§11-1 概述
宁波溲疏
流体力学的研究方法有理论分析，实验研究和数值计算三种，他们相辅相成互为补充完善，形成了理论流体力学、实验流体力学和计算流体力学三个重要体系。
在实际流体力学问题中，流动现象极为复杂，即使通过简化，也不一定加以定量的理论分析，甚至与实际结果相差甚远。应用测试技术和实验方法来解决实际流体力学问题，是实验流体力学所研究的课题。根据实验结果，建立其物理模型，使理论分析有了可靠的依据。随着计算机技术和光电技术的不断发展，各种新型的电测手段不断出现，使一些用常规手段难以测量的问题得以实现，提高测量精度，使人们对复杂流动现象的物理本质有了深刻、更真实、更准确的认识，从而推动了流体力学理论的发展。
压强、流速、流量、温度是流体测量中的几个基本参数。本章就这几个参数的一些基本测量方法作简单介绍。
一、概述
在流体力学实验中，压力是最基本的测量参数。许多流体参数如流速、流量、流动损失、阻力、升力等的测量，往往可转化为压力测量的问题。因此，压力测量的精度往往就影响了许多流体动力特征性实验的结果的精确度。所以，有必要较为深入地研究测量的基本原理，了解各种因素对压力测量精度的影响。
在流体压力测量时，一般常用相对压强表示。
测量压力的系统或装置一般由三部分组成：
（1）感压部分：压力感受部分是直接感受流体压力的元件，称为感压器、压力探头或压力探针。在常规测量中，常用测压孔和各种形状的测压管；在电测或动态测压时，常用各种压力传感器，将所感受的压力变化转化为电信号。
（2）传输部分：利用导管将所感受的压力传到指示器，或者将点信号用导线传送，并对信号进行处理。
（3）指示部分：抱括指示器和记录仪，将传输部分传来的压力或电信号直接指示出来或记录下来。
压力测量装置的选用应根据使用要求，针对具体情况作具体分析，在满足测量要求的情况下，合理地进行种类、型号、量程、精度等级的选择。一般应主要考虑三个方面问题。
（1）根据被测压力的大小，确定仪表量程；
（2）根据所允许的测量误差确定仪表的精度；
（3）选择时应考虑被测介质的性质，如温度、粘度、腐蚀性、易燃易爆性等。
压力计有各种各样的结构型式，按其转换原理的不同，大致可分为、四大类： （1）液柱式压力计：将被测压力转换成液柱高度差进行测量。可用于测量低压、负压或压力差。
（2）弹簧式压力测量计：将被测压力转换成弹性元件的弹性变形位移进行测量。可用于测量微压、低压和中高压，在工业上应用最广泛。 （3）活塞式压力计：将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的重量进行测量。此类压力计是一种标准的压力测量仪表，又是一种压力发生器。他主要用来校准其他压力表。
（4）电气式压力计：将被测压力转换成电信号进行测量。此类传感器式压力计用于远距离和动态压力的测量以及用于系统的自动控制。
压力测量的任务即总压和静压的测量。
二、压力标准的传递
为了保证压力测量量值的统一，在我国计量测试科学研究院保存着我国的压力标准器，着为国内的压力测量最高标准，并参与国际比对以保证与国际间达到量值统一。
压力基准是以活塞式压力计建立起来的，，活塞的有效面积经过精确测量及计算得。压力值由国家基准到工作压力表的传递要按规定的仪器和方法来进行。根据各种仪表的稳定性和使用条件，分别规定了仪表的检定周期。我国的压力标准传递系统简图如图11-1所示。 图11-1 压力标准传递系统
由图可见，作为基准和标准的压力表主要是活塞式压力计，用他产生标准压力以校准其他压力仪表。
三、压力测量的基本方法
（一）液柱式压力计
应用液柱测量压力的方法是以流体静力学为基础。它的测量范围是百分之几毫米水柱到几个大气压。常用的液柱式压力计有U型管压力计，单管压力计，多管压力计和倾斜微压计等。其工作液体有酒精、水、水银或有机物溶液等。液柱式压力计的特点是结构简单、精度高，但读数不便，不能连续记录，不适合远距离测量和自动测量。它主要用于实验室测量。
液柱式测压计的基本原理及压力计算方法在第二章中已经有了较为详尽的阐述，这里仅就影响测量精度的因素及修正措施作简单介绍。
U型管压力计如图11-2所示。在U型管中充液体到标尺的零点处，若P1为
图11-2 U型管压力计
大压力，P2为被测压力，当时，管2中液面下降，管1中液面上升，当平衡时有
因此，读出液柱高h，并已知工作液柱密度则可决定被测压力值，由于很难保证管1 和管2
的直径完全一致，所以在读书时应分别读出两管中液面的升高和降低，再算出液面高度差h。
当被测介质为液体时，应考虑被测介质密度的影响。在不考虑取压点位置的影响时两管中压力平衡式为
（11-1）
式中，为工作液体密度；为被测介质密度；h为两管中液面高度差。
所以被测介质的表压强为
（11-2）
当被测介质为气体时，由于1≥2，故可忽略2的影响。
环境温度的变换会影响工作液体的密度及标尺的热膨胀，因而造成测量误差。由环境温度造成的误差可由下式来修正：
