CN110836713B - 一种考虑校准箱气体质量变化的文氏管流量系数标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑校准箱气体质量变化的文氏管流量系数标定方法，分为标定校准箱容积和标定文氏管流量系数两个步骤；本标定方法解决了校准箱大流量文氏管进行标定时，由于高压气源容量有限，无法在校准过程中始终保持恒定的流量的难题，在校准过程中，即使流量不断变化，也能获得精准的校准结果，大幅提高校准效率，本标定方法解决了校准箱小流量文氏管标定时，存在稳定时间过长，标准文氏管和待标文氏管很难达到流量相等的状态的难题，不需要流量完全稳定，同时也能获得精准的校准结果，大幅提高校准效率。

Description

一种考虑校准箱气体质量变化的文氏管流量系数标定方法

技术领域

本发明涉及实验空气动力学领域，具体是涉及一种考虑校准箱气体质量变化的文氏管流量系数标定方法。

背景技术

涡扇飞机发动机的进气和喷流与飞机的外部绕流之间存在十分复杂的相互干扰。翼下吊挂涡扇发动机的进气和喷流不仅会对翼下流动产生影响，而且会对翼上流动甚至机身流动产生较大影响，从而对飞机的升阻特性及稳定性产生不可忽视的影响。发动机短舱与机翼相对位置的很小变化都可能带来较大的升力损失和阻力增加。此外，发动机喷流还对方向舵、升降舵的效率有明显的影响，从而影响飞机的操控特性。从涡扇飞机布局设计开始，就必须把机体和发动机短舱作为一个整体进行气动设计和优化，并要通过风洞试验获得发动机进气和喷流对飞机气动特性的影响。目前最先进的动力影响风洞试验方法是在发动机模型短舱内安装涡轮动力模拟器，这种风洞中的模拟短舱称之为动力短舱。

动力短舱用于风洞试验之前，都必须对其进行校准，校准试验通常在能够模拟风洞试验环境的校准箱内完成。校准箱的工作原理是将动力短舱入口和出口分别与不同的压力环境连通，通过控制动力短舱入口和出口的压力差来模拟风洞试验马赫数环境，动力短舱出口的环境压力一般低于大气压。在校准箱内对动力短舱的流量和推力等参数进行精确测量，计算出出流量系数和速度系数，从而完成校准。

流量系数的校准必须要精确测量流量，在校准箱内，流量测量主要依靠文氏管，文氏管使用之前都需要进行标定，目前的做法是，从计量机构引入一套标准文氏管作为基准，然后对校准箱各文氏管流量系数进行校准，再利用校准过后的文氏管测量流量。

文氏管的校准通常采用的方法是将标准文氏管和待标文氏管串联在一管路上，确保管路无泄漏，并保证两个文氏管都工作在临界状态下。基于质量守恒，通过标准文氏管的实际质量流量与通过待标文氏管的实际质量流量Q相同。待标文氏管的理想质量流量Q_i可通过标准文氏管前的温度T₀、压力P₀等参数计算得到，

待标文氏管的流量系数，C_d为

上式中各符号意义及单位如下：

P₀是文氏管上游总压，单位为Pa；T₀是文氏管上游总温，单位为K；

T_th是文氏管喉部温度，单位为K；C_star是文氏管临界流函数，Q是通过文氏管的实际质量流量，单位为kg/s；C_d是文氏管的流量系数；R_u是通用气体常数，8314.4621J/kmol/K；M是空气分子量，28.9653kg/kmol。

上述校准过程，能够成立的前提是标准文氏管和待标文氏管的流量要稳定后，标准文氏管和待标文氏管流量必须相等才能校准。然而，在实际的校准过程中，由于校准箱体容积大，在对部分小流量文氏管进行标定时，存在稳定时间过长，标准文氏管和待标文氏管很难达到流量相等的状态，导致校准结果不确定度大，校准效率低；部分大流量文氏管进行标定时，由于高压气源容量有限，无法在校准过程中始终保持恒定的流量，导致校准结果不确定度大，校准效率低。为此，提出了考虑校准箱气体质量变化的文氏管流量系数标定方法。

发明内容

本发明的目的是在现有的文氏管标定的基础上针对大容积箱体进行文氏管流量系数进行标定。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种考虑校准箱气体质量变化的文氏管流量系数标定方法，其特征在于该标定方法对应的校准系统包括：标准文氏管、待标文氏管和校准箱，所述标准文氏管一端连接高压气源、另一端连接到校准箱，所述待标文氏管一端连接到校准箱、另一端连接到真空气源；

