压力与流速测量PPT课件VIP

-,1,第一节气流压力的测量第二节压力指示仪第三节电气式压力检测第四节气流速度测量第五节热线测速技术第五章思考题,第五章压力与流速测量,-,2,在供热、通风及供燃气工程中，压力是最常用的测量参数之一。压力指的是单位面积上的作用力。在压力测量中，有稳定压力的测量，也有瞬态压力的测量。从被测压力的量值看有低压、中压、高压之分，另外也有负压或真空度的测量。压力的单位为国际通用的帕（Pa）或巴（bar），1Pa=10-5bar。常用的压力单位还有标准大气压和工程大气压。,-,3,一、压力表示方式压力的表示方式有绝对压力PJ、表压力PB、真空度或负压PZ。,绝对压力是指介质的实际压力；表压力是指高于大气压的绝对压力与大气压力PD之差，即PB=PJ-PD真空度是指大气压力与低于大气压力的绝对压力之差，有时也叫负压，即PZ=PD-PJ,-,4,二、压力检测方法1、重力与被测压力平衡通过直接测量单位面积所承受的垂直方向力的大小来检测压力，如液柱式和活塞式压力计。2、弹性力与被测压力平衡弹性元件感受压力作用后会产生弹性变形，形成弹性力，当弹性力与被测压力平衡时，弹性元件变形多少则反映了被测压力的大小。,-,5,3、利用物质其它与压力有关的物理性质测量压力一些物质受压后，其某些物理性质会发生变化，通过测量这种变化就能测量出压力。如压阻式传感器和压电式传感器。4、以空气动力测压法为基础的气动探针测量气流中压力（总压和静压）所常用的方法，如毕托管。,-,6,第一节气流压力的测量一、总压测量由流体力学可知，任何被流体绕流的物体上都有这样一些点，在这些点上流体完全滞止，即这些点上流速为零，通常称这些点为驻点，驻点上的压力为滞止压力或总压。其物理意义是：在没有外功作用下，流体速度等熵地减速为零时所产生的压力。此时，流体的动能全部等熵地转变为压力能。,-,7,-,8,在实际应用中，由于通道及管道中气流的运动情况很复杂，气流方向往往不可能确切知道，而且随着工况的变化，气流的方向变化较大。即使知道气流的方向，要保证总压管轴线对准气流方向，对安装的要求就要提高。因此，实用上希望孔口轴线对气流方向虽然偏离了一定角度时，还能正确感受总压。,-,9,-,10,事实上，各种型式的总压管的不敏感角度是随着气流速度的变化而有不同程度的改变。,-,11,1、L型总压管,孔的直径0.5mm；L/D3，以减小支杆部分对孔口干扰，不敏感角为（1015）。,-,12,2、带导流套管型总压管,在L型总压管外增加一个导流套管进行整流，使不敏感角增大至（3045）。,-,13,3、多点总压管,-,14,4、附面层总压管,-,15,二、静压测量按静压的物理概念，只有当感受管对液体无任何干扰时，流体速度和流线未受任何影响的情况下，才有可能正确测出静压，这只有当感受管与流体以同一速度运动时才能实现。1、壁面静压孔对于直管道内流动的液体，可以认为在横截面上各点的静压大致相等。因此，常常采用在液体通道壁面上开孔的方法以感受静压。,-,16,壁面开孔必然对流过壁面的流体有些干扰，由此将造成测量误差。孔径越大，流线弯曲越严重，因而误差也就越大；但孔径太小会使制造困难，使用时也容易被灰尘堵塞，而且还会引起测量反映迟缓，一般孔径取为0.51.0mm。,-,17,2、静压管当必须测量气流中某一点的静压或需要测量流场中某截面的静压分布时可使用静压管。1）L型静压管,-,18,2）带导流的静压管,-,19,第二节压力指示仪一、液柱式压力计液柱式压力计是利用液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的原理，通过液柱高度来反映被测压力大小的仪表。一般采用水银或水为工作介质，常用于低压、负压、或压力差的检测。这种压力计结构简单，使用方便，有相当高的准确度，在本专业中应用广泛。缺点是量程受液柱高度的限制。,-,20,1、U形管压力计所测压差与工作液垂直液柱高度差的关系为,若P2管通向大气，则P1管的表压为,可见提高工作液密度将增加压力测量范围，但灵敏度降低。,-,21,2、单管压力计由于U形管压力计需要两次读取液面高度，使用不方便，为此设计出一次读取液面高度的单管压力计。,当A1A2时，上式近似为,-,22,3、斜管微压计是一种变形单管压力计，主要用于测量微小压力、负压和压差。由于被测压力很小，用单管压力计测量时其液柱高度变化也小。为了减小读数相对误差，拉长液柱，把测量管斜放一角度，构成斜管微压计。,-,23,在被测压力作用下管内液面升高h2时，得,式中为一常数。因此读取值，即可得被测压力。