燃气轮机测试-第5章 压力及差压测量技术

05第5章压力及差压测量技术5.1液柱式压力计：U形管、单管式、斜管式微压计与误差修正5.2弹性式压力计：弹簧管、膜片膜盒、波纹管及弹性元件特性5.3压力传感器及变送器：电位器/应变/压电/电感/电容/霍尔式5.4压力变送器的校验：计量性能要求、校验设备与校验规程机械工业出版社·教材配套课件第5章

压力及差压测量技术5.0压力的基本概念p压力（压强）物体单位面积上作用的法向力的大小，单位为Pa。1Pa=1N/m²常用单位：1kPa=10³Pa1MPa=10⁶Pa压力脉动会造成通流部件的热与机械应力疲劳，压力准确测量对运行安全与经济性意义重大。按随时间变化划分静定压：每秒变化量为分度值1%或每分钟变化量在5%以内；变动压：超过静定压限度，其中非周期变化称波动压力、不连续且变化大者称冲击压力；脉动压：压力随时间周期性变化且变化速度超过静定压限度。按参考零点划分绝对压力（单位后加abs）：以绝对真空为零点；表压力（单位后加G）：以大气压力为零点；差压力：以大气压力以外的任意压力为零点。三者关系：绝对压力=表压力+大气压力。按测量原理划分①重力与被测压力平衡：液柱式压力计、活塞式压力计；②

弹性力与被测压力平衡：各类弹性式压力计，工业应用最广；③

利用物质其他与压力有关的物理性质：压力传感器，半导体压阻式与压电式发展迅速。本册第5章沿「液柱式→弹性式→压力传感器及变送器→校验」的主线展开，与后文流量测量中的差压方法相互衔接。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

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·5.1.1U形管压力计图5-1

U形管压力计的结构（原书）静力学平衡关系(5-1)Δp=p₁−p₂=h(ρ₁−ρ₂)g=(h₁+h₂)(ρ₁−ρ₂)gh为两肘管封液高度差，h=h₁+h₂；g为重力加速度。结构与应用一根灌注一半容积液体的U形玻璃管加一根标尺；可测液体和气体的相对压力及压力差。管径与封液选用内径一般5~20mm，为减小毛细现象影响最好不小于10mm；管径小时不能用水（毛细现象），可采用酒精。读数误差标尺分格值1mm时两次液面读数总绝对误差约2mm；被测差压很低时应选密度更小的封液（水、汞、四氯化碳）。液柱式压力计结构简单、价格低廉、灵敏度高，适用于低压、负压与差压的高精度测量并可作基准器；但测量范围较窄、玻璃易碎，不适合生产现场使用。常用形式为U形管、单管式与斜管式微压计。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

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5.1.2/5.1.3单管式与斜管式微压计图5-2单管式压力计的结构单管式压力计(5-2~5-4)h₁A₁=h₂A₂，Δp=(h₂+h₁)(ρ₁−ρ₂)g=h₂(1+d²/D²)(ρ₁−ρ₂)g；只需读取一个液面高度值。管长5m、封液为水银时测量上限6×10⁵Pa，酒精时0.4×10⁵Pa，下限一般不小于2000Pa。图5-3斜管式微压计的结构斜管式微压计(5-5~5-8)h₂=l·sinα，Δp=l(1+d²/D²)ρ₁g=Kl；读数被放大1/sinα倍。α

不能小于15°，过小则液面拉长易冲散，使用范围一般为100~2500Pa。测正压通大容器、测负压通肘管。单管式把U形管一边换成大截面容器以消除双液面读数误差（肘管直径5mm、容器150mm时系数为1+1/900）；斜管式通过改变倾斜角α即改变K值，以适应不同的微小差压测量范围。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

