某固體燃?xì)獍l(fā)生器輸出壓力測(cè)試中傳感器的選擇與安裝

王 琦，吳 昊，吳瑞德，高鳳川

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某固體燃?xì)獍l(fā)生器輸出壓力測(cè)試中傳感器的選擇與安裝

王 琦1，吳 昊1，吳瑞德1，高鳳川2

（1. 陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安，710061；2. 航天科技六院11所，陜西 西安，710065）

為準(zhǔn)確采集某固體燃?xì)獍l(fā)生器工作過程中輸出燃?xì)獾膲毫Α獣r(shí)間數(shù)據(jù)，采用密閉爆發(fā)器的形式進(jìn)行測(cè)試。采用最常用的兩種不同結(jié)構(gòu)形式的傳感器，并對(duì)3種傳感器安裝方法進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明：密閉爆發(fā)器壓力——時(shí)間數(shù)據(jù)采集適宜采用T字型氣體通路的方式安裝傳感器，采用此安裝方式采集到的數(shù)據(jù)線形規(guī)整性較好，可以較好地容納傳感器差異造成的采集誤差，并且采用帶有引壓孔的傳感器可提高測(cè)試穩(wěn)定性。

固體燃?xì)獍l(fā)生器；壓力；測(cè)試；傳感器；密閉爆發(fā)器

固體燃?xì)獍l(fā)生器是一種利用內(nèi)部主裝藥燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)庾龉Φ幕鸸ぱb置[1]。為判斷固體燃?xì)獍l(fā)生器的工作性能，通常測(cè)試其工作過程中的壓力——時(shí)間曲線（——曲線），依靠壓力——時(shí)間曲線判斷其工作是否正常及是否滿足使用指標(biāo)要求[2]。

由于燃?xì)獍l(fā)生器為高壓工作設(shè)備，所以目前主要采用密閉爆發(fā)器的形式采集工作過程中的壓力——時(shí)間曲線[3]。密閉爆發(fā)器的結(jié)構(gòu)形式一般為與實(shí)際使用狀態(tài)相同的結(jié)構(gòu)，本文所述固體燃?xì)獍l(fā)生器既利用與實(shí)際使用結(jié)構(gòu)相同的密閉爆發(fā)器進(jìn)行試驗(yàn)[4]。目前，用于壓力測(cè)試的傳感器類型多樣并且傳感器安裝方式各異，缺少試驗(yàn)依據(jù)以說(shuō)明測(cè)試固體燃?xì)獍l(fā)生器輸出性能宜采用何種方式的傳感器，才能夠更好地表征其工作過程。因此，筆者針對(duì)某固體燃?xì)獍l(fā)生器的壓力測(cè)試開展研究，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)為傳感器選型及安裝方式設(shè)計(jì)提供參考。

1 密閉爆發(fā)器結(jié)構(gòu)

本文所述燃?xì)獍l(fā)生器實(shí)際工作情況為：燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的燃?xì)馔ㄟ^一根主管后經(jīng)三通頭分為兩路，兩路燃?xì)夥謩e經(jīng)過兩根相同支管后進(jìn)入兩個(gè)相同的氣缸，燃?xì)馔苿?dòng)氣缸內(nèi)活塞做功，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于活塞及氣缸試驗(yàn)過程中裝配較繁瑣，且影響因素眾多，所以利用密閉爆發(fā)器模擬實(shí)際工況，以密閉爆發(fā)器內(nèi)采集的——曲線進(jìn)行等效，即可對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器的工作性能進(jìn)行判斷[5]。將圖1所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行密閉爆發(fā)器等效后，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 燃?xì)獍l(fā)生器測(cè)試用密閉爆發(fā)器

圖2中，主管、三通頭、支管與實(shí)際工作情況相同，氣瓶的容積與氣缸內(nèi)最大可達(dá)容積（活塞運(yùn)動(dòng)的最大行程位置的容積）相同，左右兩個(gè)氣瓶的容積相同，在氣瓶的腰部正中位置安裝有壓力傳感器。

