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石英真空计在风洞中的应用
来源: | 作者:pumpzd | 发布时间: 2019-09-03 | 8 次浏览 | 分享到:
      压力测量技术是试验空气动力学的一项重要研究课题。由于压力传感器技术的限制,在风洞试验中难以精确测量微小压力值。
     本文基于石英真空计自主研发了一套微压测量系统,并研究了细长管路对测压系统的影响。该系统能够测量0.2k Pa2k Pa压强,可同步完成32路压力测量。风洞测压试验结果表明,微压测量系统可以有效应用于高超声速微小压力测量试验,且测量精度优于15%测量值。    
     风洞模型测压试验是获得飞行器气动载荷分布和气动特性的重要方法之一。常规高超声速风洞中测压孔处的压力通常由测压导管经模型支杆和支架连接到风洞外的电子压力扫描阀模块上进行测量。电子压力扫描阀使用高精度硅压阻传感器,在较高压强下,能够获得较好的测量精度,但对于1k Pa以下压强,暂无法获得高精度的测量结果。模型背风区压力测量、测力试验底部压力测量、低密度风洞测压试验等均存在大量微压测量任务。因此,发展一种高精度微压测量技术成为了当前风洞测压试验的迫切需求。本文在风洞中试用石英真空计来测量0.2k Pa-2k Pa之间的压强。风洞中测量压强与一般真空技术的压强测量的差别是: (1) 规管要经过一条细长管道通到被测量压强处。本文试验用管道长为1.3m,内径为0.9mm。常规测量真空规管管道是短而粗,细长管道会带来一些问题。
(2) 风洞测量压强是要测量压强的分布,即有多点压强要测量,本文设计之测量点为32个点。本文就是研究细长管道及多点测试的方法。
1、真空计的选择在本文所述测量范围供风洞测量的真空计有薄膜真空计、压阻计和石英真空计可选择。薄膜计的精度高,但是探头体积大,不同厂家生产的探头的直径不同,大约有60mm。如果将32个探头装在一起,所占空间太大,不方便。压阻计是采用绝压传感器的真空计,可测量0.1k Pa-100k Pa的压强。在测量下限附近应该调节零点以减小测量误差。但是风洞测量中难以调节零点。石英真空计的特点是传感器体积小,测量精度比较高。比较起来,石英真空计还是合适的选择。本文所采用的真空计就是石英真空计。石英真空计在测量大于100Pa的压强,可以不加零点调节,误差仍小于10%。  
2、石英真空计及32通道真空计设计方案,上世纪50年代,D.J.Pacey研究用石英晶振测量气体压强[1],该仪器可测10Pa到133Pa的压强。80年代M.Ono等人设计了测量范围从13.3Pa到10Pa的石英真空计[2]。国内在90年代也有人研制了石英真空计[3],测量范围为0.1Pa—2×10Pa。目前已有石英真空计产品。例如:CC-10真空计[4],DL-10A型石英真空计[5]。本文所用真空计为DL-10A型石英真空计。测量范围为0.5Pa-10Pa,石英晶振尺寸为3.2mm×1.5mm×0.8mm。晶振标称频率是32.768k Hz
。
3、细长管道对石英真空计读数的影响    细长管道应用于石英真空计的测量存在时间常数增大和精度下降的问题。下面分别进行讨论。    3.1、细长管道使时间常数增大    依据风洞实验测压过程,对细长管路建立细长管路抽气模型如图4所示。细长管路对气体的流动具有一定的阻碍作用。反过来说它们对气体的流动都有一定的通导能力,这种能力称之为流导。流导的大小说明在管路元件两端的压强差一定的条件下流经管路元件的气流量的多少。气体在管道中的流动状态不同,管道的流导也不一样,也就是说,管道对气体的流导不仅取决于管道的几何形状和尺寸,还与管道中流动的气体种类和温度、管道中气体的平均压力有关系。所以在计算管道对气体的流导时,首先必须判明管道中的气流是哪一种流动状态。详细估算方法如表2所示。依据上述判断原则,本课题所研究微压测量均为粘性流范畴。
粘性流,圆管时,有流导      式中:S———流导,m/s;    ———管内平均压力,Pa;    R———通用气体常数R=8。31KJ/ (kmol·K);    T———绝对温度,K;    M———气体分子量,kg/kmol;    L———管长与管件的当量长度之和,m;    D———管内长直径,m;    μ———黏度,Pa·s。    可见流导与管路直径D四次方成正比,与长度成反比,与平均压力成正比。因此,风洞测压实验中管径过细,管路过长,被测压力较低,均会导致管路流导增加,管路抽速降低,从而影响测压系统的响应时间及测量精度。

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