CN107966235A - 一种可变参考压力的高精度压力测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变参考压力的高精度压力测量系统，主要用于风洞实验测量，属于气体压力测量技术领域。本发明通过参考压力腔提供一个接近被测压力P的参考压力P_ref，参考压力P_ref使用高精度的稳态压力计测量，而P与P_ref的差值dP使用小量程的动态差压传感器测量。相当于将被测压力分解为一个稳定的参考压力和一个绝对值较小的动态压力，分别使用合适的传感器测量后再重新合成。可以满足动态压力测量对响应频率的需求，同时具有较高的测量精度，解决了高频动态压力传感器测量精度偏低的问题；还可以通过调整参考压力适应较宽广的量程范围，从而减少传感器的数量需求。

Description

一种可变参考压力的高精度压力测量系统

技术领域

本发明涉及一种气体压力测量系统，尤其涉及一种采用差压测量原理且参考压力可调节的压力测量系统，主要用于风洞实验测量，属于气体压力测量技术领域。

背景技术

压力是风洞实验测量中最重要的测量量之一，通常使用扫描阀或压力传感器(绝压或者表压)进行测量，但是高精度的扫描阀与传感器通常响应速度慢，不适于测量动态变化的压力参数，当风洞工况进行大范围变化时，可能还需要更换传感器以适应参数的变化，这给实验带来了额外的成本和工作量。

本发明人注意到，相当一部分风洞实验的压力测试具备如下特征，大量被测压力点的压力值相当接近，比如叶轮机械实验的同一个测量截面安排的总压和静压测点，或同一个边界层探针上的多个测点，其压力值差别通常很小。根据上述特点，本发明提出一种使用差压传感器测量，并可随着被测压力大小调节参考压力的测量系统。

发明内容

针对现有技术的缺点和不足，本发明的目的是针对风洞测量的特点，提供一种高精度的、能支持动态压力测量、且能适应较大量程范围的压力测量系统。

本发明为解决其技术问题所采用的技术解决方案是：

一种可变参考压力的高精度压力测量系统，包括若干个差压传感器、流场引气管、参考压力引气管、参考压力腔、压力调节泵、调节泵截止阀、调节泵排气管、压力腔排气阀、压力腔排气管、压力表、数据采集设备和控制设备，其特征在于，

各所述差压传感器均包括一测量引气孔和一参考压力引气孔，每一所述测量引气孔均与一所述流场引气管连通，每一所述参考压力引气孔均与一所述参考压力引气管连通；

每一所述流场引气管的引气端均与被测流场连通，并位于所述被测流场的不同被测位置处，

每一所述参考压力引气管的末端均与所述参考压力腔连通，

所述参考压力腔为一密闭腔室，其通过一设置有所述调节泵截止阀的管路与所述压力调节泵连通，所述压力调节泵通过所述调节泵排气管与大气连通，所述参考压力腔还通过所述压力腔排气管与大气连通，所述压力腔排气阀设置在所述压力腔排气管上，

所述压力表与所述参考压力腔连通，用以测量所述参考压力腔内的气压，

所述数据采集设备与各所述差压传感器通信连接，用以采集各所述差压传感器测得的压力信息，

所述控制设备与所述压力调节泵、调节泵截止阀、压力腔排气阀、压力表、数据采集设备通信连接，用以即时获取各所述差压传感器的压力测量值以及所述参考压力腔内的压力值，并通过控制所述调节泵截止阀、压力调节泵、压力腔排气阀的启闭改变所述参考压力腔内的压力。

优选地，所述差压传感器的数量和参数可根据实际需求调整，差压传感器的两个引气孔，分别连接流场引气管和参考压力引气管，差压传感器测得的压力为上述两个引气管引入压力的差。

