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复材成型工艺用热压罐的压力真空测量系统分析

来源:作者:发表时间:2019-05-16

 复材成型工艺用热压罐的压力真空测量系统分析

摘 要:热压罐成型工艺是复合材料的主要成型工艺之一。其压力、真空参数目前大部分采用数字化测量技术用于数据采集和记录,热压罐的压力真空系统一般是由压力传感器( 变送器) 、显示仪表和记录仪表组成。本文从压力传感器( 变送器) 及仪表的校准方法角度分析,通过实验验证,指出了热压罐压力真空系统校准过程中需要注意的问题并给出相应的完善方案。
0引言
复合材料由于其优越的各项性能,在航空航天领域有着广泛的应用,并且趋势日益增加。波音、空客两大民机巨头在复合材料方面不断抢占技术制高点,推出的机型中无一不把提高复合材料用量作为经济性,先进性的象征性指标,波音 787 更是使用了总重 50% 的复合材料。对于热压工艺而言,压力是通过罐内压力和真空袋内真空共同作用,如图 1 所示,因此热压罐内压力真空系统的准确性对复合材料热压成型工艺过程中有重要意义。大家知道先进复合材料的固化成型工艺对热压罐的温度要求严格,但同时对压力的要求也同样重要,在成型热固性复合材料时,需要高温来降低树脂黏度和引发固化化学反应,而压力是用来将各层压合起来并抑制空隙的产生。同时工业化热压罐应符合联邦管理规程 29CFR1910中相关的条款规定.可以毫不夸张地说,被加热加压的容器相当于一个炸弹。所以热压罐的压力真空校准对热压罐复合材料成型工艺和安全是尤为重要的。本文从热压罐压力真空系统原理、测试方法及误差计算判断出发,通过实验验证,分析现有方法的不足,并给出合理的压力真空系统校准方法。
                                                  图 1 热压罐压力真空系统示意图
1 热压罐压力真空系统分布及工作原理按照热压成型工艺要求,热压罐一般压力真空系统分布罐内压力测试及记录系统、真空测试记录系统和真空袋内分路真空测试记录系统,有些热压罐还单独设置压力真空控制系统,如图 2 所示
图 2 热压罐压力真空传感器示意图
热压罐压力真空系统大量使用压力传感器( 变送器) 及显示记录仪表进行压力真空测试记录,基本工作原理是,被测压力通过传压介质施加于压力传感器( 变送器) 上,随着压力的变化,压力传感器( 变送器) 输出相应的电信号。该信号经过处理,非常后在显示器上显示出变化的被测压力量值。图 3 是压力真空系统工作原理的示意图。
图 3 压力真空系统工作原理示意图
2 热压罐的压力真空系统校准要求
2. 1 大型客机项目中用于复合材料零件制造用热压罐工艺规范有明确要求,其中对真空校准更为严格,周期控制在 6 个月,具体技术指标见表 1。
表1 真空袋内真空压力传感器、真空压力仪表和真空压力记录仪表要求
固化过程中压力参数的计量校准要求见表 2。
表 2 热压罐内压力传感器、压力仪表和压力记录仪表要求
 
2. 2 美国波音公司在对复合材料成型工艺用热压罐的真空压力技术要求见表 3、表 4
表 3 波音公司热压罐真空参数校准要求
表 4 波音公司热压罐压力记录仪表参数校准要求
 
3 热压罐真空压力参数校准方法
3. 1 热压罐压力真空系统校准方法
系统校准方法是将压力真空传感器( 变送器)与显示仪表组合成系统,组成系统后校准数据一致,输入值为标准压力,输出值同样为压力值,校准示意图如图 4。
图 4 系统校准示意图
系统校准方法是将压力传感器( 变送器) 与显示记录仪表组合成一套系统,可以说该系统就是一台数字压力计,可以按照 JJG875 - 2005《数字压力计检定规程》进行校准,误差计算公式为:δ = p - ps ( 3)式中: δ—热压罐压力真空系统示值误差;p—热压罐压力真空系统读数;ps—标准示值。
3. 2 压力传感器( 变送器) 和仪表分离校准法分离校准法是分别校准压力传感器( 变送器)和仪表,通过标准压力源给压力传感器( 变送器) 压力信号,使用数字万用表测量压力传感器( 变送器)输出电信号,同时给仪表输入标准电信号,测量仪表压力信号输出值,校准示意图如图 5。
图 5 压力传感器(变送器)和仪表分离校准示意图
分离校准法具有局限性,由于压力传感器只考虑传感器的线性误差,而传感器输出信号没有理论值无法进行仪表示值误差校准,所以一般只适用于压力变送器,根据压力变送器理论输出值计算仪表输入标准电信号,误差计算公式为:φ = I - Is ( 4)ω = pi - pis ( 5)式中: φ—热压罐压力变送器示值误差;
 
