某型发动机试车台气体压力扫描阀现场校准方法研究

近年来,随着多点压力测量需求和要求的不断提高,越来越多的高准确度压力扫描阀被应用于型号科研试飞中。我院某型发动机试车台上安装的气体压力扫描阀是测量某重点型号发动机气体压力参数的重要测量设备,该压力扫描阀属于进口专用测试设备,目前国内尚无压力扫描阀的校准规范,因此,压力扫描阀自安装到该试车台上之后,一直无法进行有效的量值溯源。

      由于压力扫描阀相关配套设备及附件较多,拆卸困难且耗时费力,因此,急需开展压力扫描阀的现场校准方法研究。

      1 压力扫描阀工作原理及技术要求

      该气体压力扫描阀是一个由16个带温度补偿功能的压阻式压力传感器、一个16位A/D转换器及一个微处理器集成而成的数字传感器阵列压力测试模块(DSA模块)。其与计算机之间通过以太网实现数据传输,在计算机上通过软件直接可以显示16个通道的测量压力值。

      在测试状态时,阀体内部16个压力传感器与压力扫描阀面板上的16个测压接口相连接,可以进行16通道的压力测量;在校准状态时,可以通过在扫描阀面板上的CTL1接口和CTL2接口上加载规定的推阀压力,从而控制阀体内部压力开关的通断,实现测试状态与校准状态的切换;之后再通过在扫描面板上的CAL接口加载标准压力,即可开展16个通道的快速校准。

      该气体压力扫描阀的温度补偿范围为(0 ~ 60)℃，根据某型发动机的测试要求,扫描阀的测量准确度达到0.1%即可满足某大型试验的技术要求。

      2   现场校准方案设计及实施

      2.1测量原理

      由压力扫描阀的工作原理可以看出,压力扫描阀的校准可参考JJG875 - 2005《数字压力计检定规程》,采用直接测量法进行校准。

      校准时,可以分别在16个通道上加载标准压力进行单通道校准,也可以通过面板上的CTL1、CTL2推阀接口及CAL校准接口进行16通道的快速校准。

      2.2测 量误差来源分析

      一般情况下(即实验室校准),压力扫描阀各通道在各测量点的测量误差为:

      ΔP=P_被-P_标准   (1)

      但在现场校准中，由于环境温度不可控制,当外界温度超出压力扫描阀或标准器的使用温度范围时,将会对测量结果带来影响;此外，由于压力扫描阀不可拆卸,受作业空间限制，当压力扫描阀最上排测压通道中心位置与标准器参考平面之间的垂直高度差超过一定范围时，其引人的误差也会对测量结果带来较大的影响。因此,现场校准时,压力扫描阀的测量误差应考虑温度和高度差的修正量,则压力扫描阀现场校准时各通道在各校准点的测量误差为:

      ΔP=P_被一P_标准+P_修正 (2)

      P_修正=P_高度+P_温度      (3)

      温度对测量误差的影响主要体现在其对压力扫描阀本身的影响和对压力标准器的影响。该气体压力扫描阀的温度补偿范围为(0~60)℃。在本地区,如果避开冬季,则在现场校准环境下，环境温度一般不 会超过此温度范围，因此只需考虑温度对标准器的影响。由于各标准器温度补偿范围各不相同,因此在选择标准器时需要慎重。

      由以上分析可见,在现场校准中,最为关键的是需要选择合理的标准器并关注高度差对测量结果的影响。

      2.3压力标准器的选择

      实验室校准时,压力标准器的选择主要遵循覆盖被校测量设备的测量范围及满足--定的量传关系比这两个原则;但在现场校准时,除考虑以上两个原则外,还需要考虑标准器的温度补偿范围。考虑到外界温度不可控，因此需要选择温度补偿范围较宽的标准器。本实验室有0. 02级数字压力表和0.01级数字压力控制器,均能覆盖被校压力扫描阀的测量范围并满足量传关系比,但数字压力表的温度补偿范围(20 +5)℃,而数字压力控制器的温度补偿范围为(10 ~40)℃,因此，选择0.01级数字压力控制器作为压力标准器。

