發(fā)動機(jī)高模試車真空計(jì)在線校準(zhǔn)系統(tǒng)的搭建

李慧 莊杰 沈錫江 王楊杰

摘? 要：為解決航天企業(yè)在液體火箭發(fā)動機(jī)高模試車過程中對真空計(jì)校準(zhǔn)的需求，采用靜態(tài)比較法，搭建了一套真空計(jì)在線校準(zhǔn)系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了閥門、管路、設(shè)備的組成與測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的軟件部分采用NI公司的LabVIEW編程語言進(jìn)行創(chuàng)建，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集與處理，具有人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)美觀、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，提高了測試系統(tǒng)的自動化水平。通過對10 Torr、2 Torr、1 Torr的真空計(jì)進(jìn)行調(diào)零，可進(jìn)一步提高真空計(jì)的測量精度。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)高模試車;真空計(jì);校準(zhǔn)系統(tǒng)

中圖分類號：TB77? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）03-0006-05

Abstract： In order to solve the requirement of vacuum gauges calibration in the process of high altitude simulation test of liquid rocket engine， a set of vacuum gauge on-line calibration system was built by using static comparison method. The composition of valves， pipelines and equipment and the design of measurement and control system were introduced in detail. The software part of the system was created by LabVIEW programming language of NI Company， which has achieved the data acquisition and processing. It has the advantages of beautiful human-computer interaction interface design and convenient operation， which improves the automation level of the test system. By adjusting zero to 10 Torr， 2 Torr， and 1 Torr vacuum gauges， the measurement accuracy of vacuum gauges can be further improved.

Keywords： high altitude simulation test for engine; vacuum gauge; calibration system

引言

隨著國內(nèi)外真空應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，真空測量技術(shù)在航空、航天、核、船舶、電子、光學(xué)、醫(yī)學(xué)、石油等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。絕大多數(shù)國家的計(jì)量中心已陸續(xù)建立了真空計(jì)校準(zhǔn)裝置，主要采用的方法有比較法、靜態(tài)膨脹法及動態(tài)流量法[2]。比較法采用磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)（SRG）、電容薄膜真空計(jì)（CDG）作為參考標(biāo)準(zhǔn)，通過被校標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)與參考標(biāo)準(zhǔn)測量校準(zhǔn)室的壓力來實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)范圍一般為10-4～105Pa[3]。靜態(tài)膨脹法的原理是基于Boyle-Mariotte理想氣體定律，氣體由取樣室的小體積向校準(zhǔn)室的大體積膨脹，氣體壓力由低真空范圍內(nèi)的值下降到高真空范圍內(nèi)的值，校準(zhǔn)范圍通常為10-4～103Pa[4]。動態(tài)流量法通過流量計(jì)提供標(biāo)準(zhǔn)流量，在分子流狀態(tài)下采用已知流導(dǎo)的小孔連續(xù)膨脹衰減壓力，校準(zhǔn)范圍可為10-7～10-2Pa[5]。

真空艙壓力作為航天企業(yè)完成液體火箭發(fā)動機(jī)高模試車的一個重要指標(biāo)，為了保證真空測量的可靠性，需要定期對真空計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。在進(jìn)行發(fā)動機(jī)高模試車過程中，真空計(jì)往往無法送校。此外，分批送校的周期長、工作量大，還會影響試車進(jìn)度。因此，在航天企業(yè)內(nèi)部建立一套真空校準(zhǔn)系統(tǒng)的需求迫在眉睫。本文設(shè)計(jì)了一套液體火箭發(fā)動機(jī)高模試車真空計(jì)在線校準(zhǔn)系統(tǒng)，不但很好地完成了閥門、管路、設(shè)備的搭建，而且基于虛擬儀器技術(shù)，將傳統(tǒng)的由硬件操作實(shí)現(xiàn)的功能通過軟件來完成，使測試系統(tǒng)的自動化水平及精度均得到了大幅度提高。同時(shí)，人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)美觀、操作方便，保證了發(fā)動機(jī)高模試車的順利進(jìn)行。

1 真空計(jì)在線校準(zhǔn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

真空計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：校準(zhǔn)室的體積應(yīng)不小于接在系統(tǒng)中的所有規(guī)管體積之和的20倍;校準(zhǔn)室的表面積與體積數(shù)值的比值盡量要小;氣體（99.99%的高純氮?dú)猓┓肿釉谶M(jìn)入規(guī)管的工作區(qū)前應(yīng)與校準(zhǔn)室管壁碰撞一次以上;校準(zhǔn)室上所有規(guī)管之間的壓力、溫度波動范圍應(yīng)盡可能小，不引起明顯的測量誤差;規(guī)管連接管的流導(dǎo)應(yīng)大于或等于規(guī)管解吸速率或吸附速率的100倍;系統(tǒng)的極限壓力應(yīng)小于最低校準(zhǔn)壓力的2%[6]。根據(jù)這些要求，針對液體火箭發(fā)動機(jī)高模試車臺設(shè)計(jì)出一套真空計(jì)在線校準(zhǔn)系統(tǒng)，原理圖如圖1所示。

