一種發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)的標(biāo)定方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)的標(biāo)定方法，屬于流量測量技術(shù)領(lǐng)域。其步驟如下：一、建立與使用環(huán)境一樣的標(biāo)定條件，二、建立發(fā)動(dòng)機(jī)流量測量系統(tǒng)，三、利用槽道式流量計(jì)獲得標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)流量，四、發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)標(biāo)定數(shù)據(jù)處理，五、發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)不確定度分析。本發(fā)明可以解決發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)的標(biāo)定問題，給出標(biāo)定系數(shù)及不確定度。主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)的標(biāo)定。
【專利說明】
一種發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)的標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于流量測量技術(shù)領(lǐng)域
【背景技術(shù)】
[0002] 捕獲流量是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要性能參數(shù)之一，其準(zhǔn)確性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和性能評(píng)估具 有重要意義。發(fā)動(dòng)機(jī)在性能試驗(yàn)前，通常將進(jìn)氣道與流量測量裝置(簡稱流量計(jì))采用直連 式的方式連接在一起，通過試驗(yàn)的方法獲得捕獲流量，因此流量計(jì)的測量精度直接決定了 捕獲流量測量的準(zhǔn)確性。與其他類型的傳感器一樣，得到流量計(jì)的測量精度的最好辦法就 是對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。
[0003] 根據(jù)現(xiàn)有的標(biāo)定手段，流量計(jì)標(biāo)定的方法按照標(biāo)定原理可廣義的分為直接標(biāo)定法 和間接標(biāo)定法。直接標(biāo)定法是通過串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)裝置和被檢流量計(jì)來獲得被檢流量計(jì)的流量， 并且比較這兩者測得流體流量示值，來獲得被檢流量計(jì)精度；間接測量法是通過測量與計(jì) 算流量有關(guān)的量，按照規(guī)定方法間接地檢驗(yàn)流量值，來獲得流量計(jì)精確度的方法。直接標(biāo)定 法的準(zhǔn)確度要高于間接標(biāo)定法，主要原因是與氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置建立了聯(lián)系。氣體流量標(biāo) 準(zhǔn)裝置主要包括原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置和傳遞標(biāo)準(zhǔn)裝置，原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置是最高標(biāo)準(zhǔn)，通過標(biāo)準(zhǔn)量器 或者衡量器等來測量容器和質(zhì)量，從而得到氣體的質(zhì)量流量，主要有鐘罩式標(biāo)準(zhǔn)裝置，pVTt 法標(biāo)準(zhǔn)裝置及mt法標(biāo)準(zhǔn)裝置，這幾種方法的測量準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.1%，甚至更高。但是標(biāo) 準(zhǔn)裝置一般投資及規(guī)模都比較大，不可能大規(guī)模建設(shè)，實(shí)際工作中比較常用的是傳遞標(biāo)準(zhǔn) 裝置，常用的有轉(zhuǎn)筒式流量計(jì)、腰輪式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)及臨界流流量計(jì)等，這幾種方法 的測量不確定度可以達(dá)到0.5%。
[0004] 對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)，其測量的氣體總溫高達(dá)1500K，如果用前文所述現(xiàn)有的標(biāo)定方 法進(jìn)行標(biāo)定就會(huì)使得檢定環(huán)境與工況環(huán)境相差非常大，所以必須針對(duì)工況環(huán)境，對(duì)現(xiàn)有標(biāo) 定方法進(jìn)行改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種發(fā)動(dòng)機(jī)流量測量裝置的標(biāo)定方法。它能有效地解決現(xiàn)有 流量標(biāo)定方法無法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)標(biāo)定的問題。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):一種發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)的標(biāo)定方法，其步 驟如下
