航空發(fā)動機(jī)壓力測量箱自動校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邢 威

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究所,沈陽 110015）

0 引言

傳統(tǒng)的航空發(fā)動機(jī)壓力測量箱的檢定通過手動方式完成，工作效率較低，操作環(huán)節(jié)多，且繁瑣，容易出現(xiàn)誤差，使壓力測量箱性能確定帶來較多不確定性。目前，國外已廣泛使用壓力控制器的程控式校準(zhǔn)，可極大提高工作效率，并可有效避免傳統(tǒng)校準(zhǔn)方式存在的人為失誤。因此，建立1套自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，能高質(zhì)量、快速地完成測試設(shè)備的校準(zhǔn)/檢定工作，對減輕勞動強(qiáng)度和保證校準(zhǔn)精度具有重要意義，為航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)、調(diào)試和排故工作提供更好的技術(shù)支持。

本文介紹1種采用計(jì)算機(jī)終端通訊技術(shù)研制的航空發(fā)動機(jī)壓力測量箱自動校準(zhǔn)系統(tǒng)。

1 發(fā)動機(jī)自動校準(zhǔn)系統(tǒng)

航空發(fā)動機(jī)自動校準(zhǔn)系統(tǒng)是通過終端通訊連接技術(shù)，采用計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集器發(fā)布控制命令，使壓力傳感器獲得由高精度壓力控制器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)壓力，并輸出相應(yīng)信號，由數(shù)據(jù)采集器采集傳感器輸出信號，并返回計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)分析處理的循環(huán)過程，最后自動生成傳感器檢定/校準(zhǔn)證書和文檔的校準(zhǔn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)是在Ruska 7210的基礎(chǔ)上通過相應(yīng)擴(kuò)展，構(gòu)建了基于網(wǎng)絡(luò)終端通訊技術(shù)的硬件平臺，開發(fā)了設(shè)備控制和數(shù)據(jù)處理軟件。

1.1 硬件系統(tǒng)

自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)（如圖1所示）主要包括計(jì)算機(jī)、高精度壓力控制器、KEITHLEY2000型多功能數(shù)字繁用表、LPS-305型直流穩(wěn)壓電源、壓力真空泵及壓力氣源等設(shè)備組件。各組件通過計(jì)算機(jī)的RS232接口連接。

圖1 硬件系統(tǒng)

其中，7210控制器主要由控制器電源、電氣氣動和傳感器組成?？刂破鞯臍鈩幽K因控制模式不同為表壓、絕壓和模擬絕壓。本系統(tǒng)為表壓測量校準(zhǔn)，以大氣壓力為參考，控制器的氣動模塊如圖2所示。

圖2 氣動模塊表壓氣動原理

1.2 軟件系統(tǒng)

自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)是對硬件系統(tǒng)各組件的有效整合，是整個系統(tǒng)穩(wěn)定、有效工作的核心組成部分。軟件系統(tǒng)將高精度壓力控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、打印機(jī)有機(jī)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)循環(huán)加載、自動判穩(wěn)、數(shù)據(jù)采集等一系列自動化過程，同時還具有校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫管理功能，可對傳感器信息、校準(zhǔn)證書、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)等資料進(jìn)行更有效地管理和檢索。系統(tǒng)軟件包括傳感器校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)計(jì)算處理、數(shù)據(jù)庫管理和系統(tǒng)維護(hù)4大核心模塊，如圖3所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)

2 軟件處理

檢定/校準(zhǔn)模塊是自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的最基本模塊，系統(tǒng)可根據(jù)需要對被校測量箱的校準(zhǔn)環(huán)境、校準(zhǔn)參數(shù)、工作載荷和預(yù)警提示等進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)管理控制由軟件系統(tǒng)協(xié)調(diào)，主要包括校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集分析模塊、證書生成模塊、系統(tǒng)維護(hù)等部分。模塊之間具有相對獨(dú)立性，能有效確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性、良好的維護(hù)性和移植性。

2.1 施加載荷控穩(wěn)功能

壓力測量箱校準(zhǔn)系統(tǒng)采用羅斯卡公司的石英波登管傳感器作為核心敏感元件，能夠精確測量微小壓力的變化。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)：在加載壓力穩(wěn)定時，傳感器輸出信號經(jīng)常出現(xiàn)微小波動，這種輸出波動特征呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。經(jīng)反復(fù)比較分析得知，其主要原因是壓力傳感器的壓力輸入存在一定的波動，波動源主要是因高精度壓力控制器Ruska 7210內(nèi)部壓力輸出閥門的頻繁切換所致。對Ruska壓力輸出閥門的響應(yīng)特性研究發(fā)現(xiàn)，輸出閥響應(yīng)是在其響應(yīng)的頻率下出現(xiàn)微小波動，進(jìn)而影響到采集結(jié)果的準(zhǔn)確性。

基于此，必須對波動進(jìn)行限幅控制，以保證采集更精確。通過if語句判斷測量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的穩(wěn)定度是否在穩(wěn)定限范圍，如圖4所示。

