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        石英真空计在风洞中的应用

        来源真空技术网www.ismp.tw中国航天空气动力技术研究院作者刘吴月

        压力测量技术是试验空气动力学的一项重要研究课题由于压力传感器技术的限制在风洞试验中难以精确测量微小压力值本文基于石英真空计自主研发了一套微压测量系统并研究了细长管路对测压系统的影响该系统能够测量0.2k Pa2k Pa压强可同步完成32路压力测量风洞测压试验结果表明微压测量系统可以有效应用于高超声速微小压力测量试验且测量精度优于15%测量值

        风洞模型测压试验是获得飞行器气动载荷分布和气动特性的重要方法之一常规高超声速风洞中测压孔处的压力通常由测压导管经模型支杆和支架连接到风洞外的电子压力扫描阀模块上进行测量电子压力扫描阀使用高精度硅压阻传感器在?#32454;?#21387;强下能?#25442;?#24471;较好的测量精度但对于1k Pa以下压强暂无法获得高精度的测量结果模型背风区压力测量测力试验底部压力测量低密度风洞测压试验等均存在大量微压测量任务因此发展一种高精度微压测量技术成为了当前风洞测压试验的迫切需求本文在风洞中试用石英真空计来测量0.2k Pa-2k Pa之间的压强风洞中测量压强与一般真空技术的压强测量的差别是 (1) 规管要经过一条细长管道通到被测量压强处本文试验用管道长为1.3m内?#27573;?.9mm常规测量真空规管管道是短而粗细长管道会带来一些问题 (2) 风洞测量压强是要测量压强的分布即有多点压强要测量本文设计之测量点为32个点本文就是研究细长管道及多点测试的方法

        1真空计的选择

        在本文所述测量?#27573;?#20379;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但是探头体积大不同厂家生产的探头的?#26412;?#19981;同大约有60mm如果将32个探头装在一起所占空间太大不方便压阻计是采用绝压传感器的真空计可测量0.1k Pa-100k Pa的压强在测量下限附近应该调节零点以减小测量误差但是风洞测量中难以调节零点石英真空计的特点是传感器体积小测量精度比?#32454;ߡ?#27604;较起来石英真空计还是合适的选择本文所采用的真空计就是石英真空计石英真空计在测量大于100Pa的压强可以不加零点调节误差仍小于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研究用石英晶振测量气体压强[1]该仪器可测10Pa到133Pa的压强80年代M.Ono等人设计了测量?#27573;?#20174;13.3Pa到10Pa的石英真空计[2]国内在90年代也有人研制了石英真空计[3]测量?#27573;?#20026;0.1Pa—2×10Pa目前已有石英真空计产品例如CC-10真空计[4]DL-10A型石英真空计[5]本文所用真空计为DL-10A型石英真空计测量?#27573;?#20026;0.5Pa-10Pa石英晶振尺寸为3.2mm×1.5mm×0.8mm晶振标称频率是32.768k Hz在小于8k Pa校准结果如下表1所示

        表1 石英真空计标定结果

        石英真空计在风洞中的应用

        石英真空计的工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型真空计压强与阻抗的关系如图1所示

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        图1 DL-10A晶振阻抗与压强的关系

        图1中坐标ΔZ?#20999;?#25391;阻抗Z与固有阻抗Z0之差固有阻抗是压强远小于下限即小于10Pa的阻抗阻抗由晶振两端的电压及流过晶振的电流计算得出阻抗由单片机换算成压强输出风洞测量压强是测32个位置的压强值有32个晶振安装在一个集成机箱中见图2每路含一个晶振共32路经过32个气路接头32根细长管道通向32处被测量压强的位置晶振测量电路将各路的电压及电流送到统一的主控板该主控板存有32个不同位置的压强值在风洞测量中由于最低测量压?#35838;?00Pa因而不需要零点调节

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        图2 安装晶振的集成机箱

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        图3 采编电路原理图

        微压测量系统数据采编电路的主要功能为为传感器提供12V5V高精度电源;同步与32路传感器进行SPI通讯采集传感器数据;将传感器数据打包编帧后经由422总线发送至上位机采编电路需要同?#22791;?2路传感器进行SPI通讯任务非常繁重常规MCU无法满足上述需求为此选择FPGA进行实现FPGA管脚多容?#36164;?#29616;大规模系统且各引脚不同逻辑可以并行执行可同时处理不同任务RS422通讯采用MAXIM公司的MAX490作为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使用尽量避免使用电解电容等包含封装气体的电子元器件

        3细长管道对石英真空计读数的影响

        细长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问题下面分别进行讨论

        3.1细长管道使时间常数增大

        依据风洞实验测压过程对细长管路建立细长管路抽气模型如图4所示细长管路对气体的流动具有一定的阻碍作用反过来说它们对气体的流动都有一定的通导能力这种能力称之为流导流导的大小说明在管路元件两端的压强差一定的条件下流经管路元件的气流量的多少气体在管道中的流动状态不同管道的流导也不一样也就是说管道对气体的流导不仅取决于管道的几何形状?#32479;?#23544;还与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所以在计算管道对气体的流导时首先必须判明管道中的气流是哪一种流动状态详细估算方法如表2所示依据上述判断原则本课题所研究微压测量均为粘性流范畴

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        图4 细长管路抽气模型

        表2 真空系统的流体流动状态

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        粘性流圆管时有流导

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        式中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———气体分子量kg/kmol

        L———管长与管件的当量长度之和m

        D———管内长?#26412;m

        μ———黏度Pa·s

        可见流导与管路?#26412;D四次方成正比与长度成反比与平均压力成正比因此风洞测压实验中管径过细管路过长被测压力?#31995;ͣ?#22343;会导致管路流导增加管路抽速降低从而影响测压系统的响应时间及测量精度

