可調(diào)低溫環(huán)境壓力傳感器校準裝置實現(xiàn)

李正兵，李永斌，田寶云，王小麗

（西安航天動力試驗技術(shù)研究所，陜西西安710100）

測量結(jié)果標準不確定度

可調(diào)低溫環(huán)境壓力傳感器校準裝置實現(xiàn)

李正兵，李永斌，田寶云，王小麗

（西安航天動力試驗技術(shù)研究所，陜西西安710100）

介紹了壓力傳感器超低溫環(huán)境下現(xiàn)場校準裝置原理及組成，論述校準裝置主要技術(shù)指標計算方法、溫度調(diào)節(jié)控制算法，結(jié)合液氧推進劑條件壓力參數(shù)校準要求，給出了試驗現(xiàn)場壓力傳感器校準裝置具體實現(xiàn)方案。通過低溫傳感器現(xiàn)場校準數(shù)據(jù)與不確定度計算，驗證了低溫壓力傳感器校準裝置的可行性和數(shù)據(jù)準確性。

低溫試驗裝置；標準壓力源；傳感器校準；不確定度計算

0　引言

液氧/煤油低溫推進劑發(fā)動機試驗中，壓力參數(shù)測點最多，是直接反映發(fā)動機及試驗系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)。低溫壓力測量可以采用常溫壓力傳感器加引壓管的方式或者直接采用低溫壓力傳感器來測量。常溫壓力傳感器連接引壓導(dǎo)管用于低溫液體壓力測量時，壓力測量響應(yīng)慢，存在明顯滯后，無法獲得壓力的高頻脈動值；有時在測量低溫流體的穩(wěn)態(tài)壓力時，與實際壓力值也會存在差別。由于在不同溫度條件下，受傳感器敏感元件材料熱脹冷縮、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和制造工藝的影響，致使傳感器產(chǎn)生零點漂移和靈敏度溫度漂移。一般傳感器難以在大范圍內(nèi) (室溫變化到液氧溫區(qū))進行零點溫漂和靈敏度溫度補償，因此對壓力傳感器的測量結(jié)果有較大影響。目前我國尚無低溫壓力傳感器超低溫校準裝置，低溫壓力傳感器均是在室溫條件下校準，這與傳感器實際使用工況相差甚遠。據(jù)統(tǒng)計液氧低溫環(huán)境給壓力傳感器性能產(chǎn)生影響，其引起的測量誤差最大達3%。所以，開展超低溫環(huán)境下壓力傳感器現(xiàn)場校準技術(shù)研究十分必要。

1　主要技術(shù)指標

1）校準溫度范圍：80～300 K；

2）壓力校準范圍：0.1～30 MPa；

3）實驗艙從293 K降低到89 K所需時間：≤60 min；

4）真空艙抽至1 000 Pa時間：≤60 s；

5）低溫壓力傳感器現(xiàn)場校準裝置不確定度：U=0.3%，（k=2）。

2　低溫壓力傳感器現(xiàn)場校準裝置原理

2.1低溫壓力傳感器校準裝置原理

低溫壓力傳感器現(xiàn)場校準裝置系統(tǒng)原理組成如圖1所示，主要由壓力傳感器低溫試驗裝置、標準壓力源控制器、模塊化配氣臺與工控機數(shù)據(jù)采集裝置組成，利用試驗液氮容器給低溫試驗裝置杜瓦提供液氮。

圖1　低溫壓力傳感器現(xiàn)場校準裝置原理圖Fig.1　Principle diagram of field calibration unit for pressure sensor

當(dāng)恒溫艙內(nèi)溫度降低到需要低溫時，啟動抽真空系統(tǒng)對真空艙夾層抽真空，工控機應(yīng)用程序控制壓力標準源分檔輸出待校壓力值，采集低溫壓力傳感器輸出數(shù)據(jù)，按照最小二乘法計算校驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)低溫環(huán)境下壓力傳感器現(xiàn)場校準。通過分析不同溫度下傳感器校準性能數(shù)據(jù)，研究傳感器特性在低溫條件變化規(guī)律。

