基于離心機(jī)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(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

慣性器件及系統(tǒng)大多在惡劣環(huán)境條件下工作，環(huán)境條件嚴(yán)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(fā)達(dá)國家十分重視多物理場（包括：加速度、溫度、氣壓、振動(dòng)等）復(fù)合條件下慣性器件校準(zhǔn)技術(shù)的研究［1］；通過研制多物理場復(fù)合的慣性器件校準(zhǔn)裝置，對慣性器件實(shí)施多物理場復(fù)合條件下的校準(zhǔn)，可建立復(fù)雜的多因素校準(zhǔn)模型。該多因素校準(zhǔn)模型方程系數(shù)有十幾項(xiàng)，甚至幾十項(xiàng)［2，3］。利用多因素校準(zhǔn)模型方程可補(bǔ)償使用環(huán)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(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下的校準(zhǔn)相比，使用精度可提高一個(gè)甚至二至三個(gè)數(shù)量級［4］，有非常重要的研究意義。由于慣性器件的校準(zhǔn)精度直接影響武器系統(tǒng)的打擊精度，國外對此方面實(shí)行技術(shù)封鎖，不可能從國外直接引進(jìn)或得到這些技術(shù)。

離心-氣壓復(fù)合校準(zhǔn)裝置研究的主要工作在于對加速度計(jì)多物理場復(fù)合計(jì)量校準(zhǔn)裝置的研究，主要內(nèi)容包括：裝置的總體方案設(shè)計(jì)；系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計(jì)與搭建；設(shè)計(jì)與完善離心-氣壓復(fù)合試驗(yàn)箱；離心-氣壓復(fù)合試驗(yàn)箱氣壓精密測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

基于以上工作，發(fā)明了一種可抗高離心加速度的氣壓箱結(jié)構(gòu)，研制了氣壓范圍為1～100 kPa、氣壓偏差優(yōu)于10 Pa的離心-氣壓復(fù)合校準(zhǔn)裝置，可以有效模擬海平面到32400 m的高度時(shí)氣壓環(huán)境，國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了慣性器件的大g值下氣壓靈敏度校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了慣性器件全量程內(nèi)的氣壓靈敏度校準(zhǔn)。

1 離心-氣壓復(fù)合校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)

離心-氣壓復(fù)合校準(zhǔn)裝置主要由離心轉(zhuǎn)臺、氣壓試驗(yàn)箱、控制系統(tǒng)組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 離心-氣壓復(fù)合校準(zhǔn)裝置

1.1 工作原理

當(dāng)離心機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，連通地面氣壓控制設(shè)備與試驗(yàn)箱，控制氣壓達(dá)到給定值，離心機(jī)旋轉(zhuǎn)前，關(guān)閉試驗(yàn)箱的氣路管線，拆除與地面設(shè)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(yàn)箱、氣壓控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣壓精密測控系統(tǒng)、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(yàn)箱為加速度計(jì)提供安裝和校準(zhǔn)環(huán)境，真空泵提供負(fù)氣壓源，氣壓精密測控單元通過試驗(yàn)箱氣壓的高精度測量及對氣壓控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)控制，使高密封低氣壓試驗(yàn)箱內(nèi)氣壓最終精確達(dá)到設(shè)定值。

1.2.1 氣壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)

通過設(shè)計(jì)合理的氣路結(jié)構(gòu)和選擇恰當(dāng)?shù)膱?zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)了對氣壓試驗(yàn)箱內(nèi)氣壓的精密控制，使各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照一定的步驟動(dòng)作，并解決了氣路結(jié)構(gòu)與氣壓試驗(yàn)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(huán)境作為正氣壓源，實(shí)現(xiàn)1～100 kPa的壓力控制范圍；采用真空發(fā)生裝置實(shí)現(xiàn)真空環(huán)境。氣路結(jié)構(gòu)流程圖如圖3所示。

