流體參量測量

內容提要：

§10-1壓力的測量

§10-2流量的測量第十章流體參量測量

在液壓馬達的效率試驗中，要同時測量液壓馬達的進口壓力、出口壓力、轉速、轉矩、流量等參量，并據此計算出液壓馬達的容積效率、機械效率和總效率。壓力和流量測量裝置在原理或結構上有差別，共同特點：

1)中間轉換元件→壓力、流量→中間機械量→傳感器→電量輸出；

2)測量裝置的精確度和動態(tài)響應不僅與傳感器本身及組成測量裝置的特性有關，還和由傳感器、連接管路等組成的流體系統(tǒng)的特性有關。第十章流體參量測量§10-1壓力測量

垂直并均勻作用于單位面積上的力稱為壓強(壓力)1．從測量角度分：

1)靜定壓每秒鐘的變化量為壓力計分度值的1%或每分鐘的變化量為5%以下的壓力。

2)變動壓每單位時間的變化量超過靜定壓限度的壓力。非周期變化的壓力稱為波動壓力；不連續(xù)且變化大的壓力稱為沖擊壓力。

3)脈動壓壓力隨時間作周期性的變化，且其變化的速度超過靜定壓力限度的壓力。第十章流體參量測量

2．按測量方法分1)絕對壓力以絕對真空作為零點壓力標準的壓力在單位符號后面加上符號“abs”表示2)表壓力以大氣壓作為零點壓力標準的壓力通常所指壓力就是表壓力，在壓力單位后面用字母“G”表示3)差壓力以大氣壓以外的任意壓力為零點壓力標準的壓力第十章流體參量測量表壓力與絕對壓力之間關系為絕對壓力＝表壓力十大氣壓力國際度量系統(tǒng)規(guī)定壓力單位：Pa、kPa、MPa

作用在確定面積上的流體壓力很容易轉換成力，同力測量。常用壓力測量方法：靜重比較法和彈性變形法靜重比較法多用于各種壓力測量裝置的靜態(tài)校準。彈性變形法是構成壓力計和壓力傳感器的基礎。第十章流體參量測量一、彈性式壓力敏感元件指針式壓力表(壓力計)和壓力傳感器根據彈性變形原理工作，采用某種形式的彈式元件作為壓力感受元件，用其變形的位移量來代表壓力值。常用彈性式壓力敏感元件有彈簧管、膜片、波紋管和金屬筒等。測量彈性元件變形，可以用機械機構放大，帶動指針，制成壓力計；可以用機電轉換裝置，把位移變?yōu)殡娏浚瞥蓧毫鞲衅?，用儀表顯示出壓力值。第十章流體參量測量

1．彈簧管壓力計

彈簧管壓力計主要由彈簧管2、齒輪傳動機構、指針等組成。

彈簧管(波登管)橫截面為扁圓形或橢圓形，截面的短軸方向與管子彎曲的徑向方向一致。彈簧管的自由端封閉，其位移作為輸出信號。開口端固定在儀表外殼上。當彈簧管內通入壓力流體時，使管子截面有變圓的趨勢，產生彈性變形。自由端要向管子伸直的方向移動，當變形引起的彈性力和被測壓力產生的作用力相平衡時，變形停止第十章流體參量測量第十章流體參量測量C型彈簧管端部位移量最大為2～5mm。為增大管端位移量，采用盤旋型或螺旋型彈簧管。彈簧管尺寸已經系列化，不同材料的彈簧管適用于不同的被測壓力和被測介質。當壓力低于20MPa時，一般采用磷青銅，壓力高于20MPa時則采用不銹鋼或其他高強度合金鋼。彈簧管壓力計測量壓力范圍10-4～103MPa，特點：結構簡單，價格低，使用方便，固有頻率低，存在彈性滯后現象，不宜測量動態(tài)壓力。彈簧管壓力計的測量誤差一般在0.5%～1%以內。第十章流體參量測量

2．膜片式壓力計金屬膜片作為敏感元件

膜片周邊固定，當膜片兩側面受不同壓力時，膜片中心位移與其上壓力(差)近似成正比關系，通過傳動機構，使指針偏轉。膜片按形式分平膜片、波紋膜片，按剛度分彈性膜片和撓性膜片。平膜片結構簡單，位移小，測量較高壓力，達100MPa。波紋膜片通常用磷青銅、鈹青銅或不銹鋼制作，位移大，靈敏度高，應用普遍，測量范圍1Pa～1MPa。

