发动机流量测控设备校准系统设计与实现

黄建明 常 莹 孙新新

(西安航天计量测试研究所,西安710100)

发动机流量测控设备校准系统设计与实现

黄建明 常 莹 孙新新

(西安航天计量测试研究所,西安710100)

为了验证发动机流量测控设备的准确性和可靠性,本文建立一套流量测控设备的校准系统,实现对发动机流量测控设备进行校准。完成了发动机流量测控设备校准系统的不确定度分析,设计了校准系统中的关键硬件系统,开发了校准系统软件系统,从而实现对发动机流量测控设备的自动控制和校准,该校准系统具有配置灵活和操作简单的特点。

流量调节器 不确定度 流量测控设备 测控系统

1 引 言

发动机流量控制设备的功能是实时监测发动机的流量情况,并根据设定的目标值调整流量值。发动机主要具有测量功能和控制功能,发动机流量控制设备工作原理是:通过采集的压力、温度信号和获取的燃油调节器开度信号,计算得出实际燃油流量情况。根据实际燃油流量与设定燃油流量的偏差情况,调整燃油调节器开度,从而达到实现精确控制燃料流量。

发动机流量测控设备解决了发动机实时准确控制流量的问题,但该设备自身的计量准确性直接影响到对流量控制的准确程度,因此,为了保证发动机流量测控设备的准确性和可靠性,本设计研建了针对该设备的校准系统。校准系统的测量不确定度直接关系该系统的测量质量。为了控制校准系统的不确定度,对该校准系统进行测量不确定度分析,进行控制系统内引入的不确定度分量来实现。

2 发动机流量测控设备流量校准不确定度技术研究

流量测控设备对燃油流量的测量结果对调节燃油流量起着关键性作用。本文校准采用标准表法,建立燃油流量标准装置作为标准源提供给发动机流量测控设备进行校准。通常影响测量不确定度的因素有七个方面,分别是燃油流量标准装置引入的测量不确定度;流量测控设备温度测量不确定性;流量测控设备压力测量不确定性;流量测控设备角位移测量不确定性;流量测控设备流量重复性测量不确定性;环境条件的影响;人员操作的影响等。

2.1 流量测控设备温度测量引入的不确定度U温

流量测控设备温度测量功能是由恒温源作为输入,通过温度传感器将温度信号转化成热电势信号,通过流量测控设备进行处理显示。影响流量测控设备温度测量不确定度的主要因素有:恒温源引入的不确定度;温度传感器引入不确定度;流量测控设备热电势采集信号处理功能引入的不确定度;重复性测量引入的不确定度;环境条件的影响;人员操作的影响等方面。

1)流量测控设备热电势处理功能引入的不确定度uB1

流量测控设备将温度传感器输出的电压信号采集处理显示为数字信息。该功能校准采用标准源法实现。采用多功能校准源作为标准源提供标准的电压信号,经流量测控设备进行处理,显示出对应的电压值。从而实现校准的目的,如图1所示。

a)流量测控设备热电势处理功能重复性测量引入的不确定度uA11。在相同温湿度、同一台多功能校准源的重复性条件下,连续独立测量10次,得到实验标准偏差s(x),uA11=s(x)。

b)多功能校准源引入的不确定度uB11,依据多功能校准源检定证书或手册给出的参数数据,进行确定多功能校准源引起的不确定度uB11。

d)扩展不确定度uB1=kuC11,k=2。

2)依据恒温源检定证书或手册给出的参数数据,确定恒温源引入的测量不确定度uB2。

3)依据温度传感器检定证书、测试报告或制造厂的技术说明书给出的参数数据,确定温度传感器引入的测量不确定度uB3。

4)在相同条件下,使用同一台流量测控设备连续独立测量同一台恒温源10次,得到实验标准偏差s(x),uA1=s(x)。

6)扩展不确定度,流量测控设备温度的测量不确定性U温=kuC,k=2。

2.2 流量测控设备压力测量引入的不确定度U压

流量测控设备压力测量功能是由标准压力计作为输入,通过压力传感器将压力信号转化成电压信号,通过流量测控设备进行处理显示。影响流量测控设备压力测量不确定度的主要因素有:标准压力计引入的测量不确定度;压力传感器引入的测量不确定度;流量测控设备电压处理功能引入的不确定度;重复性测量引入的不确定度;环境条件的影响;人员操作的影响等方面。

