皮托管結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法

皮托管是測(cè)量氣流總壓和靜壓以確定氣流速度的一種管狀裝置。由法國(guó)H.皮托發(fā)明而得名。嚴(yán)格地說(shuō)，皮托管僅測(cè)量氣流總壓，又名總壓管；同時(shí)測(cè)量總壓、靜壓的才稱風(fēng)速管，但習(xí)慣上多把風(fēng)速管稱作皮托管。皮托管的構(gòu)造如圖，頭部為半球形，后為一雙層套管。測(cè)速時(shí)頭部對(duì)準(zhǔn)來(lái)流，頭部中心處小孔（總壓孔）感受來(lái)流總壓 p 0 ，經(jīng)內(nèi)管傳送至壓力計(jì)。頭部后約3～8D處的外套管壁上均勻地開(kāi)有一排孔（靜壓孔），感受來(lái)流靜壓 p ，經(jīng)外套管也傳至壓力計(jì)。對(duì)于不可壓縮流動(dòng)，根據(jù)伯努利方程，

計(jì)算方法

風(fēng)速為 ，式中 ρ 為氣流密度。對(duì)于可壓縮流動(dòng)，測(cè)定 p 0 和 p 以后，根據(jù)能量方程可求出氣流馬赫數(shù)，進(jìn)而再求速度。但在超聲速流動(dòng)中，皮托管頭部出現(xiàn)離體激波，總壓孔感受的是波后總壓，來(lái)流靜壓也難以測(cè)準(zhǔn)，因而皮托管不再適用?？倝嚎子幸欢娣e，它所感受的是駐點(diǎn)附近的平均壓強(qiáng)，略低于總壓，靜壓孔感受的靜壓也有一定誤差，其他如制造、安裝也會(huì)有誤差，故測(cè)算流速時(shí)應(yīng)加一個(gè)修正系數(shù)ζ，即 。ζ值一般在0.98～1.05范圍內(nèi) ，在已知速度之氣流中校正或經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)皮托管校正而確定。皮托管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，用途很廣。如飛機(jī)頭部或機(jī)翼前緣常裝設(shè)皮托管，測(cè)量相對(duì)空氣的飛行速度，又稱空速管。

空速管也叫氣流方向傳感器或流向角感應(yīng)器，與精密電位計(jì)（或同步機(jī)或解析器）連接在一起，提供出一個(gè)表示相對(duì)于大氣數(shù)據(jù)桁架縱軸的空氣流方向的電信號(hào)。
皮托管用途
空速管是飛機(jī)上極為重要的測(cè)量工具。它的安裝位置一定要在飛機(jī)外面氣流較少受到飛機(jī)影響的區(qū)域，一般在機(jī)頭正前方，垂尾或翼尖前方。同時(shí)為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，一架飛機(jī)通常安裝2副以上空速管。有的飛機(jī)在機(jī)身兩側(cè)有2根小的空速管。美國(guó)隱身戰(zhàn)斗機(jī)F-117在機(jī)頭zui前方安裝了4根全向大氣數(shù)據(jù)探管，因此該機(jī)不但可以測(cè)大氣動(dòng)壓、靜壓，而且還可以測(cè)量飛機(jī)的側(cè)滑角和迎角。有的飛機(jī)上的空速管外側(cè)還裝有幾片小葉片，也可以起到類似作用；垂直安裝的用來(lái)測(cè)量飛機(jī)側(cè)滑角，水平安裝的葉片可測(cè)量飛機(jī)迎角，為了防止空速管前端小孔在飛行中結(jié)冰堵塞，一般飛機(jī)上的空速管都有電加溫裝置。。

空速管測(cè)量飛機(jī)速度的原理是這樣的，當(dāng)飛機(jī)向前飛行時(shí)，氣流便沖進(jìn)空速管，在管子末端的感應(yīng)器會(huì)感受到氣流的沖擊力量，即動(dòng)壓。飛機(jī)飛得越快，動(dòng)壓就越大。如果將空氣靜止時(shí)的壓力即靜壓和動(dòng)壓相比就可以知道沖進(jìn)來(lái)的空氣有多快，也就是飛機(jī)飛得有多快。比較兩種壓力的工具是一個(gè)用上下兩片很薄的金屬片制成的表面帶波紋的空心圓形盒子，稱為膜盒。這盒子是密封的，但有一根管子與空速管相連。如果飛機(jī)速度快，動(dòng)壓便增大，膜盒內(nèi)壓力增加，膜盒會(huì)鼓起來(lái)。用一個(gè)由小杠桿和齒輪等組成的裝置可以將膜盒的變形測(cè)量出來(lái)并用指針顯示，這就是zui簡(jiǎn)單的飛機(jī)空速表。