圖3 氣路結(jié)構(gòu)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(fā)生裝置和降壓控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)箱內(nèi)低氣壓調(diào)節(jié)；另一路通過升壓控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)箱內(nèi)升壓調(diào)節(jié)，從而保證控制閥的方向與氣流方向一致。試驗(yàn)箱通過法蘭安裝固定在離心機(jī)機(jī)臂上，手動(dòng)真空球閥通過法蘭一端與氣壓試驗(yàn)箱連接，另一端安裝一個(gè)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(jī)未工作時(shí)，對試驗(yàn)箱內(nèi)的氣壓進(jìn)行降壓或升壓兩種處理。降壓時(shí)，需要利用真空泵對試驗(yàn)箱進(jìn)行抽氣來實(shí)現(xiàn)，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(xié)調(diào)控制粗調(diào)閥和精調(diào)閥來實(shí)現(xiàn)氣體流量調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)箱內(nèi)氣壓降壓控制；升壓時(shí)，選擇大氣作為正氣壓源對試驗(yàn)箱進(jìn)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(xié)調(diào)控制粗調(diào)閥和精調(diào)閥來實(shí)現(xiàn)氣體流量調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)箱內(nèi)氣壓升壓控制。試驗(yàn)箱內(nèi)氣壓生成原理如圖4所示。

離心機(jī)旋轉(zhuǎn)前，打開手動(dòng)真空球閥，通過以上過程使氣壓箱內(nèi)氣壓達(dá)到設(shè)定值，然后關(guān)閉手動(dòng)真空球閥，拆除地面氣路裝置與離心機(jī)上試驗(yàn)箱的氣路連接，從而實(shí)現(xiàn)在離心機(jī)工作狀態(tài)下，氣壓試驗(yàn)箱能夠提供目標(biāo)氣壓環(huán)境，供加速度計(jì)校準(zhǔn)。

圖4 試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)高密封氣壓試驗(yàn)箱內(nèi)氣壓的精密控制至關(guān)重要，從圖4中可以看出氣路控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括真空泵、升壓閥、降壓閥、粗調(diào)閥、精調(diào)閥。

①真空泵

真空泵是產(chǎn)生負(fù)壓的一種新型、高效、清潔的氣源發(fā)生裝置，本系統(tǒng)使用油潤滑旋片式真空泵，這種真空泵是利用泵腔內(nèi)活塞做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將氣體吸入、壓縮并排除，以達(dá)到抽氣目的，其最大的特點(diǎn)是當(dāng)進(jìn)口端氣體壓腔大于一定閾值時(shí)，抽氣速率（體積流量）是一個(gè)定值。考慮到本系統(tǒng)目標(biāo)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(diào)閥

本系統(tǒng)統(tǒng)一選用直動(dòng)電磁閥，控制電壓為24 VDC，通徑為4 mm。直動(dòng)電磁閥用于壓力控制與調(diào)節(jié)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(jì)，一般可以認(rèn)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(shù)，對于氣體一定、結(jié)構(gòu)一定的電磁閥，其值變化不大。

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

③精調(diào)閥

為實(shí)現(xiàn)對高密封氣壓試驗(yàn)箱內(nèi)氣壓小范圍的精確控制，要求精調(diào)閥在小范圍內(nèi)能連續(xù)、準(zhǔn)確地控制流量的大小，從而控制氣壓試驗(yàn)箱內(nèi)氣壓的大小。本系統(tǒng)選用比例電磁調(diào)節(jié)閥作為精調(diào)閥，這種調(diào)節(jié)閥本質(zhì)上可看作一個(gè)局部阻力可變的元件，根據(jù)能量守恒定理，當(dāng)流過調(diào)節(jié)閥的流體為不可壓縮流體時(shí)，可得到流量方程為［7-9］

式中：N為常數(shù)，當(dāng)流速和管道直徑確定時(shí)，N固定不變；A為閥連接管的截面積；ξ為閥的阻力系數(shù)，與閥結(jié)構(gòu)形式、流體性質(zhì)及閥的開度有關(guān)；ρ為介質(zhì)密度。

