引压管腔对动态压力校准的影响分析

蔡菁，袁俊先，宋寒

(1. 中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095;2. 东北工业集团有限公司吉林江机公司 计量测试中心，吉林 吉林132021)

0 引言

在使用相对法进行动态压力传感器校准时，标准传感器与被测传感器的安装位置通常设计为对称形式。由于动态压力传感器类型多、尺寸差异大，校准装置上预留的传感器安装孔并不能满足所有的传感器都可以实现齐平安装。因此，研究由于不对称安装形成的引压管腔而导致的实验误差对动态压力校准具有重要意义。目前，关于引压管腔对动态压力校准影响的研究并不多，大多数研究文献都集中在管腔的固有频率分析方面［1－3］，引压管腔对灵敏度和相位带来影响的研究尚少。灵敏度和相位是评价正弦压力校准的重要技术指标。本文基于正弦压力校准装置，研究引压管腔的存在对传感器校准中灵敏度和相位的影响。

1 工作原理

正弦压力校准装置是目前应用最广泛的相对法校准装置，其工作原理决定了它对齐平对称安装有较高要求。

正弦压力校准装置的工作原理:采用固定的容腔容积，保持流入容腔的气体流量一定。使流出腔体的气体流量随着容腔出口面积周期性的变化而变化，从而在容腔内产生周期性脉动压力［4］。对称安装的标准传感器与被测传感器感受到的动态压力具有一致性，根据动态测试结果计算被测传感器的灵敏度和相位。

对相对法动态压力校准装置进行设计时，会根据所选用标准传感器的类型和尺寸预留对称结构的安装孔，正确安装时标准传感器感压面与压力室内壁端面保持齐平。理论上，标准传感器与被测传感器对称并齐平安装至压力室内壁时，二者感受到的动态压力是相同的，如图1 所示。

图1 标准传感器与被测传感器安装示意图

在日常校准工作中，由于传感器自身结构或转接设计等原因，大多数被测传感器都无法实现与标准传感器对称安装。此时，被测传感器的感压面与压力室内壁端面间的空腔即形成引压管腔。图2 所示为常见的引压管腔结构形式。

由于引压管腔的存在，被测传感器感受到的压力并不是被测压力点的真实压力，而是通过管腔后的作用压力。分析引压管腔给被测传感器的灵敏度和相位带来误差，对于准确校准动态压力传感器具有重要意义。

2 试验设计

图2 引压管腔示意图

结合正弦动态压力标准装置的使用现状，本文主要研究0 ～8 mm 内引压管腔对动态压力校准中灵敏度和相位的影响，以及引压管腔横截面积不同对灵敏度的影响。

图3 正弦动态压力标准装置

为了减小传感器类型差异的影响，本试验中，准传感器和被测传感器都选用ENDEVCO 的8510B －200psi 压力传感器;为了增强试验数据的可比性，均选用1 MPa 的进气压力。改变引压管腔长度时，以齐平安装为参考值，每次增加2 mm，直至8 mm。

为了方便定量分析引压管腔对动态压力校准的影响，文中定义了几个观察值作为评价指标。

1)灵敏度误差

引压管腔长度为li时，被测传感器静态灵敏度(0 Hz)为E0i，f 频率下动态灵敏度为Efi，则灵敏度误差

2)灵敏度偏差

在频率为f 时，被测传感器齐平安装时灵敏度为E0f，引压管腔长度为li时灵敏度为Eif，则灵敏度偏差

3)相位差

在频率为f 时，被测传感器齐平安装时测得相位为a，引压管腔长度li时测得相位为b，则引压管腔长度li时引起的相位差

3 试验结果

本文通过大量的试验数据分析了引压管腔对传感器灵敏度和相位的影响主要从以下四个方面进行说明。

1)在不同长度引压管腔作用下的灵敏度误差

如图4 所示，在频率范围内0 ～1000 Hz，传感器在齐平安装时灵敏度误差曲线大致呈衰减的趋势，有管腔作用时传感器的灵敏度误差曲线呈增长趋势，即有引压管腔作用时被测传感器的灵敏度特性发生变化。通过比较不同长度管腔下的灵敏度误差曲线可得出，灵敏度误差随着管腔长度的增加而增加。并且在低频段0 ～200 Hz 内有管腔作用下的被测传感器灵敏度误差小于齐平安装时的灵敏度误差;在高频段200 ～1000 Hz 内有管腔时被测传感器灵敏度误差大于齐平安装时的灵敏度误差。

图4 灵敏度误差曲线

通过上述分析可得出:有引压管腔作用时，会导致被测传感器的灵敏度特性曲线发生变化。

2)不同长度的引压管腔作用下的灵敏度偏差

如图5 所示，各长度管腔作用下被测传感器的灵敏度偏差曲线均呈增长趋势。在0 ～500 Hz 范围内，被测传感器的灵敏度偏差随着引压管腔长度增加而减小，在500 ～1000 Hz 范围内，被测传感器的灵敏度偏差随着引压管腔长度增加而增大。

由上述可得:被测传感器在管腔作用时灵敏度与齐平安装时灵敏度之间偏差的绝对值会随着引压管腔长度的增加而增加。

图5 灵敏度偏差曲线

3)不同长度的引压管腔作用下的相位差

如图6 所示，在不同长度的引压管腔下，0 ～1000 Hz 频率范围内的相位差都很小，其绝对值不超过0.3°(本标准装置相位不确定度为1°)，并且不同长度的引压管腔间的差异也不大。

图6 相位差变化曲线

通过上述分析可得:在相对法校准时引压管腔对被测传感器相位的影响很小，并且随着管腔长度的增加其变化量不大。

4)不同直径的引压管腔下被测传感器的灵敏度偏差

图7 所示为1000 Hz 时不同长度引压管腔，大直径管腔与小直径管腔作用下被测传感器灵敏度偏差结果。由此可知，在管腔长度一定时，大直径引压管腔(见图2 (a))对被测传感器灵敏度的影响要大于小直径引压管腔(见图2 (b))的影响，并且随着管腔长度的增加影响程度也随之增加。

图7 1000 Hz 时不同直径管腔的影响比较

4 结束语

本文设计了几种不同形态的引压管腔，通过试验的方式验证分析了在相对法校准中引压管腔对被测传感器灵敏度和相位的影响。引压管腔的存在会对校准结果产生一定的影响，因此本文对于指导被测传感器的安装，提高校准的准确度具有重要指导意义。在本文试验中，由于重复性误差未予进行考虑，实验设计存在局限性，后续将展开深入研究。

［1］张训文，陈曦，朱琦，等. 压力传感器管腔效应问题研究［J］. 测试技术学报，2002，16 (S1):387 －390.

［2］叶挺，梁庭，张文栋. 压力测试中引压管的动态特性研究［J］. 中北大学学报，2011，32 (2):222 －226.

［3］王维，唐磊，王棋. 压力测试管道管腔效应［J］. 计测技术，2012，32 (S0):81 －86.

［4］朱明武. 动压测量［M］. 北京:国防工业出版社，1983.