1)流量测控设备电压处理功能引入的不确定度uB1

流量测控设备将压力传感器输出的直流电压信号采集处理为数字信息。采用多功能校准源作为标准源提供标准的直流电压信号,经流量测控设备进行处理,显示出对应的电压值,从而实现校准的目的。

a)流量测控设备电压处理功能重复性测量引入的不确定度uA21。在相同温湿度、同一台多功能校准源的重复性条件下,连续独立测量10次,得到实验标准偏差s(x),uA21=s(x)。

b)依据多功能校准源检定证书或手册给出的参数数据,进行确定多功能校准源引起的不确定度uB21。

d)扩展不确定度uB1=kuC21,k=2。

2)依据压力源检定证书、测试报告或制造厂的技术说明书等给出的参数数据,确定压力源引入的测量不确定度uB2。

3)依据压力传感器检定证书、测试报告或制造厂的技术说明书给出的参数数据,确定压力传感器引入的测量不确定度uB3。

4)在相同条件下,在较短的时间内连续独立重复测量10次,得到实验标准偏差s(x),uA1=s(x)。

6)扩展不确定度:流量测控设备温度测量不确定性U压=kuC,k=2。

2.3 流量测控设备角位移测量引入的不确定度U角

流量测控设备角位移采集过程是将燃油调节器内调节阀角位移信号转化为交流电压信号传入流量测控设备处理,并显示对应角位移值。影响角位移测量不确定度的主要因素有:数显转台引入的测量不确定度;角位移传感器引入的测量不确定度;重复性测量引入的不确定度;流量测控设备交流电压处理功能引入的不确定度;环境条件的影响;人员操作的影响等方面。

1)流量测控设备交流电压处理功能引入的不确定度uB1

流量测控设备交流电压处理功能校准采用标准源法实现。采用多功能校准源作为校准源,提供交流电压标准信号,经流量测控设备进行处理,显示相应电压值。

a)在相同温湿度、同一台多功能校准源的重复性条件下,连续独立测量10次,得到实验标准偏差s(x),uA31=s(x)。

b)依据多功能校准源检定证书或手册给出的参数数据,进行确定多功能校准源引起的不确定度uB31。

d)扩展不确定度uB1=kuC31,k=2。

2)依据检定证书、测试报告或制造厂的技术说明书等给出的参数数据,确定数显转台引入的测量不确定度uB2。

3)专用夹具与数显转台不同轴引入的测量不确定度uB3

4)传感器安装不同轴引入的测量不确定度 uB4

5)依据角位移传感器检定证书、测试报告或制造厂的技术说明书给出的参数数据,确定压力传感器引入的测量不确定度uB5。

6)在相同的条件下,用校准装置对被校角位移传感器重复测量10次,其实验标准偏差s(x),uA1= s(x)。

8)扩展不确定度U角=kuC,k=2。

2.4 燃油流量标准装置引入的测量不确定度U标

燃油流量标准装置进行自研,检定合格后,依据检定证书确定燃油流量标准装置的不确定度U标。

2.5 流量测控设备流量重复性测量引入的不确定度U重

相同温湿度、燃油流量标准装置作为标准源,使用发动机流量测控设备连续独立测量10次,得到实验标准偏差s。流量重复性不确定度U重(x)=s。

2.6 流量测控设备流量扩展不确定度

流量测控设备温度测量不确定性U=k U合,k=2。

根据以上不确定度分析,影响流量采集不确定度的因素由A类评定和B类评定组成,其中B类评定与相关设备的选择和安装工艺有关,A类评定中测量重复性引入的不确定度将通过测量次数来控制。在系统研建过程中,通过有针对性的控制相关设备和工艺引入的不确定度分量,可将流量测量扩展不确定度值控制在一定的范围内。

