帶引壓管腔的壓力測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)研究

李東

摘要：科技在迅猛發(fā)展，社會(huì)在不斷進(jìn)步，在動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量領(lǐng)域中，帶引壓管腔的壓力測(cè)量系統(tǒng)常被用于空間狹小、工況惡劣等情況下的壓力測(cè)量，壓力信號(hào)經(jīng)過引壓管腔傳遞會(huì)發(fā)生畸變，引壓管腔是降低壓力測(cè)量系統(tǒng)頻響的首要因素。本文首先介紹了帶引壓管腔的壓力測(cè)量系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)模型，闡述管腔動(dòng)態(tài)特性影響動(dòng)態(tài)測(cè)量機(jī)理。其次，介紹了現(xiàn)有引壓管腔主要校準(zhǔn)方法和裝置，開展新型校準(zhǔn)裝置和方法研究，研制了一種靜態(tài)壓力及溫度可調(diào)的校準(zhǔn)裝置。最后，利用該校準(zhǔn)裝置對(duì)帶引壓管腔的壓力測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)帶引壓管腔的壓力測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)計(jì)量與補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展具有借鑒作用。

關(guān)鍵詞：引壓管腔;壓力測(cè)量;動(dòng)態(tài)校準(zhǔn);校準(zhǔn)裝置

引言

在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試研究中，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜、流道狹小，工作環(huán)境惡劣，受溫度、結(jié)構(gòu)、空間等的影響和限制，壓力無法直接測(cè)量，需要連接各種引壓管腔或探針型傳感器來滿足現(xiàn)場(chǎng)要求以及傳感器前端惡劣環(huán)境的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量。為了不失真的測(cè)出動(dòng)態(tài)信號(hào)中的各種低頻到高頻諧波，就必須考慮引壓管腔的動(dòng)態(tài)特性。一般而言，測(cè)試系統(tǒng)頻率響應(yīng)越高，產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)誤差就越小，但由于管腔自身結(jié)構(gòu)的頻響特性通常較低，引壓管腔的動(dòng)態(tài)特性常常成為制約整個(gè)測(cè)壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的主要因素。

1引壓管腔動(dòng)態(tài)特性理論研究

管路系統(tǒng)基本的物理模型已經(jīng)比較完善，在層流假設(shè)情況下，且管路中介質(zhì)為單相流時(shí)，管路系統(tǒng)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(yàn)證及應(yīng)用。但在非層流假設(shè)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(dāng)把流體視為不可壓縮流體時(shí)，不忽略流體的慣性，常采用單自由度二階系統(tǒng)模型估算管道的固有頻率。最常用的理論依據(jù)是“四分之一波長公式”，它可以大致估計(jì)簡(jiǎn)單直管道的諧振頻率，但不能進(jìn)行幅頻與相頻的定量分析，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)或介質(zhì)的管腔的動(dòng)態(tài)特性也無能無力。Bergh和Tijdeman于1965年提出的測(cè)壓系統(tǒng)的頻率響應(yīng)理論，則比較適合于單一介質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)管道的測(cè)壓動(dòng)態(tài)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(zhì)或靜態(tài)壓力對(duì)引壓管腔動(dòng)態(tài)特性的影響。研究不同結(jié)構(gòu)對(duì)管腔動(dòng)態(tài)特性的影響，有助于在實(shí)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(nèi)徑、不同安裝長度、不同開口方式、不同頻率激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)特性。針對(duì)諧振管腔和半無限長非諧振管腔這兩種常用的動(dòng)態(tài)壓力探針管腔形式進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，分析了管腔長度、非諧振管腔安裝長度、管腔內(nèi)徑和管腔結(jié)構(gòu)對(duì)管腔效應(yīng)的影響和復(fù)制衰減情況，同時(shí)驗(yàn)證了管腔對(duì)穩(wěn)態(tài)信號(hào)的延遲時(shí)間。利用Bergh-Tijdeman推導(dǎo)的循環(huán)方程研究了限流器與管道組成的串聯(lián)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。彎曲對(duì)于引壓管腔動(dòng)態(tài)特性的影響，對(duì)管道的彎曲位置、彎曲數(shù)量、彎曲導(dǎo)致的截面積改變等對(duì)管腔動(dòng)態(tài)特性的改變進(jìn)行了分析，并對(duì)實(shí)際使用的優(yōu)化提出了建議。針對(duì)引壓管腔中不同介質(zhì)對(duì)管道動(dòng)態(tài)特性的影響，研究了管道氣介質(zhì)、液介質(zhì)、液夾氣介質(zhì)不同情況下管腔的動(dòng)態(tài)特性，從理論和試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)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(yàn)結(jié)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(dòng)態(tài)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(cè)量動(dòng)態(tài)壓力中，不同的靜態(tài)壓力會(huì)對(duì)管腔的動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生影響。