[0007] -、建立與使用環(huán)境相同的標(biāo)定條件
[0008] 發(fā)動(dòng)機(jī)一般工作在來流總溫1000K以上的使用環(huán)境，故利用風(fēng)洞來建立與使用環(huán) 境相同的標(biāo)定條件，該風(fēng)洞采用氫氣和富氧空氣燃燒加熱來得到所需的試驗(yàn)來流，試驗(yàn)來 流的模擬參數(shù)包括:總溫、總壓及馬赫數(shù)，確定富氧管配氣參數(shù)和富氧喉道直徑、擠壓供氫 壓力和氫氣喉道直徑及噴管，即可確定試驗(yàn)來流的條件參數(shù)。
[0009]二、建立發(fā)動(dòng)機(jī)流量測量系統(tǒng)
[0010]將兩個(gè)槽道式流量計(jì)分別放置于富氧空氣喉道及氫氣喉道的下游來測量富氧空 氣及氫氣的流量，兩者之和就是總的來流流量;發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)則放置于燃燒加熱器下游，在 流量計(jì)出口的測量截面測量總壓、總溫及靜壓。這樣的布局方案設(shè)計(jì)既可以回避無法解決 的高溫問題，又可以保證進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)的來流流量是已知的。
[0011]三、利用槽道式流量計(jì)獲得標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)流量
[0012] 脈沖燃燒風(fēng)洞的有效運(yùn)行時(shí)間大約為200ms，要求傳遞標(biāo)準(zhǔn)裝置的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該 是毫秒量級(jí)。
[0013] 槽道式流量計(jì)屬于差壓式流量計(jì)。主要由測量管、紡錘體、導(dǎo)流片、高壓管和低壓 管組成。紡錘體在中間適當(dāng)位置有一段足夠長的等直徑段，與測量管的內(nèi)壁之間形成均勻 的環(huán)形槽道。該流量計(jì)的主要特點(diǎn)是以流線型紡錘體作為節(jié)流件，不僅能夠很好地調(diào)整流 動(dòng)和保持流動(dòng)穩(wěn)定，而且完全避免了流動(dòng)分離，提高了測量重復(fù)性和精確度，同時(shí)顯著減少 了壓力損失。其合成不確定度可達(dá)0.202%，而目前常用的臨界流音速標(biāo)準(zhǔn)裝置的合成不確 定度為0.32%。
[0014]四、發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)標(biāo)定數(shù)據(jù)處理
[0015] 由于測量截面的氣流溫度很高，且含有水蒸氣，所以常用的理想氣體模型已經(jīng)不 再適用，必須考慮真實(shí)氣體效應(yīng)。為了提高數(shù)據(jù)處理不確定度，需要對(duì)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行改 進(jìn)。
[0016] a ·計(jì)算測量截面的熱力學(xué)參數(shù)
[0027]式中：為定壓比熱（J/kg · K)，T為靜溫(Κ)，Τ0為總溫(K)，s為熵(J/kg · K)，P為靜 壓(Pa)，Ρ0為總壓(Pa)，h為焓(J/kg)，u為流速(m/s)，Ma為馬赫數(shù)。Υ為氣體質(zhì)量組份。
[0028] 由式（1)、（2)、（3)及(4)迭代即可求出測量截面靜溫1'。由（5)可求得，由（6)，（7)可 求得h(TO)及h(T)，由（8)可求得速度u，由（9)可求得Ma。
[0029] b.利用發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)測量氣體流量
[0030] 進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)的氣體流量由安裝在音速噴嘴后部的八個(gè)總壓耙測得，八個(gè)總 壓耙上共裝有40個(gè)總壓管，這40個(gè)總壓管將音速噴嘴出口截面積平均分為40等份，由式 (10)分別計(jì)算每一份的流量，最后由式(11)計(jì)算總的流量。
[0033] 式中：Pi為第i個(gè)總壓管前總壓(Pa)，為音速噴嘴出口截面積的l/40(m2)，q(Ma)為 A A面積內(nèi)的流量函數(shù)。
[0034] c.計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)流量系數(shù)
[0035 ]測得到了槽道流量計(jì)的流量及待標(biāo)定發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)的流量之后，可以通過式（12) 計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)的流量系數(shù)。
