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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第五节 压力检测仪表的选择,1.,仪表量程的选择,被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的,2/3,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,1/2,为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的,1/3,优先满足最大工作压力条件,例：某容器内的最高工作压力为,1MPa,（约等于,10kgf/cm2,），试确定测量该容器内压力的弹簧管压力表量程。,解：因为容器的内压比较稳定，故仪表的量程,从产品目录中选用量程范围为,0,1.6MP,的压力表,2.,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。,续上例：用,0,1.6MPa,量程的压力表测量容器的压力，若要求测量值的绝对误差不大于,30kPa,试确定压力表的精确度。,解：测量仪表的相对误差为,3.,仪表类型的选择,从被测介质压力大小来考虑,被测介质的性质,对仪表输出信号的要求,使用的环境,第四章 流速和流量的测量,2024/8/7,7,测量流体速度,大小,方向,分别测总压和静压,直接测总压和静压之差,代入,伯努利方程,：方向探针,二元方向探针,三元方向探针,（复合探针）,2024/8/7,8,2024/8/7,9,流量测量方法,直接测量法：,测出某段时间间隔内流体通过,的总量，然后求出单位时间内,的平均流量。,间接测量法：,测出与流量有关的物理量，然,后用相应的公式计算出流量。,（应用较广）,2024/8/7,10,主要内容,流体速度大小的测量,二维流场中流动方向的测量,三维流场中流向的测量,2024/8/7,11,第一节 流体速度大小的测量,在不可压缩流体中，伯努利方程为：,2024/8/7,12,测量压差,第一节 流体速度大小的测量,或单独的总压和静压，可采用三种,不同的方法：,利用壁面开孔测静压，用总压探针测总压，如图,4-1,，进而求出,压差；,利用静压探针测静压，用总压,探针测总压；,利用速度探针测总压与静压之差。,图,1,压差测量示意图,2024/8/7,一、速度探针,L,形速度探针,笛形管探针,吸气式速度探针,遮板式和背靠式速度探针,第一节 流体速度大小的测量,2024/8/7,14,L,形速度探针,图,4-2 L,形速度探针的几何关系,0.3d,2024/8/7,15,在平面流场中，流动方向与探针轴线的夹角称为流向偏斜角，用,表示，,对,L,形速度探针的影响如图,4-3,所示：,图,4-3,流向偏斜角,的影响,2024/8/7,16,图,4-3,中的压力系数分别为：,式中：,分别为,分别为,时总压孔与静压孔的测量值；,时总压孔与静压孔的测量值；,2024/8/7,17,从图,4-3,可看出：,对于头部为半球形的探针，当流向偏斜角在,10,的范围内变化时，探针的读数不改变，因为在此范围内，总压和静压均下降，因而压差保持不变。,对于头部为锥形的探针，在流向偏斜角为,15,时，总压保持不变，而静压却对流向偏斜角非常敏感，只要,，压力系数,。,2024/8/7,18,利用速度探针测量流体速度时，可按下式计算速度大小：,其中，速度探针校正系数,由实验确定：,与探针头部形状、静压孔的位置以及感受部分的加工精度等有关。,2024/8/7,19,笛形管探针,在测量尺寸较大的管道内的平均速度时，经常采用笛形管探针。,图,4-4,笛形管探针示意图,2024/8/7,20,吸气式速度探针,在锅炉等设备中，经常有含尘量比较大的负压管道，利用吸气式速度探针测量该管道的气流量有其优越性。,遮板式和背靠式速度探针,为了防止灰尘堵塞，可以用,遮板式和背靠式速度探针测量管道气流。,2024/8/7,21,图,4-5,三种测高含尘浓度气流的动压管,吸气式,遮板式,背靠式,2024/8/7,22,二、可压缩性对气流速度测量的影响,在高速气流中，必须考虑影响气体密度的压力绝对值，因为气流速度的变化会引起压力变化。,等熵流动的可压缩性气体的伯努利方程为：,代入等熵流动的过程方程式：,2024/8/7,23,得：,式中，,k,是气体的等熵指数，对于空气，,k,=1.4.,引入马赫数,Ma,可得速度,c,与压差的函数关系，即,2024/8/7,24,把上式用牛顿二项式展开，并写成压差形式：,考虑可压缩性时，气流速度的公式为：,式中，,是对可压缩性的修正系数，它与,Ma,有关。