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5.1.4液柱式压力计的测量误差及其修正3项主要误差源液柱式压力计的实际测量精度主要受环境温度、重力加速度和毛细现象影响，需逐项修正。读数提示眼睛应与封液弯月面最高点或最低点持平，并沿切线方向读数。1环境温度变化的影响(5-9)h₂₀=h[1−β(t−20)]，h₂₀为20℃封液液柱高度，h为温度t时的液柱高度，β

为封液体膨胀系数，t为实际温度。封液体膨胀系数比标尺线膨胀系数大1~2个数量级，一般工业测量主要修正封液密度变化；精密测量还需修正标尺长度。2重力加速度变化的修正(5-10/5-11)按使用地点的海拔H与纬度φ计算gφ，再据hN=f(hφ)将测量地点液柱高度折算为标准地点数值。gN为标准重力加速度，取9.80665m/s²；R为地球公称半径（纬度45°海平面处），R=6356766m。3毛细现象造成的误差弯月面引起读数误差并使液柱升高或降低；实际应用常加大管径，封液为酒精时d>3mm，水或水银时d>8mm。此外还有刻度、读数、安装误差：U形管与单管压力计都要求垂直安装，防止非垂直状态造成两端高度差误差。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

压力及差压测量技术5.2弹性式压力计（特性与材料）图5-4弹性元件的弹性特性（原书）弹性特性(5-12)s=f(p)或s=f(F)或φ=f(M)曲线1线性（弹簧管），曲线2、3非线性（膜片、膜盒）；刚度与灵敏度互为倒数K=1/S。弹性储能(5-13)W=σeεe/2=σe²/(2E)σe大、E小者可实现柔软且灵敏（原书图5-7）。弹性滞后与弹性后效滞后：加、减负荷时弹性特性不重合（原书图5-5）。后效：卸载后需经一段时间才完成变形（原书图5-6），可持续几分钟到几十小时。迟滞误差与材料二者统称迟滞误差，是回差和零点误差的根本原因。恒弹性合金弹性模量温度系数一般±10×10⁻⁶℃⁻¹。弹性式压力计结构简单、灵敏度高、精度高，适用压力范围0~10³MPa；常用弹性元件为弹簧管、膜片、膜盒和波纹管，对应弹簧管压力计、膜式压力计和波纹管式压力计。机械工业出版社·教材配套课件18/42燃气轮机试验与测试技术第5章

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5.2.3弹簧管压力计图5-8单圈弹簧管压力计结构原理示意图（原书）结构组成与传动由弹簧管、齿轮传动机构、指针和刻度盘组成；齿轮机构把自由端的线性位移转换为指针角位移，连杆调节螺钉用于校正指示范围，游丝用于消除齿轮啮合间隙。图5-9弹簧管及其横截面工作原理管内压力高于外部时，椭圆截面短轴延伸、长轴缩短而趋向圆形，自由端向管延伸方向移动产生位移s（图5-10），最大位移通常控制在2~5mm。精度等级与量程普通型1~4级，精密型0.1~0.5级；测量范围为真空至10⁶kPa。使用要求：压力波动较大时示值应在量程约1/2处；压力变化较小时可在约2/3处；被测压力通常不应低于量程的1/3。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

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5.2.4膜式压力计图5-11膜片和膜盒元件与分类膜片为边缘固定的圆形薄片，受压向低压侧弯曲产生中心位移（挠度）；两片膜片周边焊接成膜盒，多个膜盒串联组成膜盒组以获得最大位移。选用与量程被测压力大于60kPa常选膜片，小于40kPa常选膜盒；膜盒压力计250Pa~60kPa，膜片压力计1600Pa~2.5MPa。波纹膜片弹性特性(5-14)挠度与压力关系取决于波纹形状、数量、深度及膜片厚度与直径，边缘波纹影响最大；挠性膜片多用丁腈橡胶，靠弹簧平衡压力。膜式压力计的传动与显示原理与弹簧管压力计大致相同（结构见原书图5-12膜盒式压力计）；膜式压力计精度等级一般为2.5级，最高可达1.5级。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

