8压力及流动测试技术

8.1 概述概述 一、压力的定义流体或固体垂直作用在单位面积(S)上的力(F)称为压力(p)，也称压强。SFp 各种压力的定义、计算公式和相互关系压力名称 符号定义计算公式绝对压力 pa相对于绝对压力零线测得的压力，或作用于物体上全部压力。pa=pg+p0表压力pg绝对压力pa与当地大气压力p0的差值，当pap0时，pg为正时，称为正表压；当pap0时，pg为负时，称为真空度。pg=pa-p0真空pv习惯上，将负表压称为真空，理想的真空是绝对零压力。pv=p0-pa差压p任意两个压力之间的差值。p=p1-p2 pa、pg、pv、p0之间的关系 各种压力关系图 压力的单位是力和面积的导出单位，但各种单位制中力和面积的单位不同，因而压力的单位也有多种。在SI中，压力的单位是牛顿/米2(N/m2)，称为帕斯卡或帕(Pa)，lPa0.1mmH2O(毫米水柱)，在CGS制中，压力的单位是达因/厘米2(dyn/cm2)，简称为巴(bar)，lbar=0.1MPa。二、压力测量系统的分类（1）基于与重力相比较的压力测量系统（2）利用弹性敏感元件的压力位移特性的压力测量系统（3）利用弹性敏感元件的应力、应变特性的压力测量系统（4）利用弹性敏感元件的压力集中力特性的压力测量系统（5）利用弹性敏感元件的压力频率特性的压力测量系统（6）利用某些物理特性的压力测量系统 app 1122ghghppa 一、U形管测压计1122ghghpppagapp 1122ghghppa1122ghghpppav绝对压强 相对压强 在测量气体的微小压强和压差时，为了提高精度，常采用倾斜式微压计)(21hhgpppag相对压强 LaAh1sin2Lh AaLh 1LKgLAagpg)sin(于是 sin/1AaKsin1K很小Aa 1.应变式压力传感器 应变式测压传感器是基于弹性变形的原理，将被测压力作用在传感器的弹性元件上，使弹性元件产生弹性变形，并用弹性变形的大小来度量压力的大小。由于去载时弹性变形可恢复，所以应变式测压传感器不仅能测量压力的上升段，也能测量压力的下降段。能反映出压力变化的全过程。筒式应变测压传感器示意图（1）筒式应变测压传感器(2)平膜片式压力传感器(3)活塞式应变测压传感器2.压电式压力传感器专门用于动态压力测量的一种性能较好的压力传感器。常用的压电晶体有石英晶体、锆钛酸铅和钛酸钡。3.压阻式压力传感器 弹性元件在弹性限度内受压后会产生弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形大小与被测压力成正比关系。变形，变形大小与被测压力成正比关系。（1）弹簧管压力表）弹簧管压力表u结构简单，使用方便，结构简单，使用方便，价格低廉，使用范围价格低廉，使用范围广，测量范围宽广，测量范围宽u可测负压、微压、低可测负压、微压、低压、中压和高压压、中压和高压u精度有精度有0.5、1.0、1.5、2.5等等 在静止气体中，由于不存在切向力，故在静止气体中，由于不存在切向力，故这个力与所取面积的方向无关，称为静这个力与所取面积的方向无关，称为静压力。压力。对于运动流体而言，静压可用垂直于流对于运动流体而言，静压可用垂直于流体运动方向单位面积上的作用力来衡量。体运动方向单位面积上的作用力来衡量。总压力是指流体在某点速度等熵滞止到总压力是指流体在某点速度等熵滞止到零时所达到的压力。零时所达到的压力。临界点临界点 滞止压力是指在没有外力的作用下，流滞止压力是指在没有外力的作用下，流体速度可逆和绝热地减速到零时所产生体速度可逆和绝热地减速到零时所产生的压力，此时，流体的全部动能全部绝的压力，此时，流体的全部动能全部绝热地转变成压力能。热地转变成压力能。