CN105865587A - 一种发动机流量计的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发动机流量计的标定方法，属于流量测量技术领域。其步骤如下：一、建立与使用环境一样的标定条件，二、建立发动机流量测量系统，三、利用槽道式流量计获得标准的发动机流量，四、发动机流量计标定数据处理，五、发动机流量计标定系统不确定度分析。本发明可以解决发动机流量计的标定问题，给出标定系数及不确定度。主要用于发动机流量计的标定。

Description

一种发动机流量计的标定方法

技术领域

本发明属于流量测量技术领域

背景技术

捕获流量是发动机的重要性能参数之一，其准确性对发动机的设计和性能评估具有重要意义。发动机在性能试验前，通常将进气道与流量测量装置(简称流量计)采用直连式的方式连接在一起，通过试验的方法获得捕获流量，因此流量计的测量精度直接决定了捕获流量测量的准确性。与其他类型的传感器一样，得到流量计的测量精度的最好办法就是对其进行标定。

根据现有的标定手段，流量计标定的方法按照标定原理可广义的分为直接标定法和间接标定法。直接标定法是通过串联标准装置和被检流量计来获得被检流量计的流量，并且比较这两者测得流体流量示值，来获得被检流量计精度；间接测量法是通过测量与计算流量有关的量，按照规定方法间接地检验流量值，来获得流量计精确度的方法。直接标定法的准确度要高于间接标定法，主要原因是与气体流量标准装置建立了联系。气体流量标准装置主要包括原级标准装置和传递标准装置，原级标准装置是最高标准，通过标准量器或者衡量器等来测量容器和质量，从而得到气体的质量流量，主要有钟罩式标准装置，pVTt法标准装置及mt法标准装置，这几种方法的测量准确度可以达到0.1％，甚至更高。但是标准装置一般投资及规模都比较大，不可能大规模建设，实际工作中比较常用的是传递标准装置，常用的有转筒式流量计、腰轮式流量计、涡轮流量计及临界流流量计等，这几种方法的测量不确定度可以达到0.5％。

对于发动机流量计，其测量的气体总温高达1500K，如果用前文所述现有的标定方法进行标定就会使得检定环境与工况环境相差非常大，所以必须针对工况环境，对现有标定方法进行改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种发动机流量测量装置的标定方法。它能有效地解决现有流量标定方法无法进行发动机流量计标定的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：一种发动机流量计的标定方法，其步骤如下

一、建立与使用环境相同的标定条件

发动机一般工作在来流总温1000K以上的使用环境，故利用风洞来建立与使用环境相同的标定条件，该风洞采用氢气和富氧空气燃烧加热来得到所需的试验来流，试验来流的模拟参数包括：总温、总压及马赫数，确定富氧管配气参数和富氧喉道直径、挤压供氢压力和氢气喉道直径及喷管，即可确定试验来流的条件参数。

二、建立发动机流量测量系统

将两个槽道式流量计分别放置于富氧空气喉道及氢气喉道的下游来测量富氧空气及氢气的流量，两者之和就是总的来流流量；发动机流量计则放置于燃烧加热器下游，在流量计出口的测量截面测量总压、总温及静压。这样的布局方案设计既可以回避无法解决的高温问题，又可以保证进入发动机流量计的来流流量是已知的。

三、利用槽道式流量计获得标准的发动机流量

脉冲燃烧风洞的有效运行时间大约为200ms，要求传递标准装置的响应时间应该是毫秒量级。

槽道式流量计属于差压式流量计。主要由测量管、纺锤体、导流片、高压管和低压管组成。纺锤体在中间适当位置有一段足够长的等直径段，与测量管的内壁之间形成均匀的环形槽道。该流量计的主要特点是以流线型纺锤体作为节流件，不仅能够很好地调整流动和保持流动稳定，而且完全避免了流动分离，提高了测量重复性和精确度，同时显著减少了压力损失。其合成不确定度可达0.202％，而目前常用的临界流音速标准装置的合成不确定度为0.32％。

四、发动机流量计标定数据处理

由于测量截面的气流温度很高，且含有水蒸气，所以常用的理想气体模型已经不再适用，必须考虑真实气体效应。为了提高数据处理不确定度，需要对数据处理方法进行改进。

a.计算测量截面的热力学参数

具体计算方法为：

$\frac{C_{pi}}{R}=A_1+A_{2}T+A_3{T}^2+A_4{T}^3+A_5{T}^4---\left(1\right)$

$C_p=\underset{i=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i{C}_{pi}---\left(2\right)$

