基于離心機的低氣壓精密控制研究

代潔，董雪明，王敏林，秦朝俊

（航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095）

0 引言

慣性器件及系統大多在惡劣環境條件下工作，環境條件嚴重地影響其量值特性，從而影響裝備的性能。以英美為代表的西方發達國家十分重視多物理場（包括：加速度、溫度、氣壓、振動等）復合條件下慣性器件校準技術的研究［1］；通過研制多物理場復合的慣性器件校準裝置，對慣性器件實施多物理場復合條件下的校準，可建立復雜的多因素校準模型。該多因素校準模型方程系數有十幾項，甚至幾十項［2，3］。利用多因素校準模型方程可補償使用環境條件對慣性器件的影響，有效地提高了慣性器件的使用精度，與標準環境條件下的校準相比，使用精度可提高一個甚至二至三個數量級［4］，有非常重要的研究意義。由于慣性器件的校準精度直接影響武器系統的打擊精度，國外對此方面實行技術封鎖，不可能從國外直接引進或得到這些技術。

離心-氣壓復合校準裝置研究的主要工作在于對加速度計多物理場復合計量校準裝置的研究，主要內容包括：裝置的總體方案設計；系統硬件平臺的設計與搭建；設計與完善離心-氣壓復合試驗箱；離心-氣壓復合試驗箱氣壓精密測控系統的設計與實現。

基于以上工作，發明了一種可抗高離心加速度的氣壓箱結構，研制了氣壓范圍為1～100 kPa、氣壓偏差優于10 Pa的離心-氣壓復合校準裝置，可以有效模擬海平面到32400 m的高度時氣壓環境，國內首次實現了慣性器件的大g值下氣壓靈敏度校準，實現了慣性器件全量程內的氣壓靈敏度校準。

1 離心-氣壓復合校準裝置結構

離心-氣壓復合校準裝置主要由離心轉臺、氣壓試驗箱、控制系統組成，整體結構如圖1所示。

圖1 離心-氣壓復合校準裝置

1.1 工作原理

當離心機處于靜止狀態時，連通地面氣壓控制設備與試驗箱，控制氣壓達到給定值，離心機旋轉前，關閉試驗箱的氣路管線，拆除與地面設備連接部分，如圖2所示。

圖2 裝置組成及原理圖

1.2 裝置組成及作用

裝置由高密封低氣壓試驗箱、氣壓控制執行機構、氣壓精密測控系統、高精度壓力傳感器和真空泵5部分組成。

高密封低氣壓試驗箱為加速度計提供安裝和校準環境，真空泵提供負氣壓源，氣壓精密測控單元通過試驗箱氣壓的高精度測量及對氣壓控制執行機構的協調控制，使高密封低氣壓試驗箱內氣壓最終精確達到設定值。

1.2.1 氣壓執行機構

通過設計合理的氣路結構和選擇恰當的執行元件，實現了對氣壓試驗箱內氣壓的精密控制，使各個執行機構按照一定的步驟動作，并解決了氣路結構與氣壓試驗箱連接密封性及可拆卸性等問題。

1）氣路原理

本裝置采用大氣環境作為正氣壓源，實現1～100 kPa的壓力控制范圍；采用真空發生裝置實現真空環境。氣路結構流程圖如圖3所示。

圖3 氣路結構流程圖

從圖3中可以看出，氣路分為兩路控制：一路通過真空發生裝置和降壓控制機構實現試驗箱內低氣壓調節；另一路通過升壓控制機構實現試驗箱內升壓調節，從而保證控制閥的方向與氣流方向一致。試驗箱通過法蘭安裝固定在離心機機臂上，手動真空球閥通過法蘭一端與氣壓試驗箱連接，另一端安裝一個快速插接頭，此接頭不僅有利于氣路密封，也方便與地面氣路控制裝置連接和拆卸。

離心機未工作時，對試驗箱內的氣壓進行降壓或升壓兩種處理。降壓時，需要利用真空泵對試驗箱進行抽氣來實現，控制降壓閥1和2的通斷來開閉降壓氣路通道，然后通過協調控制粗調閥和精調閥來實現氣體流量調節，從而實現試驗箱內氣壓降壓控制；升壓時，選擇大氣作為正氣壓源對試驗箱進行充氣，控制升壓閥1和2的通斷來開閉升壓氣路通道，然后通過協調控制粗調閥和精調閥來實現氣體流量調節，從而實現試驗箱內氣壓升壓控制。試驗箱內氣壓生成原理如圖4所示。

離心機旋轉前，打開手動真空球閥，通過以上過程使氣壓箱內氣壓達到設定值，然后關閉手動真空球閥，拆除地面氣路裝置與離心機上試驗箱的氣路連接，從而實現在離心機工作狀態下，氣壓試驗箱能夠提供目標氣壓環境，供加速度計校準。

圖4 試驗箱氣壓生成原理圖

2）氣路元器件選擇

氣路元器件的選擇對實現高密封氣壓試驗箱內氣壓的精密控制至關重要，從圖4中可以看出氣路控制執行機構主要包括真空泵、升壓閥、降壓閥、粗調閥、精調閥。

①真空泵

真空泵是產生負壓的一種新型、高效、清潔的氣源發生裝置，本系統使用油潤滑旋片式真空泵，這種真空泵是利用泵腔內活塞做旋轉運動，將氣體吸入、壓縮并排除，以達到抽氣目的，其最大的特點是當進口端氣體壓腔大于一定閾值時，抽氣速率（體積流量）是一個定值。考慮到本系統目標氣壓范圍為1～100 kPa，選用真空泵的流量為20 m3/h，極限真空為200 Pa［5］，可滿足要求。

