發動機流量測控設備校準系統設計與實現

黃建明 常 瑩 孫新新

(西安航天計量測試研究所,西安710100)

發動機流量測控設備校準系統設計與實現

黃建明 常 瑩 孫新新

(西安航天計量測試研究所,西安710100)

為了驗證發動機流量測控設備的準確性和可靠性,本文建立一套流量測控設備的校準系統,實現對發動機流量測控設備進行校準。完成了發動機流量測控設備校準系統的不確定度分析,設計了校準系統中的關鍵硬件系統,開發了校準系統軟件系統,從而實現對發動機流量測控設備的自動控制和校準,該校準系統具有配置靈活和操作簡單的特點。

流量調節器 不確定度 流量測控設備 測控系統

1 引 言

發動機流量控制設備的功能是實時監測發動機的流量情況,并根據設定的目標值調整流量值。發動機主要具有測量功能和控制功能,發動機流量控制設備工作原理是:通過采集的壓力、溫度信號和獲取的燃油調節器開度信號,計算得出實際燃油流量情況。根據實際燃油流量與設定燃油流量的偏差情況,調整燃油調節器開度,從而達到實現精確控制燃料流量。

發動機流量測控設備解決了發動機實時準確控制流量的問題,但該設備自身的計量準確性直接影響到對流量控制的準確程度,因此,為了保證發動機流量測控設備的準確性和可靠性,本設計研建了針對該設備的校準系統。校準系統的測量不確定度直接關系該系統的測量質量。為了控制校準系統的不確定度,對該校準系統進行測量不確定度分析,進行控制系統內引入的不確定度分量來實現。

2 發動機流量測控設備流量校準不確定度技術研究

流量測控設備對燃油流量的測量結果對調節燃油流量起著關鍵性作用。本文校準采用標準表法,建立燃油流量標準裝置作為標準源提供給發動機流量測控設備進行校準。通常影響測量不確定度的因素有七個方面,分別是燃油流量標準裝置引入的測量不確定度;流量測控設備溫度測量不確定性;流量測控設備壓力測量不確定性;流量測控設備角位移測量不確定性;流量測控設備流量重復性測量不確定性;環境條件的影響;人員操作的影響等。

2.1 流量測控設備溫度測量引入的不確定度U溫

流量測控設備溫度測量功能是由恒溫源作為輸入,通過溫度傳感器將溫度信號轉化成熱電勢信號,通過流量測控設備進行處理顯示。影響流量測控設備溫度測量不確定度的主要因素有:恒溫源引入的不確定度;溫度傳感器引入不確定度;流量測控設備熱電勢采集信號處理功能引入的不確定度;重復性測量引入的不確定度;環境條件的影響;人員操作的影響等方面。

1)流量測控設備熱電勢處理功能引入的不確定度uB1

流量測控設備將溫度傳感器輸出的電壓信號采集處理顯示為數字信息。該功能校準采用標準源法實現。采用多功能校準源作為標準源提供標準的電壓信號,經流量測控設備進行處理,顯示出對應的電壓值。從而實現校準的目的,如圖1所示。

a)流量測控設備熱電勢處理功能重復性測量引入的不確定度uA11。在相同溫濕度、同一臺多功能校準源的重復性條件下,連續獨立測量10次,得到實驗標準偏差s(x),uA11=s(x)。

b)多功能校準源引入的不確定度uB11,依據多功能校準源檢定證書或手冊給出的參數數據,進行確定多功能校準源引起的不確定度uB11。

d)擴展不確定度uB1=kuC11,k=2。

2)依據恒溫源檢定證書或手冊給出的參數數據,確定恒溫源引入的測量不確定度uB2。

3)依據溫度傳感器檢定證書、測試報告或制造廠的技術說明書給出的參數數據,確定溫度傳感器引入的測量不確定度uB3。

4)在相同條件下,使用同一臺流量測控設備連續獨立測量同一臺恒溫源10次,得到實驗標準偏差s(x),uA1=s(x)。

6)擴展不確定度,流量測控設備溫度的測量不確定性U溫=kuC,k=2。

2.2 流量測控設備壓力測量引入的不確定度U壓

流量測控設備壓力測量功能是由標準壓力計作為輸入,通過壓力傳感器將壓力信號轉化成電壓信號,通過流量測控設備進行處理顯示。影響流量測控設備壓力測量不確定度的主要因素有:標準壓力計引入的測量不確定度;壓力傳感器引入的測量不確定度;流量測控設備電壓處理功能引入的不確定度;重復性測量引入的不確定度;環境條件的影響;人員操作的影響等方面。