當(dāng)閥口徑、閥兩端壓差一定時(shí)，通過控制比例電磁調(diào)節(jié)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(shù)，調(diào)節(jié)流入或流出試驗(yàn)箱的氣體流量，以實(shí)現(xiàn)氣壓壓力控制。本系統(tǒng)選用進(jìn)口的高精度PSV-2比例電磁調(diào)節(jié)閥，通徑為1.02 mm，最大氣體流量為13 L/min，調(diào)節(jié)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(shí)現(xiàn)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(tǒng)的作用是：在離心機(jī)未工作狀態(tài)下將試驗(yàn)箱壓力控制到設(shè)定值；在離心機(jī)工作狀態(tài)下進(jìn)行保壓監(jiān)測。測控原理如圖5所示。

首先，通過測控單元給定壓力設(shè)定值，在控制的過程中，采用硅諧振壓力傳感器檢測試驗(yàn)箱內(nèi)的壓力值，傳感器的輸出信號經(jīng)過調(diào)理與采集送入測控單元中心，形成壓力反饋，然后根據(jù)一定的控制策略產(chǎn)生控制信號，該控制信號經(jīng)過設(shè)備驅(qū)動(dòng)作用到壓力執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，用來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)中閥門的開度以調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱內(nèi)氣體的壓力值，最終使試驗(yàn)箱的壓力值達(dá)到設(shè)定值，然后關(guān)閉真空手動(dòng)球閥，斷開與試驗(yàn)箱的氣路連接，進(jìn)入保壓監(jiān)測階段。離心機(jī)與地面電路通過滑環(huán)轉(zhuǎn)接，保證離心機(jī)工作時(shí)，能對試驗(yàn)箱內(nèi)氣壓進(jìn)行監(jiān)測。

圖5 氣壓精密測控原理圖

系統(tǒng)硬件配置如圖6所示，配置包括測量部分與信號調(diào)理與驅(qū)動(dòng)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(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，是測量氣體絕對壓力的傳感器；信號的調(diào)理與驅(qū)動(dòng)部分主要分為信號放大模塊、頻率測量模塊、DO/PWM發(fā)生模塊、V/F變換模塊、設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊以及D/A變換模塊。

圖6 氣壓精密測控系統(tǒng)硬件配置

2 實(shí)施效果

根據(jù)離心-氣壓復(fù)合校準(zhǔn)裝置氣壓控制范圍1～100 kPa及加速度范圍1 g～20 g，設(shè)定6個(gè)壓力控制目標(biāo)工作點(diǎn)：1，5，20，40，60，100 kPa，在每個(gè)壓力工作點(diǎn)下，使精密離心機(jī)在1 g，10 g，20 g三個(gè)加速度點(diǎn)下運(yùn)轉(zhuǎn)，然后在每個(gè)加速度點(diǎn)下測量和記錄10 min時(shí)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(jìn)行說明，如圖7～圖10所示。

圖7 1 kPa控制曲線

選取每一個(gè)加速度下氣壓偏差最大值作為該加速度點(diǎn)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(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

圖8 1 kPa時(shí)氣壓偏差測量曲線

圖9 100 kPa控制曲線

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

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(nèi)，離心-氣壓復(fù)合校準(zhǔn)裝置最大氣壓偏差為-1.7 Pa，達(dá)到了氣壓偏差優(yōu)于10 Pa的設(shè)計(jì)要求，能夠開展加速度計(jì)的離心-氣壓復(fù)合校準(zhǔn)。

3 結(jié)論

提出并實(shí)現(xiàn)了一種可抗高離心加速度的氣壓箱結(jié)構(gòu)，研制了氣壓范圍1～100 kPa、氣壓偏差優(yōu)于10 Pa的離心-氣壓復(fù)合校準(zhǔn)裝置，可以有效模擬海平面到32400 m的高度下的氣壓環(huán)境，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了慣性器件的大g值下氣壓靈敏度校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)氣壓箱精密控制系統(tǒng)的有效性。