低溫試驗裝置主要由低溫容器、溫控單元與升降機構(gòu)組成。低溫容器包括低溫杜瓦、真空艙、恒溫艙與匯流排等組成部分，其系統(tǒng)組成原理如圖2所示。匯流排安裝在恒溫艙內(nèi)，設(shè)置多個被校準壓力傳感器安裝接口。

圖2　低溫試驗裝置低溫容器組成原理圖Fig.2　Principle diagram of cryogenic vessel for cryogenic test apparatus

2.2低溫試驗裝置漏熱計算

低溫試驗裝置在80 K時漏熱最大，恒溫艙漏熱主要有以下幾方面：

2.2.1低溫杜瓦內(nèi)外筒的固體熱傳導(dǎo)

低溫條件下，物體熱傳導(dǎo)計算公式如下：

式中：λ為不銹鋼在79 K到300 K內(nèi)的平均導(dǎo)熱系數(shù)，λ=12.6 W/(m·k)；A為內(nèi)外筒截面積，取 1.65×10-3m2；T2為熱壁溫度，取300 K；T1為冷壁溫度，取79 K；L為頸管傳熱長度，取400 mm。綜上計算可得內(nèi)外筒固體傳導(dǎo)最大熱流Q1′=11.43 W。

2.2.2絕熱中的氣體傳熱

在自由分子狀態(tài)下，分子間互相碰撞幾率低于分子與壁碰撞幾率，氣體導(dǎo)熱不再決定于氣體分子間互相交換能量，此時氣體導(dǎo)熱為

式中：k為導(dǎo)熱系數(shù)（剩余氣體為空氣時 k= 1.200 1）；α為熱適應(yīng)系數(shù)，取1；p為夾層真空度；T2為熱壁溫度；T1為冷壁溫度；A為冷壁表面積。

低溫試驗裝置有兩處殘余氣體漏熱：一處為內(nèi)腔體向真空艙漏熱，分析計算得出q2′=24 W；一處為向真空夾層漏熱：據(jù)設(shè)計參數(shù)計算得出q2′′=2.18 W；p為夾層真空度（5.5×10-3）；T2為熱壁溫度（300 K）；T1為冷壁溫度（80 K）；A為冷壁表面積（1.5 m2）。

綜上計算可得氣體傳熱量：

2.2.3絕熱中的輻射傳熱

試驗低溫杜瓦采用真空多層絕熱結(jié)構(gòu)，在內(nèi)膽上采用起皺的鍍鋁薄膜包扎。其輻射傳熱計算公式為

式中：E為兩表面間的有效輻射比；A為冷壁表面積，A=1.5 m2；σ為斯蒂藩-玻耳茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；T2為熱壁溫度，T2=300 K；T1為冷壁溫度，T1=77 K；n為輻射屏層數(shù)，n=35。

綜上可算得，試驗低溫杜瓦向恒溫室輻射漏熱按上面公式計算

2.2.4其他漏熱

由于試驗低溫杜瓦的增壓管道、真空閥門與接頭等也存在漏熱，統(tǒng)一估算熱損耗Q4′約為6 W。

總漏熱Q=11.43+26.18+2.12+6=45.67 W

每小時消耗液氮量：V=45.67/44.6=1.02 L

2.3加熱器功率選擇

根據(jù)上述計算，實驗艙在80 K時，熱交換功率為46 W，考慮到升溫需要，將加熱器功率設(shè)定為60 W。為保證實驗艙溫度均勻性，在實驗艙外壁均等設(shè)置4個15瓦加熱模塊。

2.4實驗艙降溫時間計算

初步設(shè)計實驗艙與傳感器共計質(zhì)量6 kg，導(dǎo)熱系數(shù)λ=12.6 W/(m·k)，比熱容500 J/kg*K，表面換熱系數(shù)為 10 W/(m2·k)，從常溫293 K降到90 K所需時間計算如下：

即經(jīng)過約為54 min恒溫室可以從室溫降到90 K。

2.5真空艙抽真空時間計算

根據(jù)低溫試驗裝置低壓室容積設(shè)計值為25 L，當(dāng)實驗艙溫度恒定時，低壓室工作壓力為pg=100 kPa，2X-1型機械泵最低抽氣能力為10 Pa，其抽速為4 L/s。真空艙從100 kPa抽至1 kPa所需時間按下式計算：