标定方法包括两步，第一步是在负压下对校准箱的容积校准，第二步是在校准箱两端气压不相等的情况下连续采集校准箱、标准文氏管和待标文氏管的实时数据，通过计算获得低压待标流量系数：

其中：Q_H为高压文氏管的平均质量流量，Δm/t为校准箱容积，C_star是文氏管临界流函数，d为高压文氏管吼道直径，P_Hoi是高压文氏管的总压，R_u是通用气体常数，M是空气分子量，T_Hoi是高压文氏管的总温，n是常数。

在上述技术方案中，在第一步中：

首先关闭高压气源，将校准箱内抽至负压后，保持箱体压力不变；

关闭真空气源，然后利用经过计量标定的标准文氏管向校准箱充气，待流量稳定后；进行第一次测量获得标准文氏管的总压P₀、总温T₀，校准箱的压力Ptank₁和温度Ttank₁；

第一次测量后稳定一段时间t后进行第二次测量获得校准箱的压力Ptank₂和温度Ttank₂。

在上述技术方案中，标定出校准箱的容积：

其中Q为标准文氏管向箱体的充气质量流量。

在上述技术方案中，校准箱整体的质量增量为：

在上述技术方案中，在第二步中：

首先将标准文氏管和待标文氏管分别连接到校准箱上，先打开真空气源后，再打开高压气源；

标准文氏管和待标文氏管均在临界状态下，开始连续采集数据，获得标准文氏管的总压P_Hoi、总温T_Hoi，待标文氏管的总压P_Loi、总温T_Loi，校准箱的压力Ptank_i和温度Ttank_i，其中下标i为采集序列，范围为1,2,…n，H表示标准文氏管，L表示待标文氏管。

在上述技术方案中，在t时间段内，

标准文氏管的质量流量为：

低压文氏管的质量流量为：

其中：Cd_标为标准文氏管的流量系数，Cd_待标为待标文氏管的流量系数，C为箱体容积。

在上述技术方案中，在时间段t内，标准文氏管流入质量和待标文氏管的流出质量差为箱体气体质量增量：

Q_H·t-Q_L·t＝△m

待标文氏管的质量流量为：

Q_L＝Q_H-△m/t。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明解决了校准箱大流量文氏管进行标定时，由于高压气源容量有限，无法在校准过程中始终保持恒定的流量的难题，在校准过程中，即使流量不断变化，也能获得精准的校准结果，大幅提高校准效率；

本发明解决了校准箱小流量文氏管标定时，存在稳定时间过长，标准文氏管和待标文氏管很难达到流量相等的状态的难题，不需要流量完全稳定，同时也能获得精准的校准结果，大幅提高校准效率。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为校准箱进行文氏管流量校准的示意图；

图2是本发明与传统校准法的对比示意图；

1为高压气源；2为高压文氏管，是经计量标定的标准文氏管；3为箱体压力传感器；4为校准箱；5为低压文氏管，是待标文氏管；6为真空气源。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，校准系统包括校准箱，连接在校准箱两端的高压文氏管和低压文氏管，高压文氏管另一端连接到高压气源，低压文氏管另一端连接到低压气源，校准箱上设置有压力传感器。

校准箱气体质量变化的文氏管流量系数标定方法分为以下两步实施：

第一步：标定校准箱容积

关闭高压气源，将校准箱抽至负压后，保持箱体压力，并关闭真空气源，然后使用经过计量标定的标准文氏管向校准箱充气，待流量稳定后，进行第一次测量，测量参数包括标准文氏管的总压P₀、总温T₀，校准箱的压力Ptank₁和温度Ttank₁，经过一段时间t，再进行第二次测量，测量参数包括校准箱的压力Ptank₂和温度Ttank₂

