压力测量

热能与动力机械测 试技术
天津大学机械学院 内燃机燃烧学国家重点实验室
第六章 压力测量
• 压力测量概述；
本章主要内容
常规测压仪表和传感器；
气流压力测量；
测压仪表的标定；
压力测量系统的动态标定；
内燃机气缸动态压力测量。
学习要求： ☆ 要求掌握流体稳态压力测量的基本原理、稳态压力传感器
的形式及构成，测量误差产生的原因及解决方法。 ☆ 动态压力测量传感器的原理、基本结构。 ☆示功图测量装置以及误差分析。
(二) 膜式压力计
• 1.膜片压力计
•
膜片呈圆形，一般由金属制成。使用时周边夹紧，测低
压、微压。中心产生的位移量即反映出压力的大小。
• 常用的弹性波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄片 。
Px 平薄片
Px 波纹片
•挠性膜片一般只起隔离被测介质的作用，它本身几乎没有 弹性，是由固定在膜片上的弹簧来平衡被测压力的。
p表压
1
大气压力线
（P0 ) Pa
P绝对
p负压或真空度
被测压力
绝对压力的零线 0
二、压力单位
帕(Pa) N/m2，国际单位 兆帕(MPa) 106Pa 工程大气压， kgf/cm2 ，98070 Pa
约等于一个大气压（1.013e+5 Pa) ，“自来 水压头是5公斤”，用的就是这个单位。
mmH2O， 9.81 Pa mmHg ，133 Pa
波纹管)受压后产生的弹性变形作为测量的基础。
• 由于变形的大小是被测压力的函数，故设法将变形的位移 传递到仪表的指针或记录器上后，即可直接读出压力的数值
特。点：
结构简单、牢固可靠、测压范围广、使用方便、造价低廉、 有足够的精度，可远传
常用弹性压力表：
弹簧管压力计、膜式压力计、波纹管式压差计
（一）弹簧管压力计
表压力：以当地大气压作为零标准的压力。通常，所谓压
力就是指表压力。 在被测介质的绝对压力大于大气压力时，表压＝绝对压力－
大气压力
负压或真空度（又称疏空压力）：即在被测介质的绝
对压力低于大气压力时的一种压力表达。
在被测介质的绝对压力低于大气压力时：
真空度（接近真空的程度）＝大气压力－绝对压力
被测压力
小于10mm.U型管压力计的测压范围最大不超过0.2MPa.
• 2) 单管压力计
单管压力计结构如图b所示。其两 侧压力差为
• p p1 p2 g( 1)(1 F2 / F1)h2 • •式中，F1、F2：分别为容器和测压 管的截面积；h2为封液液柱高度。
•
当F1>>F2，且ρ>>ρ1时，有
Px
单圈弹簧管自由端的位移量不能太大，一般不超过 2-5mm。为了提高弹簧管的灵敏度，增加自由端的 位移，可采用螺旋形或S形（回形）弹簧管。
齿轮传动结构的作用：把自由端的位移转换成指针 的角位移，使指针能指示出被测值。
被测压力波动较大场合，仪表示值应控制在量程的 1/2附近；被测压力波动小时，仪表示值可在量程的 2/3左右，但被测压力值一般不应低于量程的1/3。
h2
sin
a)l
1(h1
h2h)2)
gg(A( 2A2l
A1A1
l l
sl isninaa))gg((AA22
AA11
ssiinn a)l
斜管微压计的刻度比单管压力计的刻度放大了1/sina倍，更便于 测量微压，一般这种压力计适于测量2-2000Pa范围的压力。
4）液柱式压力计的测量误差
• 1. 环境温度变化的影响
由弹簧管式压力表、放气阀和 单向阀组成。
理论上，这种压力表可以测量 内燃机气缸内最高燃烧压力， 但实际上由于单向阀的惯性作 用以及上下作用面面积不同等 原因，使指示压力值往往低于 实际值。
为此，通常只能作为监测或比 较测量用。
2 .气电式最高压力表
•高 压 气 压 力 与 气 缸 压 力 平衡时，膜片9不再变形 ，此时不再有跳火产生， 这时的压力即为气缸工作 的最高压力，即最高燃烧 压力。
• 习惯上取使测量误差为速度头 1%的偏流角a作为总压管的不 敏 感 偏 流 角 ， 记 作 ap ， 当 然 ap 的范围越大对测量越有利。
双波纹管压差计
（四）弹性压力计的误差分析
• 迟滞误差
•同一弹性元件在相同压力下正反行程的变形量不一样，而且 元件的变形往往落后于被测压力的变化。这种迟滞误差是造 成弹性压力计误差的主要原因。为了减少迟滞误差，可以采 用迟滞误差极小的“全弹性”材料，如溶凝石英等。