現(xiàn)代的空速管除了正前方開(kāi)孔外，還在管的四周開(kāi)有很多小孔，并用另一根管子通到空速表內(nèi)來(lái)測(cè)量靜止大氣壓力，這一壓力稱靜壓?？账俦韮?nèi)膜盒的變形大小就是由膜盒外的靜壓與膜盒內(nèi)動(dòng)壓的差別決定的。

空速管測(cè)量出來(lái)的靜壓還可以用來(lái)作為高度表的計(jì)算參數(shù)。如果膜盒*密封，里面的壓力始終保持相當(dāng)于地面空氣的壓力。這樣當(dāng)飛機(jī)飛到空中，高度增加，空速管測(cè)得的靜壓下降，膜盒便會(huì)鼓起來(lái)，測(cè)量膜盒的變形即可測(cè)得飛機(jī)高度。這種高度表稱為氣壓式高度表。

利用空速管測(cè)得的靜壓還可以制成"升降速度表"，即測(cè)量飛機(jī)高度變化快慢（爬升率）。表內(nèi)也有一個(gè)膜盒，不過(guò)膜盒內(nèi)的壓力不是根據(jù)空速管測(cè)得的動(dòng)壓而是通過(guò)專門一根在出口處開(kāi)有一小孔的管子測(cè)得的。這根管子上的小孔大小是特別設(shè)計(jì)的，用來(lái)限制膜盒內(nèi)氣壓變化的快慢。如果飛機(jī)上升很快，膜盒內(nèi)的氣壓受小孔的制約不能很快下降，而膜盒外的氣壓由于有直通空速管上的靜壓孔，可以很快達(dá)到相當(dāng)于外面大氣的壓力，于是膜盒鼓起來(lái)。測(cè)量膜盒的變形大小即可算出飛機(jī)上升的快慢。飛機(jī)下降時(shí)，情況正相反。膜盒外壓力急速增加，而膜盒內(nèi)的氣壓只能緩慢升高，于是膜盒下陷，帶動(dòng)指針，顯示負(fù)爬升率，即下降速率。飛機(jī)平飛后，膜盒內(nèi)外氣壓逐漸相等，膜盒恢復(fù)正常形狀，升降速度表指示為零。

空速管測(cè)量出來(lái)的速度并非是飛機(jī)真正相對(duì)于地面的速度，而只是相對(duì)于大氣的速度，所以稱為空速。如果有風(fēng)，飛機(jī)相對(duì)地面的速度（稱地速）還應(yīng)加上風(fēng)速（順風(fēng)飛行）或減去風(fēng)速（逆風(fēng)飛行）。另外空速管測(cè)速原理利用到動(dòng)壓，而動(dòng)壓和大氣密度有關(guān)。同樣的相對(duì)氣流速度，如果大氣密度低，動(dòng)壓便小，空速表中的膜盒變形就小。所以相同的空速，在高空指示值比在低空小。這種空速一般稱為"表速"。現(xiàn)代的空速表上都有兩根指針，一根比較細(xì)，一根比較寬。寬的指針指示"表速"，而細(xì)的一根指示的是經(jīng)過(guò)各種修正的相當(dāng)于地面大氣壓力時(shí)的空速，稱為 "實(shí)速"。

除了用來(lái)測(cè)量飛機(jī)速度，同時(shí)還兼具其他多種功能。在科研、生產(chǎn)、教學(xué)、環(huán)境保護(hù)以及隧道、礦井通風(fēng)、能源管理部門，常用皮托管測(cè)量通風(fēng)管道、工業(yè)管道、爐窯煙道內(nèi)的氣流速度，經(jīng)過(guò)換算來(lái)確定流量，也可測(cè)量管道內(nèi)的水流速度。用皮托管測(cè)速和確定流量，有可靠的理論根據(jù)，使用方便、準(zhǔn)確，是一種經(jīng)典的廣泛的測(cè)量方法。此外，它還可用來(lái)測(cè)量流體的壓力。