发动机高模试车真空计在线校准系统的搭建

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　　摘  要：为解决航天企业在液体火箭发动机高模试车过程中对真空计校准的需求，采用静态比较法，搭建了一套真空计在线校准系统。详细介绍了阀门、管路、设备的组成与测控系统的设计。系统的软件部分采用NI公司的LabVIEW编程语言进行创建，实现了数据的采集与处理，具有人机交互界面设计美观、操作方便的优点，提高了测试系统的自动化水平。通过对10 Torr、2 Torr、1 Torr的真空计进行调零，可进一步提高真空计的测量精度。
　　关键词：发动机高模试车;真空计;校准系统
　　中图分类号：TB77          文献标志码：A         文章编号：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
　　随着国内外真空应用产业的飞速发展，真空测量技术在航空、航天、核、船舶、电子、光学、医学、石油等領域应用广泛[1]。绝大多数国家的计量中心已陆续建立了真空计校准装置，主要采用的方法有比较法、静态膨胀法及动态流量法[2]。比较法采用磁悬浮转子真空计（SRG）、电容薄膜真空计（CDG）作为参考标准，通过被校标准真空计与参考标准测量校准室的压力来实现校准，校准范围一般为10-4～105Pa[3]。静态膨胀法的原理是基于Boyle-Mariotte理想气体定律，气体由取样室的小体积向校准室的大体积膨胀，气体压力由低真空范围内的值下降到高真空范围内的值，校准范围通常为10-4～103Pa[4]。动态流量法通过流量计提供标准流量，在分子流状态下采用已知流导的小孔连续膨胀衰减压力，校准范围可为10-7～10-2Pa[5]。
　　真空舱压力作为航天企业完成液体火箭发动机高模试车的一个重要指标，为了保证真空测量的可靠性，需要定期对真空计进行校准。在进行发动机高模试车过程中，真空计往往无法送校。此外，分批送校的周期长、工作量大，还会影响试车进度。因此，在航天企业内部建立一套真空校准系统的需求迫在眉睫。本文设计了一套液体火箭发动机高模试车真空计在线校准系统，不但很好地完成了阀门、管路、设备的搭建，而且基于虚拟仪器技术，将传统的由硬件操作实现的功能通过软件来完成，使测试系统的自动化水平及精度均得到了大幅度提高。同时，人机交互界面设计美观、操作方便，保证了发动机高模试车的顺利进行。
　　1 真空计在线校准系统总体设计
　　真空计校准系统的设计应满足以下要求：校准室的体积应不小于接在系统中的所有规管体积之和的20倍;校准室的表面积与体积数值的比值尽量要小;气体（99.99%的高纯氮气）分子在进入规管的工作区前应与校准室管壁碰撞一次以上;校准室上所有规管之间的压力、温度波动范围应尽可能小，不引起明显的测量误差;规管连接管的流导应大于或等于规管解吸速率或吸附速率的100倍;系统的极限压力应小于最低校准压力的2%[6]。根据这些要求，针对液体火箭发动机高模试车台设计出一套真空计在线校准系统，原理图如图1所示。
　　真空泵由天津乐清华宝真空电气有限公司生产，D8C单相220V，频率50Hz;电磁阀由上海阀门二厂有限公司生产，型号为GDC-Q5;真空计由美国Setra公司生产，型号为Setra744;高真空微调阀由上海阀门二厂有限公司生产，型号为GW-J-T;球阀由宁波星箭航天机械有限公司生产。
　　2 真空计在线校准系统管路阀门设计
　　校准室的形状为球形，一端连接着真空泵，另一端连接着一个储气箱，之间分别连接一个电磁阀和旋拧阀。四个阀门，分为两组，分别控制进气和抽气。校准室的两边分别连接一个标准真空计、若干被检真空计，一条支管路上最多可连接两个真空计。理论上只要增加连接管路，被检真空计可无限增加，但在实际应用过程中，从校验精度及安全性角度考虑，连接管路不宜过长，被检真空计数量不应大于四个。 　　两个电磁阀通过PLC控制可以自动控制进气和抽气，使校验过程自动化。两个旋拧阀可以作为备用系统，当电磁阀发生问题时，可以通过手动调整旋拧阀达到可控范围内的进气和抽气。电磁阀处于正常工作状态时，旋拧阀处于常开状态，不影响校准的精度。
　　校准室体积为8L，储气箱体积为15L，其余所有管路孔直径为14mm，长度为15cm，该管路共有四根，连接处体积可忽略不计。所有材料均为不锈钢材质，密封性能良好。
　　3 真空计在线校准系统硬件设计
　　测控系统硬件由两部分组成：控制系统、测量系统。
　　控制系统由一台控制计算机及两个电磁阀组成。控制计算机通过PLC对电磁阀的开关进行控制。在每次校验真空计前，根据校验的量程和台阶值编写出对应的时序。抽/进气电磁阀开启时间的长短决定了抽/进气量的多少，通过不断地控制这两个电磁阀，使得校准室内的真空度保持在需要校验的量程范围之内。
　　测量系统由一台采集计算机、一个NI USB-6009便携USB总线采集器组成。
　　其中，NI USB-6009便携USB总线采集器是由NI公司出品的一款高性价比的USB数据采集设备，单通道采样速率可以达到48 KS/s，单端采集模式下八个模拟信号输入[7]。该系统采用差分输入方式，虽然测量通道仅有四个，但是测量精度高，每0.1ms采样一次，既满足了采样精度，又可实现长时间采集。
　　4 真空计在线校准系统软件设计
　　基于NI公司的LabVIEW平台，根据不同的需求，真空计在线校准系统的软件设计部分由数据采集、数据处理组成。数据采集及处理程序框图中的采集与处理流程如图2所示。
　　4.1 数据采集软件设计
　　数据采集软件可以实现实时监视、自动采集、手动采集，所有模块均能对四个真空计通道（Pcv1、Pcv2、Pcv3、Pcv4）同时进行采集，人机交互界面设计美观、操作简易，界面如图3所示。
