带引压管腔的压力测量系统动态校准技术研究

李东

摘要：科技在迅猛发展，社会在不断进步，在动态压力测量领域中，带引压管腔的压力测量系统常被用于空间狭小、工况恶劣等情况下的压力测量，压力信号经过引压管腔传递会发生畸变，引压管腔是降低压力测量系统频响的首要因素。本文首先介绍了带引压管腔的压力测量系统物理结构模型，阐述管腔动态特性影响动态测量机理。其次，介绍了现有引压管腔主要校准方法和装置，开展新型校准装置和方法研究，研制了一种静态压力及温度可调的校准装置。最后，利用该校准装置对带引压管腔的压力测量系统进行实验，对带引压管腔的压力测量系统的动态计量与补偿技术发展具有借鉴作用。

关键词：引压管腔;压力测量;动态校准;校准装置

引言

在航空航天发动机的动态压力测试研究中，发动机内部流场复杂、流道狭小，工作环境恶劣，受温度、结构、空间等的影响和限制，压力无法直接测量，需要连接各种引压管腔或探针型传感器来满足现场要求以及传感器前端恶劣环境的动态压力测量。为了不失真的测出动态信号中的各种低频到高频谐波，就必须考虑引压管腔的动态特性。一般而言，测试系统频率响应越高，产生的动态误差就越小，但由于管腔自身结构的频响特性通常较低，引压管腔的动态特性常常成为制约整个测压系统动态特性的主要因素。

1引压管腔动态特性理论研究

管路系统基本的物理模型已经比较完善，在层流假设情况下，且管路中介质为单相流时，管路系统的模型可分为无损耗模型、线性摩擦模型和耗散模型三种，这些模型得到了广泛验证及应用。但在非层流假设或气液、气固、液固、气液固等两相流或多相流的情况下便不再适用。当把流体视为不可压缩流体时，不忽略流体的惯性，常采用单自由度二阶系统模型估算管道的固有频率。最常用的理论依据是“四分之一波长公式”，它可以大致估计简单直管道的谐振频率，但不能进行幅频与相频的定量分析，对复杂结构或介质的管腔的动态特性也无能无力。Bergh和Tijdeman于1965年提出的测压系统的频率响应理论，则比较适合于单一介质的复杂结构管道的测压动态特性分析。阻抗概念的频率分析法则可用于研究不同物理介质或静态压力对引压管腔动态特性的影响。研究不同结构对管腔动态特性的影响，有助于在实际使用中选取合适管腔。研究了半无限长引压管腔在不同内径、不同安装长度、不同开口方式、不同频率激励下的动态特性。针对谐振管腔和半无限长非谐振管腔这两种常用的动态压力探针管腔形式进行了大量的试验研究，分析了管腔长度、非谐振管腔安裝长度、管腔内径和管腔结构对管腔效应的影响和复制衰减情况，同时验证了管腔对稳态信号的延迟时间。利用Bergh-Tijdeman推导的循环方程研究了限流器与管道组成的串联系统的动态特性。弯曲对于引压管腔动态特性的影响，对管道的弯曲位置、弯曲数量、弯曲导致的截面积改变等对管腔动态特性的改变进行了分析，并对实际使用的优化提出了建议。针对引压管腔中不同介质对管道动态特性的影响，研究了管道气介质、液介质、液夹气介质不同情况下管腔的动态特性，从理论和试验进行了验证。在航空发动机动态压力测量中，引压管腔感压端温度较高，而传感器安装端温度较低，管腔存在温度梯度。通过理论和试验结合的方式，研究了不同管径的引压管腔在不同温度梯度下的动态特性。研究人员采用多变量能量分析的方法，得到了温度梯度的递推公式。管腔测量动态压力中，不同的静态压力会对管腔的动态特性产生影响。

2带引压管腔的压力测量系统动态校准技术研究

2.1阶跃法校准

阶跃法校准一般采用激波管产生标准阶跃信号对被测对象进行校准，可用于引压管腔的时域校准，适合于评价压力上升时间、固有频率等指标。带引压管腔的压力测量系统通常响应频率较低，而激波管适用于高频率校准，并且结构较为复杂，不易控制，产生的阶跃压力重复性较低。采用航空工业计量所研制的激波管进行带引压管腔的压力测量系统校准，在相同条件下对一支带引压管腔的压力测量系统进行三次校准，由于激波管产生阶跃压力不具有良好的重复性，选取某一次实验时域信号，目前，带引压管腔的压力测量系统所用的敏感原件频响较高，常常能够达到几十万赫兹，而通常引压管腔的频响较低，是限制整个系统频响的重要因素。通过阶跃法对带引压管腔的压力测量系统进行校准，可以定量评价上升时间，固有频率等动态指标，但对于灵敏度、幅频特性、相频特性等指标无法有效进行评估。

2.2换能器正弦压力试验

换能器正弦压力试验，在空旷试验环境下通过电声换能器的正弦振动产生声压对引压管腔进行动态校准。试验过程中，电声换能器收到功率放大器正弦激励信号产生振动，通过改变电声换能器的激励信号频率，进而产生不同频率下的声压。

2.3正弦压力校准方法

正弦压力作为动态校准激励信号，与工程测试中的周期性脉动压力较为接近，而且能对压力测试系统的频率响应进行定量评价，因此在动态压力校准中越来越受到重视。利用出口调制型中频正弦压力标准装置，使用气体介质产生不同的静态压力的正弦信号，验证了不同静态压力及不同介质对引压管腔动态特性的影响。对于液夹气管道动态特性的研究，则使用基于电液伺服压力控制的液压正弦压力发生器，其频率最高100Hz，平均压力亦可控制。同样的，利用出口调制型正弦压力发生器对引压管腔动态特性进行了校准研究。

结语

近年来，对于带引压管腔的压力测量系统的物理结构模型和动态特性研究取得了一定成果，而对于复杂环境下的动态校准和分析方法开展较少，特别是多物理场耦合下的校准技术研究，与国际上一些研究机构存在差距。 采用传统动态压力校准装置进行带引压管腔的压力测量系统校准的方式已无法满足复杂情况下的校准需求，为此，提出一种可变静压和温度的新型引压管腔校准装置，并开展了一系列实验研究，将对带引压管腔的压力测量系统的动态校准技术发展起到促进作用。

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