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5.2.5波纹管式压力计波纹管元件轴对称的管状波纹薄壳，具有沿轴线的伸缩性；在压力作用下表现出比拉伸时更宽的线性输出范围，因此通常在压缩状态下使用。分无缝波纹管与有缝（焊接）波纹管，前者的波纹截面形状有U形、C形、锯齿形等。双波纹管压力计原理接入被测压力后B1被压缩，填充液经阻尼环与阻尼旁路流向B2，B2伸长并拉伸量程弹簧，直至力平衡；连接轴位移经推板、摆杆带动扭力管转动，心轴转角即反映被测压力大小。图5-13波纹管（原书）图5-14双波纹管压力计的结构示意图波纹管B3通过小孔与B1相通，起温度补偿作用；阻尼阀控制填充液流动阻力，防止仪表迟延过大或系统振荡；单向保护阀保护仪表在压力过大或单向受压时不受损坏。波纹管式压力计灵敏度高，可测压力1.0~10⁶Pa，精度等级1.5级。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

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5.2.6弹性压力计的误差及修正5.2.6五类主要误差迟滞误差：加载与卸载时变形量不一致弹性后效误差：变形滞后于压力变化间隙误差：活动部件间隙使显示与变形不符摩擦误差：活动部件之间的摩擦力温度误差：温度改变材料弹性模量受上述因素局限，传统弹性压力计要达到0.1%的精度非常困难。提高弹性压力计精度的四条途径误差既来自结构设计与加工精度，也来自弹性材料本身的属性，需从材料、转换方式、支承与工艺四个层面同时改进。1选用优质弹性材料选无迟滞或迟滞极小的“全弹性”材料与温度误差微小的“恒弹性”材料，如恒弹性合金Ni42CrTi、Ni36CrTiAl，以及理想的全弹性和恒弹性材料熔凝石英。2改进转换技术采用新颖的转换技术以减少或消除中间传动机构，从而减少间隙误差和摩擦误差，例如利用电阻应变转换技术。3限制位移与改进支承限制弹性元件的位移量，并使用无干摩擦的弹性支承或磁悬浮支承等创新支承方式。4优化制造工艺采用合适的制造工艺，以充分发挥材料的性能优势。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

压力及差压测量技术5.3.1电位器式压力传感器图5-15精密电位器的电路图（原书）精度约0.5~1级；触点摩擦、电位器磨损与污染使其可靠性差、分辨率低、动态特性差。转换原理将测压弹性元件产生的位移转换为微型电位器滑动触点的位移，把压力变化转化为电阻值的变化。精密电位器是可实现机械位移与电信号模拟转换的重要机电转换元件。基本工作原理在电阻元件的1、2端加固定直流工作电压，从1、3端就有电压输出，其大小与电刷位置相关；电刷臂随被测量产生位移时，输出电压也发生相应变化。与动圈式仪表组合（图5-16）Rx的滑动触点由弹簧管压力表的扇形齿轮驱动，Rx与R5~R8、外接电阻Rw组成电桥；压力增加使Rx上升、电桥失去平衡、输出电压增大，指针偏转增大。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

压力及差压测量技术5.3.2应变式压力传感器图5-17金属丝式应变片的结构（原书）三个转换环节力或压力(F或p)→应变(ε)→电阻变化(ΔR)→电压输出(U)。压力转应变由弹性敏感元件完成，应变转电阻由应变片完成，电阻转电压由测量电路完成。应变效应(5-15~5-19)R=ρL/A；ΔR/R=(1+2μ)ε+Δρ/ρ；K=(1+2μ)+(Δρ/ρ)/ε。金属应变片K≈1+2μ，一般为1.7~3.6；半导体压阻效应达60~170，几何应变效应可忽略。应变片形式（图5-18/5-19）金属丝式由敏感栅、基底、盖板、引线和黏结剂组成；箔式采用光刻腐蚀工艺，横向部分特别粗、散热好，使用范围日益扩大；半导体应变片分体型与扩散型，扩散型应用最普遍。应用形式有膜片式、筒式和组合式三种（原书图5-20~5-22）：测低压用膜片式，测中压用膜片-应变筒式，测高压用应变筒式；组合式自振频率低，不适合测量高频脉动压力。应变式压力传感器精度通常为0.1~0.25级，常用于工业精确测量。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