温度误差
仪表精度的标定是在标准温度下进行的，当使用环境的温度 偏离标准温度很多时，弹性元件的弹性模量会产生变化，因 而造成较大误差。解决的方法是采用温度误差很小的“恒弹 性”材料制作弹性元件，如合金Ni42CrTi，Ni36CrTiA等。
Px x
膜片压力计常用于测量腐蚀性介质或非凝固、非晶体粘性介 质的压力，适用真空至6MPa的压力测量。
2.膜盒压力计
将两块膜片沿周边对焊起来，形成一膜盒，膜盒式微压计通 常用于测量炉膛和烟道尾部负压，测压范围为0-±40kPa。
可以增大膜片中心位移，提高测压灵敏度。还可把多个膜盒 串接在一起，形成膜盒组。
三. 压力测量方法
• 1）重力与被测压力的平衡法：通过直接测量单位面积
上所承受的垂直方向上力的大小来测量压力。（液柱式压 力计和活塞式压力计等）
2）弹性力与被测压力的平衡法：当弹性力与被测压力平
衡时，弹性元件变形的即反映了被测压力的大小。（弹簧 管压力计、波纹管压力计和波纹管压差计等）
3）利用物质某些与压力有关的物理性质进行测量：一
❖ 缺点：但是由于产生的电荷量少，因此后续需加高阻抗的 直流放大器。由于晶体边缘上存在漏电现象，因此不能用 于稳态测量。
❖ 压电传感器不能用于静态测量：由于测量链的绝缘电阻有 限，只有变化才能产生信号，电荷信号不能无限长期保持 不泄露。因此压电传感器的信号没有绝对零点，不适合进 行长期稳态，如称重应用。对于周期性变化的过程测量， 上述限制变成压电传感器的优点，因为它们总是测量相对 力，而不是绝对力。因此，任何静态或缓慢变化的附带状 态会被自动消除。
➢由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在 无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有 无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此 压电式传感器不能用于静态测量。压电材料在交 变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量 回路一定的电流，故适用于动态测量。
➢被测介质温度高于室温，例如内燃机缸内气体压 力测量时，必须采用畅通的冷却水进行冷却，否 则高温会改变传感器的灵敏度甚至ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ成传感器的 损坏。
3.其他压力传感器
•除了石英晶体压电传感器、电容式压差传感器 外，电阻应变式传感器、电感式传感器和霍尔 压力式传感器等也常用于压力测量。
第三节 气流压力测量
p* p 1 2 const
2
一、气流总压的测量
• 1) 总压的测量方法
•气流的总压是当速度按等熵流动滞止下来时的压力，常用总 压管测量。总压管的管口轴线对准气流方向，另一端管口与 压力计连通，这样便可测出被测点的气流总压与大气压之差 。
弹簧管压力计主要由弹簧管4、齿轮传动机构、指针3和刻度 盘2组成。弹簧管是弹簧管压力计的感压元件。
各种形式的弹簧管如图所示。弹簧管的横截面呈椭圆形或扁 圆形。
当具有压力的介质进入管的内腔后，在压力的作用下，弹簧 管会发生变形。
由于椭圆形短轴方向的内表面积比长轴方向大，因此受力也 大，管子截面趋于变圆，产生弹性变形，使弯成圆弧形的弹 簧管向外伸张，在自由端产生位移。
➢传感器的输出信号很弱而输出阻抗很高，必须将
2.电容式差压传感器
•设测量膜片在Δp作用下的位 移Δd，Δd=k1Δp。
C1
d0
k2 d
C2
d0
k2 d
•由C1、C2可得
C2 C2
C1 C1
d d0
k1p d0
k3p
•特点：灵敏度高、精度高，精度可达0.2、0.25，稳定 可靠。尤适用于测高静压、微压差的场合。
第一节 压力测量概述
一、基本概念
• 压力 垂直作用于物体表面上的力。 • 压强 垂直作用于单位面积物体表面上的力。 • 压差 测量两个压力之差称压差。
绝对压力：以完全真空作为零标准的压力。在用绝对压力
表示低于大气压时，把该绝对压力叫真空度。
大气压力：地球表面的空气柱重量所产生的压力表达，常
用Pa表示（用P0 较易）