②升、降壓閥及粗調閥

本系統統一選用直動電磁閥，控制電壓為24 VDC，通徑為4 mm。直動電磁閥用于壓力控制與調節場合，控制簡單，流量比較大，可提高控制效率。由于這種電磁閥通電后，閥門開度保持不變，類似孔板流量計，一般可以認為流過電磁閥的流量與電磁閥前后的壓差的平方成正比［6］。即

式中：Q為流過閥的體積流量；p1為閥前壓力；p2為閥后壓力；a為比例常數，對于氣體一定、結構一定的電磁閥，其值變化不大。

從式（1）中可以看出，當閥門前后壓差一定時，通過閥門的氣體流量也就一定。對于直動電磁閥，在加電時其閥門開度基本按線性急速增大，到完全開度的時間極短，通常小于10 ms，而關閉時間相對長一些，因此當通過閥的氣體流量較大時，需要考慮由于閥門開啟和關閉的延時而導致氣體過沖的問題。

③精調閥

為實現對高密封氣壓試驗箱內氣壓小范圍的精確控制，要求精調閥在小范圍內能連續、準確地控制流量的大小，從而控制氣壓試驗箱內氣壓的大小。本系統選用比例電磁調節閥作為精調閥，這種調節閥本質上可看作一個局部阻力可變的元件，根據能量守恒定理，當流過調節閥的流體為不可壓縮流體時，可得到流量方程為［7-9］

式中：N為常數，當流速和管道直徑確定時，N固定不變；A為閥連接管的截面積；ξ為閥的阻力系數，與閥結構形式、流體性質及閥的開度有關；ρ為介質密度。

當閥口徑、閥兩端壓差一定時，通過控制比例電磁調節閥兩端的電壓大小，改變閥芯行程（開度）來改變流通截面積，從而改變阻力系數，調節流入或流出試驗箱的氣體流量，以實現氣壓壓力控制。本系統選用進口的高精度PSV-2比例電磁調節閥，通徑為1.02 mm，最大氣體流量為13 L/min，調節電壓選用0～12 V，利用幅值為12 V的PWM信號通過一階濾波電路RC實現D/A變換，通過改變PWM的占空比，改變輸出的模擬電壓值，從而控制比例電磁閥的開度。

1.2.2 氣壓精密測控

氣壓精密測控系統的作用是：在離心機未工作狀態下將試驗箱壓力控制到設定值；在離心機工作狀態下進行保壓監測。測控原理如圖5所示。

首先，通過測控單元給定壓力設定值，在控制的過程中，采用硅諧振壓力傳感器檢測試驗箱內的壓力值，傳感器的輸出信號經過調理與采集送入測控單元中心，形成壓力反饋，然后根據一定的控制策略產生控制信號，該控制信號經過設備驅動作用到壓力執行機構上，用來控制執行機構中閥門的開度以調節試驗箱內氣體的壓力值，最終使試驗箱的壓力值達到設定值，然后關閉真空手動球閥，斷開與試驗箱的氣路連接，進入保壓監測階段。離心機與地面電路通過滑環轉接，保證離心機工作時，能對試驗箱內氣壓進行監測。

圖5 氣壓精密測控原理圖

系統硬件配置如圖6所示，配置包括測量部分與信號調理與驅動部分。測量氣體壓力選擇硅諧振式壓力傳感器，該傳感器以頻率量輸出，具有測試精度高、帶有溫度補償的優點，是測量氣體絕對壓力的傳感器；信號的調理與驅動部分主要分為信號放大模塊、頻率測量模塊、DO/PWM發生模塊、V/F變換模塊、設備驅動模塊以及D/A變換模塊。

圖6 氣壓精密測控系統硬件配置

2 實施效果

根據離心-氣壓復合校準裝置氣壓控制范圍1～100 kPa及加速度范圍1 g～20 g，設定6個壓力控制目標工作點：1，5，20，40，60，100 kPa，在每個壓力工作點下，使精密離心機在1 g，10 g，20 g三個加速度點下運轉，然后在每個加速度點下測量和記錄10 min時的壓力輸出值。限于篇幅，這里選取了氣壓測量范圍的上下限的控制曲線和氣壓偏差的測量曲線進行說明，如圖7～圖10所示。

圖7 1 kPa控制曲線

選取每一個加速度下氣壓偏差最大值作為該加速度點下的氣壓偏差，在加速度范圍為1 g～20 g和氣壓范圍為1～100 kPa內實驗結果數據統計如表1所示。

圖8 1 kPa時氣壓偏差測量曲線

圖9 100 kPa控制曲線

表1 實驗結果數據統計

從表1中可以看出，在加速度全量程范圍和氣壓全量程范圍內，離心-氣壓復合校準裝置最大氣壓偏差為-1.7 Pa，達到了氣壓偏差優于10 Pa的設計要求，能夠開展加速度計的離心-氣壓復合校準。

3 結論

提出并實現了一種可抗高離心加速度的氣壓箱結構，研制了氣壓范圍1～100 kPa、氣壓偏差優于10 Pa的離心-氣壓復合校準裝置，可以有效模擬海平面到32400 m的高度下的氣壓環境，在國內首次實現了慣性器件的大g值下氣壓靈敏度校準。實驗結果證明了所設計氣壓箱精密控制系統的有效性。