石英真空计在风洞中的应用

2018-05-01 刘吴月 中国航天空气动力技术研究院

  压(ya)力(li)测(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)技(ji)术(shu)是试验(yan)空气动(dong)力(li)学的(de)一项(xiang)重要研(yan)究(jiu)(jiu)课题。由于压(ya)力(li)传感器技(ji)术(shu)的(de)限制,在风洞试验(yan)中难以精(jing)(jing)确测(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)微(wei)(wei)小压(ya)力(li)值(zhi)。本文基于石英真空计自主研(yan)发了一套微(wei)(wei)压(ya)测(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)系统,并研(yan)究(jiu)(jiu)了细长管路对测(ce)(ce)压(ya)系统的(de)影响。该系统能够测(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)0.2k Pa2k Pa压(ya)强,可(ke)同步完成32路压(ya)力(li)测(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)。风洞测(ce)(ce)压(ya)试验(yan)结果表明(ming),微(wei)(wei)压(ya)测(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)系统可(ke)以有(you)效(xiao)应(ying)用于高(gao)超声(sheng)速微(wei)(wei)小压(ya)力(li)测(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)试验(yan),且测(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)精(jing)(jing)度优于15%测(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)值(zhi)。

  风(feng)洞(dong)模(mo)型(xing)测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)试(shi)(shi)验(yan)(yan)是(shi)获得(de)飞行器气(qi)动(dong)载荷分布和气(qi)动(dong)特性(xing)的(de)重要方法之一(yi)(yi)。常(chang)规高(gao)(gao)超声速风(feng)洞(dong)中测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)孔(kong)处的(de)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)通常(chang)由(you)测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)导(dao)管(guan)(guan)(guan)经模(mo)型(xing)支(zhi)杆和支(zhi)架连接到(dao)风(feng)洞(dong)外的(de)电(dian)子压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)扫(sao)(sao)描(miao)(miao)阀(fa)模(mo)块上进行测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)。电(dian)子压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)扫(sao)(sao)描(miao)(miao)阀(fa)使用(yong)高(gao)(gao)精(jing)(jing)度(du)(du)硅压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)阻传感(gan)器,在较高(gao)(gao)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)强(qiang)下,能(neng)够获得(de)较好的(de)测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)精(jing)(jing)度(du)(du),但对于1k Pa以下压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)强(qiang),暂无法获得(de)高(gao)(gao)精(jing)(jing)度(du)(du)的(de)测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)结果。模(mo)型(xing)背风(feng)区压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)、测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)力(li)(li)试(shi)(shi)验(yan)(yan)底部压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)、低(di)密度(du)(du)风(feng)洞(dong)测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)试(shi)(shi)验(yan)(yan)等(deng)均存在大(da)量(liang)微压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)任(ren)务。因此(ci),发展一(yi)(yi)种高(gao)(gao)精(jing)(jing)度(du)(du)微压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)技术成(cheng)为(wei)(wei)了当前风(feng)洞(dong)测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)试(shi)(shi)验(yan)(yan)的(de)迫切需求。本(ben)(ben)(ben)文在风(feng)洞(dong)中试(shi)(shi)用(yong)石英真(zhen)空计(ji)来测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)0.2k Pa-2k Pa之间(jian)的(de)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)强(qiang)。风(feng)洞(dong)中测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)强(qiang)与一(yi)(yi)般真(zhen)空技术的(de)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)强(qiang)测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)的(de)差别是(shi): (1) 规管(guan)(guan)(guan)要经过一(yi)(yi)条细长管(guan)(guan)(guan)道(dao)通到(dao)被(bei)测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)强(qiang)处。本(ben)(ben)(ben)文试(shi)(shi)验(yan)(yan)用(yong)管(guan)(guan)(guan)道(dao)长为(wei)(wei)1.3m,内径为(wei)(wei)0.9mm。常(chang)规测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)真(zhen)空规管(guan)(guan)(guan)管(guan)(guan)(guan)道(dao)是(shi)短而粗(cu),细长管(guan)(guan)(guan)道(dao)会带来一(yi)(yi)些问题。 (2) 风(feng)洞(dong)测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)强(qiang)是(shi)要测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)强(qiang)的(de)分布,即有多点(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)强(qiang)要测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang),本(ben)(ben)(ben)文设计(ji)之测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)点(dian)为(wei)(wei)32个点(dian)。本(ben)(ben)(ben)文就是(shi)研(yan)究细长管(guan)(guan)(guan)道(dao)及多点(dian)测(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)试(shi)(shi)的(de)方法。