• 间隙和摩擦误差
• 弹性压力计中传动系统机构间的间隙和摩擦阻力会引起附 加误差。此外，这种误差的产生还与仪表的安装不当有关 。
• 为减少这种误差，可以采用新的传动技术，减少或取消中 间传动机构，如采用电阻应变转换技术等；还可以采用无 干摩擦的弹性支撑或磁悬浮支撑。
三. 最高压力表
• 1.机械式最高压力表
相对而言，气电式最高压 力表比机械式最高压力表 的精度要高。
四. 典型测压传感器
1.石英晶体压电传感器
压电效应：压电材料在受压时会在其表面产生电荷， 产生的电荷量与所受的压力成正比。
压电材料：单晶体，例如石英、酒石酸钾钠等
多晶体，例如压电陶瓷，在没有极化之前，因各单 晶体的压电效应都互相抵消表现为电中性，为此 必须对压电陶瓷先进行极化处理，经极化处理的 压电陶瓷具有非常高的压电系数，为石英的几百 倍。
•石英片一般为3片，与传力 件接触的一片为保护片，以 防止另外两片工作片被挤破 。两片工作片之间有金属箔 9把负电位传导到导电环8， 其正极通过壳体接地。
石英片并联，传感器有较高 的电荷灵敏度，串联的优点 是电压灵敏度高。
❖ 特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，具有线性 度高量程范围大等优点。
•当环境温度不是规定的温度 20℃时，由于封液密度、标尺长 度均发生变化，所以必须进行修正。由于封液的体膨胀系数比 标尺的线膨胀系数大1-2个数量级，所以一般只考虑封液密度 变化的影响。其修正公式为
h20 h1 av (t 20)
3. 毛细管现象的影响
封液在管内由于毛细管现象引起表面形成弯月面，使液柱产生 附加的升高或降低。因此，要求液柱管的内径不能太细，当封 液为酒精时，管子内径d≥3mm；封液为水或水银时，管子内径 d≥8mm。
p p1 p2 gh2
3) 斜管微压计
主要用于测量微小的压力、负压和压差。为了减少读数
的相对误差，拉长液柱，将测量管倾斜放置。
P1
h2 l sin a
P2
L
h1 A1 lA2 h1 P g (h1 h2 )
A2 l
A1 g
(
A2
A1
h1
l 斜l s管in
a)
g (
A2 A1
• 4.其它误差
• 安装误差：使用液柱式压力计时，应使压力计处于垂直位置， 接头处不得有泄漏，否则会产生安装误差。
• 读数误差：测取读数时，对水和酒精，应从凹面的谷底算起； 对水银，应从凸面的顶峰算起。眼睛应与封液凹面或凸面持平 并沿切线方向读数，否则会产生读数误差。
二. 弹性测压仪表
• 原理：
• 弹性测压仪表以各种形式的弹性元件(如弹簧管、金属膜和
些物质受压后，它的某些物理性质会发生变化，测量这些变 化就能测量出压力。（压阻式传感器、压电式传感器等）
这类传感器大都具有精度高、体积小、动态特性好等优点， 是当前测压技术的主要发展方向
第二节 常规测压仪表和传感器
•测压仪表：包括液柱式测压仪表 、弹性测压仪表、测压传感 器 （压阻式传感器 、压电式传感器 、电容式差压传感器 ）。
• 1) U形管压力计
•当被测介质为气体，如图a所示，其压 差为
•
• •式中,ρ1、ρ2、ρ分别为左右侧介质及封 液密度；H为右侧介质高度；h为封液 液柱高度；g为重力加速度。
当ρ1≈ρ2，且ρ >> ρ1时，有
•
Δp=p1-p2=ρgh
U型管内径一般为5-20mm，为了减少毛细现象管子内径一般不
（三）波纹管式压力计 x
•波纹管：开口端固定，封闭端的 位移作为输出，由于波纹管的位 移相对较大，故灵敏度高，常用 于测量较低的压力（1.0-106Pa） ，精度等级1.5级。
Px
薄壁管外周沿轴向有深槽形波纹状皱褶，可沿轴向伸缩。波 纹管受压时的线性输出范围比受拉时大，因而常在压缩状态 下工作。
波纹管式压差计以波纹管为感压元件来测量压差信号，有单 波纹管和双波纹管两种，主要用作流量和液位测量的显示仪 表。
一.液柱式测压仪表
工作原理：利用工作液的液柱所产生的压力与被测压力平衡， 根据液柱高度来确定被测压力大小的压力计。其工作液又称 封液，常用的有水、酒精和水银。
1）U型管压力计 2）单管压力计 3）斜管式微压计 ❖ 特点：结构简单，使用方便，准确度比较高，常用于测量
低压、负压、差压。 ❖ 缺点：体积大，读数不方便，玻璃管易损坏。