川崎前锋与悉尼fc的赛事:石英真空計在風洞中的應用

真空規管 劉吳月 中國航天空氣動力技術研究院

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  壓力測量技術是試驗空氣動力學的一項重要研究課題。由于壓力傳感器技術的限制,在風洞試驗中難以精確測量微小壓力值。本文基于石英真空計自主研發了一套微壓測量系統,并研究了細長管路對測壓系統的影響。該系統能夠測量0.2k Pa2k Pa壓強,可同步完成32路壓力測量。風洞測壓試驗結果表明,微壓測量系統可以有效應用于高超聲速微小壓力測量試驗,且測量精度優于15%測量值。

  風洞模型測壓試驗是獲得飛行器氣動載荷分布和氣動特性的重要方法之一。常規高超聲速風洞中測壓孔處的壓力通常由測壓導管經模型支桿和支架連接到風洞外的電子壓力掃描閥??檣轄脅飭?。電子壓力掃描閥使用高精度硅壓阻傳感器,在較高壓強下,能夠獲得較好的測量精度,但對于1k Pa以下壓強,暫無法獲得高精度的測量結果。模型背風區壓力測量、測力試驗底部壓力測量、低密度風洞測壓試驗等均存在大量微壓測量任務。因此,發展一種高精度微壓測量技術成為了當前風洞測壓試驗的迫切需求。本文在風洞中試用石英真空計來測量0.2k Pa-2k Pa之間的壓強。風洞中測量壓強與一般真空技術的壓強測量的差別是: (1) 規管要經過一條細長管道通到被測量壓強處。本文試驗用管道長為1.3m,內徑為0.9mm。常規測量真空規管管道是短而粗,細長管道會帶來一些問題。 (2) 風洞測量壓強是要測量壓強的分布,即有多點壓強要測量,本文設計之測量點為32個點。本文就是研究細長管道及多點測試的方法。

1、真空計的選擇

  在本文所述測量范圍供風洞測量的真空計有薄膜真空計、壓阻計和石英真空計可選擇。薄膜計的精度高,但是探頭體積大,不同廠家生產的探頭的直徑不同,大約有60mm。如果將32個探頭裝在一起,所占空間太大,不方便。壓阻計是采用絕壓傳感器的真空計,可測量0.1k Pa-100k Pa的壓強。在測量下限附近應該調節零點以減小測量誤差。但是風洞測量中難以調節零點。石英真空計的特點是傳感器體積小,測量精度比較高。比較起來,石英真空計還是合適的選擇。本文所采用的真空計就是石英真空計。石英真空計在測量大于100Pa的壓強,可以不加零點調節,誤差仍小于10%。

2、石英真空計及32通道真空計設計方案

  上世紀50年代,D.J.Pacey研究用石英晶振測量氣體壓強[1],該儀器可測10Pa到133Pa的壓強。80年代M.Ono等人設計了測量范圍從13.3Pa到10Pa的石英真空計[2]。國內在90年代也有人研制了石英真空計[3],測量范圍為0.1Pa—2×10Pa。目前已有石英真空計產品。例如:CC-10真空計[4],DL-10A型石英真空計[5]。本文所用真空計為DL-10A型石英真空計。測量范圍為0.5Pa-10Pa,石英晶振尺寸為3.2mm×1.5mm×0.8mm。晶振標稱頻率是32.768k Hz,在小于8k Pa校準結果如下表1所示。

表1 石英真空計標定結果

石英真空計在風洞中的應用

  石英真空計的工作原理是石英晶振在諧振時電學阻抗與周圍氣體壓強有關。DL-10A型真空計壓強與阻抗的關系如圖1所示:

石英真空計在風洞中的應用

圖1 DL-10A晶振阻抗與壓強的關系

  圖1中坐標ΔZ是諧振阻抗Z與固有阻抗Z0之差。固有阻抗是壓強遠小于下限即小于10Pa的阻抗。阻抗由晶振兩端的電壓及流過晶振的電流計算得出。阻抗由單片機換算成壓強輸出。風洞測量壓強是測32個位置的壓強值,有32個晶振,安裝在一個集成機箱中,見圖2。每路含一個晶振,共32路,經過32個氣路接頭,32根細長管道通向32處被測量壓強的位置。晶振測量電路將各路的電壓及電流送到統一的主控板,該主控板存有32個不同位置的壓強值。在風洞測量中,由于最低測量壓強為100Pa,因而不需要零點調節。

