高壓氣瓶非接觸壓力測量系統(tǒng)設計

任仲強，張茂森，馬兵兵，張文電

(北京航天動力研究所，北京 100076)

0 引言

在航空航天、船舶、化工以及其他高壓測量監(jiān)測等高風險領域，對壓力測量系統(tǒng)都提出了小型化、微型化的需求[1]。隨著航天產品高度集成化和小型化程度的不斷提升，對傳感器的安裝空間及傳感器自身的重量都提出了較為苛刻的要求。隨著精密加工和高精度測量技術的迅速發(fā)展，在科研生產中對氣瓶壓力測量的要求也越來越高[2]，尤其在高壓氣瓶長期貯存的壓力測量領域，整個壓力貯存系統(tǒng)中，每增加一個接觸式壓力測量點，就會給整個高壓氣瓶貯存環(huán)境引入一個泄漏風險點。所以為了減少氣瓶壓力泄漏風險點，壓力測量系統(tǒng)中非接觸壓力測量就成為解決這一問題的一個重要設計思路。

1 系統(tǒng)結構及原理

高壓氣瓶非接觸壓力測量系統(tǒng)由傳感器、便攜式測試儀和上位機構成。數(shù)據(jù)經(jīng)便攜式測試儀采集后通過RS485通訊方式上傳到上位機進行數(shù)據(jù)分析，其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。便攜式測試儀采集非接觸壓力應變傳感器和溫度傳感器的數(shù)據(jù)[3]，將其轉化為數(shù)字信號，在便攜式測試儀上顯示、存儲或遠距離實時傳輸至上位機進行數(shù)據(jù)分析和處理。

圖1 高壓氣瓶非接觸壓力測量系統(tǒng)組成原理框圖

傳感器系統(tǒng)包括兩個應變傳感器、兩個溫度傳感器及連接附件等，應變傳感器用于感知氣瓶壓力變化引起的氣瓶外壁應變變化，溫度傳感器用于測量氣瓶外壁的溫度值，用于修正應變傳感器受溫度影響引入的偏移量[4]?？紤]到氣瓶的安裝和使用過程中的影響，將應變傳感器布局在氣瓶中部，且沿氣瓶周向進行裝配，以獲取更大的應變值，便于后期電路分析處理。溫度傳感器裝配于應變傳感器附近，沿氣瓶的軸向相對裝配，用于感知氣瓶外壁溫度，通過便攜式測試儀內算法公式實時對溫度變化引起的應變變化進行修正。以達到溫度對于壓力測量的實時補償。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 應變片設計

對用于長期監(jiān)測高壓氣瓶壓力的應變傳感器的設計，穩(wěn)定性與精度是重要參考指標。應變測量方法有半導體應變測量法和金屬電阻應變測量法兩種[5]。根據(jù)測量參數(shù)的需求，選擇適合高壓氣瓶的測量敏感元器件，實現(xiàn)非接觸式壓力測量方法。

若測量采用半導體應變傳感器，其測量靈敏度較高，但半導體應變傳感器應變極限較小，用于測量時需要提供平面以供粘貼，無法在曲率較大的管路上徑向裝配，高壓氣瓶本身為弧形曲面，該測量硬件在安裝方式上無法滿足弧面要求，被測面須具備幾個平面用于測量，因此該方法不能完全滿足氣瓶高壓弧面測量任務的要求。

故采用應變片作為壓力敏感器件進行氣瓶壓力測量，應變傳感器為單軸水平方向結構形式[6]，可測量拉力引起的應變、壓力下的應變、彎曲引起的應變以及位移應變等，由聚酰亞胺基底，康銅或卡瑪箔制成，全密封結構，延伸率高，耐濕熱性好，電絕緣性能好，使用溫度范圍寬，可用于-80～150 ℃以內的精密應變感應。應變傳感器同時具有應變極限較大，可用于各種類型曲面裝配的特點，具有良好的電阻溫度系數(shù)和應變溫度系數(shù)、性能穩(wěn)定可靠、測量精度較高、成本低等特點。由于高壓氣瓶壓力測量本身對于測量精度的要求不是很高，且金屬應變技術相對成熟，該方法完全滿足監(jiān)測要求，故采用金屬應變片用于測量高壓氣瓶壓力變化引起的表面張力的應變變化[7]，最終通過建立數(shù)學模型，實現(xiàn)氣瓶表面張力應變與氣瓶內壓力之間的數(shù)學邏輯模型，從而起到對高壓氣瓶壓力監(jiān)測的目的。