2帶引壓管腔的壓力測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)研究

2.1階躍法校準(zhǔn)

階躍法校準(zhǔn)一般采用激波管產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)階躍信號(hào)對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行校準(zhǔn)，可用于引壓管腔的時(shí)域校準(zhǔn)，適合于評(píng)價(jià)壓力上升時(shí)間、固有頻率等指標(biāo)。帶引壓管腔的壓力測(cè)量系統(tǒng)通常響應(yīng)頻率較低，而激波管適用于高頻率校準(zhǔn)，并且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不易控制，產(chǎn)生的階躍壓力重復(fù)性較低。采用航空工業(yè)計(jì)量所研制的激波管進(jìn)行帶引壓管腔的壓力測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)，在相同條件下對(duì)一支帶引壓管腔的壓力測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行三次校準(zhǔn)，由于激波管產(chǎn)生階躍壓力不具有良好的重復(fù)性，選取某一次實(shí)驗(yàn)時(shí)域信號(hào)，目前，帶引壓管腔的壓力測(cè)量系統(tǒng)所用的敏感原件頻響較高，常常能夠達(dá)到幾十萬赫茲，而通常引壓管腔的頻響較低，是限制整個(gè)系統(tǒng)頻響的重要因素。通過階躍法對(duì)帶引壓管腔的壓力測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，可以定量評(píng)價(jià)上升時(shí)間，固有頻率等動(dòng)態(tài)指標(biāo)，但對(duì)于靈敏度、幅頻特性、相頻特性等指標(biāo)無法有效進(jìn)行評(píng)估。

2.2換能器正弦壓力試驗(yàn)

換能器正弦壓力試驗(yàn)，在空曠試驗(yàn)環(huán)境下通過電聲換能器的正弦振動(dòng)產(chǎn)生聲壓對(duì)引壓管腔進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。試驗(yàn)過程中，電聲換能器收到功率放大器正弦激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生振動(dòng)，通過改變電聲換能器的激勵(lì)信號(hào)頻率，進(jìn)而產(chǎn)生不同頻率下的聲壓。

2.3正弦壓力校準(zhǔn)方法

正弦壓力作為動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào)，與工程測(cè)試中的周期性脈動(dòng)壓力較為接近，而且能對(duì)壓力測(cè)試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，因此在動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)中越來越受到重視。利用出口調(diào)制型中頻正弦壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置，使用氣體介質(zhì)產(chǎn)生不同的靜態(tài)壓力的正弦信號(hào)，驗(yàn)證了不同靜態(tài)壓力及不同介質(zhì)對(duì)引壓管腔動(dòng)態(tài)特性的影響。對(duì)于液夾氣管道動(dòng)態(tài)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(fā)生器，其頻率最高100Hz，平均壓力亦可控制。同樣的，利用出口調(diào)制型正弦壓力發(fā)生器對(duì)引壓管腔動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了校準(zhǔn)研究。

結(jié)語

近年來，對(duì)于帶引壓管腔的壓力測(cè)量系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)模型和動(dòng)態(tài)特性研究取得了一定成果，而對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)和分析方法開展較少，特別是多物理場(chǎng)耦合下的校準(zhǔn)技術(shù)研究，與國際上一些研究機(jī)構(gòu)存在差距。 采用傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置進(jìn)行帶引壓管腔的壓力測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)的方式已無法滿足復(fù)雜情況下的校準(zhǔn)需求，為此，提出一種可變靜壓和溫度的新型引壓管腔校準(zhǔn)裝置，并開展了一系列實(shí)驗(yàn)研究，將對(duì)帶引壓管腔的壓力測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展起到促進(jìn)作用。

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