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      发动机试车台燃油流量原位校准不确定度分析


      发动机试车台燃油流量原位校准不确定度分析,针对某发动机试车台进行了流量原位校准试验, 校准装置以体积管作为主标准器。研究中对校准结果进行了不确定度分析。结果证明, 基于体积管的燃油流量原位校准方法可满足发动机试车台燃油流量校准需求, 该原位校准方法具有较强的实用价值。

      航空发动机试车台是发动机研发必不可少的试验设备, 发动机研制、定型阶段重要数据都需要通过发动机试车台获得。燃油流量是评估发动机功能、性能及稳定性的重要参数, 发动机整机试验中需要在试车台内对燃油流量进行准确测量。涡轮流量计广泛应用于发动机试车台内燃油流量测量, 流量计需要定期校准, 保证其计量性能满足试车台燃油流量测量的误差要求。试车台管路十分复杂, 包括阀门、弯头、过滤器等众多部件, 且发动机试车中燃油温度和压力变化较大, 若直接依据涡轮流量计实验室离线校准结果计算流量, 可能引起较大测量误差。

      燃油流量原位校准技术日益引起关注, 原位校准技术可使发动机试车台内流量计免拆卸, 并能以涡轮流量计实际管路进行校准, 可保证流量计校准条件与使用条件一致。一般通过标准表法和体积管法进行试车台燃油流量原位校准[1,2,3]。本文利用以被动体积管为主标准器的原位校准装置, 对某试车台内涡轮流量计进行了原位校准试验, 校准结果与安装前实验室检定给定仪表系数较接近, 但流量计线性明显变差;研究中对影响校准结果各项因素的不确定度进行了分析。试验结果表明, 以体积管作为标准器原位校准方法可满足发动机试车台燃油流量原位校准的需要。

      1 原位校准装置体积管

      原位燃油流量校准装置以提升阀型体积管作为主标准器, 图1是体积管原理图。体积管工作时, 工作介质流动方向连续且不变;校准过程中, 回程机构不工作, 提升阀在内部弹簧的作用下关闭, 活塞被流体推动运行;在完成校准行程后, 回程机构工作, 电机拖动活塞杆逆流体流动方向运动, 此时提升阀处于开启状态, 液体通过活塞中心开口流过;当回程机构带动活塞回到预备校准位置, 回程机构自动释放, 提升阀在内部弹簧作用下关闭, 活塞在流体驱动下开始下一次校准过程。

      图1 体积管原理图  

      体积管在两个检测开关之间容积称为标准容积段, 可依据JJG 209-2010《体积管检定规程》[4]检定确定。配合测量活塞经过两个检测开关的时间, 即可计算流经体积管标准体积流量。

      原位校准装置体积管技术指标为

      工作介质:航空煤油RP-3

      流量范围:100~36000 L/h

      扩展不确定度:0.05%, k=2

      2 原位校准试验

      校准试验中通过专用软管将体积管与试车台预留接口连接, 图2是体积管原位校准连接图。校准中关闭V1, 开启V2和V3, 使得燃油介质流经涡轮流量计、体积管。试验中采集涡轮流量计频率信号, 并进行仪表系数计算。

      图2 原位校准试验布置图

      涡轮流量计型号为LWGY-50, 校准流量范围为2349~12727 L/h, 该流量计在安装前在计量机构进行检定, 仪表系数为36.72/L, 符合0.5级的要求。表1是涡轮流量计原位校准试验数据。

      表1 涡轮流量计现场校准试验数据  

      依据JJG 1037-2008《涡轮流量计检定规程》[5], 流量计示值误差可通过式 (1) ~式 (3) 计算。

      式中:Kij为第i检定点第j次检定的仪表系数, L-1;Fij为第i检定点第j次检定流量计输出频率, Hz; (qs) ij为第i检定点第j次检定校准装置测量瞬时体积流量, L/s;Ki为第i检定点流量计仪表系数, L-1;n为检定次数, 试验中n=6;E为流量计示值误差, %; (Ki) max为流量计在检定范围内各流量点仪表系数*大值, L-1, 试验中取37.077; (Ki) min为流量计在检定范围内各流量点仪表系数*小值, L-1, 试验中取36.117。

      涡轮流量计现场校准结果表明, 该流量计仪表系数为36.597/L, 示值误差为1.3%, 重复性*大值为0.065%;现场校准与实验室检定仪表系数相差约为0.34%, 与实验室检定给定仪表系数较接近。

      3 校准结果不确定度分析

      3.1 标准流量不确定度

      体积管标准流量数学模型表示为

      式中:qv为标准体积流量, 温度为tP, 压力为pP;VPS为温度20℃, 压力为101325 Pa下标准容积;T为测量时间;αP为体积管材质的线胀系数;αr为活塞杆材质的线胀系数;tp为体积管工作温度;pP为体积管工作压力;D为体积管内径;Es为体积管材质弹性模量;e为体积管壁厚;β为燃油热膨胀系数;tm为被校准流量计处温度;κ为燃油压缩系数;pm为被校准流量计处压力。

      标准流量不确定度来源及不确定度分析如表2所示。

      表2 标准流量不确定度分析 

      表2 标准流量不确定度分析
      表2 标准流量不确定度分析

      3.2 仪表系数K不确定度

      校准试验中, 涡轮流量计仪表系数数学模型可表示为

      式中:K为涡轮流量计仪表系数;F为涡轮流量计输出频率;qv为体积管标准流量。

      由式 (5) 可得, 仪表系数K标准不确定度

      仪表系数不确定度来源主要包括 (1) 涡轮流量计重复性引入标准不确定度ur (EK) , 通过原位校准结果仪表系数平均值的样本方差计算;

      (2) 涡轮流量计频率测量引入标准不确定度ur (F) , 校准装置频率测量不确定度为0.005%;

      (3) 体积管标准流量测量引入标准不确定度ur (qv) , 取ur (qv) =0.040%。以下几个方面, 相对灵敏系数优良值均为1。

      仪表系数不确定度为

      仪表系数扩展不确定度U=0.10% (k=2)

      4 总结

      研究中, 利用基于体积管的燃油流量原位校准装置对某试车台内涡轮流量计进行原位校准, 依据检定规程进行数据处理, 校准结果与流量计安装前实验室检定给定仪表系数接近, 但流量计线性由0.5%降低为1.3%。对校准结果进行不确定度分析, 仪表系数扩展不确定度可达0.1% (k=2) 。研究表明, 以体积管作为标准器的原位校准方法可满足试车台燃油流量计溯源要求;采用该方法在保证流量计数据准确可靠前提下, 可以大量节约校准时间, 提高发动机试车台的使用效率。

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