[0036] qm=K3 · m (12)
[0037]式中:K3為發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)流量系數(shù)。
[0038]五、發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)不確定度分析 [0039] a.不確定度分析的數(shù)學(xué)模型
[0040] 對(duì)于數(shù)學(xué)模型，被測量Y的最佳估計(jì)值y，在通過輸入量Xi，X2，…，XN的估計(jì)值X1，
X2，…，xn得出時(shí)，可有以下方法： ，它是獨(dú)立觀測值 111{的算術(shù)平均值。
[0041] 在Xi = Xi時(shí)，定義靈敏系數(shù)為:=Φ/&,。在流量計(jì)量中常使用相對(duì)不確定度，此 時(shí)采用相對(duì)靈敏系數(shù)cri，它定義為：?.,. = 1>,./.ν)(φ'/?ν,.。當(dāng)全部數(shù)量是彼此獨(dú)立或互不相 關(guān)時(shí)，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度由式(14)和由式(15)得到：
[0044] b.確定發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)的合成不確定度
[0045]發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)可能輸入不確定度的裝置有槽道流量計(jì)、壓力傳感器、總 溫傳感器及音速噴嘴。
[0046]音速噴嘴一般是由加工中心加工制造的，其加工精度為0.03mm甚至更高，所以音 速噴嘴出口面積的輸入不確定度非常小，可以忽略不計(jì)。
[0047]槽道流量計(jì)在出廠時(shí)會(huì)給出該臺(tái)流量計(jì)的不確定度。
[0048] 對(duì)于壓力傳感器及總溫傳感器在出廠時(shí)會(huì)給出該臺(tái)流量計(jì)的不確定度。
[0049] 輸入了各個(gè)裝置的不確定度即可以根據(jù)式（14)及式（15)計(jì)算系統(tǒng)的合成不確定 度。
[0050] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)與效果：
[0051] a.使用本發(fā)明可以解決發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)的標(biāo)定問題并給出標(biāo)定系數(shù)；
[0052] b.本發(fā)明可以給出發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)的不確定度；
[0053] c.本發(fā)明效率高、所需經(jīng)費(fèi)少而且環(huán)保。
【具體實(shí)施方式】 [0054] 實(shí)施例
[0055] -種發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)的標(biāo)定方法，其步驟如下
[0056] -、建立與使用環(huán)境一樣的標(biāo)定條件
[0057] 發(fā)動(dòng)機(jī)一般工作在來流總溫1000K以上的使用環(huán)境，需要利用風(fēng)洞來建立與使用 環(huán)境一致的標(biāo)定條件。該風(fēng)洞采用氫氣和富氧空氣燃燒加熱來得到所需的試驗(yàn)來流，模擬 的來流參數(shù)包括:總溫、總壓及馬赫數(shù)，選擇不同的富氧管配氣參數(shù)和富氧喉道直徑、擠壓 供氫壓力和氫氣喉道直徑及噴管，可以得到不同的試驗(yàn)來流條件。
[0058]二、建立發(fā)動(dòng)機(jī)流量測量系統(tǒng)
[0059] 將兩個(gè)槽道式流量計(jì)分別放置于富氧空氣喉道及氫氣喉道的下游來測量富氧空 氣及氫氣的流量，兩者之和就是總的來流流量;發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)則放置于燃燒加熱器下游，在 流量計(jì)出口的測量截面測量總壓、總溫及靜壓。這樣的布局方案設(shè)計(jì)既即可以回避無法解 決的高溫問題，又可以保證進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)流量測量裝置的來流流量是已知的。
[0060] 三、利用槽道式流量計(jì)獲得標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)流量
[0061 ]脈沖燃燒風(fēng)洞的有效運(yùn)行時(shí)間大約為200ms，要求傳遞標(biāo)準(zhǔn)裝置的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該 是毫秒量級(jí)。