总压与静压之差称为动压总压与静压之差称为动压 应用动力测压法测量流速的压力感受元应用动力测压法测量流速的压力感受元件为件为测压管测压管 伯努利方程式伯努利方程式0dpudu2211222002222()upupCuppCupp不可压不可压缩流体缩流体 可压缩气体可压缩气体202401(1)2242421ppuMkMppu 测压管的测压管的使用上限使用上限不超过相当于马赫数不超过相当于马赫数为为0.25时的流速时的流速 测压管的测压管的使用下限使用下限为被测量的流速在全为被测量的流速在全压孔直径上的雷诺数需超过压孔直径上的雷诺数需超过200 测压差的方法测压差的方法（1）利用总压管、静压管，分别测量流体的）利用总压管、静压管，分别测量流体的总压和静压，以确定流体速度。总压和静压，以确定流体速度。（2）利用专门设计的复合测压管，同时测量）利用专门设计的复合测压管，同时测量流体的总压和静压（或两者之差），以确流体的总压和静压（或两者之差），以确定流体速度。定流体速度。由由测压管、连接管和显示或记录仪表测压管、连接管和显示或记录仪表三三部分组成的测压系统，就可以测量流体部分组成的测压系统，就可以测量流体的流速。的流速。(1)流体总压测量与测压管流体总压测量与测压管l 测量流体总压的总压管在使用时，其感测量流体总压的总压管在使用时，其感压孔轴线应对准来流方向。压孔轴线应对准来流方向。l 希望总压管对流动方向越不敏感越好希望总压管对流动方向越不敏感越好 制造容易，使用安制造容易，使用安装方便。装方便。它对流动偏斜角的它对流动偏斜角的灵敏性取决于压力灵敏性取决于压力孔直径与管子外径孔直径与管子外径之比以及总压管头之比以及总压管头部的形状部的形状 可以制作得很小，可以制作得很小，惯性不大，工艺性惯性不大，工艺性好，制造容易，使好，制造容易，使用方便。用方便。在马赫数变在马赫数变化较大范围化较大范围内，它对流内，它对流动偏斜角的动偏斜角的不灵敏度达不灵敏度达到到(4050)u测量被绕流体表面上某点的压力或流道测量被绕流体表面上某点的压力或流道壁面上流体的压力壁面上流体的压力这时可利用在通道壁面或绕流物体表面这时可利用在通道壁面或绕流物体表面开静压孔的方法进行测量。开静压孔的方法进行测量。u确定流场中某点的压力，也就是运动流确定流场中某点的压力，也就是运动流体的压力。体的压力。这时可以利用尺寸较小具有一定形状的测这时可以利用尺寸较小具有一定形状的测压管插入流体中，进行流体压力测量。压管插入流体中，进行流体压力测量。L形静压管、盘形静压管、套管形静压管形静压管、盘形静压管、套管形静压管需要测量平直流道内的流体静压时可采用需要测量平直流道内的流体静压时可采用在流道壁面开静压孔的方法来测量。在流道壁面开静压孔的方法来测量。壁面静压测量l分别采用总压管和静压管测得流体的总分别采用总压管和静压管测得流体的总压和静压，然后利用公式计算得到流体压和静压，然后利用公式计算得到流体速度。速度。l缺点：不能同时测得某一点的流体的总缺点：不能同时测得某一点的流体的总压和静压。压和静压。l可同时测得流体总压和静压之差的复合可同时测得流体总压和静压之差的复合测压管称为毕托管（动压管、速度探针）测压管称为毕托管（动压管、速度探针）毕托管是测量流体速度的主要工具之一，广泛用于流体的测速。在测量时，只要把皮托管对准流体流动的方向，使内管顶端（滞止点）能感受全压力 pt，而具有静压孔的外管感受静压力 ps。特点：结构简单，使用、制造方便，价格特点：结构简单，使用、制造方便，价格便宜，坚固可靠，精度高。便宜，坚固可靠，精度高。毕托管测量的是空间某点处的平均速度，毕托管测量的是空间某点处的平均速度，它的头部尺寸决定了它的空间分辨率它的头部尺寸决定了它的空间分辨率 根据所测量的流体性质，将毕托管设计成根据所测量的流体性质，将毕托管设计成不同的形状，常用的有不同的形状，常用的有L形和形和T形。形。（1）L形毕托管形毕托管（二）（二）毕托管的结构毕托管的结构毕托管由总压管0和静压管1组成。