优选地，所述流场引气管连接风洞内的被测位置与差压传感器的测量引气孔，其连接风洞侧的末端结构可根据实际测试需要设计并更换。

优选地，所述参考压力腔保证密闭，且具有足够的耐正负压能力，具有内部保温层，以减少在实验过程中腔内气温变化导致的压力值变化。

本发明的可变参考压力的高精度压力测量系统中，所述压力调节泵、调节泵截止阀与调节泵排气管连接参考压力腔与大气，通过调节压力调节泵的抽气方向和调节泵截止阀的开闭，可以改变参考压力腔内的气压。

所述压力腔排气管连接参考压力腔与大气，通过控制压力腔排气阀的开闭，可以使参考压力腔保持密闭或通大气。

所述数据采集仪为传感器电源、信号调理放大设备、数据采集记录存储设备、通信模块，以及其他必要的导线、设备和计算机的总称。

所述控制设备为控制计算机、人机交互软件、可编程控制软硬件、自动控制程序以及控制电路设备等的总称，控制设备具备如下功能：可以与数据采集仪通信，获取即时的传感器测量值，可以获取即时的高精度数字压力仪的测量值，可以由控制人员预先设置或与实验风洞控制系统通信并联动，控制压力腔进气阀门、压力调节泵、压力腔排气阀门和数据采集仪的开启和关闭，自动调节参考压力腔内压力并完成压力的测量。

优选地，所述压力表可配置多个不同量程的产品，以适应不同的参考压力。

优选地，所述压力表可配置多个同量程产品，以进一步提高测量精度。

优选地，所述可变参考压力的高精度压力测量系统在使用时，首先根据预设的参数调节所述参考压力腔内的压力，通过所述控制设备关闭所述压力腔排气阀，开启所述调节泵截止阀，开启所述压力调节泵向所述参考压力腔内充气或向外排气，待所述参考压力腔内的压力P_ref达到预设值后，关闭所述调节泵截止阀和压力调节泵。

优选地，当进行不同工况的气压测量时，在不同工况的切换间隙，通过所述控制设备进行所述参考压力腔内的压力调节。

进一步的，所述参考压力腔通过一引气管路与被测流场的一引气孔连通，所述引气管路上设置有自平衡压力调节阀，所述自平衡压力调节阀的进气端和出气端之间设置一监视差压传感器，用于监视所述被测流场的引气孔位置与所述参考压力腔的压力差，所述监视差压传感器与所述控制设备通信连接。

本发明使用自平衡压力调节阀用于调节参考压力腔的压力：可以不使用压力调节泵，而在风洞内开一引气孔，通过管路与参考压力腔相连，自平衡压力调节阀可以控制该管路的开启或关闭。此外，增加一个监视差压传感器，用于监视风动内引气孔位置与参考压力腔的压力差，该传感器信号传输至控制系统。

进一步的，本发明可拥有多个独立的参考压力腔，以适应同一次风洞实验中各个测点对量程的不同要求。

本发明的工作原理

本发明的工作原理是：通过参考压力腔提供一个接近被测压力P的参考压力P_ref，参考压力P_ref使用高精度的稳态压力计测量，P与P_ref的差值dP使用小量程的动态差压传感器测量，相当于将被测压力分解为一个稳定的参考压力和一个绝对值较小的动态压力，分别使用合适的传感器测量后再重新合成。下面通过简化的误差分析进一步说明：

假设测量值的绝对误差等于测量值与传感器相对误差的乘积，对于风洞中某个压力测点，其实际压力值为P_i。

采用压力传感器测量时，假设传感器的相对误差为ζ，那么测量值的绝对误差为：

δ₁＝ζP_i。

采用本发明进行测量时，假设高精度压力表的相对误差为ζ_ref，差压传感器的相对误差为ζ_dP，参考压力腔的压力为P_ref，那么测量值的绝对误差为：

δ₂＝ζ_ref P_ref+ζ_dP dP

考虑到dP<<P_i≈P_ref，只要差压传感器的相对误差ζ_dP控制在合理范围，差压传感器造成的绝对误差ζ_dP dP可以忽略：

ζ_dP dP<<ζ_ref P_ref

δ₂≈ζ_ref P_i

由于参考压力腔内封闭的压力为稳定值，高精度压力表可以不考虑频率响应的需求，尽量选择高精度的产品。此外还可以使用N个同规格同量程的高精度压力表测量，将测得结果求平均作为P_ref，这样ζ_ref可进一步降低。