1、真空计的选择

  在本(ben)文所述测(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)范围供(gong)风洞测(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空计(ji)(ji)有(you)薄膜真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空计(ji)(ji)、压(ya)阻计(ji)(ji)和石(shi)英(ying)真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空计(ji)(ji)可(ke)选择。薄膜计(ji)(ji)的(de)(de)精度高,但(dan)是(shi)探头(tou)体积大(da),不同(tong)厂家生产(chan)的(de)(de)探头(tou)的(de)(de)直(zhi)径(jing)不同(tong),大(da)约有(you)60mm。如果(guo)将32个探头(tou)装在一起,所占(zhan)空间太大(da),不方便。压(ya)阻计(ji)(ji)是(shi)采用绝压(ya)传感(gan)器的(de)(de)真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空计(ji)(ji),可(ke)测(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)0.1k Pa-100k Pa的(de)(de)压(ya)强(qiang)。在测(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)下限附近(jin)应该调(diao)(diao)节零点以(yi)(yi)减小(xiao)(xiao)测(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)误差。但(dan)是(shi)风洞测(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)中难以(yi)(yi)调(diao)(diao)节零点。石(shi)英(ying)真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空计(ji)(ji)的(de)(de)特点是(shi)传感(gan)器体积小(xiao)(xiao),测(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)精度比较(jiao)(jiao)高。比较(jiao)(jiao)起来(lai),石(shi)英(ying)真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空计(ji)(ji)还是(shi)合适的(de)(de)选择。本(ben)文所采用的(de)(de)真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空计(ji)(ji)就是(shi)石(shi)英(ying)真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空计(ji)(ji)。石(shi)英(ying)真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空计(ji)(ji)在测(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)大(da)于(yu)100Pa的(de)(de)压(ya)强(qiang),可(ke)以(yi)(yi)不加(jia)零点调(diao)(diao)节,误差仍小(xiao)(xiao)于(yu)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(yong)石(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)(ying)晶(jing)振(zhen)测量气体压强(qiang)(qiang)[1],该仪器可测10Pa到133Pa的压强(qiang)(qiang)。80年代M.Ono等人设(she)计(ji)了测量范围从13.3Pa到10Pa的石(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)(ying)真(zhen)(zhen)空(kong)计(ji)[2]。国内(nei)在90年代也有人研制了石(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)(ying)真(zhen)(zhen)空(kong)计(ji)[3],测量范围为0.1Pa—2×10Pa。目前已有石(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)(ying)真(zhen)(zhen)空(kong)计(ji)产品。例如:CC-10真(zhen)(zhen)空(kong)计(ji)[4],DL-10A型石(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)(ying)真(zhen)(zhen)空(kong)计(ji)[5]。本文所用(yong)真(zhen)(zhen)空(kong)计(ji)为DL-10A型石(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)(ying)真(zhen)(zhen)空(kong)计(ji)。测量范围为0.5Pa-10Pa,石(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)(ying)晶(jing)振(zhen)尺(chi)寸(cun)为3.2mm×1.5mm×0.8mm。晶(jing)振(zhen)标称频率是32.768k Hz,在小于8k Pa校准结果(guo)如下表1所示。

表1 石英真空计标定结(jie)果(guo)

石英真空计在风洞中的应用

  石(shi)英真空(kong)计的(de)工(gong)作原(yuan)理是石(shi)英晶振(zhen)在谐(xie)振(zhen)时电学(xue)阻(zu)抗与(yu)周围(wei)气(qi)体(ti)压(ya)强(qiang)(qiang)有关。DL-10A型(xing)真空(kong)计压(ya)强(qiang)(qiang)与(yu)阻(zu)抗的(de)关系(xi)如图1所示(shi):