        为研究细长管道影响搭建测试装置如图5所示

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        图5 带细长管道的DL-10A性能测试装置

        DL-10A的指示压?#35838;P0管道口的压?#35838;P1由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排气实验用管道长1.5m管内?#26412;?.9mm的管道由于细长管道的存在导致规管处的压强跟踪管口压强的速度变慢当P1远低于P0时P0可以认为是机械泵通过管道对规管的抽气结果P0随时间t的变化可表示为P0=P.exp (-t/t0)

        式中P是t=0时的压强值t0=V/C可称为时间常数它是压强降为原值的1/e所需的时间用它可估计规管处压强随时间变化的快慢式中V为规管的体积C为经过管道后对规管的有效抽速

        风洞工作时试验段首先由引射器抽吸至3000Pa此时模型测压点压力为试验段压力待流场建立后攻角机构将模型投放此时压力为被测压力为模拟工作状态本文首先将图5所示真空腔压力调整为3000Pa然后快速开启真空泵将真空腔抽吸至250Pa从而获取接入细长管路的微压系统响应特性 (见图6) 实验测得管道?#26412;?.9mm长度为1.5m时的t0值为40秒如果管道长度减小到15cm?#26412;度?#20026;0.9mm测得250Pa压强时的t0值为15秒

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        图6 接入细长管道的微压测量系统响应曲线

        3.2接入细长管道的系统测量精度标定

        调整图5所示测试系统真空腔压力至表3所示各标准值经过长时间稳定后读取微压测量系统结果从而检测微压测量系统压力测量误差试验时发现当使用真空计出厂原始?#38382;?#26102;接入细长管道后在低于300Pa测量时会引起较大误差但不使用细长管道时误差均在许可?#27573;?#20869;经分析石英真空计是利用晶体在介质环境下振荡的特性工作介质成分的改变会产生较大误差由于真空腔经由细长管道后抽吸效果变弱传感器腔体?#22836;?#30340;气体占比较大改变了介质环境为此我们在细长管道条件下对各个传感器原始?#38382;?#36827;行了重新测取并载入微压测量系统使用新的原始?#38382;?#30340;微压测量系统标定结果如表3所示误差均在测量值的15%以内

        表3 微压测量系统标定结果 (误差均为相对于测量值的百分比)

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        4风洞试验及试验结果

        4.1试验设备

        试验研究工作在中国航天空气动力技术研究院的FD-07常规高超声速风洞中完成的该风洞是暂冲吹引自由射流式高超声速风洞以空气为工作介质目前运行的Ma数?#27573;?#20026;4~10采用更换喷管的方法改变Ma数

        4.2试验模型

        风洞测压系统如图7所示试验使用大钝头体模型在模型左右水平母线上分别布有五个测压点 (两条母线分别用φ=90°和φ=270°表示) 不锈钢测压管通过镶块与模型表面测压孔相连穿过支杆内腔引出为了尽量增加测压管路外径减小系统延迟在满足管路耐受温度边界的条件下尽量减少了不锈钢管路长度使用聚四氟乙烯管路进行转接聚四氟乙烯转接也同时增加测压管路的柔韧度便于攻角机构动作不锈钢管路内径0.9mm外径1.2mm聚四氟乙烯管路内径1.2mm外径1.6mm管路转接处通过快干胶水进行密封

        石英真空计在风洞中的应用

        图7 风洞测压试验示意图

        表4 试验状态和流场?#38382;?/p>

        石英真空计在风洞中的应用

        风洞测压试验结果如图8表4表5所示图8为第29通道实测数据在风洞运行时长可承受?#27573;?#20869;经过细长管道的压力可?#28304;?#21040;接近平衡状态表4表5为不同马赫数条件下φ=90°母线和φ=270°母线上的测压结果由于模型为轴对称外形固φ=90°与φ=270°理论压强应该保持一致可以看出测得压强介于300Pa和800Pa之间两条母线上测点压强对称性较好且相差在15%以内

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        图8 Ma8风洞测压数据

        表4 Ma5不同攻角下测得的压强

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        表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小结

        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点应用于风洞中测压强规管要通过细长管道通向被测压强处

        (1) 经过细长管道后时间常数增大已接近风洞部分状态的使用极限但?#28304;?#20110;可接受?#27573;?#20869;后续模型设计中应尽力减小管道长度增加管道内径

        (2) 基于石英真空计的微小压力测量系统精度可达测量值15%以上可用于常规高超声速风洞微小压力测量试验

        通过优化电路结构有望进一步大幅减小传感器体积在1.2米量级风洞设备中直接将传感器安装至模型内部这将极大程度减小测压管路长度降低压力响应时间提高测量精度可以作为后续深入研究的方向

        参考文献

        [1]Pacey D J.A piezoelectric oscillator manometer[J].Vacuum9 (1959) 261-263.

        [2]M.Onoetc.Design and performance of a quartz oscillator vacuum gauge with a controllerJ.Vac.Sci.Technol.A 3 (3) May/Jun 19851746-1749.

        [3]刘斌徐电王新中等.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型石英真空计[J].真空2014751 (4) 35-37

        [6]刘吴月张慰孙日明等.基于石英真空计的常规超高声速风洞微小压力测试系统研制[C].杭州第十八届全国高超声速气动力/热学术交流会2016年11月P.223.

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        http://www.ismp.tw/vacuum-measure/gauge/057181.html

        与 真空规管 石英真空计 相关的文?#34385;?#38405;读

        真空规管http://www.ismp.tw/vacuum-measure/gauge/

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