石英真空計在風洞中的應用

圖2 安裝晶振的集成機箱

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圖3 采編電路原理圖

  微壓測量系統數據采編電路的主要功能為:為傳感器提供12V、5V高精度電源;同步與32路傳感器進行SPI通訊,采集傳感器數據;將傳感器數據打包編幀后經由422總線發送至上位機。采編電路需要同時跟32路傳感器進行SPI通訊,任務非常繁重,常規MCU無法滿足上述需求,為此選擇FPGA進行實現。FPGA管腳多,容易實現大規模系統,且各引腳不同邏輯可以并行執行,可同時處理不同任務。RS422通訊采用MAXIM公司的MAX490作為協議轉換芯片。電路設計過程中考慮到風洞實驗段等低氣壓環境使用,盡量避免使用電解電容等包含封裝氣體的電子元器件。

3、細長管道對石英真空計讀數的影響

  細長管道應用于石英真空計的測量存在時間常數增大和精度下降的問題。下面分別進行討論。

  3.1、細長管道使時間常數增大

  依據風洞實驗測壓過程,對細長管路建立細長管路抽氣模型如圖4所示。細長管路對氣體的流動具有一定的阻礙作用。反過來說它們對氣體的流動都有一定的通導能力,這種能力稱之為流導。流導的大小說明在管路元件兩端的壓強差一定的條件下流經管路元件的氣流量的多少。氣體在管道中的流動狀態不同,管道的流導也不一樣,也就是說,管道對氣體的流導不僅取決于管道的幾何形狀和尺寸,還與管道中流動的氣體種類和溫度、管道中氣體的平均壓力有關系。所以在計算管道對氣體的流導時,首先必須判明管道中的氣流是哪一種流動狀態。詳細估算方法如表2所示。依據上述判斷原則,本課題所研究微壓測量均為粘性流范疇。

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圖4 細長管路抽氣模型

表2 真空系統的流體流動狀態

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  粘性流,圓管時,有流導

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  式中:S———流導,m/s;

  ———管內平均壓力,Pa;

  R———通用氣體常數R=8.31KJ/ (kmol·K);

  T———絕對溫度,K;

  M———氣體分子量,kg/kmol;

  L———管長與管件的當量長度之和,m;

  D———管內長直徑,m;

  μ———黏度,Pa·s。

  可見流導與管路直徑D四次方成正比,與長度成反比,與平均壓力成正比。因此,風洞測壓實驗中管徑過細,管路過長,被測壓力較低,均會導致管路流導增加,管路抽速降低,從而影響測壓系統的響應時間及測量精度。

  為研究細長管道影響,搭建測試裝置如圖5所示:

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圖5 帶細長管道的DL-10A性能測試裝置

  DL-10A的指示壓強為P0,管道口的壓強為P1,由薄膜真空計測量,微調閥門可以調節P1的壓強值,系統由機械泵排氣。實驗用管道長1.5m,管內直徑0.9mm的管道。由于細長管道的存在導致規管處的壓強跟蹤管口壓強的速度變慢。當P1遠低于P0時,P0可以認為是機械泵通過管道對規管的抽氣結果。P0隨時間t的變化可表示為:P0=P.exp (-t/t0)

  式中P是t=0時的壓強值,t0=V/C可稱為時間常數,它是壓強降為原值的1/e所需的時間,用它可估計規管處壓強隨時間變化的快慢。式中V為規管的體積,C為經過管道后對規管的有效抽速。

  風洞工作時,試驗段首先由引射器抽吸至3000Pa,此時模型測壓點壓力為試驗段壓力。待流場建立后,攻角機構將模型投放,此時壓力為被測壓力。為模擬工作狀態,本文首先將圖5所示真空腔壓力調整為3000Pa,然后快速開啟真空泵將真空腔抽吸至250Pa,從而獲取接入細長管路的微壓系統響應特性 (見圖6) 。實驗測得管道直徑0.9mm,長度為1.5m時的t0值為40秒。如果管道長度減小到15cm,直徑仍為0.9mm,測得250Pa壓強時的t0值為15秒。