3 发动机流量测控设备校准系统硬件设计

发动机流量测控设备校准系统过程中包含多个校准子系统,本设计对关键校准设备燃油流量标准装置和角位移传感器校准装置进行研建。

3.1 燃油流量标准装置的研建

燃油流量标准装置能够对流量测控设备提供标准流量,主要是对流量测控设备的测量准确度、重复性、线性度等参数进行检定和校准,同时可以利用标准流量验证流量测控设备的参数设置与动作是否准确。燃油流量标准装置的不确定决定这测量质量高低,在设计过程中,泵组、稳压罐、变温系统、管道系统、标准器系统等的不确定度都要考虑到,通过各个系统的不确定度,可以计算出流量检定装置的线性、非线性关系。为了提高流量标准装置不确定度装置的采用静态质量法的测量原理是将通过电子称测得的称量系统中流量的参数换算成体积,经过温度补偿和压力补偿后与被测流量计所测得的数据进行比对,从而得到相应的流量结果和检定系数。具体的检定原理如图2所示。

装置工作流程油液存储于油箱内,工作时,将燃油调节器安装在管路上,保证无泄漏;确定是否需要变温,常温实验时,启动油泵,使油液进人系统循环,根据需要开启油泵电机组将流量调至最大,运行几分钟而后开始实验。需要变温时,首先启动电加热器对换热系统内水进行加热,启动循环泵,使热水经换热器循环,通过循环对管路内介质进行加热。

3.2 角位移传感器校准装置研制

角位移传感器原理是:把机械部件的旋转传递到角位移传感器的轴上,带动与之相连的铁心,改变线圈中的感应/电感量,输出与旋转角度成比例的电压/电流信号。

角位移传感器性能指标的优劣直接影响流量控制的性能,因此,传感器的入厂复检和安装前的定期校准工作是非常必要的。角位移传感器采用的校准设备主要有交流电压源、数显转台和数字多用表,如图3所示。

角位移校准方法:由数显转台产生标准角位移,通过传感器将标准角位移转换成电信号,测得的电信号作为传感器的实际校准数据,按数据处理方法计算出传感器的灵敏度、线性度、回程误差和重复性。

4 发动机流量测控设备校准系统软件设计

校准系统软件是发动机流量测控设备校准系统控制中心。在校准过程中采集校准源数据信息和被校设备数据示值,在经过特定的算法处理得出校准结论。为了方便使用者操作,系统软件采用图形化操作界面,设置或获取关联设备的参数或数据,同时也能将测试数据进行存储或打印。

4.1 校准软件总体设计

现场校准软件主要用于发动机流量测控设备的校准,在通过对发动机流量测控设备流量校准不确定度技术研究知道,整改校准过程中需要首先对多个引入不确定度分量进行校准。因此,该软件系统功能上划分为流量测控设备温度测量校准、流量测控设备压力测量校准、流量测控设备角位移测量校准、流量测控设备流量测量校准和设备配置测试管理模块。软件系统总体功能框图,如图4所示。

4.2 校准软件的详细设计

由于流量测控设备温度、压力和角位移校准过程类似,本设计只对流量测控设备温度校准进行详细设计、流量测控设备流量校准和设备配置测试管理模块进行详细设计。

1)流量测控设备温度校准模块设计

流量测控设备温度校准是通过确定各个不确定度影响量分量和重复测量温度产生的不确定度进行确定流量测控设备温度校准过程中的不确定度,见图5所示。

2)流量测控设备流量校准模块设计

流量测控设备流量校准首先需要确定该设备的温度、压力、角位移和流量标准装置引入的不确定度,由操作人员对流量测控设备进行重复测量流量,通过运算得出流量控制设备的流量测量结果及不确定度,如图6所示。