1)流量測控設備電壓處理功能引入的不確定度uB1

流量測控設備將壓力傳感器輸出的直流電壓信號采集處理為數字信息。采用多功能校準源作為標準源提供標準的直流電壓信號,經流量測控設備進行處理,顯示出對應的電壓值,從而實現校準的目的。

a)流量測控設備電壓處理功能重復性測量引入的不確定度uA21。在相同溫濕度、同一臺多功能校準源的重復性條件下,連續獨立測量10次,得到實驗標準偏差s(x),uA21=s(x)。

b)依據多功能校準源檢定證書或手冊給出的參數數據,進行確定多功能校準源引起的不確定度uB21。

d)擴展不確定度uB1=kuC21,k=2。

2)依據壓力源檢定證書、測試報告或制造廠的技術說明書等給出的參數數據,確定壓力源引入的測量不確定度uB2。

3)依據壓力傳感器檢定證書、測試報告或制造廠的技術說明書給出的參數數據,確定壓力傳感器引入的測量不確定度uB3。

4)在相同條件下,在較短的時間內連續獨立重復測量10次,得到實驗標準偏差s(x),uA1=s(x)。

6)擴展不確定度:流量測控設備溫度測量不確定性U壓=kuC,k=2。

2.3 流量測控設備角位移測量引入的不確定度U角

流量測控設備角位移采集過程是將燃油調節器內調節閥角位移信號轉化為交流電壓信號傳入流量測控設備處理,并顯示對應角位移值。影響角位移測量不確定度的主要因素有:數顯轉臺引入的測量不確定度;角位移傳感器引入的測量不確定度;重復性測量引入的不確定度;流量測控設備交流電壓處理功能引入的不確定度;環境條件的影響;人員操作的影響等方面。

1)流量測控設備交流電壓處理功能引入的不確定度uB1

流量測控設備交流電壓處理功能校準采用標準源法實現。采用多功能校準源作為校準源,提供交流電壓標準信號,經流量測控設備進行處理,顯示相應電壓值。

a)在相同溫濕度、同一臺多功能校準源的重復性條件下,連續獨立測量10次,得到實驗標準偏差s(x),uA31=s(x)。

b)依據多功能校準源檢定證書或手冊給出的參數數據,進行確定多功能校準源引起的不確定度uB31。

d)擴展不確定度uB1=kuC31,k=2。

2)依據檢定證書、測試報告或制造廠的技術說明書等給出的參數數據,確定數顯轉臺引入的測量不確定度uB2。

3)專用夾具與數顯轉臺不同軸引入的測量不確定度uB3

4)傳感器安裝不同軸引入的測量不確定度 uB4

5)依據角位移傳感器檢定證書、測試報告或制造廠的技術說明書給出的參數數據,確定壓力傳感器引入的測量不確定度uB5。

6)在相同的條件下,用校準裝置對被校角位移傳感器重復測量10次,其實驗標準偏差s(x),uA1= s(x)。

8)擴展不確定度U角=kuC,k=2。

2.4 燃油流量標準裝置引入的測量不確定度U標

燃油流量標準裝置進行自研,檢定合格后,依據檢定證書確定燃油流量標準裝置的不確定度U標。

2.5 流量測控設備流量重復性測量引入的不確定度U重

相同溫濕度、燃油流量標準裝置作為標準源,使用發動機流量測控設備連續獨立測量10次,得到實驗標準偏差s。流量重復性不確定度U重(x)=s。

2.6 流量測控設備流量擴展不確定度

流量測控設備溫度測量不確定性U=k U合,k=2。

根據以上不確定度分析,影響流量采集不確定度的因素由A類評定和B類評定組成,其中B類評定與相關設備的選擇和安裝工藝有關,A類評定中測量重復性引入的不確定度將通過測量次數來控制。在系統研建過程中,通過有針對性的控制相關設備和工藝引入的不確定度分量,可將流量測量擴展不確定度值控制在一定的范圍內。