　　 所有需要测量的参数均可在参数表格中填写，对于需要校准的量程范围内的台阶值可以进行修改，自动采集和手动采集间切换方便，同时可保持实时监视。“继续”按键可在不退出主程序的情况下，对采集到的程序进行回放和处理，不需要重新打开数据处理程序，既能提高效率，又能节约时间。
　　数据采集程序可以自动判断当前校准室的真空度，从而决定是否要选择记录数据，采取这样的方式可有效减少数据量，只需采集记录被校量程台阶附近的数值即可。该采集程序也未对采集时间作出硬性规定，这样可以避免在真空度还没有稳定的情况下就冒然进行采集。校准时选取三个循环（每个循环上下各六个台阶值），使之能正确地反映出真空计的线性误差及重复性误差。
　　4.2 数据处理软件设计
　　数据处理软件（前面板见图4），可对采集到的数据实现回放查看及计算处理。采集数据程序所记录数据的类型为文本格式，一旦校验过程中数据出现明显异常，可以打开文本文件，搜索出异常数据段，对其进行手动删除后保存。这样做的最大优点是：无需重新校验，只要对异常数据进行剔除，快速且准确。
　　在数据处理软件中，不但给出了所有数据的数值，而且给出了数据波形图。通过移动数据波形图中的两根游标，可以任意选定想要区域的数据，读出平均值及实时值。
　　5 真空计校准方法
　　该系统采用静态比较的真空校准方法，主要步骤为：
　　（1）连接校准系统，检查硬件连接部分气密情况，判断软件部分信号数据采集是否正常，并将标准真空计和被校验真空计连接到系统上进行预热。
　　（2）调节校准室压强，根据从低到高的压强顺序，缓慢调节进气阀，得到较为稳定的校准压强。
　　（3）在被校验测量范围中，每个量程选择三个校准点。若非线性较大，应选择详细的校准点。
　　（4）逐一记录每个压强校准点的标准示值与比对的被检真空计示值。
　　（5）处理采集到的数据，计算被检真空计的斜率、截距及误差，出具相关的数据报告。
　　6 不同量程真空计调零
　　6.1 10 Torr真空计调零
　　调零前后，标准真空计与10 Torr（1333Pa）被检真空计对比波形图如图5所示。
　　（a）调零前
　　（b）调零后
　　图5 标准真空计与10Torr真空计对比波形图
　　 由图5可以很明显地看出，调零前，当校准室被抽到极限真空后，量程为10Torr的真空计显示值已小于0Pa，说明真空计零位发生了偏离。调节真空计的零位旋扭，使之在平稳的真空环境下与标准真空计所测得的真空度相同。调零后，达到标准真空计量程（1Torr）后，10Torr真空计与标准真空计所示的真空度几乎一致，两者差值仅在0.5Pa之内。
　　6.2 2Torr真空计调零
　　调零前后，标准真空计与2Torr（266.6Pa）被检真空计对比波形图见图6。
　　由图6可知，调零前，2 Torr真空计与标准真空计间始终存在50～60 Pa的差值。对量程为2 Torr的真空计进行调零，虽然效果不及10 Torr的真空计明显，但与标准真空计差值也缩小到了2～10 Pa范围内。
　　6.3 1Torr真空计调零
　　调零前后，标准真空计与1 Torr（133.3 Pa）被检真空计对比波形图如图7所示。
　　从图7可得，调零前，1 Torr真空计与标准真空计间一直存在着20～30 Pa的差值，采取同样的方法对量程为1 Torr的真空计手动调零，两者间的差值显著缩小。通过调零，可较大幅度提高真空计的测量精度。若按预先设计的方案再进行校准，精度将更高，校准过程将更加自动化。
　　 7 结论
　　研制的发动机高模试车真空计在线校准系统采用了静态比较法进行校准。完成的阀门、管路、设备设计部分，主要由校准室、进气系统、抽气系统组成。通过采集器，将模拟输出的标准电压信号采集后转化为相应的真空度。基于NI公司的LabVIEW平台，编写了数据采集及处理软件。数据采集软件可以实现实时监视、自动采集、手动采集，所有模块均能对真空计通道同时进行采集，人机交互界面设计美观、操作简易。数据处理软件可对采集到的数据实现回放查看及计算处理，在界面中既给出了所有数据的数值，又给出了数据波形图。对10 Torr、2 Torr、1 Torr的真空计进行调零，进一步提高了真空计的测量精度。该套在线校准系统的建立，为真空计的周期校准提供了理论依据与实验基础，较好地解决了发动机高模试车过程中真空计校准的难题。
　　参考文献：
　　[1]习振华，李得天，成永军，等.快速动态真空校准装置的研制[J].仪器仪表学报，2019，40（4）：43-53.
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　　[3]卢耀文，陈旭，李得天，等.便携式真空计校准装置[J].真空科学与技术学报，2013，33（5）：462-467.
　　[4]HONG S S， KIM J T， SHIN Y H， et al. Development of an in situ vacuum gauge calibration system[J]. Measurement Science and Technology， 2008，19（1）：015-102.
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　　[6]LI D T， CHENG Y J， FENG Y， et al. Very low gas flow measurements for UHV/XHV and leak calibration[J]. Metrological， 2013，50（1）：15-19.
　　[7]徐曉玲，余佼，张明辉，等.基于LabVIEW的传感器虚拟综合实验系统设计[J].实验技术与管理，2019，36（2）：134-140.
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