石英真空计在风洞中的应用

图1 DL-10A晶(jing)振阻(zu)抗(kang)与压强的(de)关系

  图(tu)1中(zhong)坐标ΔZ是(shi)(shi)谐(xie)振(zhen)(zhen)阻(zu)抗(kang)Z与固(gu)有(you)(you)阻(zu)抗(kang)Z0之差。固(gu)有(you)(you)阻(zu)抗(kang)是(shi)(shi)压(ya)(ya)强(qiang)(qiang)(qiang)远小(xiao)于下限即小(xiao)于10Pa的阻(zu)抗(kang)。阻(zu)抗(kang)由晶(jing)(jing)振(zhen)(zhen)两(liang)端的电(dian)(dian)压(ya)(ya)及(ji)流(liu)过晶(jing)(jing)振(zhen)(zhen)的电(dian)(dian)流(liu)计算得出。阻(zu)抗(kang)由单片机(ji)换算成(cheng)压(ya)(ya)强(qiang)(qiang)(qiang)输出。风洞测(ce)(ce)(ce)量压(ya)(ya)强(qiang)(qiang)(qiang)是(shi)(shi)测(ce)(ce)(ce)32个位(wei)(wei)置的压(ya)(ya)强(qiang)(qiang)(qiang)值(zhi),有(you)(you)32个晶(jing)(jing)振(zhen)(zhen),安装在一(yi)个集(ji)成(cheng)机(ji)箱中(zhong),见图(tu)2。每(mei)路(lu)(lu)含一(yi)个晶(jing)(jing)振(zhen)(zhen),共32路(lu)(lu),经(jing)过32个气(qi)路(lu)(lu)接头,32根细(xi)长管(guan)道通向32处被测(ce)(ce)(ce)量压(ya)(ya)强(qiang)(qiang)(qiang)的位(wei)(wei)置。晶(jing)(jing)振(zhen)(zhen)测(ce)(ce)(ce)量电(dian)(dian)路(lu)(lu)将各路(lu)(lu)的电(dian)(dian)压(ya)(ya)及(ji)电(dian)(dian)流(liu)送到(dao)统一(yi)的主(zhu)控板,该主(zhu)控板存(cun)有(you)(you)32个不同位(wei)(wei)置的压(ya)(ya)强(qiang)(qiang)(qiang)值(zhi)。在风洞测(ce)(ce)(ce)量中(zhong),由于最低(di)测(ce)(ce)(ce)量压(ya)(ya)强(qiang)(qiang)(qiang)为100Pa,因而不需要零点调节。

石英真空计在风洞中的应用

图(tu)2 安装(zhuang)晶(jing)振的集成机箱

石英真空计在风洞中的应用

图3 采(cai)编(bian)电路原(yuan)理图

  微压测量系(xi)统数(shu)据(ju)采编(bian)电(dian)路(lu)的主要功能为:为传(chuan)感器提供(gong)12V、5V高(gao)精度电(dian)源;同(tong)步(bu)与32路(lu)传(chuan)感器进行(xing)SPI通(tong)讯,采集传(chuan)感器数(shu)据(ju);将传(chuan)感器数(shu)据(ju)打包编(bian)帧后经由(you)422总线(xian)发(fa)送至上位机(ji)。采编(bian)电(dian)路(lu)需要同(tong)时跟32路(lu)传(chuan)感器进行(xing)SPI通(tong)讯,任务非常(chang)(chang)繁(fan)重,常(chang)(chang)规MCU无法满足上述需求,为此选(xuan)择(ze)FPGA进行(xing)实(shi)现(xian)。FPGA管脚多,容(rong)易实(shi)现(xian)大规模系(xi)统,且各(ge)引脚不同(tong)逻辑可以并行(xing)执(zhi)行(xing),可同(tong)时处(chu)理不同(tong)任务。RS422通(tong)讯采用(yong)MAXIM公(gong)司的MAX490作为协议(yi)转换芯(xin)片。电(dian)路(lu)设(she)计(ji)过程中考虑到风洞实(shi)验段等低气(qi)压环境使(shi)用(yong),尽量避(bi)免使(shi)用(yong)电(dian)解(jie)电(dian)容(rong)等包含(han)封(feng)装气(qi)体(ti)的电(dian)子元器件(jian)。

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(kong)计的测量存(cun)在(zai)时间常数增大和精度下(xia)降的问题。下(xia)面分别(bie)进行讨(tao)论。