压力及差压测量技术5.3.3压电式压力传感器图5-23石英晶体（原书）压电式传感器精度很高，通常为0.1~0.2级；因无法避免漏电，不宜测量频率太低的压力信号，特别是静态压力。压电效应与晶轴压电材料受压（受力）时表面产生电荷，压力消除后恢复原状。石英晶体以z轴（光轴）、x轴（电轴）、y轴（机械轴）描述：沿x轴受力为纵向压电效应，沿y轴受力为横向压电效应，沿z轴则不产生压电效应。压电方程与材料qx=dxx·Fx(5-20)，切片上产生电荷的大小与几何尺寸无关；qy=−dyy·Fy(5-21)。材料分两类：单晶压电晶体（石英、酒石酸钾钠等）与多晶压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅等）。等效电路与测量电路晶体电容量Ca=εrε0S/d，可等效为电荷源并联电容或电压源串联电容（原书图5-25）；电压放大器（5-22~5-27）使输出电压与输入电压成正比，电荷放大器Uo≈−q/Cf（5-28~5-31）只与电荷和反馈电容有关。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

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5.3.4电感式压力传感器图5-28差动变压器式传感器结构示意图（原书）差动变压器式原理(5-32)铁心随弹性元件位移改变一次绕组与上下两段二次绕组的耦合；二次绕组反相串联，铁心居中时总输出电动势为零，上移为正、下移为负。图5-29电感式压力（差压）传感器结构（原书）输出与供电输出与绕组匝数、绕组电流和供电频率有关；一次绕组采用恒流供电较为有利，测量波动压力时供电频率应至少比压力波动最高频率高十倍，但过高会降低灵敏度。电感式传感器分为自感式、差动变压器式和电涡流式三类，其中差动变压器式应用最广泛；二次仪表一般有动圈表和自动平衡电子差动仪。其灵敏度高、输出功率大、结构简单、工作可靠，但零点漂移不易消除、体积较大，不适合测量高频脉动压力，精度一般为0.5~1级。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

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5.3.5电容式压力传感器图5-30电容式压力传感器原理（原书）图5-32常用电容式压力传感器的结构形式（原书）原理与基本关系(5-33~5-39)测压弹性膜片作为活动极板，与固定极板构成可变电容：C0=KεA/d0，压力变化改变极板间距，电容量随之变化，相对变化与位移呈非线性。差动式电容结构(5-40~5-46)活动极板置于两固定极板之间（图5-31），灵敏度提高1倍；当Δd0=d0/6时非线性误差由17%降至2.8%。电容之“差”与“和”的比值与压力成正比且与介电常数无关。δ室与测量电路(5-47~5-49)δ室以硅油传压、过载时膜片贴球形凹面获得保护；测量电路有交流电桥、谐振电路、运算放大器式（5-47~5-49，输出与动极板位移呈线性）和脉冲宽度调制（PWM）电路。优点是灵敏度高、动态响应快、结构简单、输入能量低且不受磁场影响，精度可达0.05级或更高；缺点是输出阻抗高、连接导线的寄生电容影响大、输出为非线性。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

