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壓力變送器

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直升機(jī)氣壓高度壓力變送器原位校準(zhǔn)方法研究

作時間:2019-09-30  來源:  作者:
   
摘 要 針對氣壓高度壓力變送器定期校準(zhǔn)的要求,在考慮實際工作環(huán)境條件改變及傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法存在風(fēng)險的基礎(chǔ)上,提出了一種可在試驗現(xiàn)場原位校準(zhǔn)的方法。在該方法中,為了提高校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,計入了環(huán)境溫度變化對結(jié)果的影響且計算了整套校準(zhǔn)裝置的不確定度,驗證了其符合性。利用該套校準(zhǔn)裝置完成了氣壓高度壓力變送器的原位校準(zhǔn),通過與實驗室校準(zhǔn)數(shù)據(jù)比對,計算各點(diǎn)校準(zhǔn)結(jié)果的|E n |值且均小于 1,驗證了該方法的有效性。
0 引言
在直升機(jī)研制及試飛測試中,直升機(jī)飛行位置和姿態(tài)等信息對直升機(jī)的穩(wěn)定控制至關(guān)重要,而氣壓高度、壓力變送器作為其主要信息獲取的方式之一[1] ,其數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確將直接影響飛行安全 [2] ,因此必須對其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行定期校準(zhǔn)。雖然傳統(tǒng)實驗室校準(zhǔn)方法可信度高,但其校準(zhǔn)周期長,且重復(fù)拆卸與安裝傳感器對整個機(jī)身管路的密封性及傳感器本身都帶來風(fēng)險;此外,傳感器實際工作使用過程中環(huán)境條件的改變、傳感器內(nèi)部管路的相互連接均可能對測量結(jié)果存在影響,傳統(tǒng)實驗室校準(zhǔn)方法無法復(fù)現(xiàn)傳感器的真實工作情況,無法準(zhǔn)確對其實際工作中的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確進(jìn)行有效評估。因此,必須開展氣壓高度、壓力變送器原位校準(zhǔn)工作。本文提出了原位校準(zhǔn)方法,利用該方法校準(zhǔn)了傳感器且進(jìn)行了驗證,滿足當(dāng)前型號該類傳感器的原位校準(zhǔn)需求,確保試驗試飛中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。
1 校準(zhǔn)原理及裝置要求
1. 1 校準(zhǔn)原理
直升機(jī)高度、速度參數(shù)的測量主要利用安裝在飛機(jī)頭部的空速管進(jìn)行氣壓感受,產(chǎn)生相應(yīng)的靜壓和動壓信號,并作用于與其相連的氣壓高度、壓力變送器從而產(chǎn)生相應(yīng)的電信號 [3] 。在校準(zhǔn)試驗現(xiàn)場,通過空速管上的靜壓孔和動壓孔,標(biāo)準(zhǔn)壓力源輸出不同的壓力值給氣壓高度、壓力變送器,通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集傳感器電量輸出值,利用輸出值計算其校準(zhǔn)結(jié)果是否滿足要求,從而達(dá)到校準(zhǔn)高度、壓力變送器的目的。原位校準(zhǔn)系統(tǒng)原理如圖 1 所示。原位校準(zhǔn)時,機(jī)上高度壓力變送器的振動、環(huán)境溫濕度、管路、電磁場環(huán)境等情況,均與實際工作情況一致,因此,原位校準(zhǔn)結(jié)果可信度更高。
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1. 2 校準(zhǔn)裝置及要求
校準(zhǔn)裝置主要由標(biāo)準(zhǔn)壓力源、數(shù)據(jù)采集器、電源、氣路軟管、專用工裝、計算機(jī)和相關(guān)軟件組成,如圖 2 所示。標(biāo)準(zhǔn)壓力源用于向高度壓力變送器提供標(biāo)準(zhǔn)壓力信號;數(shù)據(jù)采集器實現(xiàn)傳感器輸出信號的測量;電源向標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備供電;氣路軟管搭建標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備輸出端與空速管上工裝入口的連接;專用工裝實現(xiàn)空速管上靜壓孔和動壓孔的密封;計算機(jī)及軟件存儲校準(zhǔn)數(shù)據(jù)并分析計算校準(zhǔn)結(jié)果。
氣壓高度、壓力變送器原位校準(zhǔn)裝置,應(yīng)在不影響直升機(jī)高度、速度測量系統(tǒng)正常工作的前提下實現(xiàn)原位校準(zhǔn)功能,且作為計量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,應(yīng)具備良好的不確定度指標(biāo)[4] ,即:①整個標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備引入的擴(kuò)展不確定度應(yīng)小于被測傳感器#大允許誤差覺對值的 1/4;②具有良好的控制穩(wěn)定性能,工作溫度范圍寬,易攜帶;③管路接口應(yīng)具有良好的匹配及密封性。
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2 校準(zhǔn)方法
2. 1 氣壓高度傳感器校準(zhǔn)