  3.1、细长管道使时间常数(shu)增大

  依据(ju)(ju)风洞实验测(ce)压(ya)过(guo)(guo)程(cheng),对细长管路建立细长管路抽(chou)气(qi)(qi)模型(xing)如图4所示(shi)(shi)。细长管路对气(qi)(qi)体的(de)(de)流(liu)(liu)(liu)(liu)动(dong)具有(you)一定(ding)的(de)(de)阻碍作用。反过(guo)(guo)来(lai)说它们(men)对气(qi)(qi)体的(de)(de)流(liu)(liu)(liu)(liu)动(dong)都有(you)一定(ding)的(de)(de)通导(dao)(dao)能力(li),这(zhei)种能力(li)称(cheng)之为流(liu)(liu)(liu)(liu)导(dao)(dao)。流(liu)(liu)(liu)(liu)导(dao)(dao)的(de)(de)大小说明(ming)在管路元(yuan)件两端的(de)(de)压(ya)强差一定(ding)的(de)(de)条(tiao)件下流(liu)(liu)(liu)(liu)经(jing)管路元(yuan)件的(de)(de)气(qi)(qi)流(liu)(liu)(liu)(liu)量的(de)(de)多少。气(qi)(qi)体在管道(dao)中(zhong)(zhong)的(de)(de)流(liu)(liu)(liu)(liu)动(dong)状态不同,管道(dao)的(de)(de)流(liu)(liu)(liu)(liu)导(dao)(dao)也不一样,也就是说,管道(dao)对气(qi)(qi)体的(de)(de)流(liu)(liu)(liu)(liu)导(dao)(dao)不仅取决于(yu)管道(dao)的(de)(de)几何形状和尺寸,还(hai)与管道(dao)中(zhong)(zhong)流(liu)(liu)(liu)(liu)动(dong)的(de)(de)气(qi)(qi)体种类和温度(du)、管道(dao)中(zhong)(zhong)气(qi)(qi)体的(de)(de)平均压(ya)力(li)有(you)关系(xi)。所以在计(ji)算管道(dao)对气(qi)(qi)体的(de)(de)流(liu)(liu)(liu)(liu)导(dao)(dao)时,首先必须判(pan)(pan)明(ming)管道(dao)中(zhong)(zhong)的(de)(de)气(qi)(qi)流(liu)(liu)(liu)(liu)是哪一种流(liu)(liu)(liu)(liu)动(dong)状态。详细估算方法如表(biao)2所示(shi)(shi)。依据(ju)(ju)上述判(pan)(pan)断原则,本课题所研究微压(ya)测(ce)量均为粘性流(liu)(liu)(liu)(liu)范(fan)畴。

石英真空计在风洞中的应用

图(tu)4 细长管路抽气(qi)模型(xing)

表2 真空系统的流体流动状态(tai)

石英真空计在风洞中的应用

  粘性流,圆管时(shi),有流导

石英真空计在风洞中的应用

  式中:S———流导,m/s;

  ———管内平(ping)均压力,Pa;

  R———通用气体常(chang)数R=8.31KJ/ (kmol·K);

  T———绝对温(wen)度(du),K;

  M———气体分(fen)子量,kg/kmol;

  L———管长与管件的当量长度(du)之和(he),m;

  D———管内长直径,m;

  μ———黏(nian)度,Pa·s。

  可见流导(dao)与管(guan)(guan)路(lu)(lu)直径D四次方成正(zheng)比(bi),与长度(du)成反比(bi),与平均压力成正(zheng)比(bi)。因此,风洞测(ce)压实验中管(guan)(guan)径过细,管(guan)(guan)路(lu)(lu)过长,被测(ce)压力较(jiao)低,均会(hui)导(dao)致管(guan)(guan)路(lu)(lu)流导(dao)增加,管(guan)(guan)路(lu)(lu)抽速降低,从而影响(xiang)测(ce)压系统的(de)响(xiang)应时(shi)间及测(ce)量(liang)精度(du)。

  为(wei)研究细(xi)长管道影响,搭建测试(shi)装(zhuang)置如(ru)图5所示:

石英真空计在风洞中的应用

图5 带细长管道的DL-10A性能测试(shi)装置

  DL-10A的指示压强为P0,管道口的压强为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,管内直径0.9mm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(shi)(shi)的(de)(de)压强(qiang)(qiang)值(zhi),t0=V/C可称(cheng)为时(shi)(shi)间(jian)(jian)(jian)常数,它是压强(qiang)(qiang)降为原值(zhi)的(de)(de)1/e所(suo)需的(de)(de)时(shi)(shi)间(jian)(jian)(jian),用它可估计(ji)规(gui)管处压强(qiang)(qiang)随时(shi)(shi)间(jian)(jian)(jian)变化的(de)(de)快(kuai)慢。式中V为规(gui)管的(de)(de)体(ti)积,C为经过(guo)管道后对规(gui)管的(de)(de)有效抽(chou)速(su)。

  风洞工作时(shi),试(shi)验段首先由(you)引(yin)射器抽(chou)吸至3000Pa,此时(shi)模型测压(ya)点压(ya)力为(wei)(wei)(wei)试(shi)验段压(ya)力。待流场建立后,攻角机构将模型投放,此时(shi)压(ya)力为(wei)(wei)(wei)被测压(ya)力。为(wei)(wei)(wei)模拟工作状态,本文首先将图(tu)5所(suo)示真(zhen)空(kong)腔压(ya)力调整为(wei)(wei)(wei)3000Pa,然后快速开(kai)启真(zhen)空(kong)泵将真(zhen)空(kong)腔抽(chou)吸至250Pa,从而获取接(jie)入细长管(guan)路(lu)的微压(ya)系统(tong)响应特性 (见图(tu)6) 。实验测得管(guan)道(dao)直径0.9mm,长度(du)为(wei)(wei)(wei)1.5m时(shi)的t0值为(wei)(wei)(wei)40秒(miao)。如果管(guan)道(dao)长度(du)减(jian)小到15cm,直径仍为(wei)(wei)(wei)0.9mm,测得250Pa压(ya)强时(shi)的t0值为(wei)(wei)(wei)15秒(miao)。

石英真空计在风洞中的应用

图6 接入细长管道的微压(ya)测量系统(tong)响应曲线(xian)

  3.2、接入细长管道的系统(tong)测量精度标定

  调整图5所示(shi)测(ce)试系(xi)统真(zhen)空(kong)腔压(ya)(ya)力至(zhi)表3所示(shi)各标准值,经过长(zhang)时(shi)(shi)间稳定后,读(du)取微(wei)压(ya)(ya)测(ce)量(liang)(liang)系(xi)统结果,从而(er)检测(ce)微(wei)压(ya)(ya)测(ce)量(liang)(liang)系(xi)统压(ya)(ya)力测(ce)量(liang)(liang)误(wu)差(cha)。试验时(shi)(shi)发现,当使(shi)用真(zhen)空(kong)计出厂原始(shi)参数(shu)时(shi)(shi),接(jie)入细(xi)长(zhang)管(guan)道后在(zai)低于(yu)300Pa测(ce)量(liang)(liang)时(shi)(shi)会引起较(jiao)大误(wu)差(cha),但不(bu)使(shi)用细(xi)长(zhang)管(guan)道时(shi)(shi)误(wu)差(cha)均(jun)在(zai)许可范围内。经分析(xi),石英真(zhen)空(kong)计是利(li)用晶体在(zai)介质(zhi)环境下振荡的(de)(de)特性工作(zuo),介质(zhi)成分的(de)(de)改变会产(chan)生较(jiao)大误(wu)差(cha)。由于(yu)真(zhen)空(kong)腔经由细(xi)长(zhang)管(guan)道后,抽吸效果变弱(ruo),传(chuan)感(gan)器腔体释(shi)放的(de)(de)气体占比较(jiao)大,改变了介质(zhi)环境。为此,我们在(zai)细(xi)长(zhang)管(guan)道条(tiao)件(jian)下对各个传(chuan)感(gan)器原始(shi)参数(shu)进行了重新测(ce)取,并载入微(wei)压(ya)(ya)测(ce)量(liang)(liang)系(xi)统。使(shi)用新的(de)(de)原始(shi)参数(shu)的(de)(de)微(wei)压(ya)(ya)测(ce)量(liang)(liang)系(xi)统标定结果如表3所示(shi),误(wu)差(cha)均(jun)在(zai)测(ce)量(liang)(liang)值的(de)(de)15%以内。

