本發(fā)明屬于風(fēng)洞試驗(yàn)，具體涉及一種負(fù)壓工況下壓力傳感器初讀數(shù)高精度標(biāo)定裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、風(fēng)洞是一種量度流體對(duì)物體作用并觀察其物理現(xiàn)象的管道試驗(yàn)設(shè)備，通過在風(fēng)洞運(yùn)行與流場(chǎng)控制系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度下驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生近似真實(shí)條件氣流，控制模型支撐機(jī)構(gòu)精確運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而測(cè)得模型不同姿態(tài)下的氣動(dòng)特性參數(shù)，為飛行器空氣動(dòng)力特性預(yù)測(cè)研究以及飛行器成功研制提供重要保障。風(fēng)洞是對(duì)飛行器外形設(shè)計(jì)進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要設(shè)備，它是進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)最常用、最有效的工具之一，它在飛行器研制方面起著決定性的作用。風(fēng)洞流場(chǎng)的精準(zhǔn)控制和模型氣動(dòng)參數(shù)的精確測(cè)量都依賴于高精度的壓力傳感器提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

2、馬赫數(shù)（mach?number）作為衡量風(fēng)洞流場(chǎng)指標(biāo)水平最重要參數(shù)而被關(guān)注。亞跨聲速時(shí)，用試驗(yàn)段中心軸向探測(cè)管總壓和靜壓（為方便流場(chǎng)調(diào)節(jié)，通常取駐室側(cè)壁某參考點(diǎn)靜壓代替軸向探測(cè)管上的靜壓），按下面等熵公式計(jì)算 ma數(shù)：

3、????????????????（式1）

4、其中 ma為馬赫數(shù)； p0為穩(wěn)定段總壓； p ct為駐室靜壓

5、在上世紀(jì)70年代，nasa發(fā)布了一項(xiàng)基于對(duì)廣大風(fēng)洞客戶的問卷調(diào)查結(jié)果而形成的流場(chǎng)品質(zhì)指標(biāo)被空軍和海軍引用，其對(duì) ma數(shù)精度的要求為單點(diǎn) ma數(shù)精度滿足±0.001。

6、由式1計(jì)算，以下是一組計(jì)算數(shù)據(jù)：

7、表1 ma偏差對(duì)總靜壓傳感器測(cè)量偏差的要求

8、

9、表1中的計(jì)算結(jié)果表明，要滿足單點(diǎn) ma數(shù)優(yōu)于±0.001這一指標(biāo)，隨著總壓降低，其對(duì)總壓、靜壓的精度要求更高，當(dāng)總壓為10kpa時(shí)，靜壓偏差優(yōu)于±0.006kpa時(shí)， ma數(shù)偏差為±0.00106。

10、由于傳感器的精度為x%fs（full?scale，滿量程），在x%一致的情況下，不同量程的壓力傳感器，其實(shí)際測(cè)量精度也不同，通常同一類型傳感器量程越大，其對(duì)應(yīng)的絕對(duì)誤差越大。因此，為滿足不同試驗(yàn)工況需要，提高壓力控制、測(cè)量精度，風(fēng)洞通常將壓力傳感器按照量程不同配置高、中、低三檔，試驗(yàn)中根據(jù)風(fēng)洞運(yùn)行壓力不同而匹配最佳量程壓力傳感器。

11、由于系統(tǒng)偏差的存在，參與風(fēng)洞試驗(yàn)的多組、多支壓力傳感器在相同環(huán)境壓力下的輸出值存在差異。為消除傳感器間差異，在風(fēng)洞試驗(yàn)過程中通常采用參與試驗(yàn)的多支壓力傳感器同時(shí)采集初讀數(shù)的方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，以消除設(shè)備間系統(tǒng)偏差。其具體方法如下：

