基本介紹
- 中文名：皮托管
- 外文名：pitot tube
- 別稱：空速管
- 類型：測量壓強的儀器
- 發明者：亨利·皮托
- 發明時間：十八世紀初
原理,套用,參考文獻,
原理
皮托管是測量氣流總壓（見壓力）的一種裝置，是18世紀法國工程師H.皮托發明的，故名。用實驗方法直接測量氣流的速度比較困難，但氣流的壓力則可以用測壓計方便地測出。它主要是用來測量飛機速度的，同時還兼具其他多種功能。因此，可用皮托管測量壓力，再套用伯努利定理算出氣流的速度。皮托管由一個圓頭的雙層套管組成（見圖），外套管直徑為D，在圓頭中心O處開一與內套管相連的總壓孔，聯接測壓計的一頭，孔的直徑為0.3～0.6D。在外套管側表面距O約3～8D的C處沿周向均勻地開一排與外管壁垂直的靜壓孔，聯接測壓計另一頭，將皮托管安放在欲測速度的定常氣流中，使管軸與氣流的方向一致，管子前緣對著來流。當氣流接近O點處，其流速逐漸減低，流至O點滯止為零。所以O點測出的是總壓Pφ。其次，由於管子很細,C點距O點充分遠，因此C點處的速度和壓力已經基本上恢復到同來流速度V∞和壓力P∞相等的數值,因而在C點測出的是靜壓。對於低速流動（流體可近似地認為是不可壓縮的）,由伯努利定理得確定流速的公式為：
根據測壓計測出的總壓和靜壓差P0-P∞，以及流體的密 度ρ,可以按照式（1）求出氣流的速度。
對於亞聲速流動 以下關係式成立：
式中Ma∞，c∞,T∞分別為來流的馬赫數、聲速和溫度；γ為比熱比；R為氣體常數。通過測壓計測出總壓和靜壓，利用測溫儀器測出來流的溫度，於是流速V∞即可根據式（2）和式（3）求出。
對於超聲速流動，在皮托管頭部會產生離體激波（見激波），故以下關係成立：
式中p20是激波後駐點處的總壓。進一步可求出流速V∞。
在高亞聲速流動和超聲速流動情形中，由於存在著多種干擾因素，利用靜壓孔測靜壓並不準確。這時常常改用其他方法測量靜壓。
由於測壓孔有一定面積，也由於支桿干擾和製作上等原因，測壓計測得的壓差不會正好是P0-P∞,因此通常在式（1）的根號內乘上一個很接近於1的修正係數（在0.98～1.05之間）。值通過同標準皮托管作校正能求得。對於某些特殊類型的流動，如粘性起主要作用的低雷諾數流動和稀薄氣體流動，必須對常規皮托管的計算公式進行適當的修正，才能精確計算流速。
套用
空速管是飛機上極為重要的測量工具。它的安裝位置一定要在飛機外面氣流較少受到飛機影響的區域，一般在機頭正前方，垂尾或翼尖前方。同時為了保險起見，一架飛機通常安裝2副以上空速管。有的飛機在機身兩側有2根小的空速管。美國隱身戰鬥機F-117在機頭最前方安裝了4根全向大氣數據探管，因此該機不但可以測大氣動壓、靜壓，而且還可以測量飛機的側滑角和迎角。有的飛機上的空速管外側還裝有幾片小葉片，也可以起到類似作用；垂直安裝的用來測量飛機側滑角，水平安裝的葉片可測量飛機迎角，為了防止空速管前端小孔在飛行中結冰堵塞，一般飛機上的空速管都有電加溫裝置。
空速管測量出來的靜壓還可以用來作為高度表的計算參數。如果膜盒完全密封，裡面的壓力始終保持相當於地面空氣的壓力。這樣當飛機飛到空中，高度增加，空速管測得的靜壓下降，膜盒便會鼓起來，測量膜盒的變形即可測得飛機高度。這種高度表稱為氣壓式高度表。
利用空速管測得的靜壓還可以製成"升降速度表"，即測量飛機高度變化快慢(爬升率)。表內也有一個膜盒，不過膜盒內的壓力不是根據空速管測得的動壓而是通過專門一根在出口處開有一小孔的管子測得的。這根管子上的小孔大小是特別設計的，用來限制膜盒內氣壓變化的快慢。如果飛機上升很快，膜盒內的氣壓受小孔的制約不能很快下降，而膜盒外的氣壓由於有直通空速管上的靜壓孔，可以很快達到相當於外面大氣的壓力，於是膜盒鼓起來。測量膜盒的變形大小即可算出飛機上升的快慢。飛機下降時，情況正相反。膜盒外壓力急速增加，而膜盒內的氣壓只能緩慢升高，於是膜盒下陷，帶動指針，顯示負爬升率，即下降速率。飛機平飛後，膜盒內外氣壓逐漸相等，膜盒恢復正常形狀，升降速度表指示為零。
空速管測量出來的速度並非是飛機真正相對於地面的速度，而只是相對於大氣的速度，所以稱為空速。如果有風，飛機相對地面的速度(稱地速)還應加上風速(順風飛行)或減去風速(逆風飛行)。另外空速管測速原理利用到動壓，而動壓和大氣密度有關。同樣的相對氣流速度，如果大氣密度低，動壓便小，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"錶速"。現代的空速表上都有兩根指針，一根比較細，一根比較寬。寬的指針指示"錶速"，而細的一根指示的是經過各種修正的相當於地面大氣壓力時的空速，稱為 "實速"。
皮托管除了用來測量飛機速度，同時還兼具其他多種功能。在科研、生產、教學、環境保護以及隧道、礦井通風、能源管理部門，常用皮托管測量通風管道、工業管道、爐窯煙道內的氣流速度，經過換算來確定流量，也可測量管道內的水流速度。用皮托管測速和確定流量，有可靠的理論根據，使用方便、準確，是一種經典的廣泛的測量方法。此外，它還可用來測量流體的壓力。
參考文獻
1.詞條作者：吳望一《中國大百科全書》74卷（第二版）物理學詞條：流體力學：中國大百科全書出版社，2009-07：380頁．
