某固体燃气发生器输出压力测试中传感器的选择与安装

王 琦，吴 昊，吴瑞德，高凤川



某固体燃气发生器输出压力测试中传感器的选择与安装

王 琦1，吴 昊1，吴瑞德1，高凤川2

（1. 陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061；2. 航天科技六院11所，陕西 西安，710065）

为准确采集某固体燃气发生器工作过程中输出燃气的压力——时间数据，采用密闭爆发器的形式进行测试。采用最常用的两种不同结构形式的传感器，并对3种传感器安装方法进行比较研究。结果表明：密闭爆发器压力——时间数据采集适宜采用T字型气体通路的方式安装传感器，采用此安装方式采集到的数据线形规整性较好，可以较好地容纳传感器差异造成的采集误差，并且采用带有引压孔的传感器可提高测试稳定性。

固体燃气发生器；压力；测试；传感器；密闭爆发器

固体燃气发生器是一种利用内部主装药燃烧产生的高温高压燃气做功的火工装置[1]。为判断固体燃气发生器的工作性能，通常测试其工作过程中的压力——时间曲线（——曲线），依靠压力——时间曲线判断其工作是否正常及是否满足使用指标要求[2]。

由于燃气发生器为高压工作设备，所以目前主要采用密闭爆发器的形式采集工作过程中的压力——时间曲线[3]。密闭爆发器的结构形式一般为与实际使用状态相同的结构，本文所述固体燃气发生器既利用与实际使用结构相同的密闭爆发器进行试验[4]。目前，用于压力测试的传感器类型多样并且传感器安装方式各异，缺少试验依据以说明测试固体燃气发生器输出性能宜采用何种方式的传感器，才能够更好地表征其工作过程。因此，笔者针对某固体燃气发生器的压力测试开展研究，通过试验数据为传感器选型及安装方式设计提供参考。

1 密闭爆发器结构

本文所述燃气发生器实际工作情况为：燃气发生器产生的燃气通过一根主管后经三通头分为两路，两路燃气分别经过两根相同支管后进入两个相同的气缸，燃气推动气缸内活塞做功，结构如图1所示。

由于活塞及气缸试验过程中装配较繁琐，且影响因素众多，所以利用密闭爆发器模拟实际工况，以密闭爆发器内采集的——曲线进行等效，即可对燃气发生器的工作性能进行判断[5]。将图1所示结构进行密闭爆发器等效后，结构如图2所示。

图1 燃气发生器结构示意图

图2 燃气发生器测试用密闭爆发器

图2中，主管、三通头、支管与实际工作情况相同，气瓶的容积与气缸内最大可达容积（活塞运动的最大行程位置的容积）相同，左右两个气瓶的容积相同，在气瓶的腰部正中位置安装有压力传感器。

2 压力传感器的选用与安装

2.1 测试条件

固体燃气发生器的输出性能测试主要为测试其产生气体的压力值。输出燃气的温度较高，且夹杂了大量的炙热固体粒子。所以传感器一方面需要承受气体压力冲击，另一方面需要承受固体粒子的冲刷撞击。发生器产生的气体进入气瓶后温度会降低，但通常不会低于300℃，且炙热固体粒子的温度不会低于500℃，对传感器而言工作环境非常恶劣。

2.2 传感器选择

常用压力传感器目前有应变式膜片类型以及带有引压孔的应变式类型两种，两种传感器原理相同，均为依靠膜片受压变形产生的不同电信号表征压力数值，区别为应变式膜片类型的膜片直接裸露在外，引压孔的应变式类型的膜片设置在一个深孔内。这两种传感器均具有测试数据准确、便于采购、造价低廉等特点，因此在压力测试中被广泛使用。

2.3 传感器安装

压力传感器与气瓶的连接方式共采用了3种形式，分别为直接连接形式、Y形连接形式、T形连接形式。其中，直接连接形式为最常用的一种形式，只能安装1个传感器。Y字形与T字形的形式可以同时安装两种传感器，用于相互对照，提供测试准确性。3种连接形式分别如图3~5所示。

图3 压力传感器与气瓶直接连接形式

图4 “Y形”压力传感器安装形式

图5 “T形”压力传感器安装形式

3 实验验证

试验以某燃气发生器作为研究对象，该燃气发生器为定型产品，技术状态固定，其质量一致性检验采用图2所示试验装置进行。图2中密闭爆发器内部自由容腔为3.3L，每个气瓶自由容腔1.25L，管路自由容腔0.4L，燃气发生器内部自由容腔0.4L（药剂未燃烧前）。对于质量一致性检验采集测试所得——曲线，将曲线上压力为4.5MPa对应的时间记为1，6.7MPa对应的时间记为2，要求1＜130ms，10ms＜2-1＜40ms，曲线峰值压力记为P，峰值压力时间记为t。试验均在常温下进行。压力采集频率2kHz。