12、（1）試驗(yàn)前在大氣壓力環(huán)境下，以大氣壓力值為參考基準(zhǔn)，獲得各支傳感器反饋值與大氣壓力傳感器的偏差值，

13、即δpx=psnrx/t0-pa，

14、則px/t0?=?psnrx/t0-δpx=?pa；

15、（2）以后某時(shí)刻該測(cè)點(diǎn)的壓力值就是對(duì)應(yīng)傳感器反饋值與偏差值的差量：

16、px/tn?=?psnrx/tn-δpx

17、式中，δpx為某支傳感器x的反饋值在采初讀數(shù)時(shí)刻(t0)與大氣壓傳感器的偏差值，psnrx/t0、psnrx/tn為t0、tn時(shí)刻傳感器x的反饋值，px/t0、px/tn為采集系統(tǒng)獲得t0、tn時(shí)刻傳感器x扣除系統(tǒng)偏差δpx后的真值，此真值也是流場(chǎng)控制、模型氣動(dòng)參數(shù)測(cè)量使用的值，pa為大氣壓力傳感器反饋的壓力值。

18、上述方法對(duì)于量程超過大氣壓，或在大氣壓環(huán)境下能獲得有效反饋數(shù)據(jù)的壓力傳感器是可行的，但對(duì)于具有負(fù)壓試驗(yàn)工況的風(fēng)洞，風(fēng)洞需要采用的低量程壓力傳感器（量程低于大氣壓的傳感器，即通常所說的負(fù)壓傳感器，本發(fā)明特指在大氣壓力環(huán)境下無法獲得正確讀數(shù)的小量程絕對(duì)壓力傳感器）而言，大氣壓已超出其測(cè)量范圍，因此無法在大氣環(huán)境下采初讀數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，也就無法確定此傳感器與真值的偏差，為負(fù)壓工況壓力的精確測(cè)量和控制引入不確定的偏差。上述存在的問題也是本發(fā)明要針對(duì)解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種風(fēng)洞負(fù)壓工況壓力傳感器初讀數(shù)標(biāo)定裝置及方法，解決了現(xiàn)有風(fēng)洞負(fù)壓工況試驗(yàn)實(shí)施過程中關(guān)鍵壓力數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確，系統(tǒng)誤差較大，高精度負(fù)壓傳感器初讀數(shù)無法標(biāo)定的問題。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種風(fēng)洞負(fù)壓工況壓力傳感器初讀數(shù)標(biāo)定裝置，包括高精度壓力控制器、氣路切換三通電磁閥、plc控制器和程控計(jì)算機(jī)，其中：

3、高精度壓力控制器的低壓氣源接口依次連接第一截止球閥和真空泵；

4、高精度壓力控制器的高壓氣源接口依次連接可調(diào)減壓閥、第四截止球閥和高壓氮?dú)馄浚?/p>

5、高精度壓力控制器的標(biāo)壓輸出端依次連接第一緩沖罐、第二截止球閥和第三氣路切換三通電磁閥的r端，構(gòu)成一號(hào)校準(zhǔn)通道；第三氣路切換三通電磁閥的p端依次連接第二緩沖罐和風(fēng)洞容腔，構(gòu)成二號(hào)試驗(yàn)通道；第三氣路切換三通電磁閥的a端分別與第一氣路切換三通電磁閥的p端、第二氣路切換三通電磁閥的p端和高量程壓力傳感器連接，第一氣路切換三通電磁閥和第二氣路切換三通電磁閥的a端分別連接低量程壓力傳感器和中量程壓力傳感器；

6、高精度壓力控制器的程控接口端通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)分別與程控計(jì)算機(jī)和plc控制器連接；plc控制器分別與第一、第二、第三氣路切換三通電磁閥及低、中、高量程壓力傳感器連接。

7、本發(fā)明還提供了一種風(fēng)洞負(fù)壓工況壓力傳感器初讀數(shù)標(biāo)定方法，包括如下步驟：

8、步驟一、開啟高精度壓力控制器預(yù)熱半小時(shí)；

9、步驟二、對(duì)裝置進(jìn)行氣密性檢測(cè)，在泄漏量滿足要求后打開真空泵的電源；

10、步驟三、采初讀數(shù)前，打開第一和第二氣路切換三通電磁閥，接通低量程壓力傳感器、中量程壓力傳感器與測(cè)量氣路，高量程壓力傳感器始終處于測(cè)量狀態(tài)；

