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石英真空计在风洞中的应用

源于:万博manbetx平台(www.cera-elec.com)华航天空气动力技术研究院 笔者:刘吴月

  压力测量技术是考试空气动力学的同等件重点研究课题。鉴于压力传感器技术之范围,于风洞试验中难以准确测量微小压力值。本文基于石英真空计自主研发了一样套小压测量系统,连研究了细长管路对测压系统之熏陶。该网能够测量0.2k Pa2k Pa压强,可是同步完成32路压力测量。风洞测压试验结果表明,略压测量系统可以有效应用于高超声速微小压力测量试验,都测量精度优于15%测量值。

  风洞模型测压试验是收获飞行器气动载荷分布和气动特性的根本措施有。正常高超声速风洞中测压孔处之压力通常由测压导管经模型支杆同支架连接到风洞外的电子压力扫描阀模块上进展测量。电子压力扫描阀使用高精度硅压阻传感器,于较高压强下,会得到较好的测量精度,而是对1k Pa以下压强,小无法获得精确的测量结果。模型背风区压力测量、测量力试验底部压力测量、没有密度风洞测压试验等都有大量小压测量任务。之所以,开拓进取同种高精度微压测量技术成为了现阶段风洞测压试验的急功近利要求。本文在风洞中试用石英真空计来测量0.2k Pa-2k Pa中的压强。风洞中测量压强与一般真空技术之压强测量的出入是: (1) 规管要通过一条细长管道通到为测量压强处。本文试验用管道长为1.3m,内径为0.9mm。正常测量真空规管管道是少而稍,细细管道会带一些问题。 (2) 风洞测量压强是如测量压强的布,就是来多触压强要测量,本文设计的测量点也32只点。本文就是研究细长管道和多触测试的方式。

1、真空计的挑选

  于本文所述测量范围供风洞测量的真空计有薄膜真空计、压阻计和石英真空计可选择。薄膜计的精度高,可探头体积大,不同厂家生产的探头的直径不同,盖有60mm。假如以32只探头装在一块,所占空间太大,紧。压阻计是以绝压传感器的真空计,可测量0.1k Pa-100k Pa的压强。于测量下限附近应该调节零点因减少测量误差。可风洞测量中难以调节零点。石英真空计的特征是传感器体积小,测量精度比大。正如起,石英真空计还是合适的挑选。本文所动的真空计就是石英真空计。石英真空计在测量大于100Pa的压强,好免加以零点调节,误差仍仅次于10%。

2、石英真空计及32通道真空计设计方案

  上世纪50年代,D.J.Pacey研讨用石英晶振测量气体压强[1],该仪器可测10Pa至133Pa的压强。80年代M.Ono相当人口设计了测量范围从13.3Pa至10Pa的石英真空计[2]。境内在90年代也有人研制了石英真空计[3],测量范围为0.1Pa—2×10Pa。现阶段已有石英真空计产品。如:CC-10真空计[4],DL-10A项目石英真空计[5]。本文所用真空计为DL-10A项目石英真空计。测量范围为0.5Pa-10Pa,石英晶振尺寸为3.2mm×1.5mm×0.8mm。晶体振标称频率是32.768k Hz,于小于8k Pa校准结果如下表1所示。

表明1 石英真空计标定结果

石英真空计在风洞中的应用

  石英真空计的劳作原理是石英晶振在谐振时电学阻抗与周围气体压强有关。DL-10A项目真空计压强与敌的涉及而图1所示:

石英真空计在风洞中的应用

希冀1 DL-10A晶体振阻抗与压强的涉及

  希冀1遇坐标ΔZ凡谐振阻抗Z同旧阻抗Z0的差。原本阻抗是压强远低于下限即小于10Pa的抗。拒由晶振两端的电压及流过晶振的电流计算得出。拒由单片机换算成压强输出。风洞测量压强是测32只岗位的压强值,发32只晶振,安装在一个集成机箱中,展现图2。各级路含一个晶振,一起32路,由此32只气路接头,32根本细长管道通向32处于为测量压强的职务。晶体振测量电路将各个路的电压及电流送至统一的主控板,该主控板存有32只不同位置的压强值。于风洞测量中,鉴于最低测量压强为100Pa,故此不用零点调节。