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圖6 接入細長管道的微壓測量系統響應曲線

  3.2、接入細長管道的系統測量精度標定

  調整圖5所示測試系統真空腔壓力至表3所示各標準值,經過長時間穩定后,讀取微壓測量系統結果,從而檢測微壓測量系統壓力測量誤差。試驗時發現,當使用真空計出廠原始參數時,接入細長管道后在低于300Pa測量時會引起較大誤差,但不使用細長管道時誤差均在許可范圍內。經分析,石英真空計是利用晶體在介質環境下振蕩的特性工作,介質成分的改變會產生較大誤差。由于真空腔經由細長管道后,抽吸效果變弱,傳感器腔體釋放的氣體占比較大,改變了介質環境。為此,我們在細長管道條件下對各個傳感器原始參數進行了重新測取,并載入微壓測量系統。使用新的原始參數的微壓測量系統標定結果如表3所示,誤差均在測量值的15%以內。

表3 微壓測量系統標定結果 (誤差均為相對于測量值的百分比)

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4、風洞試驗及試驗結果

  4.1、試驗設備

  試驗研究工作在中國航天空氣動力技術研究院的FD-07常規高超聲速風洞中完成的,該風洞是暫沖、吹引、自由射流式高超聲速風洞,以空氣為工作介質,目前運行的Ma數范圍為4~10,采用更換噴管的方法改變Ma數。

  4.2、試驗模型

  風洞測壓系統如圖7所示。試驗使用大鈍頭體模型,在模型左右水平母線上分別布有五個測壓點 (兩條母線分別用φ=90°和φ=270°表示) 。不銹鋼測壓管通過鑲塊與模型表面測壓孔相連,穿過支桿內腔引出。為了盡量增加測壓管路外徑,減小系統延遲,在滿足管路耐受溫度邊界的條件下,盡量減少了不銹鋼管路長度,使用聚四氟乙烯管路進行轉接。聚四氟乙烯轉接也同時增加測壓管路的柔韌度,便于攻角機構動作。不銹鋼管路內徑0.9mm,外徑1.2mm;聚四氟乙烯管路內徑1.2mm,外徑1.6mm,管路轉接處通過快干膠水進行密封。

石英真空計在風洞中的應用

圖7 風洞測壓試驗示意圖

表4 試驗狀態和流場參數

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  風洞測壓試驗結果如圖8、表4、表5所示。圖8為第29通道實測數據,在風洞運行時長可承受范圍內,經過細長管道的壓力可以達到接近平衡狀態。表4、表5為不同馬赫數條件下,φ=90°母線和φ=270°母線上的測壓結果。由于模型為軸對稱外形,固φ=90°與φ=270°理論壓強應該保持一致??梢鑰闖?,測得壓強介于300Pa和800Pa之間,兩條母線上測點壓強對稱性較好,且相差在15%以內。

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圖8 Ma8風洞測壓數據

表4 Ma5,不同攻角下測得的壓強

石英真空計在風洞中的應用

表5 Ma8,不同攻角下測得的壓強

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5、小結

  石英真空傳感器用于風洞實驗具有體積小,測量精度高的特點。應用于風洞中測壓強,規管要通過細長管道通向被測壓強處。

  (1) 經過細長管道后,時間常數增大,已接近風洞部分狀態的使用極限,但仍處于可接受范圍內,后續模型設計中應盡力減小管道長度,增加管道內徑。

  (2) 基于石英真空計的微小壓力測量系統精度可達測量值15%以上,可用于常規高超聲速風洞微小壓力測量試驗。

  通過優化電路結構,有望進一步大幅減小傳感器體積,在1.2米量級風洞設備中直接將傳感器安裝至模型內部。這將極大程度減小測壓管路長度,降低壓力響應時間,提高測量精度,可以作為后續深入研究的方向。

參考文獻

  [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]劉斌,徐電,王新中,等.石英晶振傳感器及真空計的研制[J].真空電子技術,1995,(5) :17-20

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

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

  [6]劉吳月,張慰,孫日明,等.基于石英真空計的常規超高聲速風洞微小壓力測試系統研制[C].杭州,第十八屆全國高超聲速氣動力/熱學術交流會,2016年11月,P.223.