$s_i\left(T_1\right)-s_i\left(T_2\right)={\∫}_{T_1}^{T_2}\frac{C_{pi}dT}{T}---\left(3\right)$

S(T₀)-R ln(P₀)＝S(T)-R ln(P) (4)

$\mathrm{\γ}=\frac{C_p}{C_p-R}---\left(5\right)$

$\frac{h_i}{RT}=A_1+\frac{A_{2}T}{2}+\frac{A_3{T}^2}{3}+\frac{A_4{T}^3}{4}+\frac{A_5{T}^4}{5}+\frac{A_6}{T}---\left(6\right)$

$h=\underset{i=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i{h}_i---\left(7\right)$

h(T₀)＝h(T)+u²/2 (8)

$u=Ma\×\sqrt{\mathrm{\γ}RT}---\left(9\right)$

式中：为定压比热(J/kg·K)，T为静温(K)，T0为总温(K)，s为熵(J/kg·K)，P为静压(Pa)，P0为总压(Pa)，h为焓(J/kg)，u为流速(m/s)，Ma为马赫数。Y为气体质量组份。

由式(1)、(2)、(3)及(4)迭代即可求出测量截面静温T。由(5)可求得，由(6)，(7)可求得h(T0)及h(T)，由(8)可求得速度u，由(9)可求得Ma。

b.利用发动机流量计测量气体流量

进入发动机流量计的气体流量由安装在音速喷嘴后部的八个总压耙测得，八个总压耙上共装有40个总压管，这40个总压管将音速喷嘴出口截面积平均分为40等份，由式(10)分别计算每一份的流量，最后由式(11)计算总的流量。

${\mathrm{\Δm}}_i=K_2\frac{p_i^{*}}{\sqrt{T_0}}\mathrm{\Δ}Aq{\left(Ma\right)}_i---\left(10\right)$

$m=\underset{i=1}{\overset{40}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δm}}_i---\left(11\right)$

式中：p_i为第i个总压管前总压(Pa)，为音速喷嘴出口截面积的1/40(m²)，q(Ma)为ΔA面积内的流量函数。

c.计算发动机流量计流量系数

测得到了槽道流量计的流量及待标定发动机流量计的流量之后，可以通过式(12)计算发动机流量计的流量系数。

q_m＝K₃·m (12)

式中：K₃为发动机流量计流量系数。

五、发动机流量计标定系统不确定度分析

a.不确定度分析的数学模型

对于数学模型，被测量Y的最佳估计值y，在通过输入量X₁，X₂，…，X_N的估计值x₁，x₂，…，x_N得出时，可有以下方法：式中：它是独立观测值x_ik的算术平均值。

在X_i＝x_i时，定义灵敏系数为：在流量计量中常使用相对不确定度，此时采用相对灵敏系数c_ri，它定义为：当全部数量是彼此独立或互不相关时，合成标准不确定度由式(14)和由式(15)得到：

$u_c^2\left(y\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_i^2\left(y\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i^2{u}^2\left(x_i\right)---\left(14\right)$

$u_{cr}^2\left(y\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{ri}^2\left(y\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{ri}^2{u}_r^2\left(x_i\right)---\left(15\right)$

b.确定发动机流量计标定系统的合成不确定度

发动机流量计标定系统可能输入不确定度的装置有槽道流量计、压力传感器、总温传感器及音速喷嘴。

音速喷嘴一般是由加工中心加工制造的，其加工精度为0.03mm甚至更高，所以音速喷嘴出口面积的输入不确定度非常小，可以忽略不计。

槽道流量计在出厂时会给出该台流量计的不确定度。

对于压力传感器及总温传感器在出厂时会给出该台流量计的不确定度。

输入了各个装置的不确定度即可以根据式(14)及式(15)计算系统的合成不确定度。

本发明与现有技术相比的优点与效果：

a.使用本发明可以解决发动机流量计的标定问题并给出标定系数；

b.本发明可以给出发动机流量计标定系统的不确定度；

c.本发明效率高、所需经费少而且环保。

具体实施方式

实施例

一种发动机流量计的标定方法，其步骤如下

一、建立与使用环境一样的标定条件

发动机一般工作在来流总温1000K以上的使用环境，需要利用风洞来建立与使用环境一致的标定条件。该风洞采用氢气和富氧空气燃烧加热来得到所需的试验来流，模拟的来流参数包括:总温、总压及马赫数，选择不同的富氧管配气参数和富氧喉道直径、挤压供氢压力和氢气喉道直径及喷管，可以得到不同的试验来流条件。

