《氢能源动力实验原理与指导》课件 第2章 压力测量

压力测量目录压力的概念与表示方法压力测量仪表的分类电气式压力传感器和变送器气流的压力测量测压系统的安装和动态特性0102030405压力的概念与表示方法01压力的概念压力定义流体与流体或流体与固体之间垂直作用于单位接触面积上的作用力大小SI单位Pa帕斯卡1Pa=1N/m²常用压力单位换算单位换算为Pa科学计数法1kgf/cm²980709.807×10⁴1atm1013251.013×10⁵1mmHg133.21.332×10²1mmH₂O9.8079.807×10⁰1bar1000001×10⁵1lb/in²(psi)68956.895×10³压力的表示方法绝对压力pa以绝对真空为零点起算的压力表压力pg以环境大气压力为零点起算的压力pa=pg+p0核心关系式压差Δp

—任意两个压力值之差，

Δp=p1-p2正（表）压

—绝对压力高于大气压力，

pg=pa-p0负（表）压/真空

—绝对压力低于大气压力的状态真空度pv

—表征真空程度，

pv=p0-pa静态压力

（每秒变化量小于压力计分度值10%）

/

动态压力

（随时间变化的压力）压力测量仪表的分类02液柱式压力计U形管压力计—需两次读数，读取弯月面顶部—管内径：水银/水为8~12mm，酒精为3mm单管压力计—宽容器+肘管结构，仅需一次读数—计算公式：pg=ρgh₁斜管微压计—单管倾斜角度放大液柱高度，测微压—使用范围100~2500Pa，倾斜角不小于15°—可测低至0.98Pa微小压力工作原理液柱静压力与被测压力相平衡，通过液柱高度指示压力主要特点结构简单读数直观成本经济精度较高测压上限不高：液柱高度上限2m斜管微压计最小可测压力0.98Pa常用工作介质酒精液柱式压力计的测量误差及修正环境温度变化的影响修正公式h₂₀=hT[1−αV(T−20)]封液体膨胀系数比标尺线膨胀系数大1~2个数量级主要修正封液密度变化重力加速度变化的修正hN=hφ·gφ/gN标准重力加速度gN=9.80665m/s²海拔和纬度偏离标准值时需修正修正公式毛细现象与读数要求毛细现象修正弯月面引起读数误差和液柱升高/降低误差与封液表面张力、管径、管内壁洁净度有关读数要求视线与弯月面最高/最低点保持水平U形管和单管压力计须垂直安装弹性式压力计工作原理弹性元件受压变形，通过传动机构转化为指针位移或电信号测量范围几十Pa