2 壓力傳感器的選用與安裝

2.1 測(cè)試條件

固體燃?xì)獍l(fā)生器的輸出性能測(cè)試主要為測(cè)試其產(chǎn)生氣體的壓力值。輸出燃?xì)獾臏囟容^高，且夾雜了大量的炙熱固體粒子。所以傳感器一方面需要承受氣體壓力沖擊，另一方面需要承受固體粒子的沖刷撞擊。發(fā)生器產(chǎn)生的氣體進(jìn)入氣瓶后溫度會(huì)降低，但通常不會(huì)低于300℃，且炙熱固體粒子的溫度不會(huì)低于500℃，對(duì)傳感器而言工作環(huán)境非常惡劣。

2.2 傳感器選擇

常用壓力傳感器目前有應(yīng)變式膜片類型以及帶有引壓孔的應(yīng)變式類型兩種，兩種傳感器原理相同，均為依靠膜片受壓變形產(chǎn)生的不同電信號(hào)表征壓力數(shù)值，區(qū)別為應(yīng)變式膜片類型的膜片直接裸露在外，引壓孔的應(yīng)變式類型的膜片設(shè)置在一個(gè)深孔內(nèi)。這兩種傳感器均具有測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、便于采購(gòu)、造價(jià)低廉等特點(diǎn)，因此在壓力測(cè)試中被廣泛使用。

2.3 傳感器安裝

壓力傳感器與氣瓶的連接方式共采用了3種形式，分別為直接連接形式、Y形連接形式、T形連接形式。其中，直接連接形式為最常用的一種形式，只能安裝1個(gè)傳感器。Y字形與T字形的形式可以同時(shí)安裝兩種傳感器，用于相互對(duì)照，提供測(cè)試準(zhǔn)確性。3種連接形式分別如圖3~5所示。

圖3 壓力傳感器與氣瓶直接連接形式

圖4 “Y形”壓力傳感器安裝形式

圖5 “T形”壓力傳感器安裝形式

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)以某燃?xì)獍l(fā)生器作為研究對(duì)象，該燃?xì)獍l(fā)生器為定型產(chǎn)品，技術(shù)狀態(tài)固定，其質(zhì)量一致性檢驗(yàn)采用圖2所示試驗(yàn)裝置進(jìn)行。圖2中密閉爆發(fā)器內(nèi)部自由容腔為3.3L，每個(gè)氣瓶自由容腔1.25L，管路自由容腔0.4L，燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)部自由容腔0.4L（藥劑未燃燒前）。對(duì)于質(zhì)量一致性檢驗(yàn)采集測(cè)試所得——曲線，將曲線上壓力為4.5MPa對(duì)應(yīng)的時(shí)間記為1，6.7MPa對(duì)應(yīng)的時(shí)間記為2，要求1＜130ms，10ms＜2-1＜40ms，曲線峰值壓力記為P，峰值壓力時(shí)間記為t。試驗(yàn)均在常溫下進(jìn)行。壓力采集頻率2kHz。

為驗(yàn)證傳感器選用與安裝對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，制定試驗(yàn)方案，如表1所示。每種狀態(tài)下試驗(yàn)數(shù)量2發(fā)，將2發(fā)試驗(yàn)結(jié)果取算數(shù)平均值列入表1。

表1 試驗(yàn)安排及結(jié)果

Tab.1 Schedule of experiments and results

4 結(jié)果分析

4.1 傳感器安裝形式對(duì)測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性的影響分析

測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性指針對(duì)相同數(shù)據(jù)的多次測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定程度，穩(wěn)定性的高低直接決定了數(shù)據(jù)讀取及結(jié)果分析與真實(shí)結(jié)果的符合程度。因各測(cè)試結(jié)果為相互獨(dú)立的測(cè)試數(shù)據(jù)，無(wú)相互影響，所以利用方差分析。應(yīng)變式膜片類型的傳感器測(cè)試結(jié)果如圖6所示。引壓孔應(yīng)變式類型測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7所示。

由圖6~7可知，采用應(yīng)變式膜片類型及引壓孔應(yīng)變式類型的傳感器時(shí)，“Y形”及“T形”傳感器結(jié)構(gòu)均能提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，“T形”優(yōu)于“Y形”，且兩者均優(yōu)于直接式。采用應(yīng)變式膜片類型傳感器時(shí)，通過變換傳感器的安裝形式其數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性可以提高6~30倍；采用引壓孔應(yīng)變式類型的傳感器時(shí)通過變化傳感器的安裝形式其數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性可以提高3~9.6倍。