[0062]槽道式流量計(jì)屬于差壓式流量計(jì)。主要由測量管、紡錘體、導(dǎo)流片、高壓管和低壓 管組成。紡錘體在中間適當(dāng)位置有一段足夠長的等直徑段，與測量管的內(nèi)壁之間形成均勻 的環(huán)形槽道。該流量計(jì)的主要特點(diǎn)是以流線型紡錘體作為節(jié)流件，不僅能夠很好地調(diào)整流 動(dòng)和保持流動(dòng)穩(wěn)定，而且完全避免了流動(dòng)分離，提高了測量重復(fù)性和精確度，同時(shí)顯著減少 了壓力損失。其合成不確定度可達(dá)0.202%，而目前常用的臨界流音速標(biāo)準(zhǔn)裝置的合成不確 定度為0.32%。
[0063]四、發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)標(biāo)定數(shù)據(jù)處理
[0064]由于測量截面的氣流溫度很高，且含有水蒸氣，所以常用的理想氣體模型已經(jīng)不 再適用，必須考慮真實(shí)氣體效應(yīng)。為了提高數(shù)據(jù)處理不確定度，需要對(duì)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行改 進(jìn)。
[0065] a.計(jì)算測量截面的熱力學(xué)參數(shù)
[0066]具體計(jì)算方法為：由式（1)、（2)、（3)及(4)迭代即可求出測量截面靜溫T。由（5)可 求得，由（6)，（7)可求得11(1'0)及11(1')，由（8)可求得速度11，由（9)可求得1&。
[0070] S(To)-R ln(Po) = S(T)-R ln(P) (4)
[0076] 式中：為定壓比熱(J/kg · K)，T為靜溫(Κ)，Τ0為總溫(K)，s為熵(J/kg · K)，P為靜 壓(Pa)，Ρ0為總壓(Pa)，h為焓(J/kg)，u為流速(m/s)，Ma為馬赫數(shù)。Υ為氣體質(zhì)量組份。
[0077] b.利用發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)測量氣體流量
[0078] 進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)的氣體流量由安裝在音速噴嘴后部的八個(gè)總壓耙測得，八個(gè)總 壓耙上共裝有40個(gè)總壓管，這40個(gè)總壓管將音速噴嘴出口截面積平均分為40等份，由式 (10)分別計(jì)算每一份的流量，最后由式(11)計(jì)算總的流量。
[0081] 式中：Pi為第i個(gè)總壓管前總壓(Pa)，為音速噴嘴出口截面積的l/40(m2)，q(Ma)為 A A面積內(nèi)的流量函數(shù)。
[0082] c.計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)流量系數(shù)
[0083 ]測得到了槽道流量計(jì)的流量及待標(biāo)定發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)的流量之后，可以通過式（12) 計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)的流量系數(shù)。
[0084] qm=K3 · m (12)
[0085]式中:K3為發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)流量系數(shù)。
[0086]五、發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)不確定度分析 [0087] a.不確定度分析的數(shù)學(xué)模型
[0088]對(duì)于數(shù)學(xué)模型，被測量Y的最佳估計(jì)值y，在通過輸入量Xi，X2，…，XN的估計(jì)值 X1， X2，···，XN得出時(shí)，可有以下方法〇，= ./ ，式中： ，它是獨(dú)立觀測值 111{的算術(shù)平均值。
[0089]在Xi = xi時(shí)，定義靈敏系數(shù)為：c,: = 。在流量計(jì)量中常使用相對(duì)不確定度，此 時(shí)采用相對(duì)靈敏系數(shù)cri，它定義為：= h/.r)(#/&·,；)。當(dāng)全部數(shù)量是彼此獨(dú)立或互不相 關(guān)時(shí)，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度由式(14)和由式(15)得到：

[0092] b.確定發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)的合成不確定度
[0093]發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)可能輸入不確定度的裝置有槽道流量計(jì)、壓力傳感器、總 溫傳感器及音速噴嘴。
[0094]音速噴嘴一般是由加工中心加工制造的，其加工精度為0.03mm甚至更高，所以音 速噴嘴出口面積的輸入不確定度非常小，可以忽略不計(jì)。
[0095]槽道流量計(jì)在出廠時(shí)會(huì)給出該臺(tái)流量計(jì)的不確定度。