真空泵由天津樂清華寶真空電氣有限公司生產(chǎn)，D8C單相220V，頻率50Hz;電磁閥由上海閥門二廠有限公司生產(chǎn)，型號為GDC-Q5;真空計(jì)由美國Setra公司生產(chǎn)，型號為Setra744;高真空微調(diào)閥由上海閥門二廠有限公司生產(chǎn)，型號為GW-J-T;球閥由寧波星箭航天機(jī)械有限公司生產(chǎn)。

2 真空計(jì)在線校準(zhǔn)系統(tǒng)管路閥門設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)室的形狀為球形，一端連接著真空泵，另一端連接著一個儲氣箱，之間分別連接一個電磁閥和旋擰閥。四個閥門，分為兩組，分別控制進(jìn)氣和抽氣。校準(zhǔn)室的兩邊分別連接一個標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)、若干被檢真空計(jì)，一條支管路上最多可連接兩個真空計(jì)。理論上只要增加連接管路，被檢真空計(jì)可無限增加，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，從校驗(yàn)精度及安全性角度考慮，連接管路不宜過長，被檢真空計(jì)數(shù)量不應(yīng)大于四個。

兩個電磁閥通過PLC控制可以自動控制進(jìn)氣和抽氣，使校驗(yàn)過程自動化。兩個旋擰閥可以作為備用系統(tǒng)，當(dāng)電磁閥發(fā)生問題時(shí)，可以通過手動調(diào)整旋擰閥達(dá)到可控范圍內(nèi)的進(jìn)氣和抽氣。電磁閥處于正常工作狀態(tài)時(shí)，旋擰閥處于常開狀態(tài)，不影響校準(zhǔn)的精度。

校準(zhǔn)室體積為8L，儲氣箱體積為15L，其余所有管路孔直徑為14mm，長度為15cm，該管路共有四根，連接處體積可忽略不計(jì)。所有材料均為不銹鋼材質(zhì)，密封性能良好。

3 真空計(jì)在線校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測控系統(tǒng)硬件由兩部分組成：控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)由一臺控制計(jì)算機(jī)及兩個電磁閥組成?？刂朴?jì)算機(jī)通過PLC對電磁閥的開關(guān)進(jìn)行控制。在每次校驗(yàn)真空計(jì)前，根據(jù)校驗(yàn)的量程和臺階值編寫出對應(yīng)的時(shí)序。抽/進(jìn)氣電磁閥開啟時(shí)間的長短決定了抽/進(jìn)氣量的多少，通過不斷地控制這兩個電磁閥，使得校準(zhǔn)室內(nèi)的真空度保持在需要校驗(yàn)的量程范圍之內(nèi)。

測量系統(tǒng)由一臺采集計(jì)算機(jī)、一個NI USB-6009便攜USB總線采集器組成。

其中，NI USB-6009便攜USB總線采集器是由NI公司出品的一款高性價(jià)比的USB數(shù)據(jù)采集設(shè)備，單通道采樣速率可以達(dá)到48 KS/s，單端采集模式下八個模擬信號輸入[7]。該系統(tǒng)采用差分輸入方式，雖然測量通道僅有四個，但是測量精度高，每0.1ms采樣一次，既滿足了采樣精度，又可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間采集。

4 真空計(jì)在線校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于NI公司的LabVIEW平臺，根據(jù)不同的需求，真空計(jì)在線校準(zhǔn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理組成。數(shù)據(jù)采集及處理程序框圖中的采集與處理流程如圖2所示。

4.1 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集軟件可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視、自動采集、手動采集，所有模塊均能對四個真空計(jì)通道（Pcv1、Pcv2、Pcv3、Pcv4）同時(shí)進(jìn)行采集，人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)美觀、操作簡易，界面如圖3所示。

所有需要測量的參數(shù)均可在參數(shù)表格中填寫，對于需要校準(zhǔn)的量程范圍內(nèi)的臺階值可以進(jìn)行修改，自動采集和手動采集間切換方便，同時(shí)可保持實(shí)時(shí)監(jiān)視。“繼續(xù)”按鍵可在不退出主程序的情況下，對采集到的程序進(jìn)行回放和處理，不需要重新打開數(shù)據(jù)處理程序，既能提高效率，又能節(jié)約時(shí)間。

數(shù)據(jù)采集程序可以自動判斷當(dāng)前校準(zhǔn)室的真空度，從而決定是否要選擇記錄數(shù)據(jù)，采取這樣的方式可有效減少數(shù)據(jù)量，只需采集記錄被校量程臺階附近的數(shù)值即可。該采集程序也未對采集時(shí)間作出硬性規(guī)定，這樣可以避免在真空度還沒有穩(wěn)定的情況下就冒然進(jìn)行采集。校準(zhǔn)時(shí)選取三個循環(huán)（每個循環(huán)上下各六個臺階值），使之能正確地反映出真空計(jì)的線性誤差及重復(fù)性誤差。

4.2 數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理軟件（前面板見圖4），可對采集到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)回放查看及計(jì)算處理。采集數(shù)據(jù)程序所記錄數(shù)據(jù)的類型為文本格式，一旦校驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯異常，可以打開文本文件，搜索出異常數(shù)據(jù)段，對其進(jìn)行手動刪除后保存。這樣做的最大優(yōu)點(diǎn)是：無需重新校驗(yàn)，只要對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，快速且準(zhǔn)確。