δ₂≈ζ_ref P_i/N

那么可以认为ζ_ref<<ζ，由此可知，本发明的压力测量精度远高于使用绝压或表压传感器直接测量：

δ₂≈ζ_ref P_i/N<<δ₁＝ζP_i

同现有技术相比，本发明的可变参考压力的高精度压力测量系统的优点在于：(1)本发明通过参考压力腔提供一个接近被测压力P的参考压力P_ref，参考压力P_ref使用高精度的稳态压力计测量，而P与P_ref的差值dP使用小量程的动态差压传感器测量。相当于将被测压力分解为一个稳定的参考压力和一个绝对值较小的动态压力，分别使用合适的传感器测量后再重新合成；(2)可以满足动态压力测量对响应频率的需求，同时具有较高的测量精度，解决了高频动态压力传感器测量精度偏低的问题；(3)可以通过调整参考压力适应较宽广的量程范围，从而减少传感器的数量需求。

附图说明

图1为本发明的可变参考压力的高精度压力测量系统的基本结构示意图，图中管道以实线表示，电缆电线以虚线表示；

图2为增加了自平衡压力调节阀的结构示意图；

图3为包含了2个参考压力腔的方案示意图，其中，数据采集设备80、控制设备90共用，其余部件有2套，编号数字与图2相同，以a、b区分；

图4为压气机实验测量方案简图，图中左侧为压气机流道入口，右侧为出口，箭头所指方向为气流方向。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述：应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、”“右”、“顶”、“底”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。所提到的数字，如001，004等，仅用于说明而非用来限制本发明。

实施例1

如图1所示，本发明的可变参考压力的高精度压力测量系统，包括若干个差压传感器001～004、流场引气管10、参考压力引气管20、参考压力腔30、压力调节泵40、调节泵截止阀50、调节泵排气管55、压力腔排气阀60、压力腔排气管65、高精度压力表70、数据采集设备80、控制设备90等。

差压传感器001～004的数量和参数可根据实际需求调整，每个差压传感器包括1个测量引气孔和1个参考压力引气孔，两个引气孔分别连接流场引气管10和参考压力引气管20，各差压传感器001～004测得的压力为流场引气管10和参考压力引气管20引入的压力差。

各流场引气管10连接风洞内的被测位置与差压传感器001～004的测量引气孔，其连接风洞侧的末端结构可根据实际测试需要设计并更换。参考压力引气管20连接参考压力腔30与差压传感器001～004的参考压力引气孔。

参考压力腔30为密闭结构，且具有足够的耐正负压能力，具有内部保温层，以减少在实验过程中腔内气温变化导致的压力值变化。

压力调节泵40、调节泵截止阀50与调节泵排气管55连接参考压力腔30与大气，通过调节压力调节泵40的抽气方向和调节泵截止阀50的开闭，可以改变参考压力腔30内的气压。

压力腔排气管65连接参考压力腔30与大气，通过控制压力腔排气阀60的开闭，可以使参考压力腔30保持密闭或通大气。

高精度压力表70用于测量参考压力腔30内的气压，应选用尽量高精度的绝压传感器或压力表，其测量的压力信号输入控制设备90。高精度压力表70可配置多个不同量程的产品，以适应不同的参考压力。高精度压力表也可配置多个同量程产品，以进一步提高测量精度。

数据采集设备80为传感器电源、信号调理放大设备、数据采集记录存储设备、通信模块，以及其他必要的导线、设备和计算机的总称。各差压传感器001～004与数据采集设备80通信连接，将测得的压力信息输入数据采集设备80。