角越小，则越长，测量灵敏度就越高；但不能太小（一般不小于15），否则读数困难，反而增加读数误差。,-,24,4、液柱式压力计的读数误差及修正1、环境温度变化的影响及修正当环境温度偏离规定温度时，工作液密度、标尺长度都会发生变化。由于工作液的体膨胀系数比标尺的线膨胀系数大得多，对于一般的工业测量，主要考虑温度变化使工作液密度变化对压力测量的影响。环境温度偏离规定温度t0后，工作液密度改变对压力计读数影响的修正公式为：,-,25,2、重力加速度变化的修正仪表使用地点的重力加速度由下式计算：,式中H，使用地点的海拔，m和纬度（）；gn标准重力加速度。R地球的公称半径，R=6356766m。,-,26,压力读数的修正系数为,式中标准重力加速度下的工作液液柱高度。使用地点（重力加速度为）的工作液液柱高度。,-,27,3、毛细管现象的影响毛细管现象能使压力计测量管内的液柱升高或降低，尤其对单管压力计，这种影响较大。当管内工作液为吸附性液体时，如水、酒精等，液面呈凹面，会产生正误差；当管内工作液为非吸附性液体时，如贡，液面成凸面，会产生负误差。为了减小该读数误差，通常要求液柱式压力计测量管的内径不小于10mm。,-,28,二、弹性机械式压力计弹性式压力检测是利用弹性元件作为压力敏感元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形的大小与被测压力成正比关系。目前，作压力检测的弹性元件主要有膜片、波纹管和弹簧管。,-,29,-,30,弹性元件受外部压力作用后通过受压面表现为力的作用，其力的大小为式中A为弹性元件承受压力的有效面积。根据虎克定律，弹性元件在一定范围内变形与所受外力成正比关系，即,式中C为弹性元件的刚度系数；x为弹性元件在受到外力F作用下所产生的位移。,-,31,因此，当弹性元件受压力为P时，其位移量为：,上式中弹性元件的有效面积A和刚度系数C与弹性元件的性能、加工过程和热处理等有较大关系。当位移量较小时，它们均可视为常数，压力与位移成线性关系。比值A/C的大小决定了弹性元件的压力测量范围。一般地，A/C越小，可测压力越大。,-,32,1、膜片膜片是一种沿外缘固定的片状形测压弹性元件，按剖面形状分为平膜片和波纹膜片。膜片的特性一般用中心的位移和被测压力的关系来表征。当膜片的位移很小时，它们之间有良好的线性关系。波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄膜，其波纹的数目、形状、尺寸和分布情况与压力测量范围有关，也与线性应变有关。有时也可以将两块膜片沿周边对焊起来，成一薄膜盒子，,-,33,称为膜盒。若将膜盒内部抽成真空，并且密封起来，则当膜盒外压力变化时，膜盒中心将产生位移。这种真空膜盒常用来测量大气的绝对压力。膜片常用的材料有：锡锌青铜、磷青铜、铍青铜、高弹性合金、恒弹性合金、碳素钢、不锈钢等。膜片的厚度一般在0.050.3mm。膜片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是，由于膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度也不高，一般为2.5级。,-,34,2、波纹管波纹管是一种具有等间距同轴环状波纹，能沿轴向伸缩的测压弹性元件。由于波纹管的位移相对较大，故一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。波纹管的特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（1.0106Pa），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级。,-,35,3、弹簧管弹簧管截面为非圆形（椭圆形或扁圆形），并弯成圆狐状（中心角常为270）的空心管子。,由于变形前后弹簧管长度不变，假设变形后内外半径分别为r、R，变形后圆弧角为，则有,-,36,两式相减，则有,即,若被测压力大于标准大气压，由于弹簧管的非圆截面，使得短轴方向的受力面大于长轴方向的受力面，因此短轴伸长，长轴缩短，使它有变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生位移，同时改变其中心角。,-,37,弹簧管常用的材料有磷青铜、锡青铜、合金钢和不锈钢等，适用于不同的压力测量范围和被测介质。弹簧管可以通过传动机构直接指示被测压力，也可以用适当的转换元件把弹簧管自由端的位移变换成电信号输出。