在數(shù)據(jù)處理軟件中，不但給出了所有數(shù)據(jù)的數(shù)值，而且給出了數(shù)據(jù)波形圖。通過移動數(shù)據(jù)波形圖中的兩根游標(biāo)，可以任意選定想要區(qū)域的數(shù)據(jù)，讀出平均值及實(shí)時(shí)值。

5 真空計(jì)校準(zhǔn)方法

該系統(tǒng)采用靜態(tài)比較的真空校準(zhǔn)方法，主要步驟為：

（1）連接校準(zhǔn)系統(tǒng)，檢查硬件連接部分氣密情況，判斷軟件部分信號數(shù)據(jù)采集是否正常，并將標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)和被校驗(yàn)真空計(jì)連接到系統(tǒng)上進(jìn)行預(yù)熱。

（2）調(diào)節(jié)校準(zhǔn)室壓強(qiáng)，根據(jù)從低到高的壓強(qiáng)順序，緩慢調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，得到較為穩(wěn)定的校準(zhǔn)壓強(qiáng)。

（3）在被校驗(yàn)測量范圍中，每個量程選擇三個校準(zhǔn)點(diǎn)。若非線性較大，應(yīng)選擇詳細(xì)的校準(zhǔn)點(diǎn)。

（4）逐一記錄每個壓強(qiáng)校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)示值與比對的被檢真空計(jì)示值。

（5）處理采集到的數(shù)據(jù)，計(jì)算被檢真空計(jì)的斜率、截距及誤差，出具相關(guān)的數(shù)據(jù)報(bào)告。

6 不同量程真空計(jì)調(diào)零

6.1 10 Torr真空計(jì)調(diào)零

調(diào)零前后，標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)與10 Torr（1333Pa）被檢真空計(jì)對比波形圖如圖5所示。

（a）調(diào)零前

（b）調(diào)零后

圖5 標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)與10Torr真空計(jì)對比波形圖

由圖5可以很明顯地看出，調(diào)零前，當(dāng)校準(zhǔn)室被抽到極限真空后，量程為10Torr的真空計(jì)顯示值已小于0Pa，說明真空計(jì)零位發(fā)生了偏離。調(diào)節(jié)真空計(jì)的零位旋扭，使之在平穩(wěn)的真空環(huán)境下與標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)所測得的真空度相同。調(diào)零后，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)量程（1Torr）后，10Torr真空計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)所示的真空度幾乎一致，兩者差值僅在0.5Pa之內(nèi)。

6.2 2Torr真空計(jì)調(diào)零

調(diào)零前后，標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)與2Torr（266.6Pa）被檢真空計(jì)對比波形圖見圖6。

由圖6可知，調(diào)零前，2 Torr真空計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)間始終存在50～60 Pa的差值。對量程為2 Torr的真空計(jì)進(jìn)行調(diào)零，雖然效果不及10 Torr的真空計(jì)明顯，但與標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)差值也縮小到了2～10 Pa范圍內(nèi)。

6.3 1Torr真空計(jì)調(diào)零

調(diào)零前后，標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)與1 Torr（133.3 Pa）被檢真空計(jì)對比波形圖如圖7所示。

從圖7可得，調(diào)零前，1 Torr真空計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)間一直存在著20～30 Pa的差值，采取同樣的方法對量程為1 Torr的真空計(jì)手動調(diào)零，兩者間的差值顯著縮小。通過調(diào)零，可較大幅度提高真空計(jì)的測量精度。若按預(yù)先設(shè)計(jì)的方案再進(jìn)行校準(zhǔn)，精度將更高，校準(zhǔn)過程將更加自動化。

7 結(jié)論

研制的發(fā)動機(jī)高模試車真空計(jì)在線校準(zhǔn)系統(tǒng)采用了靜態(tài)比較法進(jìn)行校準(zhǔn)。完成的閥門、管路、設(shè)備設(shè)計(jì)部分，主要由校準(zhǔn)室、進(jìn)氣系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)組成。通過采集器，將模擬輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號采集后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的真空度?；贜I公司的LabVIEW平臺，編寫了數(shù)據(jù)采集及處理軟件。數(shù)據(jù)采集軟件可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視、自動采集、手動采集，所有模塊均能對真空計(jì)通道同時(shí)進(jìn)行采集，人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)美觀、操作簡易。數(shù)據(jù)處理軟件可對采集到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)回放查看及計(jì)算處理，在界面中既給出了所有數(shù)據(jù)的數(shù)值，又給出了數(shù)據(jù)波形圖。對10 Torr、2 Torr、1 Torr的真空計(jì)進(jìn)行調(diào)零，進(jìn)一步提高了真空計(jì)的測量精度。該套在線校準(zhǔn)系統(tǒng)的建立，為真空計(jì)的周期校準(zhǔn)提供了理論依據(jù)與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，較好地解決了發(fā)動機(jī)高模試車過程中真空計(jì)校準(zhǔn)的難題。

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