11、步驟四、控制第三氣路切換三通電磁閥至r端，接通校準(zhǔn)壓力氣路；

12、步驟五、高精度壓力控制器輸出壓力作為校準(zhǔn)壓力pcal，壓力設(shè)定值為低量程壓力傳感器滿量程的60%；

13、步驟六、當(dāng)標(biāo)定壓力形成穩(wěn)態(tài)后啟動(dòng)初讀數(shù)標(biāo)定程序；

14、步驟七、高精度壓力控制器恢復(fù)常壓；

15、步驟八、控制第三氣路切換三通電磁閥至p端，接通試驗(yàn)壓力氣路，等待試驗(yàn)；

16、步驟九、試驗(yàn)開始后，風(fēng)洞控制系統(tǒng)以中量程壓力傳感器和高量程壓力傳感器壓力真值為參考控制風(fēng)洞壓力逐步向負(fù)壓方向目標(biāo)壓力逼近，當(dāng)試驗(yàn)壓力進(jìn)入低量程壓力傳感器的工作壓力范圍，則切換為以低量程壓力傳感器壓力真值為參考進(jìn)行風(fēng)洞壓力閉環(huán)控制，測(cè)量系統(tǒng)采集低量程壓力傳感器壓力真值用以風(fēng)洞流場(chǎng)和模型氣動(dòng)特性參數(shù)計(jì)算。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是：

18、本發(fā)明的風(fēng)洞負(fù)壓工況壓力傳感器初讀數(shù)高精度標(biāo)定裝置包括高精度壓力控制器（校準(zhǔn)器）、不同量程高精度絕對(duì)壓力傳感器、真空泵組、氣體緩沖罐、零泄露電磁換向閥、及配套密封管路等部分。真空泵組為壓力控制器（校準(zhǔn)器）產(chǎn)生初始的負(fù)壓環(huán)境，經(jīng)過高精度壓力控制器（校準(zhǔn)器）穩(wěn)定控制輸出后，用于對(duì)所有傳感器及風(fēng)洞測(cè)量、控制等系統(tǒng)產(chǎn)生0.005%級(jí)高精度初始參考?jí)毫鶞?zhǔn)點(diǎn)，氣體緩沖罐位于壓力控制器（校準(zhǔn)器）輸出端與高精度壓力傳感器之間對(duì)壓力控制器（校準(zhǔn)器）輸出的高精度參考?jí)毫鶞?zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行緩沖和穩(wěn)定，不同量程高精度絕對(duì)壓力傳感器用于試驗(yàn)過程中壓力數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測(cè)，通過零泄露電磁換向閥控制不同氣路的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同量程傳感器的標(biāo)定、精度校核。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)0.01%級(jí)精度數(shù)據(jù)穩(wěn)定采集，能夠?yàn)轱L(fēng)洞流場(chǎng)的精準(zhǔn)控制和模型氣動(dòng)參數(shù)的精確測(cè)量提供重要基礎(chǔ)保障。本發(fā)明通過遠(yuǎn)程控制電磁閥切換控制，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)壓力和標(biāo)定壓力通道的在線原位切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了低量程壓力傳感器初讀數(shù)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，解決了常規(guī)大氣壓力環(huán)境下下無法對(duì)低量程壓力傳感器采初讀數(shù)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的難題；以高精度壓力控制器輸出穩(wěn)定壓力為參考?jí)毫Φ默F(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，降低了傳感器間系統(tǒng)偏差，也降低了傳感器壓力真值與被測(cè)壓力的偏差，提高了壓力測(cè)量的可靠性，從而為風(fēng)洞流場(chǎng)的精準(zhǔn)控制和模型氣動(dòng)參數(shù)的精確測(cè)量提供重要基礎(chǔ)保障。本發(fā)明的具體優(yōu)點(diǎn)包括：