金屬應變傳感器是利用電阻的應變效應進行工作[8]，即通過應變傳感器中金屬薄片電阻值的改變量來測量所加外力或由外力所引起的微小形變，具有良好的電阻溫度系數(shù)和應變溫度系數(shù)、性能穩(wěn)定可靠、測量精度高、成本低等特點。常見的金屬應變傳感器按阻值大小分為60、100、120、350、650、1 000 Ω等，敏感柵長度在0.2～30 mm范圍不等，應變傳感器的大小與阻值的大小和柵長有關，柵長越大其阻值越大[9]。應變的阻值越大對測量電路的要求越低。

根據(jù)高壓氣瓶壓力測量條件，擬通過在氣瓶外壁裝配金屬應變傳感器的方式，測量氣瓶周向的應變變化量。綜合對比其重量、電信號處理復雜以及傳感器的通用性等因素，選擇120 Ω的應變傳感器，其基底尺寸分別為長4.3 mm、寬3.5 mm，敏感柵尺寸分別為長1.0 mm、寬1.9 mm。

壓力檢測需滿足0～24 MPa測試范圍，采用120 Ω阻值的應變壓力傳感器進行采集，電阻變化僅有0～0.24 Ω的動態(tài)范圍，其測試精度要求優(yōu)于3%FS，則需要便攜式測試儀對應變壓力傳感器的電阻檢測精度高于0.007 2 Ω。

2.2 溫度傳感器設計

高壓氣瓶在充放氣的過程中，氣瓶的溫度會隨著充放氣的速度而變化，通過裝配于應變傳感器附近的溫度傳感器，實時感知氣瓶外壁溫度的變化，并對溫度變化引起的壓力變化進行修正[10]。溫度傳感器選用溫度測量范圍為-50～260 ℃的Pt100溫度傳感器，導線具有屏蔽層，最外層為聚四氟乙烯纏繞。

2.3 傳感器裝配設計

壓力應變傳感器和溫度傳感器采用膠粘劑固定，膠粘劑選用H-600型號，該膠粘劑具有蠕變小、滯后低、工作溫度范圍寬(-269～+210 ℃)、粘度低、流動性好、重復性好等特點，貼片固化周期短，使用方便，適合用于高精度傳感器。此類型的膠在行業(yè)內具有常溫貯存10年左右的應用案例。

2.4 便攜式測試儀設計

2.4.1 便攜式測試儀原理設計

便攜式測試儀用來實時采集壓力應變信號和溫度信號，對氣瓶因壓力引起的應變信號通過溫度補償[11]，轉換成壓力測量值，顯示在屏幕上。并能存儲采集的數(shù)據(jù)，通過RS485通信方式傳輸?shù)缴衔粰C進行數(shù)據(jù)分析。

便攜式測試儀主要由電源轉換單元、系統(tǒng)控制單元、信號采集單元、串口通信單元、顯示單元和電池系統(tǒng)組成。

便攜式測試儀工作原理如圖2所示。

圖2 便攜式測試儀工作原理圖

便攜式測試儀工作時，由電池系統(tǒng)(U5)提供工作電源，經(jīng)過電源轉換單元(U2)轉換輸出+5 V、+3.3 V和-5 V，為設備中的其他單元提供工作電壓。

電源轉換單元主要由2個電源穩(wěn)壓器和1個反向電源轉換器組成。電池系統(tǒng)經(jīng)過5 V電源穩(wěn)壓器轉換后輸出+5 V電壓，+5 V電壓通過3.3 V電源穩(wěn)壓器和反向電壓轉換器分別轉換輸出+3.3 V和-5 V，其中，+3.3 V主要用于ARM處理器及其配置電路中，-5 V用于運算放大電路，+5 V則主要用于AD采集電路[12]、運算放大電路、顯示系統(tǒng)等。電源轉換系統(tǒng)的原理如圖3所示。

圖3 電源轉換單元原理圖

2.4.2 便攜式測試儀電路設計

由于非接觸壓力傳感器測試的指標精度要求較高，對電源干擾比較敏感[13]，因此，在各級DC電源轉換輸出均設置了π型濾波電路。如圖3所示。

2路壓力傳感器和1路溫度傳感器經(jīng)傳感器接口(J1)接入，通過信號采集單元(U3)轉換為電壓信號并進行AD采集后，將數(shù)據(jù)送入系統(tǒng)控制單元(U1)。