與傳統(tǒng)的實驗室拆卸后單個校準(zhǔn)方法不同,因直升機(jī)機(jī)身內(nèi)部氣壓高度傳感器的靜壓端與壓力變送器的參考端相互連接,為了防止校準(zhǔn)氣壓高度傳感器的過程中對壓力變送器造成損壞,需將空速管上的靜壓孔(P s )和動壓孔(Q c )的工裝入口利用氣路軟管分別連接至標(biāo)準(zhǔn)壓力源的測試端。在校準(zhǔn)管路搭建完成且密封性測試合格的情況下,將標(biāo)準(zhǔn)壓力源的壓力輸出模式調(diào)為絕壓模式,然后參考規(guī)程要求[4] ,測量范圍內(nèi)至少均勻或合理地設(shè)置 5 個校準(zhǔn)點(diǎn)。校準(zhǔn)時從壓力下限開始,待標(biāo)準(zhǔn)壓力源達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)時,計算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集器采集此時的電量輸出值。逐點(diǎn)升壓至測量上限,依次采集上行程各目標(biāo)壓力點(diǎn)的電量輸出值。然后,逐點(diǎn)降壓至測量下限,倒序采集各目標(biāo)壓力點(diǎn)的下行程輸出值。上行程和下行程校準(zhǔn)為 1 個循環(huán),如此進(jìn)行 2 個循環(huán)。為了消除標(biāo)準(zhǔn)壓力源的測試端與靜壓孔和動壓孔的高度差,校準(zhǔn)時盡量將三者放置在同一水平面上,具體校準(zhǔn)方法如圖 3 所示。
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2. 2 氣壓壓力變送器校準(zhǔn)
在完成上述氣壓高度傳感器校準(zhǔn)后,只需將空速管上動壓孔(Q c )的工裝入口通過氣路軟管連接至標(biāo)準(zhǔn)壓力源的測試端,靜壓孔(P s )與大氣連通即可。在校準(zhǔn)管路搭建完成且密封性測試合格的情況下,將標(biāo)準(zhǔn)壓力源的壓力輸出模式調(diào)為表壓模式,然后參考規(guī)程要求,后續(xù)校準(zhǔn)步驟與氣壓高度傳感器類似,具體校準(zhǔn)方法如圖 4 所示。
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2. 3 不確定度計算
氣壓高度、壓力變送器測量誤差不確定度來源[5] 主要有標(biāo)準(zhǔn)壓力源引入的不確定度分量 μ(p)、數(shù)據(jù)采集器引入的不確定度分量 μ(v)。現(xiàn)以校準(zhǔn)測量范圍為(0 ~1)psi、輸出(2. 5 ~5)V、0. 5 級的氣壓壓力變送器為例,標(biāo)準(zhǔn)壓力源輸出壓力#大范圍15kPa(2. 2psi),#大允許誤差 ± 0. 01% FS,在(15~45)℃范圍內(nèi)使用時,溫度影響可忽略。數(shù)據(jù)采集器的#大允許誤差為 ± (0. 0024%讀數(shù) +50μV),使用時,環(huán)境溫度超過(23 ± 5)℃ 時溫度影響為±10μV/℃。
1)標(biāo)準(zhǔn)壓力源引入的不確定度分量 μ(p),標(biāo)準(zhǔn)壓力源與被測傳感器之間高度差影響忽略,因此,標(biāo)準(zhǔn)壓力源#大誤差不超過 ±1. 5Pa,按均勻分布,則:
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被檢傳感器的#大允許誤差為 12. 5mV,從上面分析可知,整套原位校準(zhǔn)裝置#大引入的測量擴(kuò)展不確定度小于被檢傳感器允許誤差的 1/4,即
3. 125mV,因此本套校準(zhǔn)裝置滿足要求。
3 校準(zhǔn)結(jié)果驗證
為了驗證校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,以校準(zhǔn)某型號為PPT0001DWW2VB - BE 的氣壓壓力變送器為例,分別開展原位校準(zhǔn)與實驗室校準(zhǔn),校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表 1 所示,結(jié)果按企業(yè)微信截圖_20190930091545.jpg公式進(jìn)行評價。
由圖 5 可知,原位校準(zhǔn)與傳統(tǒng)實驗室各點(diǎn)校準(zhǔn)結(jié)果|E n |均小于 1,因此本校準(zhǔn)方法完全滿足氣壓高度壓力變送器的原位校準(zhǔn)要求。
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4 結(jié)論
直升機(jī)氣壓高度、壓力變送器原位校準(zhǔn)方法目前已應(yīng)用于部分型號直升機(jī)機(jī)載高度、壓力變送器的校準(zhǔn),該校準(zhǔn)方法具有以下三個特點(diǎn):
1)本文校準(zhǔn)方法針對被檢傳感器的實際工作環(huán)境條件開展校準(zhǔn),校準(zhǔn)數(shù)據(jù)真實、準(zhǔn)確、可靠,對后期客戶使用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)具有更高的應(yīng)用價值;
2)與傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法相比,原位校準(zhǔn)避免了被檢傳感器的拆卸與安裝,大量節(jié)省了維護(hù)時間,同時杜絕了因拆卸不當(dāng)造成的人為故障與損傷,大幅度縮短了校準(zhǔn)時間,提高了校準(zhǔn)工作效率;
3)本文針對直升機(jī)氣壓高度、壓力變送器的原位校準(zhǔn)方法,對后續(xù)其他類機(jī)載傳感器開展原位校準(zhǔn)有很好的借鑒作用。
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