3　低溫壓力傳感器現(xiàn)場校準裝置設(shè)計

3.1低溫試驗裝置

3.1.1低溫容器

壓力傳感器校準低溫試驗裝置低溫容器結(jié)構(gòu)如圖3所示。試驗低溫杜瓦主要用來存儲液氮冷卻恒溫艙，試驗低溫杜瓦采用高真空、多層超級絕熱結(jié)構(gòu)，可維持試驗低溫恒溫環(huán)境；匯流排安裝在恒溫艙內(nèi)，其上部設(shè)計壓力傳感器接口；恒溫艙與吊裝法蘭焊接，吊裝法蘭與低溫試驗裝置上端法蘭用橡膠圈密封連接；低溫杜瓦法蘭上有液氮加注口和排放口，真空艙端面設(shè)置抽空口、測溫口（監(jiān)測試驗低溫杜瓦液氮液位） 與真空檢測口等；吊裝法蘭上有連接壓力標準源接口、控溫引線芯座、壓力傳感器引出55芯插座接口等。

圖3　壓力傳感器校準低溫試驗裝置低溫容器結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Structure of cryogenic vessel for cryogenic pressure sensor calibration unit

3.1.2溫控系統(tǒng)

溫控系統(tǒng)由PLC控制器、觸摸屏、加熱模塊、溫度傳感器和抽真空單元等組成。PLC控制器主要完成液氮液位檢測、傳感器校準恒溫艙溫度設(shè)定及溫度恒定控制功能。觸摸屏實現(xiàn)人機交互，用于顯示低溫容器參數(shù)及按鍵控制。加熱模塊用于匯流排加熱升溫。溫度傳感器用于液氮液位測量，當(dāng)液氮浸沒傳感器探頭時，溫控系統(tǒng)觸摸屏顯示其液位高度。抽真空單元包括真空硅管與真空泵，當(dāng)恒溫艙冷卻到設(shè)定溫度時，通過觸摸屏控制真空泵對真空艙抽真空。PLC控制器根據(jù)匯流排實際溫度和設(shè)定溫度的關(guān)系，采用PID算法控制加熱器的加熱功率，實現(xiàn)恒溫艙內(nèi)壓力傳感器溫度恒定。為保證恒溫室內(nèi)具有良好的溫度場均勻性，恒溫室內(nèi)添加由紫銅制成的導(dǎo)熱籠，并均等分布4個加熱模塊，確保匯流排溫度場均勻。加熱布局如圖4所示。

圖4　恒溫艙加熱器結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Structural diagram for heater of thermostatic tank

3.1.3升降機構(gòu)

升降機構(gòu)包括直線光軸、螺母螺桿機構(gòu)、整體龍門機架、移動機架等部件。直線光軸、螺桿螺母機構(gòu)平行固定安裝在整體龍門機架上，吊裝法蘭通過移動機架安裝在直線光軸和螺母螺桿機構(gòu)上，升降過程中，測控單元在最高與最低處通過行程開關(guān)自動關(guān)停升降，實現(xiàn)對升降機構(gòu)的保護。

螺桿的上下端可以轉(zhuǎn)動，固定在整體龍門機架的軸座里。移動機架和實驗艙吊裝法蘭采用螺紋連接固定。工作時，使用電機轉(zhuǎn)動螺桿，帶動移動機架和吊裝法蘭上下移動。升降機構(gòu)設(shè)有上下止點，行程650 mm，運動到最高、最低點時行程傳感器輸出信號關(guān)斷升降電機。實驗艙升降采用兩軸聯(lián)動方式，保證升降運行更加平穩(wěn)可靠。

3.2標準壓力源

標準壓力源單元主要由數(shù)字壓力控制器、增壓泵、高壓氣體管路以及控制閥等組成。氦氣瓶通過增壓泵給壓力控制器提供氣源，壓力控制器輸出通過Φ4高壓軟管連接到低溫試驗裝置被檢的壓力傳感器，標準壓力源的工作原理圖如圖5所示。數(shù)字壓力控制器與被校低溫壓力傳感器組成一個完整的閉合系統(tǒng)。