系統(tǒng)控制單元(U1)主要負責信號采集控制、對信號數(shù)據(jù)處理、存儲控制和通信控制。系統(tǒng)控制單元(U1)與顯示系統(tǒng)(U6)通過通訊方式，實現(xiàn)測試結果的直接顯示，同時通過串口通信單元(U4)實現(xiàn)系統(tǒng)測試接口的外部通信。

非接觸壓力測量系統(tǒng)有較高的檢測精度要求，因此振動環(huán)境、溫度變化、元器件穩(wěn)定性和電壓采集精度等對便攜式壓力測試儀的檢測精度都有較大影響，故在硬件電路上對信號采集鏈路的前級、放大級、后級采取相應控制措施。

前級采用1/4橋檢測電路設計[14]，為了消除導線誤差影響，傳感器采用3線制接線方式，PCB中傳感器連接線盡量短且等長，橋臂電阻采用高精密電阻進行設計。采集電路中采用穩(wěn)定的電壓基準源，為了減少電路中電阻和印制線自身的導熱影響，橋臂采集電流不宜過高。

放大級采用兩級運算放大器進行信號放大，且運算放大器選用較低輸入失調電壓、低噪聲、高精度的元器件，保證信號放大的穩(wěn)定性。后級采用高精度AD轉換器[15]，保證電壓采集精度；1/4橋電路如圖4所示，該電路中，Vref為電壓基準源，取為2.5 V，RT為應變傳感器，其基本阻值R0為120 Ω，R1、R2和R4均為橋臂電阻。

圖4 四分之一橋電路圖

外部傳感器采用3線制接入，與精密電阻R1、R2、R4構成1/4橋式電路，Vref為1/4橋電路的電壓基準源。由兩級運算放大器構成放大電路，兩個橋臂電壓分別接入一二級運算放大器，一級運算放大器與精密電阻R3組成第一級放大電路，實現(xiàn)微小信號的差分采集和第一級放大[16]。由二級運算放大器和電阻R2、R3構成第二級放大電路，實現(xiàn)對有效采集信號的放大。

當壓力傳感器變化量為ΔR時，采集經(jīng)過G倍放大后，采集電壓Vout計算公式如下：

(1)

當R1、R2和R4均取為R0相同阻值時，等式可簡化變換為：

(2)

其中：k為應變系數(shù)，ε為應變量。

由式(2)可知，采用與應變壓力傳感器相同電阻的等橋臂電阻時[17]，可通過采集輸出電壓值直接轉化為應變值，從而實現(xiàn)對高壓氣瓶壁應變量的測試。

通過式(1)和(2)的變換，放大倍數(shù)的計算公式為：

(3)

根據(jù)式(3)選用AD芯片的電壓檢測范圍為-5～5 V，取壓力傳感器為最大變化量，即ΔR=0.24 Ω時，同時取采集電壓輸出為最大值，即5 V時，由式(3)計算得出最大放大倍數(shù)Gmax為4 000。

放大電路采用運算放大器實現(xiàn)，為了保證運算放大器工作于有效線性區(qū)，取滿量程輸出電壓的50%，則可確定本方案的放大倍數(shù)約為2 000倍，通過兩級放大實現(xiàn)，放大倍數(shù)分別為20倍和100倍。

當G=2 000，取壓力傳感器為最小變化量，即ΔR=0.007 2 Ω時，代入式(1)可計算得出最小輸出電壓Vout為75 mV。AD采集的最大電壓檢測設置為5 V時，AD最小采集倍數(shù)B=5 V/0.075=67，因此，要求AD芯片采集精度最少為7位，考慮失調電壓、溫漂的影響及AD采樣精度等，選用AD芯片采集精度不低于10位。

便攜式測試儀系統(tǒng)控制單元主要由ARM處理器、晶振、RS485電路等組成，其原理如圖5所示。ARM處理器采用國產的CS32F103CB芯片實現(xiàn)，該芯片基于32位的ARM3內核，主要提供設備所需的UART、SPI、SWIO接口和GPIO。其中，SPI1用于與存儲器進行通信，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的存儲與導出；SPI2用于AD采集單元，實現(xiàn)3路采集通道的采集控制；I2C接口用于與顯示系統(tǒng)進行通信；UART2通過RS485電路，用于與外部測試系統(tǒng)進行RS485通信；SWD用于處理器的軟件調試和固化接口；GPIO則用于狀態(tài)指示、預留IO接口等。

