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(tài)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(tǒng)中，動力艙出風口處的氣壓參數(shù)十分重要。為了能夠準確地獲取出氣口處氣壓參數(shù)，需要根據(jù)實際動力艙的測試環(huán)境，對氣壓參數(shù)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(shù)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(shù)大小也不相同。本文根據(jù)動力艙實際的測試環(huán)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(shù)測量精度的影響。

二、分布式管式測試系統(tǒng)概述

本氣壓參數(shù)獲取測試系統(tǒng)主要由氣壓參數(shù)獲取模塊、信號調理電路模塊、數(shù)據(jù)采集模塊組成。氣壓參數(shù)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(huán)境比較惡劣復雜，主要目地是防止外界環(huán)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(jù)實測的環(huán)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(shù)，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(shù)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(qū)域外側，由于在測試點與傳感器之間增加了一定長度且?guī)е苯菑濐^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(tài)氣壓[4]。為模擬真實的測試環(huán)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(tài)到接近實際情況所需風壓，實現(xiàn)風壓值從0到所需風壓整個區(qū)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(tǒng)

誤差分析測試系統(tǒng)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(tǒng)結構示意圖如圖4所示，電路部分包括系統(tǒng)電源供電模塊、氣壓傳感器模塊、數(shù)據(jù)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(jù)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(wěn)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(shù)據(jù)，圖5（b）為經過低通濾波后的數(shù)據(jù)，藍色數(shù)據(jù)（上面）為直接氣壓傳感器測量輸出，綠色數(shù)據(jù)（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(guī)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(tài)風環(huán)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(shù)據(jù)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(shù)a和常數(shù)項參數(shù)b，如表1所示。

表1 一階線性擬合參數(shù)

從表1中發(fā)現(xiàn)，一次項系數(shù)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(shù)進行修訂，提高測試精度，完成對動力艙氣壓參數(shù)的有效獲取。

六、結束語

為了滿足動力艙出風口在惡劣環(huán)境下的氣壓參數(shù)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(shù)測量結果誤差分析，提出一種氣壓誤差分析測試系統(tǒng)設計，通過該測試系統(tǒng)完成了不同管道長度對于氣壓參數(shù)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(shù)進行修正，提高管式氣壓參數(shù)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(shù)測量影響及修正，提高氣壓測量的精度，有效地實現(xiàn)動力艙出風口處氣壓參數(shù)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。