控制设备90为控制计算机、人机交互软件、可编程控制软硬件、自动控制程序以及控制电路设备等的总称，压力调节泵40、调节泵截止阀50、压力腔排气阀60、高精度压力表70、数据采集设备80均与控制设备90通信连接，控制设备90具备如下功能：可以与数据采集设备80通信，获取即时的传感器测量值，可以获取即时的高精度压力表70的测量值，可以由控制人员预先设置或与实验风洞控制系统通信并联动，调节泵截止阀50、压力调节泵40、压力腔排气阀60和数据采集设备80的开启和关闭，自动调节参考压力腔30内压力并完成压力的测量。

结合图1，本实施例的运行操作流程大致如下：

风洞实验开始之前，安装好流场引气管10，参考压力引气管20和差压传感器001～004。根据预设的参数调节参考压力腔30内的压力，通过控制设备90关闭压力腔排气阀60，开启调节泵截止阀50，开启压力调节泵40向参考压力腔30内充气(或向外排气，根据预设参数决定)。待参考压力腔30内的压力P_ref接近预设值后，关闭调节泵截止阀50和压力调节泵40，此时参考压力腔30处于封闭状态，使用压力表70可以测得P_ref。然后控制设备90控制数据采集设备80进行测量，记录各差压传感器001～004的数据dP₁～dP₄，最终的压力测量值即为Pref和dP之和。控制设备90与数据采集设备80均可实现自动化控制，当风洞实验连续吹风多个工况时，通过控制设备90与风洞控制系统的通信联动，在稳定工况的间隙，进行参考压力腔的压力调节。

实施例2

图1的实施范例1中参考压力腔内的压力P_ref的值是通过控制设备90预设的，在实际运行中，可能会遇见如下不利情况：

(1)风洞运行参数与预设值有偏差，这会导致dP过大，导致dP的测量绝对误差偏高，造成整体测量精度的降低，也可能超过差压传感器的测量范围；

(2)风洞连续吹风多个工况，而本发明的泵、阀门等部件运行延迟较大，参考压力调节时间较长，导致不得不延长风洞运行时间，从而增加了实验费用。

如图2所示，本实施例在实施例1的基础上进行了进一步改进，在风洞内开一引气孔，通过引气管路105与参考压力腔30相连，自平衡压力调节阀100可以控制该引气管路105的开启或关闭。风洞实验开始吹风时，开启自平衡压力调节阀100，气流会从引气孔流入参考压力腔30，监视差压传感器005会随时监视引气孔位置的气压和参考压力P_ref的差值dP₀，并将测得信号传输至控制设备90。当风洞达到实验工况，且dP₀基本接近0时，控制设备90发出指令关闭自平衡压力调节阀105，此时参考压力腔30处于封闭状态，使用压力表70可以测得P_ref。然后控制设备90控制数据采集设备80进行测量，记录差压传感器001～004的数据dP₁～dP₄，最终的压力测量值即为P_ref和dP之和。

注意在开引气孔时，应注意保证开孔处流场稳定、且压力与被测点压力接近，为了保证足够快速的达到压力平衡，且不得对流场均匀性产生破坏，开孔位置和开孔直径应通过数值模拟优化确定。

实施例3

为同时测量风洞流场不同截面处的压力分布情况，比如在某个压气机实验中需要同时测量压气机进口和出口截面的压力分布，可以设置多个参考压力腔。现结合图3与图4说明具有2个参考压力腔的方案在某个压气机实验中的应用情况。

压气机气动性能实验测试时，需要分别测得压气机进口和出口截面的压力分布，主要测点布置可见图4所示的进口压力探针P1和出口压力探针P2，这两类探针分别对应压气机进口总压P_1t/静压P_1s和压气机出口总压P_2t/静压P_2s。可以采用包含2个参考压力腔的测量系统进行测量，如图3所示，压力腔30a对应进口探针P1，压力腔30b对应对应出口探针P2，10a流场引气管连接进口压力探针P1，10b流场引气管连接出口压力探针P2。引气管路105a在压气机实验件进口机匣开孔引气，引气管路105b在压气机实验件出口机匣开孔引气。本方案的只有一套公用的数据采集设备80和控制设备90。