（1）弹簧管压力表弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量,-,38,负压、微压、低压、中压和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表的精度等级有0.5、1.0、1.5、2.5级。,-,39,（2）电远传式弹簧管压力表主要有霍尔压力传感器和电感式压力传感器两种。霍尔压力传感器是在弹簧管自由端连接一个置于线性变化磁场中的霍尔元件，把霍尔元件的位移转换成霍尔电势。电感式压力传感器是将处于电感线圈中的衔铁与弹簧管自由端相连，把衔铁的位移转换成线圈的电感量的变化。,-,40,霍尔元件的基本工作原理阐述如下：,霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛仑磁力作用的结果。假设在N型半导体薄片上通以电流I，则,半导体中的电子沿着电流相反的方向运动，由于在垂直于半导体薄片平面的方向上施加磁场力B，所以电子受洛仑磁力的作用向一边偏转，并,-,41,使该边形成电子积累，而另一边则为正电荷积累，于是形成电场。该电场阻止电子的继续偏转，当电场作用在运动电子上的力等于洛仑磁力时，电子的积累便达到动态平衡。在薄片两横端面之间建立电场，其对应的电动势称为霍尔电势EH，其大小可表示为,式中RH霍尔系数；d霍尔元件厚度。,-,42,霍尔压力传感器用做远传压力表的原理如图所示。霍尔片与弹簧管的自由端相连，使霍尔片处于两对磁极所形成的非均匀磁场之中。,-,43,霍尔片的四个端面引出四根导线，其中与磁钢平行的两根导线和直流稳压电源相连接，另两根导线用来输出信号。当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管的自由端产生位移，改变了霍尔片处于非均匀磁场之中的位置，从而将机械位移量转换成霍尔电势，所以可将压力信号以电量形式进行远传。霍尔片对温度变化非常敏感，需要进行温度补偿。霍尔片连接的外部直流电源应具有恒流特性，以保证流过霍尔片的电流恒定。,-,44,第三节电气式压力检测弹性式压力检测仪表由于结构简单，价格便宜，使用和维修方便，在工业生产中应用十分广泛。然而在测量压力变化快和高真空、超高压时，其动态和静态性能就不能适应，而电气式压力检测方法则较适合。电气式压力检测方法一般是用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。能实现这种压力电量转换的压敏元件主要有压电材料、应变片和压阻元件。,-,45,一、压电材料及压电式压力传感器利用压电材料检测压力是基于压电效应原理，即压电材料受压时会在其表面产生电荷，其电荷量与所受的压力成正比。,压电元件被夹在两块弹性膜片之间，当压力作用于膜片，使压电元件受力而产生电荷。电荷量经放大可转换成电压或电流输出。,-,46,电压或电流输出的大小与输入压力成正比关系。压电式压力传感器结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，具有线性度好、频率响应高，量程范围大等优点。但是，由于晶体上产生的电荷量很小，一般是以皮库仑计，需要加高阻抗的直流放大器。近年来已将场效应管与运算放大器组成的电荷放大器直接与压电元件配套使用以提高精度；另外，由于在晶体边界上存在漏电现象，所以这类传感器不能用于稳态测量。,-,47,二、应变片与应变式压力传感器导体或半导体材料在外界作用下（如压力等）产生机械变形，其阻值将发生变化，这种现象称为“应变效应”。把依据这种效应制成的应变片粘贴于被测材料上，则被测材料受外界作用所产生的应变就会传送到应变片上，从而使应变片上电阻丝的阻值发生变化，通过测量阻值的变化量，就可反映出外界作用的大小。,-,48,金属导体的电阻R可用下式表示：,如果对整条电阻丝长度作用均匀应力，由于、l、A的变化引起电阻的变化，可通过对上式的全微分求得：,相对变化量,-,49,为分析方便，假设电阻丝是圆截面，则，则,令dl/l=为电阻丝轴向相对伸长，即轴向应变，而dr/r为电阻丝径向相对伸长，即径向应变。由材料力学获知，在弹性范围内，金属丝沿长度方向伸长或缩短时，轴向应变和径向应变的关系如下：,-,50,式中为金属材料的泊松系数，即径向应变和轴向应变的比例系数，负号表示方向相反，所以,经整理后得,定义金属丝的灵敏系数为,它的物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。