~

几十GPa跨越12个数量级的超宽量程工业生产中最普遍的压力测量仪表膜片压力计测腐蚀性/黏性介质膜盒压力计测气体微压和负压波纹管式与弹簧结合，双波纹管压差计弹簧管式精度0.1~4级，量程至10⁹Pa弹性压力计的误差及改善迟滞误差正反行程变形差异弹性后效误差变形响应滞后于压力变化间隙误差活动部件间隙使示值偏离摩擦误差部件间摩擦引入温度误差环境温度改变金属弹性模量改善途径采用新转换技术减少或取消中间传动机构，降低传动环节引入的误差限制弹性元件位移量控制变形范围，保持弹性元件在线性工作区内采用合适制造工艺优化加工精度和热处理工艺，提升元件一致性与稳定性弹簧管压力表使用要点量程使用规范1/2波动大时2/3波动小时≥1/3最低限防振防爆防腐定期校验电气式压力传感器和变送器03压电式压力计压电效应晶体受压产生机械形变时，两相对表面产生电荷分离石英晶体三轴z-z光轴沿晶体纵向，无压电效应x-x电轴穿越棱线，纵向压电效应y-y机械轴垂直棱面，横向压电效应电荷量公式qx=kx·Fx=kx·A·p与作用力成正比，与晶体几何尺寸无关石英稳定性高价格贵压电陶瓷压电系数大价格便宜，广泛使用传感器结构夹持结构压电元件夹持于两弹性膜片之间，弹簧施加预紧力信号处理输出信号微弱、阻抗高，需前置放大适用范围适用于动态压力测量定期校正压电陶瓷压电系数逐年降低，需定期校正灵敏度电阻式压力计应变片式测压计金属电阻测量原理电阻变化主要受几何尺寸变化影响，材料形变导致阻值改变BPR-2传感器结构膜片将压力转为集中力→传递至应变筒电桥测量电路R1轴向压缩阻值减小，R4径向拉伸阻值增大温漂与时漂限制，多用于动态压力检测压阻式压力计半导体50×灵敏系数优势比金属应变片高约50倍压阻效应公式ΔR/R≈Δρ/ρ扩散硅传感器结构•应变电阻与基底均为硅，集测量与弹性功能于一身•膜片布置四个等阻值电阻构成电桥R1/R4负应力区R2/R3正应力区电容式压力变送器C=εS/d差动式电容压力变送器结构左右对称不锈钢基座，焊接波纹密封隔离膜片中间弹性膜片为可动测量电极，上下电极为电容器腔内填充硅油传递压差差动式优势非线性大幅改善灵敏度提高近一倍减小温度不稳定性技术特点-1×10⁷~5×10⁷测量范围(Pa)-46~100℃工作温度±0.25%精度低功耗、高灵敏度、高固有频率缺点：分布电容影响较大差动电容结构原理压差ΔP→膜片位移→电容差ΔC=C₁-C₂→电信号输出上固定电极电容器C₁左基座不锈钢弹性膜片（可动电极）←受压位移→右基座不锈钢电容器C₂下固定电极硅油填充力平衡式与霍尔式压力变送器力平衡式原理◆被测压力经弹性元件转换为集中力◆与反馈电流产生的反馈力形成力矩平衡◆杠杆系统实现位移极小的高精度测量DDZ-III型流程弹性元件→矢量机构→差动变压器→4~20mA高倍数位移检测放大器，弹性元件位移极小降低对弹性材料性能要求，提高测量精度霍尔效应原理VH=KH·I·B/d◆电流I穿过磁场B，洛伦兹力使载流子偏转◆两侧产生霍尔电势VH◆正比于控制电流与磁感应强度乘积结构组成弹簧管霍尔元件差动磁场电势输出优点✓结构简单✓灵敏度高✓频率响应宽缺点⚠信号转换效率低⚠对外部磁场敏感⚠抗震性差⚠受温度影响大气流的压力测量04气流压力测量基础p∞+½ρu∞2=p+½ρu2=常数驻点定义总压概念沿流线不变伯努利方程核心要点理想流体假设无粘性、不可压缩，适用于低速气流能量守恒表达静压能与动能之和沿流线保持恒定驻点特性速度为零处，动能全部转化为静压静压探头测压孔在侧面，最小化流场干扰总压探头测压孔在正前端，正对来流方向壁面静压孔技术要求孔径0.5~1.0mm，轴线垂直内壁，边缘尖锐无毛刺孔深与直径之比l/d>3管接头优先螺纹连接，避免焊接热应力变形注意：边缘毛刺和孔深不足会导致测量误差显著增大静压探针L形静压探针•半球形头部，测压孔距尖端≥3d，距支杆≥8d•不敏感偏流角α=±6°（λ≤0.85）•适用于流道较大、旋转不大的场合圆柱形静压探针•中空细长圆柱体，测压孔在背离主流方向•偏流角±40°范围内仍可稳定测量•适用于二维流场，对流场扰动较大，误差较大带导流管的静压管•不敏感偏流角α可达±30°，δ可达±20°•可用于三元气流测量•导流管形状复杂，头部尺寸难以做小蝶形静压探针•不受x-y平面内方向角变化干扰•对z轴方向角δ敏感，碟盘平面与流线偏差需控制在2°以内•制造工艺复杂，成本高总压探针L形总压探针端部设置测压孔d₂/d₁=0.3不灵敏度范围α=±(5°~15°)-15°0°+15°圆柱形总压探针尺寸紧凑，制造简便过孔口轴线与支杆垂直平面α=±(10°~15°)孔口轴线与支杆轴线平面β=±(2°~6°)球窝型设计可提高α和β值带导流管的总压探针内置进口收敛器+导流管不灵敏度范围α,β=±(40°~50°)最优不敏感偏流角性能设计代价加工精度要求高·尺寸较大压力探针的测量误差分析探针对流场的扰动探针引起流线偏转和局部压力场重新分布减小探针尺寸可降低干扰静压孔的影响孔径过大、形状不规则、轴线与主流线不垂直均引入误差流体进入孔内产生离心力效应，静压孔内压力上升Ma数的影响Ma数增大时气体压缩性不可忽略超声速气流中探针表面产生局部激波半球形头部L型探针，d₂/d₁=0.3时可有效抵消Ma数影响Re数的影响Re>30时黏性影响限于边界层内，可忽略Re<30时需修正，修正系数a≈3~5.6p₀=p+½ρu²(1+a/Re)测压系统的安装和动态特性05测压系统的安装取压口位置3项关键要求介质方位液体/气体/含尘导管安装长度≤60m坡度≥1%取压口位置要求•避免管道弯曲、分叉及涡流位置•与阀门距离>2D，与挡板距离>3D•低压测量时取压口应接近测量仪表不同介质取压口方位液体管道横截面下半部分，避气泡、防沉渣气体管道横截面上方，避液体流入含尘气体避免积尘堵塞，必要时加装除尘装置导管与压力表安装①信号导管总长度≤60m②水平铺设保持≥1%坡度防积水/积气③垂直安装，远离震动与高温④蒸汽测U形管、波动大加缓冲器、脏污介质加隔离罐测压系统的动态特性空腔效应与固有频率d,l导压管V空腔感压元件固有频率

f₀

∝

d/√(l·V)压力传