尽管本发明已经参照优选实施例描述，本领域普通技术人员将理解到在不离开本发明的范围下可以进行多种改变并且可以用等价物替代其中的部件。另外在不离开本发明的基本范围下可以进行许多改进以调整具体的情况以适应于本发明的教导。因此本发明不受实施本发明的最好的构思所公开的实施例的限制，而是本发明将包括落在所附权利要求书的范围内地任何实施例。

Claims (10)

1.一种可变参考压力的高精度压力测量系统，包括若干个差压传感器、流场引气管、参考压力引气管、参考压力腔、压力调节泵、调节泵截止阀、调节泵排气管、压力腔排气阀、压力腔排气管、压力表、数据采集设备和控制设备，其特征在于，

各所述差压传感器均包括一测量引气孔和一参考压力引气孔，每一所述测量引气孔均与一所述流场引气管连通，每一所述参考压力引气孔均与一所述参考压力引气管连通；

每一所述流场引气管的引气端均与被测流场连通，并位于所述被测流场的不同被测位置处，

每一所述参考压力引气管的末端均与所述参考压力腔连通，

所述参考压力腔为一密闭腔室，其通过一设置有所述调节泵截止阀的管路与所述压力调节泵连通，所述压力调节泵通过所述调节泵排气管与大气连通，所述参考压力腔还通过所述压力腔排气管与大气连通，所述压力腔排气阀设置在所述压力腔排气管上，

所述压力表与所述参考压力腔连通，用以测量所述参考压力腔内的气压，所述数据采集设备与各所述差压传感器通信连接，用以采集各所述差压传感器测得的压力信息，

所述控制设备与所述压力调节泵、调节泵截止阀、压力腔排气阀、压力表、数据采集设备通信连接，用以即时获取各所述差压传感器的压力测量值以及所述参考压力腔内的压力值，并通过控制所述调节泵截止阀、压力调节泵、压力腔排气阀的启闭改变所述参考压力腔内的压力。

2.根据权利要求1所述的可变参考压力的高精度压力测量系统，其特征在于，各所述差压传感器的数量和参数可根据实际需求调整。

3.根据权利要求1所述的可变参考压力的高精度压力测量系统，其特征在于，各所述流场引气管的引气端结构可根据实际测试需要设计并更换。

4.根据权利要求1所述的可变参考压力的高精度压力测量系统，其特征在于，所述参考压力腔具有保温层，以减少在实验过程中腔内气温变化导致的压力值变化。

5.根据上述权利要求所述的可变参考压力的高精度压力测量系统，其特征在于，所述数据采集仪为传感器电源、信号调理放大设备、数据采集记录存储设备、通信模块，以及其他必要的导线、设备和计算机。

6.根据上述权利要求所述的可变参考压力的高精度压力测量系统，其特征在于，所述控制设备为控制计算机、人机交互软件、可编程控制软硬件、自动控制程序以及控制电路设备等。

7.根据上述权利要求所述的可变参考压力的高精度压力测量系统，其特征在于，所述压力表可配置多个不同量程的产品，以适应不同的参考压力。

8.根据上述权利要求所述的可变参考压力的高精度压力测量系统，其特征在于，所述压力表可配置多个同量程产品，以进一步提高测量精度。

9.根据上述权利要求所述的可变参考压力的高精度压力测量系统，其特征在于，所述可变参考压力的高精度压力测量系统在使用时，首先根据预设的参数调节所述参考压力腔内的压力，通过所述控制设备关闭所述压力腔排气阀，开启所述调节泵截止阀，开启所述压力调节泵向所述参考压力腔内充气或向外排气，待所述参考压力腔内的压力P_ref达到预设值后，关闭所述调节泵截止阀和压力调节泵。

10.根据上述权利要求所述的可变参考压力的高精度压力测量系统，其特征在于，当进行不同工况的气压测量时，在不同工况的切换间隙，通过所述控制设备进行所述参考压力腔内的压力调节。