,2024/8/7,25,表,4-1,关系,Ma,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,0.0025,0.01,0.0225,0.04,0.0625,0.09,0.128,0.173,0.219,0.275,2024/8/7,26,可压缩性气流速度公式的三种近似关系：,第一种情况，,第二种情况，,第三种情况，,（,a,）,（,b,）,（,c,）,2024/8/7,27,图,4-6,的近似值与精确值之比随,Ma,的变化,1,式（,a,）曲线，,2,式（,b,）曲线,3,式（,c,）曲线,2024/8/7,28,根据流体力学原理，如果在规则形状的物体表面开两个对称的小孔，则流体正对其对称轴流来时，两孔感受的压力相等；若来流相对于对称轴有一偏角，则两孔感受的压力必然不相等。根据这一原理可设计各类方向探针，来测量流动方向。,如果在两方向孔的对称轴上再开一个孔，则当流体按对称轴方向流向探针时，此孔感受的压力为总压，而方向孔上感受的压力应为流体总压和静压之间的某一值。这样，只要预先将这种探针在校准风洞中进行标定，用开有三个测孔的探针就可以一次测出平面流场中流体的总压、静压及流体速度和方向。,第二节 二维流场中流动方向的测量,2024/8/7,29,第二节 二维流场中流动方向的测量,一、方向探针,基于流体对物体绕流时，物体表面的压力与流动方向有确定关系的原理而工作的。,图,4-7,方向探针,2024/8/7,30,方向测量方法,对向测量：,使探针绕其本身的轴转动，当两测孔所指示,的压力相等时，两孔的对称中心就与流动方,向一致。这时相对于一定的参 考方向（初,始位置）就可以决定流动方向角。,不对向测量：,将两孔的对称轴固定在某一参考方向，测量,两孔的压力差，根据校正曲线（两孔压差与,流动方向的关系）确定流体流向。,2024/8/7,31,图,4-8,中：,c,速度；,x,、,y,、,z,参考轴；,-,速度的空间流向角，即速度,c,与平面,xy,的夹角；,x-,探针两侧孔的几何对称轴；,x,0,-,探针的空气动力轴线，即在没有速度梯度的平,面流场中，能使两孔压力相等时的轴线；,误差角，即，在,xy,平面内，当有速度梯度时，空气动力轴线与真实流体方向之间的夹角。,图,4-8,方向探针中的参数,-,速度的平面流向角，即速度,c,在,xy,平面内的投,影与,x,轴的夹角；,-,校正角，即探针的几何轴线,x,与空气动力轴线,之间的夹角；,2024/8/7,32,灵敏性：,探针空气动力轴线与流动方向偏离单位角度时，在探,针两侧孔之间产生的压差的大小，可用下式表示：,2024/8/7,33,二、二维流场中流向的测量,对向测量,在平面流场对向测量中，常用的,方向探针有,L,形、,U,形及圆柱三孔式,探针。其中,L,形和,U,形探针是用两根,不锈钢针管弯成,L,形或,U,形制成的。,图,4-9 L,形和,U,形方向探针,2024/8/7,34,圆柱形三孔式探针,中孔测总压，两个侧孔用来测流,动方向。,广泛用于流体机械进出口处对流,体速度大小和方向的测量。,用于对向测量时，通常是把两个,侧孔接到一个,U,形管压力计上，以测,两侧孔的压差；探针中孔和其中一个,侧孔接第二个压力计，以测中孔和侧,孔的压差；第三个压力计与中孔连接,，以测中孔压力和大气压之差。,图,4-10,圆柱形三孔式探针,2024/8/7,35,当探针绕其本身轴转动，使得两侧孔压力相等时，探针中孔就对准了流向，这时，探针各孔所测的压力可以表示为：,中孔,2,的压力为：,图,11,流体对圆柱体绕流,其中,K,0,是探针中孔的校正系数。,侧孔压力为：,其中,K,1,是探针一个侧孔的校正系数。,2024/8/7,36,中孔与侧孔压力差为,将,代入,流体速度大小为,2024/8/7,37,K,0,、,K,1,由实验确定，表征探针的总压和速度特性，实际中选用探针时，一般选用,K,0,=1,，,此时，中孔所测压力,p,2,就是总压,p,0.,2024/8/7,38,不对向测量,基本原理,在圆柱三孔式探针中，流动方向、总压、静压和速度与三个测压,孔所测出的压力有一定的函数关系，这些关系分别为探针的方向特,性、总压特性、静压特性和速度特性。这些特性也称探针的校正曲,线，通过实验台求得。