圖6 不同安裝形式的應(yīng)變式膜片類型測(cè)試數(shù)據(jù)比較

圖7 不同安裝形式的引壓孔應(yīng)變式類型測(cè)試數(shù)據(jù)比較。

4.2 傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性的影響分析

將應(yīng)變式膜片類型及引壓孔應(yīng)變式類型的傳感器進(jìn)行對(duì)比，其均方差對(duì)比如圖8所示。

圖8 傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響

由圖8可知，采用引壓孔應(yīng)變式類型傳感器比應(yīng)變式膜片類型傳感器具有更好的采集穩(wěn)定性。穩(wěn)定性能夠提高3.5~10.5倍。

4.3 可操作性分析比較

兩種傳感器的使用方法基本相同，都是通過螺紋連接的方式擰緊使用，并使用密封墊圈輔助密封。區(qū)別為引壓孔式傳感器需要在孔內(nèi)灌注流態(tài)礦物油脂或炮油。所以，兩種結(jié)構(gòu)形式的傳感器在使用可操作性方面并無(wú)不同。但是，在類似燃?xì)獍l(fā)生器的壓力測(cè)試過程中，測(cè)試的氣體溫度大于300℃，并夾雜了大量炙熱的固體粒子，該溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳感器的可承受溫度，會(huì)對(duì)傳感器的測(cè)試穩(wěn)定性造成影響。由于引壓孔形式傳感器內(nèi)灌注的油脂可以隔絕高溫氣體及固體粒子，同時(shí)可以氣化吸熱，降低傳感器的溫度上升梯度，從而可對(duì)傳感器進(jìn)行保護(hù)，提高其測(cè)試精度。

5 結(jié)論

通過對(duì)某固體燃?xì)獍l(fā)生器的輸出性能進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

（1）帶有引壓孔的傳感器比不帶引壓孔的傳感器更適合于測(cè)試類似于固體燃?xì)獍l(fā)生器的高溫氣體壓力。此外在引壓孔內(nèi)灌注礦物油脂及防燒油可以對(duì)傳感器起到保護(hù)作用，延長(zhǎng)傳感器使用壽命。

（2）相同的傳感器通過其連接方式的改變可以提高測(cè)試穩(wěn)定性，以提高對(duì)真實(shí)情況的反映。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知避免氣流直接沖刷傳感器的連接方式可以提高測(cè)試穩(wěn)定性。建議設(shè)計(jì)一個(gè)直角彎，使得被測(cè)氣體通過該直角彎后到達(dá)傳感器。

（3）從實(shí)用性角度而言，“Y形”及“T形”由于具有更多的接口，可以考慮同時(shí)安裝兩種不同工作原理的傳感器用于對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

[1] 烏秀春,王紅,王若愚.安全氣囊氣體發(fā)生器的壓力容器試驗(yàn)研究[J]. 液壓與氣動(dòng),2006(08):49-50.

[2] 毛成立,李葆萱,等.燃?xì)獍l(fā)生器流量調(diào)節(jié)方案的比較[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2000, 23 (4):16-18.

[3] 王伯羲,馮增國(guó),楊榮杰.火藥燃燒理論[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1997.

[4] 關(guān)英姿.火箭發(fā)動(dòng)機(jī)教程[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[5] 何鋒彥,楊正才,等.一種新型煙火式氣體發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].火工品,2014(1):1-4.

Study on the Selection and Installation of Sensors in Pressure Measure of Some Solid Gas Generator

WANG Qi1，WU Hao1，WU Rui-de1，GAO Feng-chuan2

(1.Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Insititute, Xi’an, 710061；2.The 11st Institute of CASC, Xi’an, 710065 )

In order to obtain accurate pressuretime data of some solid gas generator output, the closed bomb test method was adopted, two common sensors with different structure was selected, and three installation ways of sensors were studied. The comparison study show that T-type installation method is the most adaptive method, from which can get better quality pressuretime curve, and the errors from different sensors would be eliminated. Meanwhile, using the pressure sensor with a hole can also improve the stability of measurement.

Solid Gas-generator；Pressure；Measurement；Sensor；Closed bomb

1003-1480（2017）05-0046-04

TJ450.6

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.05.012

2017-08-14

王琦（1982 -），女，工程師，主要從事型號(hào)火工品測(cè)試與研究工作。