撓性膜片用橡膠或塑料制成，幾乎沒有彈性，起隔離流體作用，壓力由其上的彈簧承受，測量0～10-2Pa壓力。第十章流體參量測量第十章流體參量測量

3．波紋管壓力計波紋管作為敏感元件波紋管是表面上有許多同心環(huán)狀波形皺紋的薄壁圓管，一端開口為流體入口，另一端密封與機電轉換元件連接。

波紋管規(guī)格已經標準化和系列化，其軸向位移及軸向應力與內部的壓力成正比。波紋管在軸向容易變形，靈敏度高，缺點是遲滯大(5～6%)。波紋管用鈹青銅或不銹鋼制作。第十章流體參量測量

二、常用壓力傳感器壓力傳感器是壓力測試系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，將壓力信號轉換成電信號。根據轉換形式的不同，壓力傳感器有應變式、壓電式、壓阻式、電容式、電感式、霍爾式、振弦式等。

1．應變式壓力傳感器常用應變式壓力傳感器：平膜片式、應變管式

共同特點：

當敏感元件在被測壓力作用下產生彈性變形時，粘貼在彈性敏感元件上的應變片阻值發(fā)生變化，引起電橋電路的相應輸出信號，從而測得流體壓力。第十章流體參量測量(1)平膜片式壓力傳感器結構示意圖

平圓膜片周邊固定。當其一面受流體壓力作用時，膜片發(fā)生彎曲變形，在另一面(應變片粘貼面)產生徑向應變εr和切向應變εt

第十章流體參量測量膜片應變分布曲線

當r=0時εr和εt相等，且都達到最大值

當r=r0(膜片邊緣處)時，εt=0，εr達到負的應變最大值

第十章流體參量測量徑向應變εr=0εr為正應變εr為負應變

根據膜片應變分布考慮應變片的粘貼位置和方向第十章流體參量測量

箔式組合應變片電阻R1、R3感受正的切向應變εt，應變片敏感柵沿圓周方向排列；電阻R2、R4感受負的徑向應變εr，敏感柵按半徑方向排列。應變片組成全橋電路靈敏度大。膜片厚度

根據膜片允許的最大應變εr和傳感器量程p，并選定膜片半徑后可求得膜片厚度h

。第十章流體參量測量壓力p與膜片中心位移關系

p和yc間非線性關系：在變形較小情況下，(yc/h)3比yc/h小得多，可以忽略，彎曲應力占支配地位，近似認為p和yc成線性關系。變形較大，p和yc呈非線性關系。如果要求p和yc間的非線性誤差小于5%，膜片中心的最大變形必須小于膜片厚度的1/3。第十章流體參量測量

周邊固定的彈性膜片有無窮多階固有頻率，最低階固有圓頻率

溫度對膜片式壓力傳感器的性能影響較大。原因：1)應變片與被測流體之間僅隔著一層很薄的膜片，流體的溫度變化對應變片的工作帶來影響；2)當被測流體溫度變化時，膜片內、外表面形成溫差，使膜片向溫度高的一面凸起，在膜片上引起附加的應力；3)被測流體溫度的變化使膜片材料的E和μ發(fā)生變化→影響傳感器靈敏度。第十章流體參量測量(2)應變管式壓力傳感器傳感器示意圖

當管內充以流體時，內壁受到壓力，外壁呈現平面應力狀態(tài)，兩個主應力方向已知，且切向應力σt大于軸向應力σa。應變片沿切線方向粘貼，溫度補償片貼在圓管末端不變形的部位，以得到較大靈敏度。假設薄壁圓管內徑d，外徑D，外壁切向應變εt為：第十章流體參量測量薄壁圓管，若壁厚為h，D/d+1≈2，得