压力及差压测量技术5.3.6霍尔效应压力传感器图5-37霍尔效应（原书）精度通常在0.5级或更高，输出仅几毫伏到几百毫伏，需差动放大电路。KH受温度影响大，应使元件恒温或采取温度补偿措施（如输出回路串联以铜电阻为一臂的温度电桥），并注意减小不等位电动势。优点为非接触测量、磨损小、寿命长；缺点是对外部磁场敏感、需持续供电、易受电磁干扰。霍尔效应与电动势形成半导体单晶薄片置于磁感应强度B的磁场中，两纵向端面通控制电流I，则两横向端面间出现霍尔电动势EH。电子在磁场力作用下偏转，一端面累积电子、另一端面缺失电子，形成电场力，平衡后得到稳定的霍尔电动势。霍尔电动势(5-50/5-51)EH=KH·I·B(5-50)，KH=RH/d为霍尔元件灵敏度，RH为霍尔系数、d为霍尔片厚度，RH=ρμ；可改写为EH=μUB(5-51)。供电一定时，霍尔电动势与磁感应强度B成正比。传感器构成与磁场（图5-38~5-40）由弹性元件（膜盒、弹簧管、波纹管）、磁系统与霍尔元件组成；极靴间磁感应强度与位置呈线性，元件居中时两半边磁场方向相反、总输出为零，偏离正中位置时输出正比于位移。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

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5.3.7压力传感器在燃气轮机中的应用图5-41火焰放热与燃烧室内声压波动基本同步时相互作用的曲线（原书）燃烧振荡与危害预混燃烧的稳定燃烧当量比范围很小、燃烧区域集中，容易发生火焰吹熄与燃烧振荡。燃烧振荡由声波、流体与放热相互作用产生，使热量和压力大幅脉动，系统性能下降、燃烧室寿命缩短，严重时回火、喷嘴熄灭并停机。测点布置（图5-42/5-43）方式一：传感器靠近燃烧室经短管连接，管内滞留空气使高温燃气不直接接触传感器，但壳体温度仍可达约200℃，需耐高温传感器。方式二：装在罩壳外部，压力波动经引压管传出，可用低成本传感器，但引压管越长衰减越明显，5m时末端信号强度仅为原始值的一半。探头形式与传感器选型脉动传感器有封闭式与半无限式探头（图5-44）：封闭式探头在驻波与1/4波频奇数倍相关时产生强烈探测响应，可缩短有效长度或按脉动频率设计探头长度；半无限探头可避免驻波问题。燃烧室压力监测均用电压输出型压电式传感器。根据压力信号判断燃烧稳定性的原则：①

高频段压力值应小于低频段；②

低频段压力值不能过大；③

高频段压力值应较小；④

中频段压力值应远小于高频段和低频段且保持平稳。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

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·5.4.1压力变送器计量性能要求表5-1准确度等级及最大允许误差、回差（原书）准确度等级最大允许误差回差（首次检定）回差（后续检定和使用中检查）0.05级±0.05%≤0.04%≤0.05%0.075级±0.075%≤0.06%≤0.075%0.1级±0.1%≤0.08%≤0.1%0.2级（0.25级）±0.2%（0.25%）≤0.16%（≤0.20%）≤0.2%（≤0.25%）0.5级±0.5%≤0.4%≤0.5%1.0级±1.0%≤0.8%≤1.0%1.5级±1.5%≤1.2%≤1.5%0.05级压力变送器最高准确度等级，最大允许误差±0.05%为何要校验长期使用或极端环境下可能退化：灵敏度下降、零点漂移、响应时间变慢，直接影响测量精度，定期校验可及时校正偏差。依据与方式可送计量部门校验，或依据JJG882—2019自行检定。注：误差与回差以输出量程的百分比表示。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第5章

压力及差压测量技术·第2部分5.4.2压力变送器校验设备图5-45活塞式压力计（原书）图5-46空气浮球式压力计（原书）标准器组与不确定度标准仪器及配套设备按被检变送器技术要求参照表5-2选择并组合成套。成套标准器组检定时引入的扩展不确定度U应不大于被检变送器最大允许误差绝对值的1/4；对0.05级变送器应不大于1/3。活塞式压力计(5-52)用已知重量的砝码直接作用于特定面积的活塞上平衡被测压力，油压p=(G₀+G)/A₀（5-52），