圖5　標準壓力源控制原理圖Fig.5 Control principle diagram of standard pressure source

當(dāng)氣源壓力低于被校傳感器所需壓力時，增壓泵自動啟動，通過數(shù)字壓力控制器加壓至設(shè)定值，壓力穩(wěn)定后，工控機采集系統(tǒng)讀取被校傳感器輸出數(shù)據(jù)，再依次輸出下一檔壓力值，直至完成整個校準過程。

3.3模塊化配氣臺

模塊化配氣臺主要由控制器、觸摸屏、減壓閥、電磁閥、金屬軟管、壓力表及管路連接件組成，主要用于低溫試驗裝置恒溫艙充氣、真空艙氦氣置換，同時為標準壓力源提供氦氣氣源。控制器主要完成氣源壓力檢測、減壓器輸出壓力控制及電磁閥控制等功能。觸摸屏完成配氣臺工藝流程顯示、減壓閥輸出壓力設(shè)置等人機交互功能。氣源進入配氣臺后，一路供應(yīng)給標準壓力源，氣源與標準壓力源之間設(shè)置電磁閥，控制氦氣輸出；另一路供應(yīng)配氣減壓系統(tǒng)，氣源經(jīng)減壓閥后分為兩路，一路用于低溫試驗裝置恒溫艙充氣，另一路用于真空艙充填置換。

3.4工控機數(shù)據(jù)采集裝置

工控機數(shù)據(jù)采集裝置主要包括工控機、信調(diào)器與測量裝置等部分。工控機主要完成壓力標準源通信與控制、傳感器輸出信號采集與數(shù)據(jù)處理。信調(diào)器主要完成傳感器輸出微小信號放大與濾波，傳感器所需恒壓源與恒流源輸出，并具有程控電壓輸入、并電阻及輸入端短路、標準信號輸出等功能。

測量裝置具有熱電偶和模擬電壓信號采集功能，采集通道配置與數(shù)據(jù)輸出均通過因特網(wǎng)與工控機進行通信，每個通道帶有獨立的信號調(diào)理通路，可實現(xiàn)熱電偶冷端自動補償，不同頻率低通濾波，每個信號通路提供完全的端對端自校準。采集過程中，可以根據(jù)需要在本地或遠程進行數(shù)據(jù)記錄。

4　液氧條件低溫壓力傳感器校準

4.1傳感器校準前準備

低溫試驗裝置安裝完成后，利用配氣臺輸出0.2 MPa低壓氮氣，對低溫壓力傳感器校準裝置真空艙與恒溫艙進行氮氣置換3次后，使用液氮轉(zhuǎn)注罐對低溫杜瓦加注液氮。

4.2低溫試驗裝置降溫試驗

設(shè)置恒溫艙溫度為80 K，液氮加注完成后開始計時，恒溫艙溫度下降數(shù)據(jù)如表1所示，當(dāng)恒溫艙溫度到90 K和80 K時，所需時間分別為60 min與83 min。

表1　恒溫艙降溫時間數(shù)據(jù)Tab.1　Cooling time data of constant temperature tank

4.3壓力傳感器低溫校準

通過觸摸屏設(shè)定校準溫度值，當(dāng)恒溫艙溫度達到設(shè)定溫度時，利用壓力標準源依次輸出標準壓力，對傳感器進行3遍6檔進行校準，測量裝置采集傳感器數(shù)據(jù)，校準完成后，計算并保存校驗結(jié)果，90 K溫度條件校準數(shù)據(jù)見表2。

80～100 K溫度區(qū)間傳感器斜率數(shù)據(jù)見表3。從表3可以看出，傳感器斜率隨著溫度的升高而降低。

5　液氧低溫壓力校準裝置不確定度評定

根據(jù)液氧低溫壓力傳感器現(xiàn)場校準裝置組成單元，分析影響壓力傳感器現(xiàn)場校準不確定度原因，確定影響低溫壓力現(xiàn)場校準結(jié)果的不確定度分量如下：