3)设备配置测试管理模块设计

设备配置测试管理模块主要功能分为设备通讯参数配置模块和通讯测试模块。设备通讯参数配置模块主要设置并保存与各设备的通讯配置参数信息,为实现设备校准提供基础保障。在本系统中校准软件需要与多功能校准源、数字多用表、数显转台和燃油流量标准器等多种设备进行通信。各种设备提供多种通讯方式,在设计时考虑到成本,尽可能采用与设备通讯费用较低的方式;设备通讯测试模块主要是检查是否与设备通讯正常,在该模块设计中预置一组通用测试命令,方便使用者进行通讯测试。

4.3 校准软件的实现和编码

在校准软件具体实现时首先要考虑软件与设备的通讯问题,本系统采用多种通讯方式有基于WLAN、GPIB和RS232等总线方式。为了简化编程,本设计采用虚拟仪器软件架构 VISA。VISA (Virtual Instrumentation Software Architecture,虚拟仪器软件结构)是VPP系统联盟指定的I/O接口软件标准及其相关规范的总称。它是一种通用的控制多种仪器的软件工具,与硬件和接口无关,也与操作系统和编程语言无关。VISA的目的是提供统一的设备资源管理、操作和使用机制,以帮助最终用户简化仪器I/O编程。

在本设计开发过程中采用Agilent IO Libraries Suite提供的VISA COM I/O API编程接口,开发语言采用C#程序设计语言。

4.3.1 设备配置测试管理模块实现

该模块包含设备通讯参数配置和通讯测试。其中设备通讯配置见图7,主要作用是设置设备通讯参数,并将参数写入到数据文件中存储。在设备通讯时读取设备通讯参数并使用VISA实现与设备的连接,实现与设备的通讯。

4.3.2 流量测控设备角位移校准模块实现

流量测控设备角位移校准模块实现过程中,依据JJF 1352—2012《角位移传感器校准规范》设置角位移测量点数和测量值,并控制数显转台依次旋转到测量值同时采集流量测控设备对应的角位移量见图8所示。

5 结束语

本文研制了发动机流量测控设备校准设备。应用建立燃油流量标准装置对发动起进行校准 过程中不确定度影响因素进行研究,在构建流量测控校准硬件系统中充分利用影响校准不确定度因素,进行相关设备的选择。在发动机流量测控设备校准系统软件开发进行模块分析与设计,在实现过程中采用虚拟仪器软件架构(VISA)技术实现与多种硬件设备进行通信,从而实现发动机流量测控软件自动化校准。

[1] JJF 1352—2012,角位移传感器校准规范[S].国家质量监督检验检疫总局.北京:中国计量出版社,2012.

[2] 刘学峰.转台校准设备研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学工学硕士学位论文,2014.

[3] 苏彦勋,梁国伟,盛健.流量计量与测试(第二版)[M].北京:中国计量出版社,2007.

[4] 杨浩前.基于VISA架构的物联网资源驱动层研究与实现[D].陕西:西安石油大学硕士学位论文,2015.

Design and Implementation on the Flow Measurement and Control Equipment Calibration System of the Engine

HUANG Jian-ming CHANG Ying SUN Xin-xin
(Measuring And Testing Institute Under Xi’an Aerospace Corporation,Xi’an 710100,China)

In order to verify the accuracy and reliability of the engine flow measurement and control equipment,in the paper,a set of the calibration system for flow measurement and control equipment is established,realize the calibration of the engine flow measurement and control equipment.The uncertainty analysis of the engine flow measurement and control equipment is completed,and the key hardware system of the calibration is built,the software system of the calibration is developed,so realize the automatic control and calibration of the engine flow measurement and control equipment,the calibration system has the characteristics of flexible configuration and simple operation.

Flow regulator Uncertainty Flow measurement and control equipment Measurement and control system

1000-7202(2017)01-0060-06

TP29

A

2016-07-01,

2017-02-23

黄建明(1983-),男,副总工程师,主要研究方向:计量检测技术。