圖5 便攜式測試儀系統(tǒng)控制單元原理圖

3 系統(tǒng)軟件設計

信號采集單元主要由1/4橋電路、放大電路、跟隨電路、AD轉換組成。本設備共有3個采集通道，分別為2路壓力傳感器和1路溫度傳感器，單通道的原理如圖6所示。

圖6 單通道信號采集原理框圖

在軟件中，對溫度或壓力采集進行異常采集通道識別，對每個通道的采集數(shù)據(jù)進行多點平均處理，以提高電壓采集的穩(wěn)定性。

傳感器模擬信號分別經(jīng)過1/4橋電路、放大電路、AD轉換器，最終將采集轉換后的電壓數(shù)字量輸出到便攜式測試儀系統(tǒng)控制單元進行處理。同時，為了保證采樣數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性[18]，AD轉換器輸出的2.5 V參考電壓經(jīng)過跟隨電路，有效隔離和降低前端噪聲，作為1/4橋電路的電壓基準源。

根據(jù)數(shù)據(jù)處理的原理，便攜式測試儀系統(tǒng)控制軟件主要包括信號采集、數(shù)據(jù)轉換處理、數(shù)據(jù)傳輸3部分內容。其中，信號采集實現(xiàn)2個壓力通道和1個溫度通道的AD采集控制，3個通道采用一個共用SPI接口，由芯片使能信號進行切換，可實現(xiàn)6個通道的分時采集。數(shù)據(jù)轉換處理則實現(xiàn)對各個通道的采集數(shù)據(jù)轉換，包括對連續(xù)5個數(shù)據(jù)進行求平均計算、采集參數(shù)修正、AD電壓數(shù)據(jù)轉換為壓力或溫度的計算等。數(shù)據(jù)傳輸則實現(xiàn)將采集處理結果傳輸?shù)斤@示系統(tǒng)或者外部測試設備進行顯示，以及接收顯示系統(tǒng)或者外部測試設備的控制指令[19]。系統(tǒng)控制軟件的設計流程如圖7所示。設備開始工作后，對設備通道號和循環(huán)次數(shù)進行初始化，然后分時對6個通道進行信號采集和33 ms延時，當進行5次循環(huán)后，約耗時T=33 ms×6×5=0.99 s，然后對采集結果進行5個采集點的平均計算，再依次進行參數(shù)修正和電壓數(shù)據(jù)轉換，最終將轉換結果通過通訊發(fā)送到顯示屏或外部設備進行顯示，從而實現(xiàn)約1次/s的更新速率。

圖7 軟件編程邏輯圖

4 實驗結果與分析

4.1 實驗步驟和方法

試驗步驟1：常溫常壓下，驗證應變隨壓力變化規(guī)律，采用固定溫度為20 ℃，從0 MPa開始，每隔1 MPa記錄一組試驗數(shù)據(jù)，做一個循環(huán)。即將試驗箱設定為20 ℃，以0.5 MPa/min的充放氣速率給氣瓶充放氣，充放氣的過程壓力安裝如下順序：0→1→2→3→4→5→6→7→8→9→10→11→12→11→10→9→8→7→6→5→4→3→2→1→0 MPa。

試驗步驟2：固定壓力0 MPa，應變隨溫度的變化規(guī)律，氣瓶空載，以1 ℃/min的升降溫速率，在-30～65 ℃區(qū)間內，每隔10 ℃記錄一次試驗數(shù)據(jù)，試驗過程如下：20→30→40→50→65→50→40→30→20→10→0→-10→-20→-30→-20→-10→0→10→20 ℃。

4.2 實驗數(shù)據(jù)

根據(jù)設計方案，搭建試驗平臺。將裝配傳感器的氣瓶放入恒溫恒濕環(huán)境試驗箱內，環(huán)境試驗箱用于模擬實際工況下的溫濕度環(huán)境。氣瓶放氣口用堵頭封住，充氣口與壓力控制系統(tǒng)相連接，壓力控制系統(tǒng)控制氣瓶的充、放氣過程，并使其穩(wěn)定在預期的壓力值。用測試線纜從接線端子處將應變傳感器、溫度傳感器連接至便攜式測試儀，以監(jiān)測和記錄氣瓶外壁的應變變化情況和溫度變化情況，最終實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的獲取。20 ℃下氣瓶內部壓力與外壁周向應變的關系試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 20 ℃下內部壓力與外壁周向應變的關系試驗數(shù)據(jù)

空載狀態(tài)下，氣瓶外壁周向應變隨環(huán)境溫度的變化數(shù)據(jù)詳情如表2所示。

表2 空載狀態(tài)下溫度與外壁周向應變的關系試驗數(shù)據(jù)