设水流某点的速度为u。当水从上游流向管口0的时候，流体作减速运动，流至0处速度为零，此处压强为p0（称为总压）。然后水流绕过毕托管继续向下游运动，水流速度逐渐增加，当水流到达管口1的时候，速度值恢复至u，此处压强为p（称为静压）。)(20ppu 能同时测出流体的总压及流速的大小和能同时测出流体的总压及流速的大小和方向的测压管称为方向的测压管称为复合测压管复合测压管 在平面流场的测量中，常用二元复合测在平面流场的测量中，常用二元复合测压管测量流体的总压、静压及流速的大压管测量流体的总压、静压及流速的大小和方向。小和方向。圆柱形、管束形和楔形圆柱形、管束形和楔形测量流体测量流体总压总压测量流测量流动方向动方向 测量空间流动速度的大小和方向及流体测量空间流动速度的大小和方向及流体的压力，常用球形五孔三元测压管、管的压力，常用球形五孔三元测压管、管束形五孔三元测压管和楔形五孔三元测束形五孔三元测压管和楔形五孔三元测压管。压管。一、压力检测仪表的选择一、压力检测仪表的选择1.仪表量程的选择仪表量程的选择u 被测压力较稳定：最大工作压力不应超被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的过仪表满量程的3/4u 被测压力波动较大或测脉动压力：最大被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过仪表满量程的工作压力不应超过仪表满量程的2/3u 为保证测量准确度：最小工作压力不应为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的低于满量程的1/3u 优先满足最大工作压力条件优先满足最大工作压力条件2.仪表精度的选择仪表精度的选择 压力检测仪表的精度主要根据生产允许的压力检测仪表的精度主要根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。最大绝对误差应小于仪表的基本误差。3.仪表类型的选择仪表类型的选择u从被测介质压力大小来考虑从被测介质压力大小来考虑u被测介质的性质被测介质的性质u对仪表输出信号的要求对仪表输出信号的要求u使用的环境使用的环境u校验校验就是将被校验压力表和标准压力表通就是将被校验压力表和标准压力表通以相同压力，比较它们的指示数值，如果以相同压力，比较它们的指示数值，如果被校表对于标准表的读数误差，不大于被被校表对于标准表的读数误差，不大于被校表规定的最大准许绝对误差时，则认为校表规定的最大准许绝对误差时，则认为被校表合格。被校表合格。u常用的校验仪器常用的校验仪器是活塞式压力计，它由压是活塞式压力计，它由压力发生部分和测量部分组成，它的精度等力发生部分和测量部分组成，它的精度等级有级有0.02、0.05和和0.2级，可用来校准级，可用来校准0.25级精密压力表，也可校准各种工业用压力级精密压力表，也可校准各种工业用压力表，被校压力的最高值为表，被校压力的最高值为60MPa。压力发压力发生部分生部分测量测量部分部分1.取压口的选择取压口的选择u 在管道或烟道上取压在管道或烟道上取压u 测量流动介质的压力测量流动介质的压力u 测量液体介质的管道上测量液体介质的管道上取压取压 一、概念 流体的流量是指单位时间内通过某一截面的流体体积或质量，分别称之为体积流量Qv（m3s-1）和质量流量Qm(kgs-1)SvdtdxSdtdVQVQvSvdtdVdtdmQm 二、流体的基本知识（1）流体的主要物理性质重度 VW密度 dVdm粘度 运动粘度 其单位为m2s-1 一般工程或实验用液体流量计的基本原理都是通过某种中间转换元件或机构，将管道中流动的液体流量转换成压差、位移、力、转速等参量后，再将这些参量转换成易测电量，从而得到与液体流量成一定函数关系(线性或非线性)的电量(模拟或数字)输出。