根据背景技术中的公式1，计算标准文氏管向箱体的充气质量流量为Q

箱体的质量增量为：

其中C为箱体容积。

由

可以计算出箱体容积：

第二步：标定文氏管流量系数

首先进行采集数据，

将高压文氏管和低压文氏管安装在校准箱管道上，先打开真空气源后，再打开高压气源，确保高压文氏管和低压文氏管都工作在临界状态下，开始连续采集数据。

数据采集方式为在一定的时间段t内(如20s)每隔一段较短的时间Δt(如0.1s)采集记录一次高压文氏管的总压P_Hoi、总温T_Hoi，待标文氏管的总压P_Loi、总温T_Loi，校准箱的压力Ptank_i和温度Ttank_i，其中下标i为采集序列，范围为1,2,…n，H表示高压文氏管，L表示低压文氏管。

其次进行数据处理

在时间段t内，高压文氏管的平均质量流量为

Cd_标为高压文氏管的流量系数，为已知量。

在时间段t内，低压文氏管的质量流量为

Cd_待标为低压文氏管的待标定流量系数。

箱体气体质量增量为：

其中C为箱体容积，由第一步获得。

时间段t内，高压文氏管流入质量和低压文氏管的流出质量差，应当等于箱体气体质量增量。

Q_H·t-Q_L·t＝△m

可以求得低压文氏管的质量流量为：

Q_L＝Q_H-△m/t

进而获得低压文氏管的待标定流量系数：

图2给出了传统校准数据处理方法和本方法获得校准系数结果对比，从图中可以看出，本方法获得校准系数的重复性精度更好，传统校准数据处理方法和本方法获得校准系数结果有明显的差异，本方法能够大幅降低校准系数的不确定度。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种考虑校准箱气体质量变化的文氏管流量系数标定方法，其特征在于该标定方法对应的校准系统包括：标准文氏管、待标文氏管和校准箱，所述标准文氏管一端连接高压气源、另一端连接到校准箱，所述待标文氏管一端连接到校准箱、另一端连接到真空气源；

标定方法包括两步：

第一步是在负压下对校准箱的容积校准，

第二步是在校准箱两端气压不相等的情况下连续采集校准箱、标准文氏管和待标文氏管的实时数据，通过计算获得低压待标文氏管流量系数：

其中：Q_H为高压文氏管的平均质量流量，Δm/t为标准文氏管向箱体的充气质量流量，C_star是文氏管临界流函数，d为高压文氏管吼道直径，P_Hoi是高压文氏管的总压，R_u是通用气体常数，M是空气分子量，T_Hoi是高压文氏管的总温，n是常数；

所述第一步包括如下过程：

首先关闭高压气源，将校准箱内抽至负压后，保持箱体压力不变；

关闭真空气源，然后利用经过计量标定的标准文氏管向校准箱充气，待流量稳定后；

进行第一次测量获得标准文氏管的总压P₀、总温T₀，校准箱的压力Ptank₁和温度Ttank₁；

第一次测量后稳定一段时间t后进行第二次测量获得校准箱的压力Ptank₂和温度Ttank₂。

2.根据权利要求1所述的一种考虑校准箱气体质量变化的文氏管流量系数标定方法，其特征在于标定出校准箱的容积：

其中Q为标准文氏管向箱体的充气质量流量。

3.根据权利要求2所述 的一种考虑校准箱气体质量变化的文氏管流量系数标定方法，其特征在于校准箱整体的质量增量为：

4.根据权利要求1所述 的一种考虑校准箱气体质量变化的文氏管流量系数标定方法，其特征在于在第二步中：

首先将标准文氏管和待标文氏管分别连接到校准箱上，先打开真空气源后，再打开高压气源；

标准文氏管和待标文氏管均在临界状态下，开始连续采集数据，获得标准文氏管的总压P_Hoi、总温T_Hoi，待标文氏管的总压P_Loi、总温T_Loi，校准箱的压力Ptank_i和温度Ttank_i，其中下标i为采集序列，范围为1,2,…n，H表示标准文氏管，L表示待标文氏管。

5.根据权利要求1所述 的一种考虑校准箱气体质量变化的文氏管流量系数标定方法，其特征在于在t时间段内，

标准文氏管的质量流量为：

低压文氏管的质量流量为：

其中：Cd_标为标准文氏管的流量系数，Cd_待标为待标文氏管的流量系数，C为校准箱容积。

6.根据权利要求5所述 的一种考虑校准箱气体质量变化的文氏管流量系数标定方法，其特征在于在时间段t内，标准文氏管流入质量和待标文氏管的流出质量差为箱体气体质量增量：

Q_H·t-Q_L·t＝△m

待标文氏管的质量流量为：

Q_L＝Q_H-△m/t。

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