4.3 非接觸壓力測量理論分析

高壓氣瓶壁為圓筒狀壓力容器，氣瓶壁在內壓作用下應力分布如圖8所示。

圖8 高壓氣瓶應力分布示意圖

由彈性力學基本理論可知，氣瓶的圓筒壁在受到內部壓力作用時，其外壁某處的軸向應變σx和σy周向應變如式(4)、式(5)所示：

(4)

(5)

式中，σx為軸向應力(MPa)；σy為周向(環(huán)向)應力(MPa)；P為內部壓力(MPa)；D為壓力容器內、外徑的平均值(mm)；t為壓力容器壁厚(mm)。在內部壓力作用時，壓力容器外壁產生了軸向主應力和周向主應力，在這兩個主應力的作用下進而產生了相對應的軸向主應變和周向主應變，如圖9所示。

圖9 主應力產生的主應變示意圖

氣瓶為金屬材質，由此材料處在雙向應力狀態(tài)下的胡克定律可知，在軸向主應力和周向主應力作用下所產生的軸向應變和周向應變如式(6)、式(7)所示：

(6)

(7)

式中，εx為軸向應變(με)；εy為周向應變(με)；E為彈性模(MPa)；μ為泊松比。將式(4)、式(5)代入式(6)、式(7)得：

(8)

(9)

由式(8)、式(9)可知：軸向主應力和周向主應力作用下所產生的軸向應變和周向應變均與內部壓力成正比例關系，且周向應變?yōu)檩S向應變的2倍。

對式(9)行變換得式(10)：

(10)

由式(10)可知：在彈性模量、泊松比、壓力容器內外徑和壓力容器壁厚確定的情況下，壓力容器內部壓力與軸向應變和周向應變均呈良好的線性關系。因此，在實際工程應用中只要能夠準確地測量出軸向應變或周向應變，即可計算出壓力容器內部的壓力值。

4.4 實驗結果分析

由表1的數(shù)據(jù)可知，氣瓶內部壓力每變化1 MPa，氣瓶外壁的周向應變約變化210 με，與理論值222.59 με較為接近，證明應變傳感器所測應變值與理論預期一致。同時氣瓶在充氣和放氣狀態(tài)下，當內部壓力一致時，其外壁應變也較為接近，反行程放氣至傳感器和氣瓶在室溫環(huán)境條件下具有較小的遲滯。

從表2可知各通道在正溫階段，隨著溫度的逐步升高，溫度對應變增量的影響不斷減小。但在負溫階段隨著溫度的降低，溫度對應變增量的影響不斷增大。這預示著氣瓶及其傳感器在負溫下的測試效果不及正向下的測試效果，要想在整個溫度范圍內保持同樣的測量準確度就必須對負溫下的溫度-應變關系做進一步研究。

通過便攜式測試儀進行溫度壓力補償后，對高壓氣瓶進行充氣試驗，試驗壓力為10.5 MPa，并進行快速充氣和快速放氣，驗證非接觸壓力測量系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)分析得到的結果如圖10所示。

圖10 高壓氣瓶充氣試驗測量數(shù)據(jù)

圖10中虛線表示非接觸壓力測量單元的測量值Pavg，實線表示試驗臺上的充氣壓力傳感器的測量值Pq。通過圖形分析，在充放氣的過程中，兩個不同的傳感器示數(shù)最大差值為0.05 MPa，相對滿量程10.5 MPa，測量精度達到0.47%FS。實際使用過程中非接觸壓力傳感器的精度要求為3%FS，經(jīng)過實驗驗證，非接觸壓力傳感器的測量精度遠遠大于實際需求值。

5 結束語

非接觸壓力傳感器通過感知氣瓶外壁的周向應變與氣瓶外壁溫度，再配套便攜式壓力測試儀將非接觸壓力傳感器感知到的應變與溫度解析成氣瓶內部壓力，并在壓力測試儀上予以顯示、保存以及遠程數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)氣瓶壓力的非接觸實時監(jiān)測功能[20]。經(jīng)過試驗驗證，在溫度為-30～65 ℃、壓力為0～12 MPa條件下，能夠對高壓氣瓶進行非接觸壓力檢測。非接觸壓力傳感器及測試設備重量輕、體積小、測量便捷快速、使用方便，完全滿足設計要求，為后續(xù)航空航天高度集成化要求提供一種可行性方案。