19、（1）可對(duì)多只壓力傳感器同時(shí)或單獨(dú)進(jìn)行在線標(biāo)定和準(zhǔn)確度檢驗(yàn)；通過遠(yuǎn)程控制各路電磁換向閥可將相互獨(dú)立的壓力控制器（校準(zhǔn)器）輸出的一號(hào)校準(zhǔn)通道和風(fēng)洞容腔內(nèi)的二號(hào)試驗(yàn)壓力輸出通道分別連通至對(duì)應(yīng)量程的壓力傳感器，達(dá)到無需更改硬件布置，程控實(shí)現(xiàn)在線原位標(biāo)定、校準(zhǔn)和試驗(yàn)測(cè)量；一號(hào)校準(zhǔn)通道壓力控制器（校準(zhǔn)器）輸出端設(shè)有穩(wěn)壓容腔（即第一緩沖罐），用于確保待標(biāo)定壓力傳感器檢測(cè)端氣路內(nèi)壓力值的穩(wěn)定可靠，避免異常波動(dòng)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響；在風(fēng)洞試驗(yàn)啟動(dòng)充壓前，由一號(hào)校準(zhǔn)通道負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)壓力參考基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量，當(dāng)各個(gè)壓力傳感器示值穩(wěn)定并采集保存初讀數(shù)后，切換至二號(hào)試驗(yàn)壓力測(cè)量通道負(fù)責(zé)風(fēng)洞容腔試驗(yàn)壓力反饋值測(cè)量；

20、（2）除具備核心的高精度壓力標(biāo)定功能外，本發(fā)明裝置預(yù)留了靈活的接口，通過打開或關(guān)閉第三截止球閥，可方便地向外擴(kuò)展連接其他管路或設(shè)備，如接入氣密性、通氣性檢測(cè)數(shù)顯表、擴(kuò)展待標(biāo)定傳感器、連接便攜式手持加壓設(shè)備等。并且預(yù)留備用接口為可更換式自鎖卡套管接口，便于快速、靈活連接不同管徑、規(guī)格的外接設(shè)備，可方便地對(duì)整個(gè)裝置全系統(tǒng)進(jìn)行在線氣密性、泄露率檢測(cè)評(píng)估工作，以輔助進(jìn)行裝置自檢、故障排查等，確保設(shè)備工作可靠，保證最終的標(biāo)定精度；

21、（3）本發(fā)明可在集中操控室遠(yuǎn)程實(shí)施所有操作，包括任意設(shè)定標(biāo)定壓力點(diǎn)、任意設(shè)定校核壓力點(diǎn)、可遠(yuǎn)程自動(dòng)計(jì)算校準(zhǔn)系數(shù)、可遠(yuǎn)程切換標(biāo)定校核工況和試驗(yàn)測(cè)量工況；

22、（4）在風(fēng)洞試驗(yàn)啟動(dòng)充壓前初讀數(shù)標(biāo)定階段，在壓力控制器（校準(zhǔn)器）輸出一號(hào)測(cè)量通道測(cè)量的壓力反饋值未達(dá)到給定值的±1kpa以內(nèi)時(shí)，一號(hào)測(cè)量通道負(fù)責(zé)校準(zhǔn)壓力測(cè)量值反饋，二號(hào)測(cè)量通道作為監(jiān)測(cè)通道，且此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)置有判穩(wěn)保護(hù)功能，防止標(biāo)定壓力值未達(dá)到所需精度范圍即誤觸發(fā)標(biāo)定程序；

23、（5）在風(fēng)洞試驗(yàn)啟動(dòng)后，本發(fā)明的整個(gè)標(biāo)定裝置可置于斷電離線狀態(tài)，壓力控制器（校準(zhǔn)器）輸出一號(hào)測(cè)量通道可獨(dú)立接入其他氣路及傳感器進(jìn)行其他操作，不影響標(biāo)定后的其他傳感器通道進(jìn)行正常的試驗(yàn)測(cè)量；

24、（6）本發(fā)明除用于風(fēng)洞負(fù)壓工況壓力傳感器初讀數(shù)標(biāo)定外，還可用于對(duì)試驗(yàn)傳感器的穩(wěn)定性及精度進(jìn)行在線檢測(cè)，校準(zhǔn)系數(shù)重整定，輔助判斷試驗(yàn)傳感器是否可用，是否需要拆換等。