表3 微(wei)压测(ce)(ce)量系统标(biao)定结果(guo) (误(wu)差均为相对于测(ce)(ce)量值的百分比)

石英真空计在风洞中的应用

4、风洞试验及试验结果

  4.1、试验设备

  试验研究工(gong)作在中国航(hang)天空气(qi)动(dong)力(li)技(ji)术研究院的(de)(de)FD-07常规高超声速风洞(dong)中完成的(de)(de),该风洞(dong)是暂冲、吹引(yin)、自由射流式高超声速风洞(dong),以空气(qi)为(wei)工(gong)作介质,目(mu)前运行(xing)的(de)(de)Ma数(shu)范围为(wei)4~10,采用更换喷管的(de)(de)方法改变Ma数(shu)。

  4.2、试(shi)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(feng)洞测压试验示意图

表4 试验状态和流场参数

石英真空计在风洞中的应用

  风洞测(ce)(ce)(ce)压(ya)试(shi)验结果(guo)如图(tu)8、表(biao)(biao)4、表(biao)(biao)5所示。图(tu)8为第29通道实测(ce)(ce)(ce)数据,在风洞运行(xing)时长可承受范围内,经过细长管道的压(ya)力可以达(da)到接近平(ping)衡(heng)状态。表(biao)(biao)4、表(biao)(biao)5为不同马赫数条件下,φ=90°母线和(he)(he)φ=270°母线上的测(ce)(ce)(ce)压(ya)结果(guo)。由于(yu)模(mo)型为轴对(dui)称(cheng)外形,固φ=90°与φ=270°理论压(ya)强(qiang)(qiang)应该保持一致。可以看(kan)出,测(ce)(ce)(ce)得压(ya)强(qiang)(qiang)介于(yu)300Pa和(he)(he)800Pa之间,两条母线上测(ce)(ce)(ce)点(dian)压(ya)强(qiang)(qiang)对(dui)称(cheng)性较好,且(qie)相差在15%以内。

石英真空计在风洞中的应用

图(tu)8 Ma8风洞测压数据

表4 Ma5,不(bu)同攻角(jiao)下测得的压强

石英真空计在风洞中的应用

表5 Ma8,不同(tong)攻角下(xia)测得的压(ya)强(qiang)

石英真空计在风洞中的应用

5、小结

  石英(ying)真(zhen)空传感器用(yong)于风(feng)洞(dong)实验(yan)具有体积小,测量(liang)精度高(gao)的特(te)点。应用(yong)于风(feng)洞(dong)中测压强,规管要通(tong)过细长管道(dao)通(tong)向被(bei)测压强处。

  (1) 经过细(xi)长管(guan)道(dao)后,时间(jian)常(chang)数(shu)增大(da),已接近(jin)风(feng)洞部分(fen)状态的(de)使用极(ji)限(xian),但仍处于可接受范围内,后续模型设计(ji)中应尽力减小(xiao)管(guan)道(dao)长度(du),增加管(guan)道(dao)内径。

  (2) 基(ji)于石(shi)英真空计的微小(xiao)压力测(ce)量系统(tong)精度可达测(ce)量值15%以(yi)上,可用于常规高(gao)超声速风洞(dong)微小(xiao)压力测(ce)量试验。

  通过优(you)化电(dian)路结构,有望进一步(bu)大幅减小(xiao)传感器体积,在1.2米量级风洞设备中直接将传感器安(an)装至模型(xing)内部。这将极大程度(du)减小(xiao)测(ce)压(ya)管路长度(du),降低压(ya)力响(xiang)应时间,提高测(ce)量精度(du),可以作为后续深入研究的(de)方向(xiang)。

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(liu)斌,徐电,王新中,等.石(shi)英晶振(zhen)传感(gan)器及(ji)真空(kong)计的(de)研制(zhi)[J].真空(kong)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2014,7,51 (4) 35-37

  [6]刘吴月(yue),张慰,孙(sun)日明(ming),等.基于石英真空计的常规超(chao)高声速风洞微小(xiao)压力(li)测(ce)试系(xi)统研制[C].杭州(zhou),第十八届全国高超(chao)声速气动力(li)/热(re)学术(shu)交流会(hui),2016年(nian)11月(yue),P.223.