《热工测试河南农业大学.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《热工测试河南农业大学.ppt(70页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
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
2、01.6MPa量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,2019/6/5,7,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),2019/6/5,8,2019/6/5,9,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
3、相应的公式计算出流量。 (应用较广),2019/6/5,10,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,2019/6/5,11,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:,2019/6/5,12,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,2019/6/5,一、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
4、节 流体速度大小的测量,2019/6/5,14,L形速度探针,图4-2 L形速度探针的几何关系,0.3d,2019/6/5,15,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,2019/6/5,16,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;,2019/6/5,17,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
5、角为15时,总压保持不变,而静压却对流向偏斜角非常敏感,只要,,压力系数,。,2019/6/5,18,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。,2019/6/5,19,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,2019/6/5,20,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。,20
6、19/6/5,21,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,2019/6/5,22,二、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:,2019/6/5,23,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,2019/6/5,24,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。,2019/6/5,25,表
7、4-1,关系,2019/6/5,26,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),2019/6/5,27,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,2019/6/5,28,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,而方向孔上感
8、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,2019/6/5,29,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,2019/6/5,30,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:将两孔的对称轴固定在某
9、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。,2019/6/5,31,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;,2019/6/5,32,灵敏性:
10、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:,2019/6/5,33,二、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,2019/6/5,34,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
11、个压力计与中孔连接 ,以测中孔压力和大气压之差。,图4-10 圆柱形三孔式探针,2019/6/5,35,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。,2019/6/5,36,中孔与侧孔压力差为,将,代入,流体速度大小为,2019/6/5,37,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.,2019/6/5,38,不对向测量 基本原理
12、 在圆柱三孔式探针中,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。,2019/6/5,39,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),2019/6/5,40,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:,2019/6/5,41,2019/6/5
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:,2019/6/5,43,图12 方向特性曲线,图13 速度特性,2019/6/5,44,图13 总压特性,2019/6/5,45,2019/6/5,46,式中,k 为等熵指数。,2019/6/5,47,2019/6/5,48,第三节 三维流场中流向的测量,2019/6/5,49,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,2019/6/5,50,图13 Ma数校正曲线,图14 俯仰角、静压、总压校正曲线,2019/6/5,51,总压和静压的计算式:,p0=p1+p0r(p1-p2),p
14、s=p1-psr(p1-p2),2019/6/5,52,五孔球形探针 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,2019/6/5,53,图16 理想流体绕圆球流动,2019/6/5,54,2019/6/5,55,2019/6/5,56,2019/6/5,57,2019/6/5,58,图17 球形五孔探针校正曲线,2019/6/5,59,第四节 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
15、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。,2019/6/5,60,2019/6/5,61,一、探头及其型式,热线探头,热丝探头 热膜探头,2019/6/5,62,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,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
16、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。,2019/6/5,63,2019/6/5,64,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 热丝加热温度与介质温度相差不大,故可忽略 热辐射损失,,图19
17、热线传感器模型,2019/6/5,65,2019/6/5,66,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:,2019/6/5,67,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),
链接地址:https://www.31doc.com/p-2913665.html