      2.4高度差影响分析

      2.4.1高度差修正方法研究

      一般情况下,在实验室内对气体介质的被校压力测量设备进行校准时,由于被校压力测量设备的感压点与压力标准器参考平面之间的垂直高度可控在很小的范围内,因此高度差引人的误差可忽略不计,所以不需要对高度差引人的误差进行修正。但在现场校准中,由于被校压力扫描阀不可拆卸且其安装在离最近工作平台垂直距离约为1.3米的侧墙墙壁上,并且开展现场校准的作业空间狭小,无法将高度差控制在很小的范围内,因此需要进行高度差的修正。

      由于气体具有可压缩性，因此在进行高度差修正时，必须考虑不同检定点介质密度的变化。对于氮气密度可采用公式(4)进行计算,高度差按照公式(5)进行计算:

      考虑到压力扫描阀通道较多(8排16个通道,每排2个测压通道)、每排测压通道与标准器参考位置之间的垂直高度各不相同,并且校准点较多的现状,因此需要寻找一种方法,以避免繁琐耗时的修正工作。

2.4.2合理高度范围的确定

      JJG875-2005《数字压力计检定规程》中规定,当高度差引人的误差达到被校测量设备允许误差的1/10时，则需进行高度差修正,否则可以忽略不计。

      参照以上规定,对于0.1% FS的压力扫描阀而言,如果其由高度差带来的相对误差小于压力扫描阀允许误差的1/10(即0.01%)时即可忽略,从而就可以避免繁琐的修正工作。

      基于以上高度差的修正原则，在某- -环境条件下(外界温度23℃,大气压96. 5kPa) ,通过对0. 1级测量范围为(0 ~ 600)psi的一只压力扫描阀在不同校准点进行计算并分析。

       由图1中可以看出,在同-高度下，高度引入的误差随着测量压力的增大而增大。如果要使每一个测量点因高度引入的误差均小于扫描阀测量误差的1/10( 即0.01%)时,必须以扫描阀的测量上限(即最大压力)确定极限高度。

       通过分析并推导,得到极限高度的计算公式:

       通过公式(6)、(7)、(8)可计算并得到极限高度，由极限高度可确定出该测量范围压力扫描阀的合理高度范围。经计算,该只压力扫描阀的极限高度为0. 87m,合理高度范围为(0 ~0.87)m。即在该环境条件下，如果将数字压力控制器的参考位置与压力扫描阀最上排测压通道的中心位置之间的垂直距离控制在合理的高度范围之内,那么，所有测压通道在各个校准点均不需要进行高度差的修正了。

       2.校准系统搭建

       按照图2进行校准系统搭建。采用0.01级数字压力控制器作为标准器,将其与压力扫描阀面板上的CAL校准口连接;使用氮气瓶作为推阀气源,将该氮气瓶减压阀出口与压力扫描阀面板上的CTL1、CTL2推阀接口连接,之后打开氮气瓶开关,将减压阀的出口压力设置为规定的推阀压力值(输人压力小于500psi时,推阀压力为90psi ;输人压力大于500psi时,推阀压力为120 psi)。在此需要注意的是,需将实际高度控制在合理的高度范围之内。

       2.6测量方法及结果的处理

       准确度为0.1级的压力扫描阀,校准点不得少于5个,所选取的点应均匀分布在全量程范围内;校准循环次数(升压、降压为一个循环次数)为1次。

       校准工作结束后计算每个校准点的平均值y及扩展不确定U,给出每点的最终校准结果y土U。

       由于本次现场校准工作将高度差控制在了极限高度.范围以内,因此由高度引起的误差可以忽略不计,所以不需要对压力扫描阀各校准点的测量值进行高度差的修正,但该项误差需计算在测量不确定度之中。

      3 方法合理性验证

      3. 1验证方法

      采用测量不确定度法进行方法合理性的验证。

      3. 2测量不确定度评定

      Δp=P_被-P_标      (6)

     式中:Δp——被校压力扫描阀示值误差,单位kPa;

      P_被——被校压力扫描阀示值,单位kPa;

      P_标——标准器的压力值,单位kPa。

      由测量模型可得灵敏度:

     3.2.2测量不确定度来源分析

     (1)被校压力扫描阀示值重复性引入的不确定度u_A;