,2024/8/7,39,当位流横向流过绕流物体时，如图,11,，圆柱体表面上任意点的流体速度为：,图,11,流体对圆柱体绕流,代入位流绕圆柱体,流动的伯努利方程,（,d,）,2024/8/7,40,将上式,（,d,）,变换即可得到流动方向与三孔压力的函数关系：,又因,，将其代入式（,d,），并变换可得流体总压、静压,以及代表速度特性的,p,s,/p,0,与,、,p,1,、,p,2,、,p,3,的函数关系：,2024/8/7,41,2024/8/7,42,当侧孔,1,和,3,与中心孔,2,的夹角 时，表示方向、速度、静压,和总压特性的函数式分别为：,2024/8/7,43,图,12,方向特性曲线,图,13,速度特性,2024/8/7,44,图,13,总压特性,2024/8/7,45,2024/8/7,46,式中，,k,为等熵指数。,2024/8/7,47,2024/8/7,48,第三节 三维流场中流向的测量,2024/8/7,49,第三节 三维流场中流向的测量,图,12,四孔圆柱探针,结构示意,2024/8/7,50,图,13,Ma,数校正曲线,图,14,俯仰角、静压、总压校正曲线,2024/8/7,51,总压和静压的计算式：,p,0,=,p,1,+,p,0r,(,p,1,-p,2,),p,s,=,p,1,-,p,sr,(,p,1,-p,2,),2024/8/7,52,五孔球形探针,测量三维气流最常用的五孔球形探针，在其球面上有五个孔，中间孔用来测总压，其他四个孔是方向孔，也可测量静压和气流速度。,球的直径可以在,510mm,之间选取，测量孔直径为,0.51.0mm,中心孔轴线与侧孔轴线夹角为,45,。,图,15,五孔球形探针,2024/8/7,53,图,16,理想流体绕圆球流动,2024/8/7,54,2024/8/7,55,2024/8/7,56,2024/8/7,57,2024/8/7,58,图,17,球形五孔探针校正曲线,2024/8/7,59,第四节 热线风速仪,热线风速仪是一种多用途的测量仪器，它与热线或热膜探头一起,，用于测量流体的平均流速、脉动速度和流动方向。,其探头的几何尺寸较小，对流干扰小，故经常用于一般探针难以,安置的地方。,其热惯性小，特别适合脉动流体测量。,2024/8/7,60,2024/8/7,61,一、探头及其型式,热线探头,热丝探头,热膜探头,2024/8/7,62,图,18,典型的热探头管,（,a,）一元热线探头（,b,）热膜探头（,c,）三元热线探头,热线探头根据测量要求有一元、二元、三元探头之分，分别用于,测量一元、平面和空间流动。,二、工作原理和测速的数学表达式,当人为地用恒定电流对热丝加热时，由于流体对热线有冷却作用，而流体冷却能力随流速的增大而加强，因此，可根据热线温度的高低（即热丝电阻值的大小）来测量流体的速度，这即是等电流法测量流体流速的原理。,在某恒定电流下，流体流速和热线电阻的关系，可事先在校准风洞上标定出来。,2024/8/7,63,2024/8/7,64,如果保持热线的温度一定（即电阻一定），则可以建立热线电流和流体,速度的关系，这就是等温法的原理。,热线与流动方向正交时，流体对热线的冷却能力最大，随着二者交角不,断减小，流体对热线的冷却能力将不断减小。,热丝的简化模型如图,19,，金属丝由电流加热，它,的温度高于周围介质温度，由于热线的长径比,较大，故可忽略热线对支杆的导热损失，又由于,热丝加热温度与介质温度相差不大，故可忽略,热辐射损失，,图,19,热线传感器模型,2024/8/7,65,2024/8/7,66,上述公式整理后得：,式中，,（,e,）,式（,e,）是热线对流换热的基本方程式，在这个方程中热线的电阻与温度呈单值函数关系，即：,2024/8/7,67,其中，,R,0,是热线在温度,t,0,时的电阻；,是热线的电阻温度系数。,将式（,f,）代入式（,e,）得：,（,f,）,上述方程经变换之后，得：,或,式中，可以看成是流体温度和热线标定温度,t0,不同时的修正,量，当,tf,=t0,时，修正量为,0,，这时流体速度只是电流和热线温度的函数，即：,因此，只要固定,I,和,tw,两个参数的任何一个，就可获得流体速度与另一参数的单值函数关系。令,I,为常数的测速方法为等电流法，令,tw,为常数的测速方法为等温法。由于热线电阻是热线温度的单值函数，所以等温法亦称等电阻法。无论哪种方法都需要对流体温度,tf,值进行修正。,实际测量中，测量的不是热线的电流,I,，也不是热线温度,tw,（或电阻,R,），而是电桥电压,V,。,V,与流体速度的关系由实验确定，这就是热线探头的校准曲线，,V0,是流速为,0,时，热线电桥桥顶的电压值，,为流体流速与热线垂直轴的夹角。,图,20,典型热线探头校准曲线,（,=0,）,
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