一般認為，應變管工作段長度可取(5～10)D范圍指出：1)應變管在最大工作壓力時的應力，遠小于材料的彈性極限。2)產生足夠應變量，使傳感器具有一定的靈敏度。

第十章流體參量測量2．壓阻式壓力傳感器

工作原理：半導體壓阻效應結構示意圖

壓力敏感元件為單晶硅膜片4。鋼膜片將被測介質與硅膜片隔開，中間充滿低粘度硅油，用以傳遞壓力和隔熱。鋼膜片高彈性和液體不可壓縮性，保證被測壓力直接傳遞到硅膜片上。

硅膜片形狀：周邊固支圓形硅膜片，周邊固支方形或矩形硅膜片。第十章流體參量測量

壓阻式壓力傳感器采用集成電路，尺寸很小→測量局部區(qū)域壓力。電阻直接擴散到膜片上，沒有粘貼層→零漂小，靈敏度高，重復性好。通常用于中、低壓力以及微壓和壓差的測量。固有頻率一般都在10kHz以上，適用于靜態(tài)和動態(tài)壓力測量。

3．壓電式壓力傳感器

工作原理：壓電材料壓電效應，用于動態(tài)或瞬態(tài)壓力測量。

結構形式：活塞式、膜片式第十章流體參量測量活塞式壓電壓力傳感器結構示意圖

被測壓力通過活塞2、砧盤3將壓力傳遞給壓電元件4，壓電元件產生的電荷由插頭座5輸出與儀表相連。活塞面積小，適用于中、高壓測量。由于活塞質量和剛度、活塞桿前端所測流體粘度等因素的影響，自振頻率不高，一般在20～30kHz之間。第十章流體參量測量膜片式壓電壓力傳感器結構示意圖

承壓膜片3只起密封、預壓和傳遞壓力的作用。膜片質量很小，壓電晶體剛度很大→傳感器固有頻率很高(達100kHz以上)→動態(tài)或瞬態(tài)壓力測量。常用壓電材料有石英晶體、鋯鈦酸鉛和鈦酸鋇。

壓電式壓力傳感器需采用高輸入阻抗的電荷放大器前置放大。

第十章流體參量測量

壓電晶體具有質量，振動條件下工作時產生與振動加速度相對應的輸出信號，對中、高量程傳感器產生的附加電荷比起被測壓力對晶體作用產生的電荷相對較小，對小量程傳感器就不容忽略。帶加速度補償的壓力傳感器

在傳感器內部設置一個附加質量和一組極性相反的補償壓電晶體，補償加速度的影響。三、壓力測量系統(tǒng)的動態(tài)特性

第十章流體參量測量四、壓力測量系統(tǒng)校準靜態(tài)校準、動態(tài)校準靜態(tài)校準確定壓力傳感器或壓力測量系統(tǒng)的靜態(tài)靈敏度及靜態(tài)誤差，動態(tài)校準確定動態(tài)響應特性。1．壓力測量裝置靜態(tài)校準活塞壓力計——產生靜態(tài)標準壓力的裝置搖動手輪使液壓缸的活塞1左移，舉起砝碼2及柱塞，系統(tǒng)中產生一定的壓力作為標準值，與被校壓力表5讀數進行比較，確定壓力表的刻度誤差。第十章流體參量測量系統(tǒng)標準壓力

高精度校準時，產生的標準壓力還應考慮空氣對砝碼的浮力及柱塞與缸體間隙帶來的誤差，進行修正。

關閉通往砝碼缸的閥門，在接頭3上接入比被校壓力表5高一精度等級的壓力表，移動活塞產生壓力，用高一精度等級壓力表的讀數作標準，檢查被校驗表的讀數，進行相對標定。第十章流體參量測量2．壓力測量系統(tǒng)動態(tài)校準1)確定壓力測量系統(tǒng)的動態(tài)響應，估計動態(tài)誤差2)校準動態(tài)靈敏度確定測量系統(tǒng)動態(tài)特性方法：建立系統(tǒng)數學模型、實驗動態(tài)校準：穩(wěn)態(tài)校準、瞬態(tài)校準穩(wěn)態(tài)校準采用正弦壓力作激勵信號，測其響應獲得頻率響應曲線穩(wěn)態(tài)正弦壓力發(fā)生器第十章流體參量測量

