發動機高模試車真空計在線校準系統的搭建

李慧 莊杰 沈錫江 王楊杰

摘? 要：為解決航天企業在液體火箭發動機高模試車過程中對真空計校準的需求，采用靜態比較法，搭建了一套真空計在線校準系統。詳細介紹了閥門、管路、設備的組成與測控系統的設計。系統的軟件部分采用NI公司的LabVIEW編程語言進行創建，實現了數據的采集與處理，具有人機交互界面設計美觀、操作方便的優點，提高了測試系統的自動化水平。通過對10 Torr、2 Torr、1 Torr的真空計進行調零，可進一步提高真空計的測量精度。

關鍵詞：發動機高模試車;真空計;校準系統

中圖分類號：TB77? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

隨著國內外真空應用產業的飛速發展，真空測量技術在航空、航天、核、船舶、電子、光學、醫學、石油等領域應用廣泛[1]。絕大多數國家的計量中心已陸續建立了真空計校準裝置，主要采用的方法有比較法、靜態膨脹法及動態流量法[2]。比較法采用磁懸浮轉子真空計（SRG）、電容薄膜真空計（CDG）作為參考標準，通過被校標準真空計與參考標準測量校準室的壓力來實現校準，校準范圍一般為10-4～105Pa[3]。靜態膨脹法的原理是基于Boyle-Mariotte理想氣體定律，氣體由取樣室的小體積向校準室的大體積膨脹，氣體壓力由低真空范圍內的值下降到高真空范圍內的值，校準范圍通常為10-4～103Pa[4]。動態流量法通過流量計提供標準流量，在分子流狀態下采用已知流導的小孔連續膨脹衰減壓力，校準范圍可為10-7～10-2Pa[5]。

真空艙壓力作為航天企業完成液體火箭發動機高模試車的一個重要指標，為了保證真空測量的可靠性，需要定期對真空計進行校準。在進行發動機高模試車過程中，真空計往往無法送校。此外，分批送校的周期長、工作量大，還會影響試車進度。因此，在航天企業內部建立一套真空校準系統的需求迫在眉睫。本文設計了一套液體火箭發動機高模試車真空計在線校準系統，不但很好地完成了閥門、管路、設備的搭建，而且基于虛擬儀器技術，將傳統的由硬件操作實現的功能通過軟件來完成，使測試系統的自動化水平及精度均得到了大幅度提高。同時，人機交互界面設計美觀、操作方便，保證了發動機高模試車的順利進行。

1 真空計在線校準系統總體設計

真空計校準系統的設計應滿足以下要求：校準室的體積應不小于接在系統中的所有規管體積之和的20倍;校準室的表面積與體積數值的比值盡量要小;氣體（99.99%的高純氮氣）分子在進入規管的工作區前應與校準室管壁碰撞一次以上;校準室上所有規管之間的壓力、溫度波動范圍應盡可能小，不引起明顯的測量誤差;規管連接管的流導應大于或等于規管解吸速率或吸附速率的100倍;系統的極限壓力應小于最低校準壓力的2%[6]。根據這些要求，針對液體火箭發動機高模試車臺設計出一套真空計在線校準系統，原理圖如圖1所示。

真空泵由天津樂清華寶真空電氣有限公司生產，D8C單相220V，頻率50Hz;電磁閥由上海閥門二廠有限公司生產，型號為GDC-Q5;真空計由美國Setra公司生產，型號為Setra744;高真空微調閥由上海閥門二廠有限公司生產，型號為GW-J-T;球閥由寧波星箭航天機械有限公司生產。

2 真空計在線校準系統管路閥門設計

校準室的形狀為球形，一端連接著真空泵，另一端連接著一個儲氣箱，之間分別連接一個電磁閥和旋擰閥。四個閥門，分為兩組，分別控制進氣和抽氣。校準室的兩邊分別連接一個標準真空計、若干被檢真空計，一條支管路上最多可連接兩個真空計。理論上只要增加連接管路，被檢真空計可無限增加，但在實際應用過程中，從校驗精度及安全性角度考慮，連接管路不宜過長，被檢真空計數量不應大于四個。

兩個電磁閥通過PLC控制可以自動控制進氣和抽氣，使校驗過程自動化。兩個旋擰閥可以作為備用系統，當電磁閥發生問題時，可以通過手動調整旋擰閥達到可控范圍內的進氣和抽氣。電磁閥處于正常工作狀態時，旋擰閥處于常開狀態，不影響校準的精度。

校準室體積為8L，儲氣箱體積為15L，其余所有管路孔直徑為14mm，長度為15cm，該管路共有四根，連接處體積可忽略不計。所有材料均為不銹鋼材質，密封性能良好。

3 真空計在線校準系統硬件設計

測控系統硬件由兩部分組成：控制系統、測量系統。

控制系統由一臺控制計算機及兩個電磁閥組成。控制計算機通過PLC對電磁閥的開關進行控制。在每次校驗真空計前，根據校驗的量程和臺階值編寫出對應的時序。抽/進氣電磁閥開啟時間的長短決定了抽/進氣量的多少，通過不斷地控制這兩個電磁閥，使得校準室內的真空度保持在需要校驗的量程范圍之內。

測量系統由一臺采集計算機、一個NI USB-6009便攜USB總線采集器組成。

其中，NI USB-6009便攜USB總線采集器是由NI公司出品的一款高性價比的USB數據采集設備，單通道采樣速率可以達到48 KS/s，單端采集模式下八個模擬信號輸入[7]。該系統采用差分輸入方式，雖然測量通道僅有四個，但是測量精度高，每0.1ms采樣一次，既滿足了采樣精度，又可實現長時間采集。

