引壓管腔對動態壓力校準的影響分析

蔡菁，袁俊先，宋寒

(1. 中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095;2. 東北工業集團有限公司吉林江機公司 計量測試中心，吉林 吉林132021)

0 引言

在使用相對法進行動態壓力傳感器校準時，標準傳感器與被測傳感器的安裝位置通常設計為對稱形式。由于動態壓力傳感器類型多、尺寸差異大，校準裝置上預留的傳感器安裝孔并不能滿足所有的傳感器都可以實現齊平安裝。因此，研究由于不對稱安裝形成的引壓管腔而導致的實驗誤差對動態壓力校準具有重要意義。目前，關于引壓管腔對動態壓力校準影響的研究并不多，大多數研究文獻都集中在管腔的固有頻率分析方面［1－3］，引壓管腔對靈敏度和相位帶來影響的研究尚少。靈敏度和相位是評價正弦壓力校準的重要技術指標。本文基于正弦壓力校準裝置，研究引壓管腔的存在對傳感器校準中靈敏度和相位的影響。

1 工作原理

正弦壓力校準裝置是目前應用最廣泛的相對法校準裝置，其工作原理決定了它對齊平對稱安裝有較高要求。

正弦壓力校準裝置的工作原理:采用固定的容腔容積，保持流入容腔的氣體流量一定。使流出腔體的氣體流量隨著容腔出口面積周期性的變化而變化，從而在容腔內產生周期性脈動壓力［4］。對稱安裝的標準傳感器與被測傳感器感受到的動態壓力具有一致性，根據動態測試結果計算被測傳感器的靈敏度和相位。

對相對法動態壓力校準裝置進行設計時，會根據所選用標準傳感器的類型和尺寸預留對稱結構的安裝孔，正確安裝時標準傳感器感壓面與壓力室內壁端面保持齊平。理論上，標準傳感器與被測傳感器對稱并齊平安裝至壓力室內壁時，二者感受到的動態壓力是相同的，如圖1 所示。

圖1 標準傳感器與被測傳感器安裝示意圖

在日常校準工作中，由于傳感器自身結構或轉接設計等原因，大多數被測傳感器都無法實現與標準傳感器對稱安裝。此時，被測傳感器的感壓面與壓力室內壁端面間的空腔即形成引壓管腔。圖2 所示為常見的引壓管腔結構形式。

由于引壓管腔的存在，被測傳感器感受到的壓力并不是被測壓力點的真實壓力，而是通過管腔后的作用壓力。分析引壓管腔給被測傳感器的靈敏度和相位帶來誤差，對于準確校準動態壓力傳感器具有重要意義。

2 試驗設計

圖2 引壓管腔示意圖

結合正弦動態壓力標準裝置的使用現狀，本文主要研究0 ～8 mm 內引壓管腔對動態壓力校準中靈敏度和相位的影響，以及引壓管腔橫截面積不同對靈敏度的影響。

圖3 正弦動態壓力標準裝置

為了減小傳感器類型差異的影響，本試驗中，準傳感器和被測傳感器都選用ENDEVCO 的8510B －200psi 壓力傳感器;為了增強試驗數據的可比性，均選用1 MPa 的進氣壓力。改變引壓管腔長度時，以齊平安裝為參考值，每次增加2 mm，直至8 mm。

為了方便定量分析引壓管腔對動態壓力校準的影響，文中定義了幾個觀察值作為評價指標。

1)靈敏度誤差

引壓管腔長度為li時，被測傳感器靜態靈敏度(0 Hz)為E0i，f 頻率下動態靈敏度為Efi，則靈敏度誤差

2)靈敏度偏差

在頻率為f 時，被測傳感器齊平安裝時靈敏度為E0f，引壓管腔長度為li時靈敏度為Eif，則靈敏度偏差

3)相位差

在頻率為f 時，被測傳感器齊平安裝時測得相位為a，引壓管腔長度li時測得相位為b，則引壓管腔長度li時引起的相位差

3 試驗結果

本文通過大量的試驗數據分析了引壓管腔對傳感器靈敏度和相位的影響主要從以下四個方面進行說明。

1)在不同長度引壓管腔作用下的靈敏度誤差

如圖4 所示，在頻率范圍內0 ～1000 Hz，傳感器在齊平安裝時靈敏度誤差曲線大致呈衰減的趨勢，有管腔作用時傳感器的靈敏度誤差曲線呈增長趨勢，即有引壓管腔作用時被測傳感器的靈敏度特性發生變化。通過比較不同長度管腔下的靈敏度誤差曲線可得出，靈敏度誤差隨著管腔長度的增加而增加。并且在低頻段0 ～200 Hz 內有管腔作用下的被測傳感器靈敏度誤差小于齊平安裝時的靈敏度誤差;在高頻段200 ～1000 Hz 內有管腔時被測傳感器靈敏度誤差大于齊平安裝時的靈敏度誤差。

圖4 靈敏度誤差曲線

通過上述分析可得出:有引壓管腔作用時，會導致被測傳感器的靈敏度特性曲線發生變化。

2)不同長度的引壓管腔作用下的靈敏度偏差

如圖5 所示，各長度管腔作用下被測傳感器的靈敏度偏差曲線均呈增長趨勢。在0 ～500 Hz 范圍內，被測傳感器的靈敏度偏差隨著引壓管腔長度增加而減小，在500 ～1000 Hz 范圍內，被測傳感器的靈敏度偏差隨著引壓管腔長度增加而增大。

由上述可得:被測傳感器在管腔作用時靈敏度與齊平安裝時靈敏度之間偏差的絕對值會隨著引壓管腔長度的增加而增加。

圖5 靈敏度偏差曲線

3)不同長度的引壓管腔作用下的相位差

如圖6 所示，在不同長度的引壓管腔下，0 ～1000 Hz 頻率范圍內的相位差都很小，其絕對值不超過0.3°(本標準裝置相位不確定度為1°)，并且不同長度的引壓管腔間的差異也不大。

圖6 相位差變化曲線

通過上述分析可得:在相對法校準時引壓管腔對被測傳感器相位的影響很小，并且隨著管腔長度的增加其變化量不大。

4)不同直徑的引壓管腔下被測傳感器的靈敏度偏差

圖7 所示為1000 Hz 時不同長度引壓管腔，大直徑管腔與小直徑管腔作用下被測傳感器靈敏度偏差結果。由此可知，在管腔長度一定時，大直徑引壓管腔(見圖2 (a))對被測傳感器靈敏度的影響要大于小直徑引壓管腔(見圖2 (b))的影響，并且隨著管腔長度的增加影響程度也隨之增加。

圖7 1000 Hz 時不同直徑管腔的影響比較

4 結束語

本文設計了幾種不同形態的引壓管腔，通過試驗的方式驗證分析了在相對法校準中引壓管腔對被測傳感器靈敏度和相位的影響。引壓管腔的存在會對校準結果產生一定的影響，因此本文對于指導被測傳感器的安裝，提高校準的準確度具有重要指導意義。在本文試驗中，由于重復性誤差未予進行考慮，實驗設計存在局限性，后續將展開深入研究。

［1］張訓文，陳曦，朱琦，等. 壓力傳感器管腔效應問題研究［J］. 測試技術學報，2002，16 (S1):387 －390.

［2］葉挺，梁庭，張文棟. 壓力測試中引壓管的動態特性研究［J］. 中北大學學報，2011，32 (2):222 －226.

［3］王維，唐磊，王棋. 壓力測試管道管腔效應［J］. 計測技術，2012，32 (S0):81 －86.

［4］朱明武. 動壓測量［M］. 北京:國防工業出版社，1983.