为验证传感器选用与安装对测试结果的影响，制定试验方案，如表1所示。每种状态下试验数量2发，将2发试验结果取算数平均值列入表1。

表1 试验安排及结果

Tab.1 Schedule of experiments and results

4 结果分析

4.1 传感器安装形式对测试结果稳定性的影响分析

测试结果稳定性指针对相同数据的多次测试结果的稳定程度，稳定性的高低直接决定了数据读取及结果分析与真实结果的符合程度。因各测试结果为相互独立的测试数据，无相互影响，所以利用方差分析。应变式膜片类型的传感器测试结果如图6所示。引压孔应变式类型测试数据如图7所示。

由图6~7可知，采用应变式膜片类型及引压孔应变式类型的传感器时，“Y形”及“T形”传感器结构均能提高数据采集的稳定性，“T形”优于“Y形”，且两者均优于直接式。采用应变式膜片类型传感器时，通过变换传感器的安装形式其数据采集稳定性可以提高6~30倍；采用引压孔应变式类型的传感器时通过变化传感器的安装形式其数据采集稳定性可以提高3~9.6倍。

图6 不同安装形式的应变式膜片类型测试数据比较

图7 不同安装形式的引压孔应变式类型测试数据比较。

4.2 传感器结构对测试结果稳定性的影响分析

将应变式膜片类型及引压孔应变式类型的传感器进行对比，其均方差对比如图8所示。

图8 传感器结构对测试数据的影响

由图8可知，采用引压孔应变式类型传感器比应变式膜片类型传感器具有更好的采集稳定性。稳定性能够提高3.5~10.5倍。

4.3 可操作性分析比较

两种传感器的使用方法基本相同，都是通过螺纹连接的方式拧紧使用，并使用密封垫圈辅助密封。区别为引压孔式传感器需要在孔内灌注流态矿物油脂或炮油。所以，两种结构形式的传感器在使用可操作性方面并无不同。但是，在类似燃气发生器的压力测试过程中，测试的气体温度大于300℃，并夹杂了大量炙热的固体粒子，该温度远远高于传感器的可承受温度，会对传感器的测试稳定性造成影响。由于引压孔形式传感器内灌注的油脂可以隔绝高温气体及固体粒子，同时可以气化吸热，降低传感器的温度上升梯度，从而可对传感器进行保护，提高其测试精度。

5 结论

通过对某固体燃气发生器的输出性能进行测试，并对测试结果的稳定性进行分析，得出如下结论：

（1）带有引压孔的传感器比不带引压孔的传感器更适合于测试类似于固体燃气发生器的高温气体压力。此外在引压孔内灌注矿物油脂及防烧油可以对传感器起到保护作用，延长传感器使用寿命。

（2）相同的传感器通过其连接方式的改变可以提高测试稳定性，以提高对真实情况的反映。由实验结果可知避免气流直接冲刷传感器的连接方式可以提高测试稳定性。建议设计一个直角弯，使得被测气体通过该直角弯后到达传感器。

（3）从实用性角度而言，“Y形”及“T形”由于具有更多的接口，可以考虑同时安装两种不同工作原理的传感器用于对比实验结果。

[1] 乌秀春,王红,王若愚.安全气囊气体发生器的压力容器试验研究[J]. 液压与气动,2006(08):49-50.

[2] 毛成立,李葆萱,等.燃气发生器流量调节方案的比较[J].北京航空航天大学学报,2000, 23 (4):16-18.

[3] 王伯羲,冯增国,杨荣杰.火药燃烧理论[M].北京:北京理工大学出版社,1997.

[4] 关英姿.火箭发动机教程[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2006.

[5] 何锋彦,杨正才,等.一种新型烟火式气体发生器设计[J].火工品,2014(1):1-4.

Study on the Selection and Installation of Sensors in Pressure Measure of Some Solid Gas Generator

WANG Qi1，WU Hao1，WU Rui-de1，GAO Feng-chuan2

(1.Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Insititute, Xi’an, 710061；2.The 11st Institute of CASC, Xi’an, 710065 )

In order to obtain accurate pressuretime data of some solid gas generator output, the closed bomb test method was adopted, two common sensors with different structure was selected, and three installation ways of sensors were studied. The comparison study show that T-type installation method is the most adaptive method, from which can get better quality pressuretime curve, and the errors from different sensors would be eliminated. Meanwhile, using the pressure sensor with a hole can also improve the stability of measurement.

Solid Gas-generator；Pressure；Measurement；Sensor；Closed bomb

1003-1480（2017）05-0046-04

TJ450.6

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.05.012

2017-08-14

王琦（1982 -），女，工程师，主要从事型号火工品测试与研究工作。