CN112484905A - 一种变温环境下高精度压力光学测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变温环境下高精度压力光学测量方法，属于计量测试技术领域。本发明通过结合折射率法和吸收光谱法中的直接吸收法两种光学气体压力测量方法模型，通过联系两个模型方程，消除未知的温度变量，实时求解被测气体的精确压力值。此发明能够在变温环境下实时消除温度变化对压力测量结果的影响，提高了压力的测量精度。

Description

一种变温环境下高精度压力光学测量方法

技术领域

本发明涉及一种变温环境下高精度压力光学测量方法，属于计量测试技术领域。

背景技术

压力是力学计量和测试的重要参数之一，其在航空、航天、核工业、舰船、兵器等领域应用非常广泛。在国防工业测试过程中，压力量值的准确与否直接影响到国防工业各个领域的安全和发展。利用光学测量的高精度、高分辨率、高动态等优势，建立的光学压力测量技术正在成为压力计量领域的新的热点和趋势，将为未来实现高精度压力测试、高精度压力标准、现场自校准压力测试和现场标准提供重要的技术支持。目前常用的光学压力测量方法主要为基于折射率和吸收光谱两种，这两种方法的压力测量结果都受到气体温度变化的影响，如何实现对温度变化环境下气体压力的高精度测量是目前气体压力光学测量中面临的突出问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种变温环境下高精度压力光学测量方法，用于实现变温环境下的气体压力光学高精度测量或建立高精度压力标准。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种变温环境下高精度压力光学测量方法，包括如下步骤：

步骤一、利用折射率法测量气体折射率变化值，由气体状态方程建立气体折射率、压力和温度关系如下所示：

p＝ρRT[1+Bρ+Cρ²+Dρ³+...] (1)

式中：p为气体压力，R是理想气体常数，T为温度，B，C和D分别为第一，第二和第三密度维里系数，ρ为介质密度，计算公式为：

式中：n为气体折射率，A_ε，b_ε分别为第一，第二介电维里系数。

步骤二、利用吸收光谱测量法测量经过被测气体的激光单谱线的线形特征，建立吸光度与压力、温度的关系：

式中,A为吸光度，C是气体体积比，S(T)是吸收谱线的线强度，是关于温度T的函数，L为气体腔有效长度。

步骤三、联立公式(1)和公式(3)，消除温度T，得到只关于压力p的方程如下：

S^-1[A/(pCL)]＝p/ρR[1+Bρ+Cρ²+Dρ³+...] (4)

式中S^-1为吸收谱线的线强度S(T)的反函数，进而通过求解此方程得到精确的压力值。

有益效果

本发明的一种变温环境下高精度压力光学测量方法，通过结合折射率法和吸收光谱法中的直接吸收法两种光学气体压力测量方法模型，通过联系两个模型方程，消除未知的温度变量，实时求解被测气体的精确压力值。此发明能够在变温环境下实时消除温度变化对压力测量结果的影响，提高了压力的测量精度。

附图说明

图1为本发明所述方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图1和实施例对本发明作进一步详述。本实施例以本发明技术方案为前提，给出了具体的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

对于航空发动机压气机、内燃机涡轮增压装置等旋转机械，实现压气机后端流场中动态压力的分布及测量，对于整个动力系统的优化及设计具有重要的意义。特别是随着技术的不断突破，转子的转速不断提升，高湍流引入的流场复杂性问题日益突出。增压比的提升也导致增压后气体介质的温度急速升高。流场中高湍流与传热传至的高度耦合导致压力、温度的分布存在高瞬态、高随机性、各向异性等特点，这将导致传统的压力传感器无法有效消除快速温度变化环境造成的影响，直接导致所测得的压力精度低，无法为动力系统的设计及优化提供有效的数据支撑。本实施例提出的一种变温环境下高精度压力光学测量方法，基于气体折射率法和吸收光谱法相结合的方法，可有效消去环境温度变化对压力测量的影响，实现流场中动态压力的高精度测量。具体测量过程描述如下：

步骤一：建立流场中被测位置基于折射率法的气体压力测量模型。

根据电磁波在空间传播理论可知，气体折射率与气体相对磁导率和介电常数(即相对电导率)存在如下关系

n²＝ε_rμ_r (1)

式中：n为气体折射率，ε_r为相对介电常数，μ_r是相对磁导率，μ_r≈1，因此有：n²＝ε_r。

根据Clausius-Mossotti方程和Lorentz-Lorenz方程，非极性气体的相对介电常数率和相对磁导率可以分别按密度展开成维里方程的形式：

式中，ρ为介质密度，A_ε，b_ε和c_ε分别为介质的第一，第二和第三介电维里系数。带入折射率和介电常数的关系公式，并忽略高阶项，有：

进一步推到：

b_ερ²+A_ερ-(n²-1)/(n²+2)＝0 (4)

求解得到：

再根据气体的实际状态方程，有：

p＝ρRT[1+Bρ+Cρ²+Dρ³+...] (6)

式中，p为气体压力，R是理想气体常数，T为温度，B，C和D分别为介质的第一，第二和第三密度维里系数。将密度公式(5)带入式(6)，建立气体的压力p，与温度T，折射率n之间的关系模型。

步骤二：建立流场中被测位置基于吸收光谱法的压力测量数学模型。

根据Beer-Lambert定律，有：

式中，I₀是激光器出射光强，I_t是探测器接受光强，p为压力，C是气体体积比，

S(T)是吸收谱线的线强度，是关于开尔文温度T的函数，L为气体腔有效长度，Φ(v)是线型函数，其在频域上的积分是归一化的，v为激光频率。假设气体腔内的温度、压力和浓度等参数均匀分布，有：

式中，A为吸光度。因此得到气体压力p的测量模型为：

步骤三：基于步骤一、步骤二，联立方程(6)和(9)，消除温度变量T，得到只关于压力p的方程如下：

S^-1[A/(pCL)]＝p/ρR[1+Bρ+Cρ²+Dρ³+...] (10)

进而求解方程(10)，计算得到精确的压力值。

通过以上测量过程和分析计算，精确实现了被测气体介质在动态环境下的实时压力测量，同时消除了其中温度变化的影响，可以实现流场中动态压力的高精度测量，为航空发动机压气机、内燃机、涡轮机等的动力系统的进一步提升提供更加有效的数据支撑。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种变温环境下高精度压力光学测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、利用折射率法测量气体折射率变化值，由气体状态方程建立气体折射率、压力和温度关系如下所示：

p＝ρRT[1+Bρ+Cρ²+Dρ³+...] (1)

式中：p为气体压力，R是理想气体常数，T为温度，B，C和D分别为第一，第二和第三密度维里系数，ρ为介质密度，计算公式为：

式中：n为气体折射率，A_ε，b_ε分别为第一，第二介电维里系数；

步骤二、利用吸收光谱测量法测量经过被测气体的激光单谱线的线形特征，建立吸光度与压力、温度的关系：

式中,A为吸光度，C是气体体积比，S(T)是吸收谱线的线强度，是关于温度T的函数，L为气体腔有效长度；

步骤三、联立公式(1)和公式(3)，消除温度T，得到只关于压力p的方程如下：

S^-1[A/(pCL)]＝p/ρR[1+Bρ+Cρ²+Dρ³+...] (4)

式中S^-1为吸收谱线的线强度S(T)的反函数，进而通过求解此方程得到精确的压力值。

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