石英真空计在风洞中的应用

希冀2 安装晶振的并机箱

石英真空计在风洞中的应用

希冀3 采编电路原理图

  略压测量系统数据采编电路的重点作用为:也传感器提供12V、5V准确电源;联机与32路传感器进行SPI报道,募集传感器数据;以传感器数据打包编帧后经过422总线发送至上位机。采编电路需要以与32路传感器进行SPI报道,任务十分重,正常MCU无法满足上述要求,用选择FPGA开展实现。FPGA管脚多,善实现大规模系统,都各引脚不同逻辑可以相互执行,可是以处理不同任务。RS422报道采用MAXIM合作社的MAX490当协议转换芯片。电路设计过程中考虑到风洞实验段等低气压环境下,尽量避免用电解电容等包含封装气体的电子元器件。

3、细细管道对石英真空计读数的熏陶

  细细管道应用于石英真空计的测量存在时间常数增大和精度下降的题材。下分别进行座谈。

  3.1、细细管道使时间常数增大

  根据风洞实验测压过程,针对细长管路建立细长管路抽气模型如图4所示。细细管路对气体的流动具有一定的遏止作用。恰恰相反它们对气体的流动都发生得的通导力,这种能力称之为流导。流导之尺寸说明在管路元件两端的压强差得的极下流经管路元件的气流量的小。气在管道中的流动状态不同,管道的流导吧无同等,也就是说,管道对气体的流导非但在于于管道的多形状和尺寸,尚同管道中流动的气体种类和温度、管道中气体的平均压力有关系。从而在计算管道对气体的流导常常,率先要认清管道中的气流是啊一种流动状态。详细估算方法要表2所示。根据上述判断标准,按部就班课题所研究微压测量均为粘性流范畴。

石英真空计在风洞中的应用

希冀4 细细管路抽气模型

表明2 真空系统之流体流动状态

石英真空计在风洞中的应用

  粘性流,周管时,发流动导

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  典礼中:S———流导,m/s;

  ———管内平均压力,Pa;

  R———通用气体常数R=8.31KJ/ (kmol·K);

  T———绝对温度,K;

  M———气分子量,kg/kmol;

  L———管长同管件的当量长度之和,m;

  D———管内长直径,m;

  μ———黏度,Pa·s。

  看得出流导同管路直径D四次方成正比,同长度成反比,同平均压力成正比。之所以,风洞测压实验中管径过细,管路过长,于测压力较低,全会造成管路流导增加,管路抽速降低,据此影响测压系统之响应时间及测量精度。

  也研究细长管道影响,搭建测试装置如图5所示:

石英真空计在风洞中的应用

希冀5 带细长管道的DL-10A性能测试装置

  DL-10A的指令压强为P0,管道口之压强为P1,出于薄膜真空计测量,微调阀门可以调节P1的压强值,系统由机械泵推。试验用管道长1.5m,管内直径0.9mm的管道。鉴于细长管道的在导致规管处的压强跟踪管口压强的进度变慢。当P1多低于P0常常,P0好认为是机械泵通过管道对规管的抽气结果。P0天天间t的变动而表示为:P0=P.exp (-t/t0)

  典礼中P凡t=0常常的压强值,t0=V/C可是谓时间常数,其是压强降为原值的1/e所需的时刻,所以她可是估计规管处压强随时间变化的进度。典礼中V也规管的体积,C也经管道后对规管的得力抽速。

  风洞工作时,试段首先由引射器抽吸至3000Pa,此刻模型测压点压力也试验段压力。欲流场建立后,上角机构将模型投放,此刻压力也让测压力。也模拟工作状态,本文首先以图5所示真空腔压力调整也3000Pa,下一场快速开启真空泵将真空腔抽吸至250Pa,据此获得接入细长管路的有些压系统响应特性 (展现图6) 。试验测得管道直径0.9mm,长为1.5m常常的t0价值为40秒。假如管道长度减小到15cm,直径仍为0.9mm,测得250Pa压强时的t0价值为15秒。