曲柄搖桿帶動活塞往復運動，調整缸體2的容積改變輸出壓力的幅值，不同的曲柄轉速產生壓力頻率變化。輸出壓力幅值為6.9MPa時，頻率可達100Hz

凸輪4表面形狀為正弦曲線，噴嘴3的出口阻力隨凸輪表面形狀變化而改變→噴嘴內壓力按正弦變化壓力幅值取決于壓力源的壓力值，正弦壓力的頻率由凸輪轉速決定。輸出壓力幅值為6.9MPa時，頻率達3kHz。第十章流體參量測量

正弦壓力發(fā)生器的壓力受到氣源壓力幅值的限制，頻率受曲柄或凸輪轉速限制，在確定壓力測量系統(tǒng)在較高壓力下的高頻特性時，采用瞬態(tài)校準。壓力源常用階躍壓力信號

激波管階躍壓力發(fā)生器，由兩段等截面的長管4、6及膜片穿孔器2等組成。6段管為高壓腔，4段管為低壓腔，二者用膜片5隔離，低壓腔連接被校壓力計。第十章流體參量測量

校準時，用穿孔器2將膜片5刺破，從高壓腔向低壓腔產生壓力波(激勵)，同時產生一個穿越原高壓區(qū)的膨脹波。從原高壓區(qū)的端部反射出減壓波，它被疊加到氣體粒子上而使粒子速度進一步加強，使階躍壓力以更高的速度沿管子傳播。若已知液體的性質，通過安裝在管壁上的兩個壓力檢測器所提供的信息確定傳播速度的數值，可求得階躍壓力的大小。激波管產生相對壓力表正的壓力階躍信號，其上升時間約為10-9s，壓力達4MPa。第十章流體參量測量

將壓力傳感器接到具有一定壓力的容器上，用快速開啟閥門或擊穿容器等方法將壓力釋放，可產生負的壓力階躍信號，其下降時間約為10-4s，壓力1.5MPa。利用壓力發(fā)生器把瞬變壓力加到壓力傳感器或壓力測量系統(tǒng)上，測得響應特性計算出該壓力傳感器或測壓系統(tǒng)在整個頻帶內的響應。第十章流體參量測量§10-2流量測量

流體密度隨流體壓力、溫度變化。在說明容積流量時，同時指明流體的壓力和溫度(特別是氣體)流量測量方法：直接測量法、間接測量法單位時間內通過某一管道流體的體積Q(體積流量，m3/s或m3/h)或質量G(質量流量，kg/s)G=ρQ第十章流體參量測量

直接測量法——直接測量出某一間隔時間內流過的流體總量，算出平均流量。間接測量法——通過中間變換元件或機構，將管道中流動的液體流量轉換為壓差、位移、力、轉速等參量→轉換成電量輸出。

一、常用流量計

1．差壓式流量計當流體流過節(jié)流元件時，產生局部收縮，流束截面縮小，流動速度加快，根據伯努利方程，壓力下降，在節(jié)流元件前后產生靜壓差，間接算出流量。通過測量流體經過節(jié)流裝置產生的靜壓差實現流量測量。第十章流體參量測量

組成：將流量轉換為差壓信號的節(jié)流裝置，傳輸差壓信號的管路及測量差壓值的差壓計(或差壓傳感器)。

標準節(jié)流裝置國家標準規(guī)定：標準節(jié)流裝置由節(jié)流元件、取壓設備和節(jié)流元件前后的直管段組成，只要其結構、加工和使用條件符合標準規(guī)定，流量就可由壓差通過計算確定，不再另行標定。節(jié)流元件孔板、噴嘴和文丘利噴嘴一般用于

>50mm管道中，高溫、高壓時宜選前兩種，低溫時選后一種。第十章流體參量測量

噴嘴及文丘利噴嘴對流體產生的壓力損失小。對于易使節(jié)流裝置臟污、磨損和腐蝕的介質，選擇噴嘴比孔板好。

孔板取壓：角接取壓時，在緊靠孔板兩側取壓。法蘭取壓時，在孔板前后25.4±0.8mm處。

徑距取壓時，p1和p2分別在D和0.5D處。噴嘴取壓只用角接取壓。第十章流體參量測量

節(jié)流裝置一般安裝在水平管道內，節(jié)流元件前后的直管段，對于不同的節(jié)流裝置不同(具體長度參見推薦值)。

孔板作為節(jié)流元件的差壓流量計

第十章流體參量測量

分析表明，若在節(jié)流裝置前后端面(角接取壓)處取壓p1和p2，流量Q為

A0——節(jié)流裝置開孔截面積，m2；ρ——流體的密度，kg/m3；ε——氣體的膨脹校正系數，對液體ε=1；α——流量系數，與流道尺寸、取壓方式和流速分布狀態(tài)有關，無量綱量。