圖4 控制穩(wěn)定限

2.2 數(shù)據(jù)判穩(wěn)功能

經(jīng)過分析驗(yàn)證，對控制器實(shí)施控穩(wěn)還不足以保證給定壓力值的穩(wěn)定性，與以往自動校準(zhǔn)方法相比，為了獲得有效、穩(wěn)定的測試數(shù)據(jù)，除對傳感器承載載荷進(jìn)行判定外，對傳感器相應(yīng)輸出信號的判讀也非常重要。因此，對該系統(tǒng)擴(kuò)充了延時處理功能。為進(jìn)一步確保測試數(shù)據(jù)可靠，在系統(tǒng)研制過程中，既采用了相應(yīng)的軟件延時技術(shù)，又對數(shù)據(jù)采集器觸發(fā)進(jìn)行硬件設(shè)置，提升穩(wěn)定延時時間，進(jìn)一步提高了信號采樣速度，保證了數(shù)據(jù)判穩(wěn)的可操作性。

2.3 系統(tǒng)通訊采集的指令實(shí)現(xiàn)

使用定義串口句炳hCom，讀入壓力控制器壓力值：

讀入模擬量信號值，壓力測量箱輸出信號從515SCM或2000數(shù)字繁用表讀?。?/p>

在讀取壓力點(diǎn)完畢后，標(biāo)準(zhǔn)器處理下一點(diǎn)壓力控制：

3 測量不確定度分析

本文通過0.0035級氣體活塞壓力計(jì)校準(zhǔn)壓力測量箱自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的具體實(shí)例，對其測量結(jié)果的不確定度進(jìn)行分析與評定，并給出測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度。

3.1 校準(zhǔn)方法

通過直接比較法，參照J(rèn)JG 875-2005《數(shù)字壓力計(jì)》檢定規(guī)程對壓力測量箱自動校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)環(huán)境溫度為（20±1）℃，濕度為46%RH，工作介質(zhì)為高純氮?dú)猓∟2）。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評定

對測壓端口連續(xù)重復(fù)測量10次，得到測量列為20002、20001、20000、20001、20001、20001、20001、20000、20001、20002 kPa。

（2）由系統(tǒng)分辨率引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2（Ps）

設(shè)自動校準(zhǔn)系統(tǒng)示值的最后1位代表的壓力為Pn，基于服從B類均勻分布，則由自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的分辨率所引入的不確定度為

因Pn=0.01 kPa，則u2（Ps）=0.003 kPa。

（3）氣體活塞式壓力計(jì)引入的不確定度u3（Pq）

氣體活塞式壓力計(jì)的測量不確定度為讀數(shù)的0.0035%，服從B類正態(tài)分布，在檢定壓力點(diǎn)350 kPa時，氣體活塞式壓力計(jì)引入的不確定度為

自由度為∞。

（4）高度差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4（Ph）

用壓力測量箱自動校準(zhǔn)系統(tǒng)時，由于氣體活塞式壓力計(jì)活塞工作位置與自動校準(zhǔn)系統(tǒng)受壓面不在同一水平面，使2個參考水平面之間的氣柱形成壓力差

式中：P為氣柱造成的壓力差，Pa；ρ為氣體密度，kg/m3；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2；h 為標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)工作位置與自動校準(zhǔn)系統(tǒng)感壓面位置差，mm。

由于氣體介質(zhì)的密度與壓力成正比，因此，可將氣體介質(zhì)的密度取為最高壓力校準(zhǔn)點(diǎn)時的氣體密度；對由于參考位置高度差引起的壓力差應(yīng)該進(jìn)行修正。實(shí)例中的氣體活塞式壓力計(jì)具有修正氣柱壓力差的功能，該高度差的測量很容易達(dá)到3 mm，因此，可以取h=3 mm。

3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc的評定

壓力測量箱自動校準(zhǔn)系統(tǒng)示值誤差測量的數(shù)學(xué)模型為

獲得靈敏系數(shù)為

根據(jù)不確定度傳播定律，自動校準(zhǔn)系統(tǒng)示值誤差合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

自動校準(zhǔn)系統(tǒng)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量見表1。

表1 自動校準(zhǔn)系統(tǒng)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

氣體活塞式壓力計(jì)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量見表2。

表2 氣體活塞式壓力計(jì)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

綜上所述，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

3.4 擴(kuò)展不確定度的評定

計(jì)算擴(kuò)展不確定度U取包含因子K=2相應(yīng)的置信概率P=95%，則其擴(kuò)展不確定度為

3.5 測量不確定度報(bào)告

0.01級壓力測量箱自動校準(zhǔn)系統(tǒng)測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為

4 總結(jié)

壓力測量裝置自動校準(zhǔn)系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為核心控制單元，利用計(jì)算機(jī)終端通訊技術(shù)，將高精度壓力控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、壓力測量箱有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)壓力的循環(huán)加載、傳感器數(shù)據(jù)采集、靜態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算、誤差分析、自動生成證書文件和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)溯源文檔庫等功能，校準(zhǔn)過程實(shí)現(xiàn)了全自動化。該系統(tǒng)檢定范圍為0～2 MPa，不確定度達(dá)0.01%，能高質(zhì)量地完成校準(zhǔn)工作，為精確測量發(fā)動機(jī)性能參數(shù)提供可靠的技術(shù)保障。同時，該系統(tǒng)具有良好的可拓展性，通過必要的硬件擴(kuò)展和2次開發(fā)，可對壓力測試儀表實(shí)現(xiàn)動態(tài)測試和遠(yuǎn)程控制，拓寬了系統(tǒng)應(yīng)用的延伸性。

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