動力艙出風口分布式管式氣壓測試方案研究

常海龍 張丕狀

1. 山西工商學院 計算機信息工程學院 山西太原 030051;

2.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西太原 030051

關鍵字：動力艙；分布式；管式氣壓測試；管道長度因素

一、引言

在研究動力艙熱平衡系統中，動力艙出風口處的氣壓參數十分重要。為了能夠準確地獲取出氣口處氣壓參數，需要根據實際動力艙的測試環境，對氣壓參數的測試方法進行研究[1]。

動力艙的結構示意圖如圖1所示，在動力艙出風口的正上方處有一層百葉窗，在百葉窗上面是一層菱形網格的鐵網，主要用途是為了阻擋外來物進入到動力艙內，對艙內造成損害。在出風口處沒有可固定的氣壓傳感器位置，特意設計了固定卡具，方便氣壓傳感器的固定。當氣體通過離心風扇從出風口處流出，氣體真實的流向是與離心風扇轉速的切斜方向保持一致，越是遠離出氣口，氣體的流向越是混亂，所獲取的氣體參數有效性越差[2]。

氣體傳感器的測試位置不同，測得氣體動壓也不相同，氣體傳感器對于氣體取樣方式不同，所獲取的氣體參數大小也不相同。本文根據動力艙實際的測試環境，采用分布式管式測試方法，重點研究管道長度對于氣壓參數測量精度的影響。

二、分布式管式測試系統概述

本氣壓參數獲取測試系統主要由氣壓參數獲取模塊、信號調理電路模塊、數據采集模塊組成。氣壓參數獲取模塊選用24個氣體壓力傳感器，測試量程為0kPa～3kPa，測量精度為0.5%，供電電壓為24V DC，標準輸出0V～5V，使用溫度范圍-10℃～ 70℃，采用分布測量方式，氣壓傳感器分部位置如圖2所示。

24個氣壓傳感器固定到6塊擋板上，擋板均勻固定到出氣口上方安裝支架上，每個擋板上有4個氣壓傳感器，信號調理電路以及轉接電路模塊都放在密封的鋁制盒內，由于測試環境比較惡劣復雜，主要目地是防止外界環境干擾，以達到精確測量的結果[3]。擋板、傳感器安裝位置以及白盒的位置如圖3所示。

從圖3中可以看出，特定的卡具可以移動，根據實測的環境，改變傳感器的高度，增強測試裝置靈活性，為了能夠準確地獲取氣體參數，直接從菱形鐵網下測量氣體氣壓值，氣壓傳感器都外接了不同長度的氣管，采用了氣管取樣方式，從而盡可能的減少測量帶來的誤差。

三、管道因素對氣壓影響測試分析

在氣壓參數測試過程中，為盡量減小對氣體流場的干擾，在氣壓測試點A、B、C、D等空間位置處不能直接安裝體積較大的氣壓傳感器，通過外加管道將引至測量區域外側，由于在測試點與傳感器之間增加了一定長度且帶直角彎頭的管道，需要確定這些管道對氣壓測試結果的影響程度，提高測量精度，從以下幾個方面進行：

（1）真實測試的氣壓應當為風壓，而不是靜態氣壓[4]。為模擬真實的測試環境吹風情況，本試驗使用壓力氣罐逐漸加大放氣速度形成從靜態到接近實際情況所需風壓，實現風壓值從0到所需風壓整個區間的模擬[5]；

（2）完成對某個氣壓值同時進行兩種測試方法氣壓測量：帶有測試管道的氣壓測試和不帶管道的氣壓測試。為保證兩路測試的是同一個氣壓，本試驗使用了Y型三通，其中一個接口作為風壓輸入端，另外兩個接口分別接通氣壓測試管道和氣壓傳感器。

四、管長因素對氣壓誤差分析測試系統

誤差分析測試系統主要包括氣路部分和電路部分，管長因素對氣壓影響測試系統結構示意圖如圖4所示，電路部分包括系統電源供電模塊、氣壓傳感器模塊、數據采集和存儲電路模塊，氣路部分包括壓力氣罐、Y型三通試驗裝置和測試管道。

五、實驗測試與結果

經過反復試驗，在氣體取樣的方式上選擇了外徑為φ10、內徑為φ8的管道，安裝到量程為3kPa氣壓傳感器上。根據動力艙試驗中實際管道使用情況，分別采用直行管道長度為20cm、34cm和48cm進行試驗，完成管道長度對氣壓測試誤差分析試驗研究。

圖5為傳感器輸出電壓值。試驗過程中，每種管道長度都進行了3次開氣—穩定—關氣的實驗室過程，所以在試驗結果中可以看到有三個臺階。從上到下依次是管道長度為20cm、34cm和48cm測試結果。圖 5（a）為獲取的原始數據，圖5（b）為經過低通濾波后的數據，藍色數據（上面）為直接氣壓傳感器測量輸出，綠色數據（下面）為增加管道氣壓傳感器的測量輸出。

從 圖 5（b） 可看出，管道長度增加后對氣壓有明顯影響，且隨著管道長度的增加，兩者誤差值越大。對比二者的差異，并非處處相同，而是隨著氣壓值（輸出電壓）增大而增大，具有一定的規律性。

圖6為每種情況下電壓差值隨采樣時間的變化情況，排除動態風環境下的壓力波動，可以看出具有較好的線性關系，圖6中的暗紅線即為線性擬合結果。

圖7為圖5中直接差值及擬合效果，可以看出，擬合效果較好，符合實際情況。

經過不同管道長度的試驗后，對獲取的實驗數據進行擬合計算，采用一階線性擬合方式獲得不同管道長度下一次項參數a和常數項參數b，如表1所示。

表1 一階線性擬合參數

從表1中發現，一次項系數與管道長度具有較好的線性關系，對其進行擬合，得到不同管道長度與差值擬合斜率關系圖，如圖8所示。

通過圖8，可以對任何管長下氣壓參數進行修訂，提高測試精度，完成對動力艙氣壓參數的有效獲取。

六、結束語

為了滿足動力艙出風口在惡劣環境下的氣壓參數測試，本文設計一種基于分布式管式氣壓測試方法，重點研究了管道長度對氣壓參數測量結果誤差分析，提出一種氣壓誤差分析測試系統設計，通過該測試系統完成了不同管道長度對于氣壓參數測量結果的影響，運用差值一階線性擬合方式，得到了差值擬合斜率與管道長度的對應關系，該關系可以對管式氣壓參數進行修正，提高管式氣壓參數測量精度。通過對分布式管式氣壓測試方法中，管道長度因素對氣壓參數測量影響及修正，提高氣壓測量的精度，有效地實現動力艙出風口處氣壓參數獲取與測量，解決了動力艙氣壓測試難題，具有較好的工程應用價值。