     (2)被校压力扫描阀分辨率引人的不确定度u_B;

     (3)数字压力控制器引人的不确定度u_B2;

     (4)环境温度引人的不确定度u_B3;

     (5)高度差引入的不确定度u_B4

    3.2.3测量不确定度评定示例

     以准确度等级为0.1级、测量范围为(0 ~ 600) psi(1psi =6. 894kPa)的压力扫描阀为例进行测量不确定度的评定。

     分析该压力扫描阀的测量数据,发现该压力扫描阀各通道在不同压力点的数据重复性均较好,考虑到压力扫描阀面板最上一排的两个测 压通道距离数字压力控制器参考位置的垂直距离最大,因此计算该排通道中的一个通道在满量程测量点(即4136kPa)处的测量结果不确定度。

     如果该点评定出来的测量不确定度小于该压力扫描阀允许误差的1/3 ,即可证明该方法合理有效。

    3.2.3.1标准不确定度的评定

     (1)被校压力扫描阀示值重复性引入的不确定度uA在4136kPa点处重复测量10次: 4135. 3kPa,4135.2kPa,4135.2kPa，4135.4kPa,4135.2kPa,4135.3kPa,4135.2kPa,4135.3kPa,4135.2kPa,4135.4kPa。

     样本平均值为:

     用贝赛尔公式计算单次测量不确定度为(n= 10):

       由于在实际工作中,对压力扫描阀只校准一个循环，所以每个测量点有2个测量数据,测量点的测量值y以2个数据平均值的方式给出,因此被校压力扫描阀的示值重复性引人的不确定度u_A为:

式中；m=2。

      (2)被校压力扫描阀分辨率引入的不确定度U_B1

      该压力扫描阀分辨率为0.1kPa,依据CNAS - TRL-003 :2015《校准和测量能力(CMC)的评定与实例》4.4.1.4条中的相关规定,仪器分辨率引人的不确定度服从均匀分布，则u_B1为:

      (3)数字压力控制器引人的不确定度u_B2

      0.01% FS数字压力控制器(0 ~ 7)MPa引人的不确定度为U=0.7kPa,按均匀分布估计, k=√3,其引人的不确定度u_B2为:

      (4)环境温度引入的不确定度U_B3

      现场校准时的实际环境温度约为23℃,该温度在压力扫描阀和数字压力控制器规定的温区范围内，因此环境温度对压力扫描阀和数字压力控制器引人的不确定度均可以忽略不计,即:u_B3≈0

      (5)高度差引入的不确定度u_B4

      校准该压力扫描阀时的环境温度为约为23℃,相对湿度59% ,大气压力96.5 kPa,数字压力控制器参考位置与该测压通道中心位置的垂直距离为53cm,本地重力加速度9. 7948m/s² :

    3.2.3.2合成标准不确定度u_c

    3.2.3.3扩展不确定度U

     U=2u_c=0.9kPa=0.14psi,k=2

    3.3 验证结论

    0.1级(0~600)psi压力扫描阀的测量允许误差为0.6psi, 而评定得出的测量不确定度U为0. 14 psi,小于该压力扫描阀测量允许误差的1/3, 说明该测量方法合理有效。

    4 结束语

    从压力扫描阀现场校准方法研究过程可以看出:

    (1)该气体压力扫描阀的校准可以借助阀体面板上的校准接口,采用16通道的快速校准方式进行校准;

    (2)在对气体压力扫描阀进行现场校准时,应慎重选择压力标准装置。在主标准器满足标准器选择的两个基本原则的前提下,应选择温度补偿区间较宽的主标准器;

    (3)现场校准如果受作业场地和作业空间的限制，那么必须考虑高度差对测量结果的影响。此时,可采用将压力扫描阀最上排测压通道的中心位置与标准器参考位置之间的垂直距离控制在合理的高度范围之内,即可以避免繁琐的修正工作。

     通过该方法的研究,不仅成功解决了某型发动机试车台气体压力扫描阀无法进行现场校准的难题,有效确保了某重点型号发动机重大地面试验测量数据的准确可靠,而且该方法对科研试飞现场其它气体压力测量设备的现场校准工作也具有-定的技术指导意义。