（11-3）
或
h0 = ht{1-[]} （11-4）
式中，h0为标准温度t0时对应的液柱高；ht为环境温度t时测得的液柱高；β为工作液体20℃时的平均体膨胀系数；为标尺材料的线膨胀系数。
当水为工作介质时，取t0=4℃，对于水银为工作介质时取0℃。
由于各地重力加速度g与标准重力加速度gh=980.665cm/s2有差别，还应把测得的液柱高换算成为gH时的值，可用下式计算。
gH = （11-5陶瓷添加剂）
将上式两相修正综合为下式；
hH = {1-[]} （11-6）
此外，工作液体的弯月面和毛细管作用，也会影响读书误差，测量中应加以注意。
对于U型管测压计，应由两次读书计算出液面的高度差h值，如果以宽容器代替U型管一侧的玻璃管，则构成所谓的单管压力计，如图11—3所示。
磁性衬板
图11-3 单管压力计
由于容器截面积A1比管子截面积A2大500倍以上，使得在测量时，容器中的液面可以认为
保持不变，因为只需要一个读数，读数的绝对误差只有U型压力计的一半，提高了测量精度。它的缺点是工作容器大，工作液体需要多，压力计灵活性差，当用水银作工作液体时更显得笨重。
U型管压力计和单管压力计在测量较小压差时，由于相对误差较大，使用受限制。在实际测量中往往需要测量很小的压力差或压差，这时一般采用斜管微压计，其实质是单管压力计的改进、八单管倾斜了一个角度，其目的是把液柱的高度放大，以减小读书误差。其原理在第二章已有介绍。
除以上几种液柱式压力计以外，还有一些特定用途的液柱式压力计，如测量微小压力或压差时使用的补偿式微压计和投影测压计，同时测量多点压力时使用的多管压力计等，它们在测量原理上是一致的。
液柱式压力计的共同特点是所测压力较低，结构简单，精确度高，线性度好。其最大的缺点是惯性大，响应速度慢，难以实现快速多点测量和自动记录。在测量高压时压力计要做得很高，读数不便。因此，在流体测量中除液柱式压力计外，还大量采用其他型式的压力计。
超高功率石墨电极
（二）弹性式压力计
弹性式压力计是压力测量中应用最广泛的一种，他利用弹性元件在被测压力作用下产生弹性变形，由此而产生弹性力与被测压力相平衡，由弹性元件弹性变形的大小来决定被测压力的大小。属于这一类的仪表种类繁多，但都是由不同型式的弹性元件来组成的。弹性元件的型式主要有：单圈弹簧管、多劝弹簧管、波纹管、平薄膜、波纹膜、扰性膜等。
在这些弹性元件构成的弹性式压力计中，由于弹簧管式压力计具有精度高，测量范围宽等优点，应用最为广泛。
图11-4所示为弹簧式压力计（又称压力表）的结构。感受压力的弹簧元件是横截面为椭圆形的一端封闭的管子，管子弯成“C”型，当管子中充满一定压力的流体时，管端变形，并通过齿轮、连杆及弹簧机构将这个变形放大转换为表面指针的转动，指针转动正比于管中流体的压力。指针转动与流体压力的线性关系的好坏决定了该仪表的质量好坏，调节齿轮转动机构可以使这个线性关系达到最佳状态。压力表的刻度通常以MP表示。
图11-4 压力表
1-小齿轮 2-游丝弹簧 3-底盘调节螺钉 4-弹簧椭圆断面金属变管
5-指针 6-扇形齿轮 7-调节螺钉
真空表的结构与压力表结相同，表上刻度以毫米水银柱表示。
由于压力表和真空表的结构基本一样，如果将表刻盘上从零沿顺时针和逆时针方向分别刻制表压强和真空度读数的刻度，即成为联成表。联成表既能用于测量表压强，又能测定真空度，通常用于既出现表压强又可能出现真空度的场合。
本地摄像头其他型式的弹簧式压力计再测量原理上是一致的。它们之间的差别主要体现在测量范围，输出特征以及动态特征方面。这些压力计可在相关的产品样本中查到。在此不作一一介绍。
弹簧式压力表分为一般型和精密型。一般型表外径有40、60、100、150、和250（mm），精度等级有1，1.5和2.5级。精密型的精度登基为0.1，0.2，0.4级，用作一般压力表的检验和精度测量。
四、应用电测法测量压力
电测法是通过传感器直接把被测压力变为电信号，它利用某些机械和电气元件实现这一变换。这种方法采用的检测元件动态性能好，耐压高，使用于测量快速变化，信号需要连续
记录，脉动压力超高压力等场合。随着新材料及电子技术的发展，出现了很多不同种类的电测压力传感器，广泛应用于实验研究及工业自动化领域。
在这些测量原理中，应用较为广泛的是将弹性元件的位移转换为电信号，从而完成压力的电测。转换的方法各种各样，下面简介几种常用方法。
1.电容式压力传感器
这是一种将弹性元件的位移转换成电容量的变化 ，从而完成将压力转换成电参数的任务，再通过适当的测量电路将电容的变化转换成电压或电流的变化，便于远传或处理。
如图11-5所示，平行板电容器当不考虑边缘效应时，其电容量为
C= （11-7）
式中 C、d—平行板间的电容量和距离；机控网
、S—平行板间的介电常数和极板面积。
图11-5 平行板电容器
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