帶引壓管腔的壓力測量系統動態校準技術研究

李東

摘要：科技在迅猛發展，社會在不斷進步，在動態壓力測量領域中，帶引壓管腔的壓力測量系統常被用于空間狹小、工況惡劣等情況下的壓力測量，壓力信號經過引壓管腔傳遞會發生畸變，引壓管腔是降低壓力測量系統頻響的首要因素。本文首先介紹了帶引壓管腔的壓力測量系統物理結構模型，闡述管腔動態特性影響動態測量機理。其次，介紹了現有引壓管腔主要校準方法和裝置，開展新型校準裝置和方法研究，研制了一種靜態壓力及溫度可調的校準裝置。最后，利用該校準裝置對帶引壓管腔的壓力測量系統進行實驗，對帶引壓管腔的壓力測量系統的動態計量與補償技術發展具有借鑒作用。

關鍵詞：引壓管腔;壓力測量;動態校準;校準裝置

引言

在航空航天發動機的動態壓力測試研究中，發動機內部流場復雜、流道狹小，工作環境惡劣，受溫度、結構、空間等的影響和限制，壓力無法直接測量，需要連接各種引壓管腔或探針型傳感器來滿足現場要求以及傳感器前端惡劣環境的動態壓力測量。為了不失真的測出動態信號中的各種低頻到高頻諧波，就必須考慮引壓管腔的動態特性。一般而言，測試系統頻率響應越高，產生的動態誤差就越小，但由于管腔自身結構的頻響特性通常較低，引壓管腔的動態特性常常成為制約整個測壓系統動態特性的主要因素。

1引壓管腔動態特性理論研究

管路系統基本的物理模型已經比較完善，在層流假設情況下，且管路中介質為單相流時，管路系統的模型可分為無損耗模型、線性摩擦模型和耗散模型三種，這些模型得到了廣泛驗證及應用。但在非層流假設或氣液、氣固、液固、氣液固等兩相流或多相流的情況下便不再適用。當把流體視為不可壓縮流體時，不忽略流體的慣性，常采用單自由度二階系統模型估算管道的固有頻率。最常用的理論依據是“四分之一波長公式”，它可以大致估計簡單直管道的諧振頻率，但不能進行幅頻與相頻的定量分析，對復雜結構或介質的管腔的動態特性也無能無力。Bergh和Tijdeman于1965年提出的測壓系統的頻率響應理論，則比較適合于單一介質的復雜結構管道的測壓動態特性分析。阻抗概念的頻率分析法則可用于研究不同物理介質或靜態壓力對引壓管腔動態特性的影響。研究不同結構對管腔動態特性的影響，有助于在實際使用中選取合適管腔。研究了半無限長引壓管腔在不同內徑、不同安裝長度、不同開口方式、不同頻率激勵下的動態特性。針對諧振管腔和半無限長非諧振管腔這兩種常用的動態壓力探針管腔形式進行了大量的試驗研究，分析了管腔長度、非諧振管腔安裝長度、管腔內徑和管腔結構對管腔效應的影響和復制衰減情況，同時驗證了管腔對穩態信號的延遲時間。利用Bergh-Tijdeman推導的循環方程研究了限流器與管道組成的串聯系統的動態特性。彎曲對于引壓管腔動態特性的影響，對管道的彎曲位置、彎曲數量、彎曲導致的截面積改變等對管腔動態特性的改變進行了分析，并對實際使用的優化提出了建議。針對引壓管腔中不同介質對管道動態特性的影響，研究了管道氣介質、液介質、液夾氣介質不同情況下管腔的動態特性，從理論和試驗進行了驗證。在航空發動機動態壓力測量中，引壓管腔感壓端溫度較高，而傳感器安裝端溫度較低，管腔存在溫度梯度。通過理論和試驗結合的方式，研究了不同管徑的引壓管腔在不同溫度梯度下的動態特性。研究人員采用多變量能量分析的方法，得到了溫度梯度的遞推公式。管腔測量動態壓力中，不同的靜態壓力會對管腔的動態特性產生影響。

2帶引壓管腔的壓力測量系統動態校準技術研究

2.1階躍法校準

階躍法校準一般采用激波管產生標準階躍信號對被測對象進行校準，可用于引壓管腔的時域校準，適合于評價壓力上升時間、固有頻率等指標。帶引壓管腔的壓力測量系統通常響應頻率較低，而激波管適用于高頻率校準，并且結構較為復雜，不易控制，產生的階躍壓力重復性較低。采用航空工業計量所研制的激波管進行帶引壓管腔的壓力測量系統校準，在相同條件下對一支帶引壓管腔的壓力測量系統進行三次校準，由于激波管產生階躍壓力不具有良好的重復性，選取某一次實驗時域信號，目前，帶引壓管腔的壓力測量系統所用的敏感原件頻響較高，常常能夠達到幾十萬赫茲，而通常引壓管腔的頻響較低，是限制整個系統頻響的重要因素。通過階躍法對帶引壓管腔的壓力測量系統進行校準，可以定量評價上升時間，固有頻率等動態指標，但對于靈敏度、幅頻特性、相頻特性等指標無法有效進行評估。

2.2換能器正弦壓力試驗

換能器正弦壓力試驗，在空曠試驗環境下通過電聲換能器的正弦振動產生聲壓對引壓管腔進行動態校準。試驗過程中，電聲換能器收到功率放大器正弦激勵信號產生振動，通過改變電聲換能器的激勵信號頻率，進而產生不同頻率下的聲壓。

2.3正弦壓力校準方法

正弦壓力作為動態校準激勵信號，與工程測試中的周期性脈動壓力較為接近，而且能對壓力測試系統的頻率響應進行定量評價，因此在動態壓力校準中越來越受到重視。利用出口調制型中頻正弦壓力標準裝置，使用氣體介質產生不同的靜態壓力的正弦信號，驗證了不同靜態壓力及不同介質對引壓管腔動態特性的影響。對于液夾氣管道動態特性的研究，則使用基于電液伺服壓力控制的液壓正弦壓力發生器，其頻率最高100Hz，平均壓力亦可控制。同樣的，利用出口調制型正弦壓力發生器對引壓管腔動態特性進行了校準研究。

結語

近年來，對于帶引壓管腔的壓力測量系統的物理結構模型和動態特性研究取得了一定成果，而對于復雜環境下的動態校準和分析方法開展較少，特別是多物理場耦合下的校準技術研究，與國際上一些研究機構存在差距。 采用傳統動態壓力校準裝置進行帶引壓管腔的壓力測量系統校準的方式已無法滿足復雜情況下的校準需求，為此，提出一種可變靜壓和溫度的新型引壓管腔校準裝置，并開展了一系列實驗研究，將對帶引壓管腔的壓力測量系統的動態校準技術發展起到促進作用。

參考文獻：

[1]王維，唐磊，王棋.壓力測試管道管腔效應研究[C]//全國壓力計量測試技術交流年會.2012，32（S1）：81-86.

[2]李繼超，王偲臣，林峰，等.一種容腔效應標定技術及其在高頻響動態探針中的應用[J].航空動力學報，2011，26（12）：2749-2756.

[3]郭勇，王效葵，王洪偉.高頻壓力探針動態性能的補償方法[J].航空動力學報，2005，20（2）：273-277.