引壓管腔對動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)的影響分析

蔡菁，袁俊先，宋寒

(1. 中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100095;2. 東北工業(yè)集團(tuán)有限公司吉林江機(jī)公司 計(jì)量測試中心，吉林 吉林132021)

0 引言

在使用相對法進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓力傳感器校準(zhǔn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)傳感器與被測傳感器的安裝位置通常設(shè)計(jì)為對稱形式。由于動(dòng)態(tài)壓力傳感器類型多、尺寸差異大，校準(zhǔn)裝置上預(yù)留的傳感器安裝孔并不能滿足所有的傳感器都可以實(shí)現(xiàn)齊平安裝。因此，研究由于不對稱安裝形成的引壓管腔而導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差對動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)具有重要意義。目前，關(guān)于引壓管腔對動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)影響的研究并不多，大多數(shù)研究文獻(xiàn)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(jià)正弦壓力校準(zhǔn)的重要技術(shù)指標(biāo)。本文基于正弦壓力校準(zhǔn)裝置，研究引壓管腔的存在對傳感器校準(zhǔn)中靈敏度和相位的影響。

1 工作原理

正弦壓力校準(zhǔn)裝置是目前應(yīng)用最廣泛的相對法校準(zhǔn)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(zhǔn)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(nèi)產(chǎn)生周期性脈動(dòng)壓力［4］。對稱安裝的標(biāo)準(zhǔn)傳感器與被測傳感器感受到的動(dòng)態(tài)壓力具有一致性，根據(jù)動(dòng)態(tài)測試結(jié)果計(jì)算被測傳感器的靈敏度和相位。

對相對法動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)根據(jù)所選用標(biāo)準(zhǔn)傳感器的類型和尺寸預(yù)留對稱結(jié)構(gòu)的安裝孔，正確安裝時(shí)標(biāo)準(zhǔn)傳感器感壓面與壓力室內(nèi)壁端面保持齊平。理論上，標(biāo)準(zhǔn)傳感器與被測傳感器對稱并齊平安裝至壓力室內(nèi)壁時(shí)，二者感受到的動(dòng)態(tài)壓力是相同的，如圖1 所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)傳感器與被測傳感器安裝示意圖

在日常校準(zhǔn)工作中，由于傳感器自身結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)接設(shè)計(jì)等原因，大多數(shù)被測傳感器都無法實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)傳感器對稱安裝。此時(shí)，被測傳感器的感壓面與壓力室內(nèi)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(jié)構(gòu)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(diǎn)的真實(shí)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(zhǔn)確校準(zhǔn)動(dòng)態(tài)壓力傳感器具有重要意義。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2 引壓管腔示意圖

結(jié)合正弦動(dòng)態(tài)壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置的使用現(xiàn)狀，本文主要研究0 ～8 mm 內(nèi)引壓管腔對動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)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(dòng)態(tài)壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置

為了減小傳感器類型差異的影響，本試驗(yàn)中，準(zhǔn)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(qiáng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，均選用1 MPa 的進(jìn)氣壓力。改變引壓管腔長度時(shí)，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(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)的影響，文中定義了幾個(gè)觀察值作為評價(jià)指標(biāo)。

1)靈敏度誤差

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

2)靈敏度偏差

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

3)相位差

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

3 試驗(yàn)結(jié)果

本文通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(gè)方面進(jìn)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(nèi)0 ～1000 Hz，傳感器在齊平安裝時(shí)靈敏度誤差曲線大致呈衰減的趨勢，有管腔作用時(shí)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(shí)被測傳感器的靈敏度特性發(fā)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(nèi)有管腔作用下的被測傳感器靈敏度誤差小于齊平安裝時(shí)的靈敏度誤差;在高頻段200 ～1000 Hz 內(nèi)有管腔時(shí)被測傳感器靈敏度誤差大于齊平安裝時(shí)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(shí)，會(huì)導(dǎo)致被測傳感器的靈敏度特性曲線發(fā)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(nèi)，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(nèi)，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(shí)靈敏度與齊平安裝時(shí)靈敏度之間偏差的絕對值會(huì)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(nèi)的相位差都很小，其絕對值不超過0.3°(本標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)時(shí)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(shí)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(jié)果。由此可知，在管腔長度一定時(shí)，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(shí)不同直徑管腔的影響比較

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了幾種不同形態(tài)的引壓管腔，通過試驗(yàn)的方式驗(yàn)證分析了在相對法校準(zhǔn)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(huì)對校準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，因此本文對于指導(dǎo)被測傳感器的安裝，提高校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度具有重要指導(dǎo)意義。在本文試驗(yàn)中，由于重復(fù)性誤差未予進(jìn)行考慮，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在局限性，后續(xù)將展開深入研究。

［1］張訓(xùn)文，陳曦，朱琦，等. 壓力傳感器管腔效應(yīng)問題研究［J］. 測試技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，16 (S1):387 －390.

［2］葉挺，梁庭，張文棟. 壓力測試中引壓管的動(dòng)態(tài)特性研究［J］. 中北大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32 (2):222 －226.

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

［4］朱明武. 動(dòng)壓測量［M］. 北京:國防工業(yè)出版社，1983.