標準規(guī)定標準節(jié)流元件的結構、尺寸，以圖線或表格形式給出α和ε值。第十章流體參量測量

流量—壓差關系雖然簡單，但確定α十分麻煩。α除與孔口對管道的面積比、取壓方式、流速分布狀態(tài)有關外，還受管道粗糙度影響。實驗表明，只有在流體接近充分紊流時，即雷諾數Re大于某一界限值時，α才是與流體狀態(tài)無關的常數。差壓流量計測量精確度為±1%～±2%。實際使用時，由于雷諾數及流體溫度、粘度、比重等的變化及孔板孔口邊緣的腐蝕磨損程度不同，精確度將低于±2%。第十章流體參量測量2．速度式流量計渦輪流量計、葉輪式水表1)渦輪流量計

渦輪流量計結構圖

導磁材料制作的渦輪表面有螺旋狀葉片，在被測流體的作用下旋轉。渦輪旋轉角速度ω與流量Q關系θ渦輪葉片與軸線的夾角；C系數；r渦輪的平均半徑；A渦輪葉柵通流截面積第十章流體參量測量

轉動葉片使磁電傳感器磁路中的磁阻發(fā)生周期性變化→產生脈沖電壓信號→頻率f與渦輪轉速成正比

Q=f/ξ

ξ——儀器常數，表示通過單位體積流體所產生的脈沖數。

用頻率計測出頻率換算出被測流量。將渦輪轉速轉換成電信號方法：磁電法、光電法、放射性同位素法、霍耳效應法等→配以顯示儀表→測量流量。第十章流體參量測量

流量較大時，儀器常數ξ=常數。流量很小時流速很慢，渦輪轉動力矩小，阻力矩作用明顯→ξ較小。流體速度增加，流體為層流狀態(tài)，ξ值逐漸增大。

從層流狀態(tài)過渡到紊流時，流體粘性摩擦阻力矩由小變大，ξ值又有所下降。流體處于充分紊流時，ξ值保持恒定，與流量無關。渦輪流量計特性受粘度影響較大。粘度越大，儀器常數ξ達到穩(wěn)定狀態(tài)的流量也越大(ν1<ν2<ν3)。第十章流體參量測量

粘度對特性曲線的影響與管道直徑有關，管徑越大，影響越小，反之影響越大。流量計出廠時提供的儀器常數值和特性曲線以水作為介質校準，使用時根據被測流體重新校準。各種型號渦輪流量計規(guī)定了不同的管道直徑、測量不同粘度流體時的最小測量流量。為保證測量精度，最小流量為最大量程的50%以上。渦輪流量計測量精度高，量程大，慣性小，測試信號便于遠傳，不易受干擾。渦輪流量計第十章流體參量測量

流量計前安裝過濾器，防止雜質進入。測量易汽化或含有氣體的流體時，流量計前安裝消氣器，提高測量精度和儀器使用壽命。渦輪流量計測量液體流量范圍為0.04～6000m3/h，測量氣體流量范圍為1.5～2000m3/h。

3．容積式流量計基本原理：標準容器流量計內部的運動元件與殼體形成一個測量室，被測流體通過流量計時，使流量計進、出口產生壓力差，壓力差推動運動元件不斷將流體從入口排向出口。第十章流體參量測量

測量室具有固定容積，運動元件每轉一圈排出的液體體積恒定——流量計排量。測量運動元件的平均轉速→平均流量。累計運動元件轉數→通過液體總體積。

容積式流量計：橢圓齒輪流量計、腰輪流量計等。橢圓齒輪流量計工作原理圖

流量計入口壓力比出口壓力高(p1>p2)，圖a中橢圓齒輪A上受轉矩使其轉動，橢圓齒輪B上的力矩接近于零，被齒輪A帶動旋轉。轉動到圖c位置時，橢圓齒輪轉動半周，輪B成為主動，帶動輪A轉動。第十章流體參量測量

