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石英真空計在風洞中的應用
來源: | 作者:pumpzd | 發布時間: 2019-09-03 | 1277 次瀏覽 | 分享到:
      壓力測量技術是試驗空氣動力學的一項重要研究課題。由于壓力傳感器技術的限制,在風洞試驗中難以精確測量微小壓力值。
     本文基于石英真空計自主研發了一套微壓測量系統,并研究了細長管路對測壓系統的影響。該系統能夠測量0.2k Pa2k Pa壓強,可同步完成32路壓力測量。風洞測壓試驗結果表明,微壓測量系統可以有效應用于高超聲速微小壓力測量試驗,且測量精度優于15%測量值。    
     風洞模型測壓試驗是獲得飛行器氣動載荷分布和氣動特性的重要方法之一。常規高超聲速風洞中測壓孔處的壓力通常由測壓導管經模型支桿和支架連接到風洞外的電子壓力掃描閥模塊上進行測量。電子壓力掃描閥使用高精度硅壓阻傳感器,在較高壓強下,能夠獲得較好的測量精度,但對于1k Pa以下壓強,暫無法獲得高精度的測量結果。模型背風區壓力測量、測力試驗底部壓力測量、低密度風洞測壓試驗等均存在大量微壓測量任務。因此,發展一種高精度微壓測量技術成為了當前風洞測壓試驗的迫切需求。本文在風洞中試用石英真空計來測量0.2k Pa-2k Pa之間的壓強。風洞中測量壓強與一般真空技術的壓強測量的差別是: (1) 規管要經過一條細長管道通到被測量壓強處。本文試驗用管道長為1.3m,內徑為0.9mm。常規測量真空規管管道是短而粗,細長管道會帶來一些問題。
(2) 風洞測量壓強是要測量壓強的分布,即有多點壓強要測量,本文設計之測量點為32個點。本文就是研究細長管道及多點測試的方法。
1、真空計的選擇在本文所述測量范圍供風洞測量的真空計有薄膜真空計、壓阻計和石英真空計可選擇。薄膜計的精度高,但是探頭體積大,不同廠家生產的探頭的直徑不同,大約有60mm。如果將32個探頭裝在一起,所占空間太大,不方便。壓阻計是采用絕壓傳感器的真空計,可測量0.1k Pa-100k Pa的壓強。在測量下限附近應該調節零點以減小測量誤差。但是風洞測量中難以調節零點。石英真空計的特點是傳感器體積小,測量精度比較高。比較起來,石英真空計還是合適的選擇。本文所采用的真空計就是石英真空計。石英真空計在測量大于100Pa的壓強,可以不加零點調節,誤差仍小于10%。  
2、石英真空計及32通道真空計設計方案,上世紀50年代,D.J.Pacey研究用石英晶振測量氣體壓強[1],該儀器可測10Pa到133Pa的壓強。80年代M.Ono等人設計了測量范圍從13.3Pa到10Pa的石英真空計[2]。國內在90年代也有人研制了石英真空計[3],測量范圍為0.1Pa—2×10Pa。目前已有石英真空計產品。例如:CC-10真空計[4],DL-10A型石英真空計[5]。本文所用真空計為DL-10A型石英真空計。測量范圍為0.5Pa-10Pa,石英晶振尺寸為3.2mm×1.5mm×0.8mm。晶振標稱頻率是32.768k Hz
。
3、細長管道對石英真空計讀數的影響    細長管道應用于石英真空計的測量存在時間常數增大和精度下降的問題。下面分別進行討論。    3.1、細長管道使時間常數增大    依據風洞實驗測壓過程,對細長管路建立細長管路抽氣模型如圖4所示。細長管路對氣體的流動具有一定的阻礙作用。反過來說它們對氣體的流動都有一定的通導能力,這種能力稱之為流導。流導的大小說明在管路元件兩端的壓強差一定的條件下流經管路元件的氣流量的多少。氣體在管道中的流動狀態不同,管道的流導也不一樣,也就是說,管道對氣體的流導不僅取決于管道的幾何形狀和尺寸,還與管道中流動的氣體種類和溫度、管道中氣體的平均壓力有關系。所以在計算管道對氣體的流導時,首先必須判明管道中的氣流是哪一種流動狀態。詳細估算方法如表2所示。依據上述判斷原則,本課題所研究微壓測量均為粘性流范疇。
粘性流,圓管時,有流導      式中:S———流導,m/s;    ———管內平均壓力,Pa;    R———通用氣體常數R=8.31KJ/ (kmol·K);    T———絕對溫度,K;    M———氣體分子量,kg/kmol;    L———管長與管件的當量長度之和,m;    D———管內長直徑,m;    μ———黏度,Pa·s。    可見流導與管路直徑D四次方成正比,與長度成反比,與平均壓力成正比。因此,風洞測壓實驗中管徑過細,管路過長,被測壓力較低,均會導致管路流導增加,管路抽速降低,從而影響測壓系統的響應時間及測量精度。

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