二、建立发动机流量测量系统

将两个槽道式流量计分别放置于富氧空气喉道及氢气喉道的下游来测量富氧空气及氢气的流量，两者之和就是总的来流流量；发动机流量计则放置于燃烧加热器下游，在流量计出口的测量截面测量总压、总温及静压。这样的布局方案设计既即可以回避无法解决的高温问题，又可以保证进入发动机流量测量装置的来流流量是已知的。

三、利用槽道式流量计获得标准的发动机流量

脉冲燃烧风洞的有效运行时间大约为200ms，要求传递标准装置的响应时间应该是毫秒量级。

槽道式流量计属于差压式流量计。主要由测量管、纺锤体、导流片、高压管和低压管组成。纺锤体在中间适当位置有一段足够长的等直径段，与测量管的内壁之间形成均匀的环形槽道。该流量计的主要特点是以流线型纺锤体作为节流件，不仅能够很好地调整流动和保持流动稳定，而且完全避免了流动分离，提高了测量重复性和精确度，同时显著减少了压力损失。其合成不确定度可达0.202％，而目前常用的临界流音速标准装置的合成不确定度为0.32％。

四、发动机流量计标定数据处理

由于测量截面的气流温度很高，且含有水蒸气，所以常用的理想气体模型已经不再适用，必须考虑真实气体效应。为了提高数据处理不确定度，需要对数据处理方法进行改进。

a.计算测量截面的热力学参数

具体计算方法为：由式(1)、(2)、(3)及(4)迭代即可求出测量截面静温T。由(5)可求得，由(6)，(7)可求得h(T0)及h(T)，由(8)可求得速度u，由(9)可求得Ma。

$\frac{C_{pi}}{R}=A_1+A_{2}T+A_3{T}^2+A_4{T}^3+A_5{T}^4---\left(1\right)$

$C_p=\underset{i=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i{C}_{pi}---\left(2\right)$

$s_i\left(T_1\right)-s_i\left(T_2\right)={\∫}_{T_1}^{T_2}\frac{C_{pi}dT}{T}---\left(3\right)$

S(T₀)-R ln(P₀)＝S(T)-R ln(P) (4)

$\mathrm{\γ}=\frac{C_p}{C_p-R}---\left(5\right)$

$\frac{h_i}{RT}=A_1+\frac{A_{2}T}{2}+\frac{A_3{T}^2}{3}+\frac{A_4{T}^3}{4}+\frac{A_5{T}^4}{5}+\frac{A_6}{T}---\left(6\right)$

$h=\underset{i=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i{h}_i---\left(7\right)$

h(T₀)＝h(T)+u²/2 (8)

$u=Ma\×\sqrt{\mathrm{\γ}RT}---\left(9\right)$

式中：为定压比热(J/kg·K)，T为静温(K)，T0为总温(K)，s为熵(J/kg·K)，P为静压(Pa)，P0为总压(Pa)，h为焓(J/kg)，u为流速(m/s)，Ma为马赫数。Y为气体质量组份。

b.利用发动机流量计测量气体流量

进入发动机流量计的气体流量由安装在音速喷嘴后部的八个总压耙测得，八个总压耙上共装有40个总压管，这40个总压管将音速喷嘴出口截面积平均分为40等份，由式(10)分别计算每一份的流量，最后由式(11)计算总的流量。

${\mathrm{\Δm}}_i=K_2\frac{p_i^{*}}{\sqrt{T_0}}\mathrm{\Δ}Aq{\left(Ma\right)}_i---\left(10\right)$

$m=\underset{i=1}{\overset{40}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δm}}_i---\left(11\right)$

式中：p_i为第i个总压管前总压(Pa)，为音速喷嘴出口截面积的1/40(m²)，q(Ma)为ΔA面积内的流量函数。

c.计算发动机流量计流量系数

测得到了槽道流量计的流量及待标定发动机流量计的流量之后，可以通过式(12)计算发动机流量计的流量系数。

q_m＝K₃·m (12)

式中：K₃为发动机流量计流量系数。

五、发动机流量计标定系统不确定度分析

a.不确定度分析的数学模型

对于数学模型，被测量Y的最佳估计值y，在通过输入量X₁，X₂，…，X_N的估计值x₁，x₂，…，x_N得出时，可有以下方法：式中：它是独立观测值x_ik的算术平均值。