每個橢圓齒輪轉動一周，將齒輪與腔壁形成的兩個新月型腔室內的流體排出流量計→測出齒輪轉速→流量。

橢圓齒輪流量計顯示：通過齒輪傳動及棘輪機構推動數字盤轉動，實現數顯；通過測速發(fā)電機或光電傳感器→模擬或脈沖電信號→轉速計或頻率計測出轉速→換算流量值。第十章流體參量測量

橢圓齒輪流量計由固定容積計量流量——測量精度與流體的流態(tài)(雷諾數)及粘度無關→安裝橢圓齒輪流量計的前后無需增加直管段。用腰形輪代替橢圓齒輪制成腰輪流量計。腰輪沒有齒，當流體中含有雜質時，不容易堵塞，儀表壽命長，可制成大口徑流量計。4．靶式流量計工作原理：壓力差原理制成示意圖第十章流體參量測量

管道中的圓形靶2作為節(jié)流元件，在流體作用下，靶前、靶后形成壓力差(作用在靶上的力)。流體的流量Q與靶上的作用力F的平方根成正比：kα流量系數；β靶的結構系數，β=d/D；d圓靶外徑；D管道內徑；ρ流體介質的密度。測得靶上的作用力→流量值1-管道2-靶3-杠桿4-彈性筒5-電阻應變片6－殼體7-接線插頭第十章流體參量測量

通過杠桿3測量彈性筒4上應變片5的阻值變化→通過靶2與管道1間環(huán)形縫隙的流量。杠桿3相連懸臂梁自由端或磁電式→流量電信號→配套儀表顯示、記錄或控制其他機構。1-管道2-靶3-杠桿4-彈性筒5-電阻應變片6－殼體7-接線插頭公式第十章流體參量測量

靶式流量計的精度主要取決于流量系數kα，其值與β、D及液體流動的雷諾數有關，一般由實驗確定。

kα-β-Re實驗曲線管道內徑D=53mm，β=d/D=0.7和0.8當Re較大時，kα趨于某一常數；當Re較小時，kα隨Re值減小顯著減小公式第十章流體參量測量

在流量計測量范圍內，希望kα值能基本保持常數，以保證流量計的測量精度。相比差壓式流量計：靶式流量計的流量系數kα趨于常數的臨界雷諾數較小→適于測量粘度較大的液體流量。5．超聲波流量計工作原理：超聲波在流體中傳播時的傳播速度與流速有關原理進行檢測。利用超聲的聲環(huán)頻率差測量流量示意圖。第十章流體參量測量

在管道兩側裝設超聲探頭TR1和TR2。定時從TR1發(fā)射超聲波，TR2接收；過一段時間改換工作狀態(tài)，從TR2發(fā)射，TRl接收第十章流體參量測量超聲從TR1→流體→TR2→電路，形成順液流聲環(huán)→超聲傳播速度為聲速與液體流速之和從TR2→TR1為逆流聲環(huán)→超聲傳播速度為聲速與流體流速之差超聲從TR1→TR2與從TR2→TR1傳播的時間不同時間的倒數=頻率，順流與逆流聲環(huán)測得的頻率不同對外壁透射型超聲波流量計，考慮管壁等的影響，順、逆流聲環(huán)頻率差為：第十章流體參量測量v——流體速度；θ——流速與超聲波發(fā)射方向的夾角；

d——管道內徑；τ——固定延遲時間，等于超聲波在管壁中傳播時間與電路延遲時間之和；c——超聲波在流體中傳播速度；k——與流速分布有關的校正系數

超聲波流量計可測任何流體的流量，特別是高粘度、腐蝕性、非導電液體等。超聲波換能器安裝在管壁外，不與被測介質接觸，不影響流體的流動，無壓力損失，適合于大管徑的流量測量。附加積算電路還可以測量一段時間內的總流量。第十章流體參量測量第十章流體參量測量6．其他類型流量計對于導電液體，利用在磁場中運動產生感應電勢的原理，從導管直徑的兩端測其正比被測流量的電勢——電磁流量計利用氣流對浮動浮子的浮力，測定浮子上升的距離來代表流量——浮子流量計利用氣體經過非流線型物