4 真空計在線校準系統軟件設計

基于NI公司的LabVIEW平臺，根據不同的需求，真空計在線校準系統的軟件設計部分由數據采集、數據處理組成。數據采集及處理程序框圖中的采集與處理流程如圖2所示。

4.1 數據采集軟件設計

數據采集軟件可以實現實時監視、自動采集、手動采集，所有模塊均能對四個真空計通道（Pcv1、Pcv2、Pcv3、Pcv4）同時進行采集，人機交互界面設計美觀、操作簡易，界面如圖3所示。

所有需要測量的參數均可在參數表格中填寫，對于需要校準的量程范圍內的臺階值可以進行修改，自動采集和手動采集間切換方便，同時可保持實時監視。“繼續”按鍵可在不退出主程序的情況下，對采集到的程序進行回放和處理，不需要重新打開數據處理程序，既能提高效率，又能節約時間。

數據采集程序可以自動判斷當前校準室的真空度，從而決定是否要選擇記錄數據，采取這樣的方式可有效減少數據量，只需采集記錄被校量程臺階附近的數值即可。該采集程序也未對采集時間作出硬性規定，這樣可以避免在真空度還沒有穩定的情況下就冒然進行采集。校準時選取三個循環（每個循環上下各六個臺階值），使之能正確地反映出真空計的線性誤差及重復性誤差。

4.2 數據處理軟件設計

數據處理軟件（前面板見圖4），可對采集到的數據實現回放查看及計算處理。采集數據程序所記錄數據的類型為文本格式，一旦校驗過程中數據出現明顯異常，可以打開文本文件，搜索出異常數據段，對其進行手動刪除后保存。這樣做的最大優點是：無需重新校驗，只要對異常數據進行剔除，快速且準確。

在數據處理軟件中，不但給出了所有數據的數值，而且給出了數據波形圖。通過移動數據波形圖中的兩根游標，可以任意選定想要區域的數據，讀出平均值及實時值。

5 真空計校準方法

該系統采用靜態比較的真空校準方法，主要步驟為：

（1）連接校準系統，檢查硬件連接部分氣密情況，判斷軟件部分信號數據采集是否正常，并將標準真空計和被校驗真空計連接到系統上進行預熱。

（2）調節校準室壓強，根據從低到高的壓強順序，緩慢調節進氣閥，得到較為穩定的校準壓強。

（3）在被校驗測量范圍中，每個量程選擇三個校準點。若非線性較大，應選擇詳細的校準點。

（4）逐一記錄每個壓強校準點的標準示值與比對的被檢真空計示值。

（5）處理采集到的數據，計算被檢真空計的斜率、截距及誤差，出具相關的數據報告。

6 不同量程真空計調零

6.1 10 Torr真空計調零

調零前后，標準真空計與10 Torr（1333Pa）被檢真空計對比波形圖如圖5所示。

（a）調零前

（b）調零后

圖5 標準真空計與10Torr真空計對比波形圖

由圖5可以很明顯地看出，調零前，當校準室被抽到極限真空后，量程為10Torr的真空計顯示值已小于0Pa，說明真空計零位發生了偏離。調節真空計的零位旋扭，使之在平穩的真空環境下與標準真空計所測得的真空度相同。調零后，達到標準真空計量程（1Torr）后，10Torr真空計與標準真空計所示的真空度幾乎一致，兩者差值僅在0.5Pa之內。

6.2 2Torr真空計調零

調零前后，標準真空計與2Torr（266.6Pa）被檢真空計對比波形圖見圖6。

由圖6可知，調零前，2 Torr真空計與標準真空計間始終存在50～60 Pa的差值。對量程為2 Torr的真空計進行調零，雖然效果不及10 Torr的真空計明顯，但與標準真空計差值也縮小到了2～10 Pa范圍內。

6.3 1Torr真空計調零

調零前后，標準真空計與1 Torr（133.3 Pa）被檢真空計對比波形圖如圖7所示。

從圖7可得，調零前，1 Torr真空計與標準真空計間一直存在著20～30 Pa的差值，采取同樣的方法對量程為1 Torr的真空計手動調零，兩者間的差值顯著縮小。通過調零，可較大幅度提高真空計的測量精度。若按預先設計的方案再進行校準，精度將更高，校準過程將更加自動化。

7 結論

研制的發動機高模試車真空計在線校準系統采用了靜態比較法進行校準。完成的閥門、管路、設備設計部分，主要由校準室、進氣系統、抽氣系統組成。通過采集器，將模擬輸出的標準電壓信號采集后轉化為相應的真空度。基于NI公司的LabVIEW平臺，編寫了數據采集及處理軟件。數據采集軟件可以實現實時監視、自動采集、手動采集，所有模塊均能對真空計通道同時進行采集，人機交互界面設計美觀、操作簡易。數據處理軟件可對采集到的數據實現回放查看及計算處理，在界面中既給出了所有數據的數值，又給出了數據波形圖。對10 Torr、2 Torr、1 Torr的真空計進行調零，進一步提高了真空計的測量精度。該套在線校準系統的建立，為真空計的周期校準提供了理論依據與實驗基礎，較好地解決了發動機高模試車過程中真空計校準的難題。

參考文獻：

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