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希冀6 接细长管道的有些压测量系统响应曲线

  3.2、接细长管道的体系测量精度标定

  调整图5所示测试系统真空腔压力至表3所示各标准值,由此长时间稳定后,读取微压测量系统结果,据此检测微压测量系统压力测量误差。试时发现,当以真空计出厂原始参数时,接细长管道后于低于300Pa测量时会见惹较大误差,而是未采取细长管道时误差均以批准范围内。透过分析,石英真空计是应用晶体在介质环境下振荡的特色工作,介质成分的转移会出较大误差。鉴于真空腔经由细长管道后,抽吸效果变弱,传感器腔体释放的气体占较好,转移了介质环境。用,咱当细长管道条件下对各个传感器原始参数进行了更测取,连载入微压测量系统。运用新的原始参数的有些压测量系统标定结果使表3所示,误差均以测量值的15%中。

表明3 略压测量系统标定结果 (误差均为相对于测量值的比重)

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4、风洞试验和考试结果

  4.1、试设备

  试研究工作在华航天空气动力技术研究院的FD-07正常高超声速风洞中形成的,该风洞是小冲、吹引、随便射流式高超声速风洞,因空气为工作介质,现阶段运行的Ma几度克也4~10,使更换喷管的方式改变Ma几度。

  4.2、试模型

  风洞测压系统要图7所示。试使用特别钝头体模型,于模型左右水平母线上分别布有五只测压点 (半条母线分别用φ=90°同φ=270°代表) 。不锈钢测压管通过镶块及模型表面测压孔连,过了支杆内腔引出。为尽量多测压管路外径,调减系统延迟,于满足管路耐受温度边界的极下,尽量减少了不锈钢管路长度,运用聚拢四氟乙烯管路进行转接。聚拢四氟乙烯转接也以增加测压管路的韧劲度,便利攻角机构动作。不锈钢管路内径0.9mm,他径1.2mm;聚拢四氟乙烯管路内径1.2mm,他径1.6mm,管路转接处连了快干胶水进行密封。

石英真空计在风洞中的应用

希冀7 风洞测压试验示意图

表明4 试状态和流动场参数

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  风洞测压试验结果使图8、表明4、表明5所示。希冀8也序29通道实测数据,于风洞运行时长只是接受范围内,由此细长管道的压力得以上接近平衡状态。表明4、表明5也不同马赫数条件下,φ=90°母线和φ=270°母线上的测量压结果。鉴于模型为轴对称外形,虽然φ=90°同φ=270°辩论压强应该保持同。好视,测得压强介于300Pa同800Pa中,半条母线上测点压强对称性较好,都相差在15%中。

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希冀8 Ma8风洞测压数据

表明4 Ma5,不同攻角下测得的压强

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表明5 Ma8,不同攻角下测得的压强

石英真空计在风洞中的应用

5、总

  石英真空传感器用于风洞实验具有体积小,测量精度高的特征。应用于风洞中测压强,规管要经过细长管道通向被测压强处。

  (1) 由此细长管道后,时光常数增大,就接近风洞部分状态的采取极限,而是据处在可领范围内,继承模型设计中应努力减小管道长度,多管道内径。

  (2) 冲石英真空计的轻微压力测量系统精度可达测量值15%上述,可是用于常规高超声速风洞微小压力测量试验。

  经优化电路结构,开展进一步大幅减少传感器体积,于1.2米量级风洞设备中直接将传感器安装至模型内部。立即将大幅度程度减小测压管路长度,退压力响应时间,增强测量精度,好看作后续深入研究的动向。

参考文献

  [1]Pacey D J.A piezoelectric oscillator manometer[J].Vacuum,9 (1959) ,261-263.

  [2]M.Ono,etc.Design and performance of a quartz oscillator vacuum gauge with a controller,J.Vac.Sci.Technol.A 3 (3) May/Jun 1985:1746-1749.

  [3]刘斌,徐电,王新中,相当.石英晶振传感器及真空计的研制[J].真空电子技术,1995,(5) :17-20

  [4]TLEVAC CC-10 Wide Range Vacuum Gauge[Z]

  [5]DL-10A项目石英真空计[J].真空2014,7,51 (4) 35-37

  [6]刘吴月,张慰,孙日明,相当.冲石英真空计的健康超高声速风洞微小压力测试系统研制[C].杭州,先后十八顶全国高超声速气动力/暖学术交流会,2016年11月,P.223.

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