在X_i＝x_i时，定义灵敏系数为：在流量计量中常使用相对不确定度，此时采用相对灵敏系数c_ri，它定义为：当全部数量是彼此独立或互不相关时，合成标准不确定度由式(14)和由式(15)得到：

$u_c^2\left(y\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_i^2\left(y\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i^2{u}^2\left(x_i\right)---\left(14\right)$

$u_{cr}^2\left(y\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{ri}^2\left(y\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{ri}^2{u}_r^2\left(x_i\right)---\left(15\right)$

b.确定发动机流量计标定系统的合成不确定度

发动机流量计标定系统可能输入不确定度的装置有槽道流量计、压力传感器、总温传感器及音速喷嘴。

音速喷嘴一般是由加工中心加工制造的，其加工精度为0.03mm甚至更高，所以音速喷嘴出口面积的输入不确定度非常小，可以忽略不计。

槽道流量计在出厂时会给出该台流量计的不确定度。

对于压力传感器及总温传感器在出厂时会给出该台流量计的不确定度。输入了各个装置的不确定度即可以根据式(14)及式(15)计算系统的合成不确定度。

Claims (1)

1.一种发动机流量计的标定方法，其步骤如下

一、建立与使用环境相同的标定条件

发动机一般工作在来流总温1000K以上的使用环境，故利用风洞来建立与使用环境相同的标定条件，该风洞采用氢气和富氧空气燃烧加热来得到所需的试验来流，试验来流的模拟参数包括：总温、总压及马赫数，确定富氧管配气参数和富氧喉道直径、挤压供氢压力和氢气喉道直径及喷管，即可确定试验来流的条件参数；

二、建立发动机流量测量系统

将两个槽道式流量计分别放置于富氧空气喉道及氢气喉道的下游来测量富氧空气及氢气的流量，两者之和就是总的来流流量；发动机流量计则放置于燃烧加热器下游，在流量计出口的测量截面测量总压、总温及静压；

三、利用槽道式流量计获得标准的发动机流量

四、发动机流量计标定数据处理

a.计算测量截面的热力学参数

计算方法为：

S(T₀)-R ln(P₀)＝S(T)-R ln(P) (4)

h(T₀)＝h(T)+u²/2 (8)

式中：C_p为定压比热(J/kg·K)，T为静温(K)，T₀为总温(K)，s为熵(J/kg·K)，P为静压(Pa)，P₀为总压(Pa)，h为焓(J/kg)，u为流速(m/s)，Ma为马赫数，Y为气体质量组份；

由式(1)、(2)、(3)及(4)迭代即可求出测量截面静温T，由(5)可求得γ，由(6)，(7)可求得h(T₀)及h(T)，由(8)可求得速度u，由(9)可求得Ma；

b.利用发动机流量计测量气体流量

进入发动机流量计的气体流量由安装在音速喷嘴后部的八个总压耙测得，八个总压耙上 共装有40个总压管，这40个总压管将音速喷嘴出口截面积平均分为40等份，由式(10)分别计算每一份的流量，最后由式(11)计算总的流量；

式中：p_i为第i个总压管前总压(Pa)，ΔA为音速喷嘴出口截面积的1/40(m²)，q(Ma)为ΔA面积内的流量函数；

c.计算发动机流量计流量系数

测得了槽道流量计的流量及待标定发动机流量计的流量之后，可以通过式(12)计算发动机流量计的流量系数，

q_m＝K₃·m (12)

式中：K₃为发动机流量计流量系数；

五、发动机流量计标定系统不确定度分析

a.不确定度分析的数学模型

对于数学模型，被测量Y的最佳估计值y，在通过输入量X₁，X₂，…，X_N的估计值x₁，x₂，…，x_N得出时，可有以下方法：式中：它是独立观测值x_ik的算术平均值，

在X_i＝x_i时，定义灵敏系数为：在流量计量中常使用相对不确定度，此时采用相对灵敏系数c_ri，它定义为：当全部数量是彼此独立或互不相关时，合成标准不确定度由式(14)和由式(15)得到：

b.确定发动机流量计标定系统的合成不确定度

发动机流量计标定系统可能输入不确定度的装置有槽道流量计、压力传感器、总温传感器及音速喷嘴，输入各个装置的不确定度即可以根据式(14)及式(15)计算系统的合成不确定度。