[0096]對(duì)于壓力傳感器及總溫傳感器在出廠時(shí)會(huì)給出該臺(tái)流量計(jì)的不確定度。輸入了各 個(gè)裝置的不確定度即可以根據(jù)式(14)及式(15)計(jì)算系統(tǒng)的合成不確定度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)的標(biāo)定方法，其步驟如下 一、 建立與使用環(huán)境相同的標(biāo)定條件 發(fā)動(dòng)機(jī)一般工作在來流總溫1000K以上的使用環(huán)境，故利用風(fēng)洞來建立與使用環(huán)境相 同的標(biāo)定條件，該風(fēng)洞采用氫氣和富氧空氣燃燒加熱來得到所需的試驗(yàn)來流，試驗(yàn)來流的 模擬參數(shù)包括:總溫、總壓及馬赫數(shù)，確定富氧管配氣參數(shù)和富氧喉道直徑、擠壓供氫壓力 和氫氣喉道直徑及噴管，即可確定試驗(yàn)來流的條件參數(shù)； 二、 建立發(fā)動(dòng)機(jī)流量測量系統(tǒng) 將兩個(gè)槽道式流量計(jì)分別放置于富氧空氣喉道及氫氣喉道的下游來測量富氧空氣及 氫氣的流量，兩者之和就是總的來流流量;發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)則放置于燃燒加熱器下游，在流量 計(jì)出口的測量截面測量總壓、總溫及靜壓； 三、 利用槽道式流量計(jì)獲得標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)流量 四、 發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)標(biāo)定數(shù)據(jù)處理 a. 計(jì)算測量截面的熱力學(xué)參數(shù) 計(jì)算方法為：式中：CP為定壓比熱(J/kg · K)，T為靜溫(K)，T〇為總溫(K)，s為熵(J/kg · K)，P為靜壓 (Pa)，Ρ〇為總壓(Pa)，h為焓(J/kg)，u為流速(m/s)，Ma為馬赫數(shù)，Υ為氣體質(zhì)量組份； 由式（1)、（2)、（3)及(4)迭代即可求出測量截面靜溫1'，由（5)可求得丫，由（6)，（7)可求 得h(T〇)及h(T)，由（8)可求得速度u，由（9)可求得Ma; b. 利用發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)測量氣體流量 進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)的氣體流量由安裝在音速噴嘴后部的八個(gè)總壓耙測得，八個(gè)總壓耙 上共裝有40個(gè)總壓管，這40個(gè)總壓管將音速噴嘴出口截面積平均分為40等份，由式（10)分 別計(jì)算每一份的流量，最后由式(11)計(jì)算總的流量； (10) (11)式中：Pi為第i個(gè)總壓管前總壓(Pa)，δ A為音速噴嘴出口截面積的1/40(m2)，q(Ma)為Δ Α面積內(nèi)的流量函數(shù)； c.計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)流量系數(shù) 測得了槽道流量計(jì)的流量及待標(biāo)定發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)的流量之后，可以通過式（12)計(jì)算發(fā) 動(dòng)機(jī)流量計(jì)的流量系數(shù)， qm=K3 · m (12) 式中:K3為發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)流量系數(shù)； 五、發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)不確定度分析 a. 不確定度分析的數(shù)學(xué)模型 對(duì)于數(shù)學(xué)模型，被測量Y的最佳估計(jì)值y，在通過輸入量Χι，X2，…，Xn的估計(jì)值XI，X2，…， 叉^導(dǎo)出時(shí)卩可有以下方法:^/^^"…七^式中：七二一^^^它是獨(dú)立觀測值義^^的算術(shù) v ' ' ; n. t=l 平均值， 在Xi=xi時(shí)，定義靈敏系數(shù)為：?. =Φ，/&,.，在流量計(jì)量中常使用相對(duì)不確定度，此時(shí)采 用相對(duì)靈敏系數(shù)Cri，它定義為:?,.=(~/」·)(#/&,.')，當(dāng)全部數(shù)量是彼此獨(dú)立或互不相關(guān)時(shí)， 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度由式(14)和由式(15)得到：(14) 〔15) b. 確定發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)的合成不確定度 發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)可能輸入不確定度的裝置有槽道流量計(jì)、壓力傳感器、總溫傳 感器及音速噴嘴，輸入各個(gè)裝置的不確定度即可以根據(jù)式（14)及式（15)計(jì)算系統(tǒng)的合成不 確定度。
【文檔編號(hào)】G01F25/00GK105865587SQ201610326352
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月17日
【發(fā)明人】鄧維鑫, 楊順華, 劉偉雄, 楊樣, 晏至輝, 李宏斌, 任虎, 肖保國, 王西耀, 張穹洲, 田野, 邢建文, 張順平, 李季
【申請(qǐng)人】中國人民解放軍63820部隊(duì)吸氣式高超聲速技術(shù)研究中心