热工测试河南农业大学.ppt

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1、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01.6MP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01.6MPa量

2、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,2023/10/30,7,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）,2023/10/30,8,2023/10/30,9,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

3、用较广）,2023/10/30,10,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,2023/10/30,11,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：,2023/10/30,12,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,2023/10/30,一、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,20

4、23/10/30,14,L形速度探针,图4-2 L形速度探针的几何关系,0.3d,2023/10/30,15,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,2023/10/30,16,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；,2023/10/30,17,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

5、持不变，而静压却对流向偏斜角非常敏感，只要,，压力系数,。,2023/10/30,18,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。,2023/10/30,19,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,2023/10/30,20,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。,2023/1

6、0/30,21,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,2023/10/30,22,二、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：,2023/10/30,23,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,2023/10/30,24,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。,2023/10/30,

7、25,表4-1,关系,2023/10/30,26,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）,2023/10/30,27,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,2023/10/30,28,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，

8、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,2023/10/30,29,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,2023/10/30,30,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

9、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。,2023/10/30,31,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；x0-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；,2023/10/30,32,灵

10、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：,2023/10/30,33,二、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,2023/10/30,34,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

11、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,2023/10/30,35,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K0是探针中孔的校正系数。侧孔压力为：,其中K1是探针一个侧孔的校正系数。,2023/10/30,36,中孔与侧孔压力差为,将,代入,流体速度大小为,2023/10/30,37,K0、K1 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K0=1，此时，中孔所测压力p2就是总压p0.,2023/10/30,38,不对向测量基本原理 在圆柱

12、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。,2023/10/30,39,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）,2023/10/30,40,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ps/p0与、p1、p2、p3的函数关系：,2023/10/30,41,2023/10/30

13、,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：,2023/10/30,43,图12 方向特性曲线,图13 速度特性,2023/10/30,44,图13 总压特性,2023/10/30,45,2023/10/30,46,式中，k 为等熵指数。,2023/10/30,47,2023/10/30,48,第三节 三维流场中流向的测量,2023/10/30,49,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,2023/10/30,50,图13 Ma数校正曲线,图14 俯仰角、静压、总压校正曲线,2023/10/30,51,总压和静压的计算式：,p

14、0=p1+p0r(p1-p2),ps=p1-psr(p1-p2),2023/10/30,52,五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,2023/10/30,53,图16 理想流体绕圆球流动,2023/10/30,54,2023/10/30,55,2023/10/30,56,2023/10/30,57,2023/10/30,58,图17 球形五孔探针校正曲线,2023/10/30,59,第四

15、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。,2023/10/30,60,2023/10/30,61,一、探头及其型式,热线探头,热丝探头热膜探头,2023/10/30,62,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，

16、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。,2023/10/30,63,2023/10/30,64,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

17、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,2023/10/30,65,2023/10/30,66,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：,2023/10/30,67,其中，R0是热线在温度t0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）,