系统的频率特性，它会造成被测信号幅值的变化和相位滞后。在某发动机上试验表明，有通道时所测得的气缸压力幅值比没有通道时约低10%。但当通道直径过小而长度值大时（或有转弯），不仅因通道阻力造成压力损失，还会因通道气柱的弹性和阻尼作用使相位严重滞后。一般要求通道的自振频率要大于被测信号上限频率的二倍以上。③

引起腔振:压力通道和产生的容积构成比较典型的振荡腔,在实际测量中，有时会发现在示功图的膨胀线上有明显的锯齿波。一般认为，这是当气缸压力发生突变时，所产生的脉冲压力波在通道内传递而形成通道内气柱的自振，即所谓“腔振”。

2、上止点相位引起的误差

产生误差原因：压缩