,-,51,从上式可知，k受两个因素的影响，一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即（12）项，另一个是受力后材料的电阻率发生变化而引起的，即项。对于确定的材料，（12）项是常数，其数值约在12之间，并且由实验证明也是一个常数，因此灵敏系数k为常数，则得,上式表明金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。,-,52,为了使应变片能在受压时产生形变，应变片一般要和弹性元件一起使用。弹性元件可以是金属膜片、膜盒、弹簧管及其他弹性体；敏感元件（应变片）主要有金属或合金丝、箔等。它们可以以粘贴或非粘贴的形式连接在一起。应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及相应的桥路组成，应变式压力传感器有很多结构形式。下图是一种形式的粘贴式应变片压力传感器的原理图。,-,53,-,54,被测压力作用在膜的下方，应变片贴在膜的上表面。当膜片受压力作用变形向上凸起时，膜片上任一点具有径向应变r和切向应变t。从图中可以看出，在r=0处，r和t都达到最大值，且相等；在r=0.58r0处，r0；当r0.58r0时，r成为负值；当rr0时，r达到负的最大值。膜片上应变片的粘贴位置就是根据上述应变分布规律来确定的。图中贴有四个应变片，在膜,-,55,片受压力作用时，R2和R3受到正向r的拉伸，电阻值增大；R1和R4受到负的r的拉伸，电阻值减小。把这四个应变片接在一个桥路的四个桥臂上，,其中R1和R4，R2和R3互为对边，则桥路的输出信号反映了被测压力的大小。由于金属材料有电阻温度系数，特别是弹性元件和应变片两者的膨胀系数不等，会,-,56,造成应变片的电阻值随环境温度而变，所以必须要考虑补偿措施。最简单也是最常用的方法是采用上述差动电桥的形式，四个应变片的静态性能完全相同，它们处在同一电桥的不同桥臂上，温度升降将使这两个电阻同时增减，从而不影响电桥平衡；有压力作用时，相邻两臂的阻值一增一减，使电桥能有较大的输出。但尽管这样，应变式压力传感器仍有比较明显的温漂和时漂。因此，这种压力传感器较多地用于一般要求的动态压力检测。,-,57,3、压阻元件与压阻式压力传感器压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件。所谓压阻元件实际上就是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻的变化而改变。和应变片一样，扩散电阻正常工作需依附于弹性元件，常用的是单晶硅膜片。压阻式压力传感器就是根据压阻效应原理制造晶硅膜片。,-,58,-,59,压阻式压力传感器的主要优点是体积小，结构比较简单，其核心部分就是一个单晶硅膜片，它既是压敏元件又是弹性元件。扩散电阻的灵敏系数是金属应变片的灵敏系数的50100倍，能直接反应出微小的压力变化，能测出十几帕斯卡的微压。它的动态响应也很好，虽然比压电晶体的动态特性要差一些，但仍可用来测量高达数千赫兹乃至更高的脉动压力，因此这是一种比较理想、目前发展和应用较迅速的一种压力传感器。,-,60,这种传感器的缺点是敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数的大小。解决的方法是在制造硅片时，利用集成电路的制造工艺，将温度补偿电路、放大电路甚至将电源变换电路集成在同一块单晶硅膜片上，从而可以大大提高传感器的静态特性和稳定性。因此，这种传感器也称固态压力传感器，有时也叫集成压力传感器。,-,61,第四节气流速度测量从热力学和流体力学的基本定律可知，当气流速度较小时，可不考虑流体的可压缩性，并认为它的密度为常数。此时有,只要测得总压（滞止压力）和静压（流体压力）之差以及流体的密度，就可以利用上式确定流体速度的大小。,-,62,测量动压除可以使用静压管和总压管分别测量静压和总压，然后接入U型管确定动压值外，还可以采用总静压风速管进行测量。,-,63,一、动压管（毕托管）设计动压管时主要应满足静压测量的要求，其不敏感偏流角由静压孔决定。1、L型动压管,-,64,2、T型动压管,-,65,3、笛型动压管主要用于测量大尺寸流道内的平均动压，以得到平均流速。,-,66,二、平面气流的测量平面气流的测量包括气流方向的测量和气流速率的测量。为了准确测出气流的方向，要求方向管或复合管对气流方向的变化尽量敏感。三孔圆柱形测压管测量气流的总压、静压和方向的方法有两种。1、转动法转动三孔管以对准气流