3 發動機流量測控設備校準系統硬件設計

發動機流量測控設備校準系統過程中包含多個校準子系統,本設計對關鍵校準設備燃油流量標準裝置和角位移傳感器校準裝置進行研建。

3.1 燃油流量標準裝置的研建

燃油流量標準裝置能夠對流量測控設備提供標準流量,主要是對流量測控設備的測量準確度、重復性、線性度等參數進行檢定和校準,同時可以利用標準流量驗證流量測控設備的參數設置與動作是否準確。燃油流量標準裝置的不確定決定這測量質量高低,在設計過程中,泵組、穩壓罐、變溫系統、管道系統、標準器系統等的不確定度都要考慮到,通過各個系統的不確定度,可以計算出流量檢定裝置的線性、非線性關系。為了提高流量標準裝置不確定度裝置的采用靜態質量法的測量原理是將通過電子稱測得的稱量系統中流量的參數換算成體積,經過溫度補償和壓力補償后與被測流量計所測得的數據進行比對,從而得到相應的流量結果和檢定系數。具體的檢定原理如圖2所示。

裝置工作流程油液存儲于油箱內,工作時,將燃油調節器安裝在管路上,保證無泄漏;確定是否需要變溫,常溫實驗時,啟動油泵,使油液進人系統循環,根據需要開啟油泵電機組將流量調至最大,運行幾分鐘而后開始實驗。需要變溫時,首先啟動電加熱器對換熱系統內水進行加熱,啟動循環泵,使熱水經換熱器循環,通過循環對管路內介質進行加熱。

3.2 角位移傳感器校準裝置研制

角位移傳感器原理是:把機械部件的旋轉傳遞到角位移傳感器的軸上,帶動與之相連的鐵心,改變線圈中的感應/電感量,輸出與旋轉角度成比例的電壓/電流信號。

角位移傳感器性能指標的優劣直接影響流量控制的性能,因此,傳感器的入廠復檢和安裝前的定期校準工作是非常必要的。角位移傳感器采用的校準設備主要有交流電壓源、數顯轉臺和數字多用表,如圖3所示。

角位移校準方法:由數顯轉臺產生標準角位移,通過傳感器將標準角位移轉換成電信號,測得的電信號作為傳感器的實際校準數據,按數據處理方法計算出傳感器的靈敏度、線性度、回程誤差和重復性。

4 發動機流量測控設備校準系統軟件設計

校準系統軟件是發動機流量測控設備校準系統控制中心。在校準過程中采集校準源數據信息和被校設備數據示值,在經過特定的算法處理得出校準結論。為了方便使用者操作,系統軟件采用圖形化操作界面,設置或獲取關聯設備的參數或數據,同時也能將測試數據進行存儲或打印。

4.1 校準軟件總體設計

現場校準軟件主要用于發動機流量測控設備的校準,在通過對發動機流量測控設備流量校準不確定度技術研究知道,整改校準過程中需要首先對多個引入不確定度分量進行校準。因此,該軟件系統功能上劃分為流量測控設備溫度測量校準、流量測控設備壓力測量校準、流量測控設備角位移測量校準、流量測控設備流量測量校準和設備配置測試管理模塊。軟件系統總體功能框圖,如圖4所示。

4.2 校準軟件的詳細設計

由于流量測控設備溫度、壓力和角位移校準過程類似,本設計只對流量測控設備溫度校準進行詳細設計、流量測控設備流量校準和設備配置測試管理模塊進行詳細設計。

1)流量測控設備溫度校準模塊設計

流量測控設備溫度校準是通過確定各個不確定度影響量分量和重復測量溫度產生的不確定度進行確定流量測控設備溫度校準過程中的不確定度,見圖5所示。

2)流量測控設備流量校準模塊設計

流量測控設備流量校準首先需要確定該設備的溫度、壓力、角位移和流量標準裝置引入的不確定度,由操作人員對流量測控設備進行重復測量流量,通過運算得出流量控制設備的流量測量結果及不確定度,如圖6所示。