1)標準壓力源儀表引入的不確定度分量u1；

2)標準壓力源控制裝置引入的不確定度分量u2；

3)恒溫艙艙溫度變化引入的不確定度分量u3；

4)系統(tǒng)泄露引入的不確定度分量u4；

5)測量裝置引入的不確定度分量u5；

6)測量重復(fù)性引入的不確定度分量u6。

表2　90 K溫度條件下壓力傳感器現(xiàn)場校準數(shù)據(jù)Tab.2　Field calibration data of pressure sensor at temperature of 90 K

表3　不同溫度條件下傳感器斜率數(shù)據(jù)Tab.3　Slope data of sensor at different temperature

根據(jù)國家計量技術(shù)規(guī)范JJF1509.1《測量不確定度評定與表示》，液氧低溫壓力現(xiàn)場校準裝置不確定度分量計算如下：

1）標準壓力源儀表引入的不確定度分量u1

壓力標準源精度0.01%FS，按照B類均勻分布評定方法，取包含因子，標準不確定度為

2） 標準壓力源控制裝置溫度變化引入的不確定度分量u2

根據(jù)標準壓力源給定指標，標準不確定度為

3）環(huán)境溫度變化引入的不確定度分量u3

通過仿真計算與實驗，實驗艙溫度變化0.5 K，引起的校準裝置不確定度

4）系統(tǒng)泄露引入的不確定度分量u4

檢定裝置在正常校準過程中，系統(tǒng)存在微小的泄漏量，但不影響系統(tǒng)正常使用，裝置可以穩(wěn)定的控制壓力和測量，估值為

5）采集裝置引入的不確定度分量u5

數(shù)據(jù)采集裝置測量誤差為0.1%，按照B類均勻分布評定方法，取包含因子，標準不確定度

6）測量裝置重復(fù)性引入的不確定度分量u6

根據(jù)標準不確定度的A類評定，使用低溫壓力現(xiàn)場校準裝置進行重復(fù)測量n次，測量結(jié)果的算術(shù)平均值

測量值與算術(shù)平均值的殘差

方差

測量結(jié)果標準不確定度

以上各不確定度分量相互獨立，故

通過對低溫壓力現(xiàn)場校準裝置的不確定度分析統(tǒng)計計算，該裝置的擴展不確定度為0.3%，（k=2）。

6　結(jié)論

利用液氮冷卻方式研制完成的低溫壓力傳感器校準裝置，多次用于低溫壓力傳感器現(xiàn)場校準試驗，傳感器校準裝置低溫溫度連續(xù)可調(diào)，校準過程便捷，系統(tǒng)穩(wěn)定，安全可靠，技術(shù)指標滿足要求，已成功應(yīng)用于低溫推進劑發(fā)動機及組合件試驗。

[1]趙萬明.液氧/煤油發(fā)動機試車主要參數(shù)測量方法研究[J].火箭推進,2006,32(5):51-56. ZHAO Wanming.Research of measuring method in the LOX/kerosene engine tests[J].Journal of rocket propulsion,2006,32(5):51-56.

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（編輯：王建喜）

Realization of calibration device for adjustable cryogenic pressure sensor

LI Zhengbing,LI Yongbin,TIAN Baoyun,WANG Xiaoli
（Xi’an Aerospace Propulsion Test Technique Institute,Xi’an 710100,China）

The composition and principle of field calibration unit for the pressure sensor under cryogenic environment are introduced.The theoretical computation method and the temperature controlling algorithm of the main index of the calibration unit are also described.Combining the requirements of pressure parameter calibration for the liquid rocket engine,the certain realization scheme of the field calibration unit for pressure sensor is put forward.Finally,the feasibility and reliability of the calibration unit for the cryogenic pressure sensor is verified by computing the cryogenic pressure sensor calibration data and its uncertainty.

cryogenic test apparatus;standard pressure source;sensor calibration;uncertainty calculation

V434-34

A

1672-9374(2016)04-0103-07

2016-02-15；

2016-06-13

國防技術(shù)基礎(chǔ)科研項目（JSJC2013203A001）

李正兵（1968—），男，研究員，研究領(lǐng)域為發(fā)動機試驗測控技術(shù)