3)設備配置測試管理模塊設計

設備配置測試管理模塊主要功能分為設備通訊參數配置模塊和通訊測試模塊。設備通訊參數配置模塊主要設置并保存與各設備的通訊配置參數信息,為實現設備校準提供基礎保障。在本系統中校準軟件需要與多功能校準源、數字多用表、數顯轉臺和燃油流量標準器等多種設備進行通信。各種設備提供多種通訊方式,在設計時考慮到成本,盡可能采用與設備通訊費用較低的方式;設備通訊測試模塊主要是檢查是否與設備通訊正常,在該模塊設計中預置一組通用測試命令,方便使用者進行通訊測試。

4.3 校準軟件的實現和編碼

在校準軟件具體實現時首先要考慮軟件與設備的通訊問題,本系統采用多種通訊方式有基于WLAN、GPIB和RS232等總線方式。為了簡化編程,本設計采用虛擬儀器軟件架構 VISA。VISA (Virtual Instrumentation Software Architecture,虛擬儀器軟件結構)是VPP系統聯盟指定的I/O接口軟件標準及其相關規范的總稱。它是一種通用的控制多種儀器的軟件工具,與硬件和接口無關,也與操作系統和編程語言無關。VISA的目的是提供統一的設備資源管理、操作和使用機制,以幫助最終用戶簡化儀器I/O編程。

在本設計開發過程中采用Agilent IO Libraries Suite提供的VISA COM I/O API編程接口,開發語言采用C#程序設計語言。

4.3.1 設備配置測試管理模塊實現

該模塊包含設備通訊參數配置和通訊測試。其中設備通訊配置見圖7,主要作用是設置設備通訊參數,并將參數寫入到數據文件中存儲。在設備通訊時讀取設備通訊參數并使用VISA實現與設備的連接,實現與設備的通訊。

4.3.2 流量測控設備角位移校準模塊實現

流量測控設備角位移校準模塊實現過程中,依據JJF 1352—2012《角位移傳感器校準規范》設置角位移測量點數和測量值,并控制數顯轉臺依次旋轉到測量值同時采集流量測控設備對應的角位移量見圖8所示。

5 結束語

本文研制了發動機流量測控設備校準設備。應用建立燃油流量標準裝置對發動起進行校準 過程中不確定度影響因素進行研究,在構建流量測控校準硬件系統中充分利用影響校準不確定度因素,進行相關設備的選擇。在發動機流量測控設備校準系統軟件開發進行模塊分析與設計,在實現過程中采用虛擬儀器軟件架構(VISA)技術實現與多種硬件設備進行通信,從而實現發動機流量測控軟件自動化校準。

[1] JJF 1352—2012,角位移傳感器校準規范[S].國家質量監督檢驗檢疫總局.北京:中國計量出版社,2012.

[2] 劉學峰.轉臺校準設備研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學工學碩士學位論文,2014.

[3] 蘇彥勛,梁國偉,盛健.流量計量與測試(第二版)[M].北京:中國計量出版社,2007.

[4] 楊浩前.基于VISA架構的物聯網資源驅動層研究與實現[D].陜西:西安石油大學碩士學位論文,2015.

Design and Implementation on the Flow Measurement and Control Equipment Calibration System of the Engine

HUANG Jian-ming CHANG Ying SUN Xin-xin
(Measuring And Testing Institute Under Xi’an Aerospace Corporation,Xi’an 710100,China)

In order to verify the accuracy and reliability of the engine flow measurement and control equipment,in the paper,a set of the calibration system for flow measurement and control equipment is established,realize the calibration of the engine flow measurement and control equipment.The uncertainty analysis of the engine flow measurement and control equipment is completed,and the key hardware system of the calibration is built,the software system of the calibration is developed,so realize the automatic control and calibration of the engine flow measurement and control equipment,the calibration system has the characteristics of flexible configuration and simple operation.

Flow regulator Uncertainty Flow measurement and control equipment Measurement and control system

1000-7202(2017)01-0060-06

TP29

A

2016-07-01,

2017-02-23

黃建明(1983-),男,副總工程師,主要研究方向:計量檢測技術。