I—热压罐压力变送器输出电信号值;Is—热压罐压力变送器输出电信号理论值;ω—热压罐压力真空仪表示值误差;
pi—热压罐压力真空仪表示值;pis—热压罐压力真空仪表电信号对应理论压力值。
3. 3 系统校准与分离校准方法可行性分析压力真空参数的校准在行业校准领域一般优先选择系统校准方法,由于压力传感器( 变送器) 一般均为线性误差,并且压力真空参数校准均为全量程校准,系统校准可覆盖压力真空设备全部范围。分离校准法一般不适用于压力传感器校准,由于压力传感器的输出信号不是标准信号,压力传感器误差分析只考核传感器的线性误差,例如 GE 公司生产的 PDCR330 - 16A 型压力传感器压力量程为( 0 ~ 1000psi,输出信号为( 0 ~ 100) mv,非常大允许误差为 ± 0. 2% FS,校准数据如表 5、表 6。
表 5 传感器 1 校准数据
表 6 传感器 2 校准数据
从表 5 和表 6 中可看出两个压力传感器的线性误差均为 0. 13% FS,满足传感器技术要求,但是两个传感器之间的差值为 0. 421% FS,按理论值计算表 6 中的示值误差更是达到了 - 1. 064% FS,如果按理论值推倒计算均超出的传感器技术要求; 并且有些公司生产的热压罐压力真空设备采用系统集成的方法根本无法进行分离测试,如德国 Scholz 公司生产热压罐采用 Honeywell 压力传感器和显示记录仪表,集成在仪器柜内,如采用分离法校准对设备的损
伤比较大,均不建议采用分离法校准。另外,从误差分析的原理出发考虑分离法校准扩大了压力真空系统的非常大允许误差。美国波音公司的热压罐压力真空系统采用系统法校准,真空段的非常大允许误差为 ± 5kPa,但如果按照大型客机采用分离法校准传感器非常大允许误差为 ± 5kPa,仪表的非常大允许误差为 ± 10kPa,累加后非常大允许误差为± 15kPa,扩大了压力真空系统的非常大允许误差。当然分离法校准对传感器( 变送器) 和仪表的故障排除具有优势,可准确的判断故障,但会带来大量的人工成本,综上分析,分离法校准加大了校准复杂性,提高了校准成本,扩大的压力真空系统的非常大允许误差,可以说在质量上放宽了对压力真空系统的要求。
3. 4 验证实验
为验证系统校准法与分离校准法,通过热压罐同一压力系统分别进行系统校准法和分离校准法,计算系统校准法误差和分离校准法累加误差,比较二者之间的差异验证两种校准方法。实验对象为美国 ASC 公司生产 Φ1 × 2m 热压罐压力及仪表系统,该系统采用压力变送器配备计算机采集显示系统,压力变送器量程: ( 0 ~ 300) psi,输出值( 0 ~ 5) V。
3. 4. 1 系统校准法
使用 GE 公司生产 DPI615 型便携式压力校验仪作为标准压力源,允差为 ± 0. 025% FS,校准数据如表 7
表 7 系统校准法校准数据
 
 
3. 4. 2 分离校准法
使用 GE 公司生产 DPI615 型便携式压力校验仪作为标准压力源,允差为 ± 0. 025% FS; 芬兰贝美克斯公司生产的 MC6 过程测量仪作为信号源和数字万用表进行电信号测量,允差为 ± 0. 02% 读数,校准数据如表 8。
表 8 分离校准法校准数据
 
将系统校准法和分离校准法的误差进行比对,如图 6 所示。
图 6 系统校准法和分离校准法的误差比对图
通过实验验证系统校准法的示值误差与分离校准法的累加误差是基本一致的,对热压罐压力真空系统的校准可以认为是等同的。
4 结论
由于热压罐压力真空系统控制性能不好会导致多余的孔隙发生压缩、破碎并溶解在基体中,从而得到低孔隙含量的复合材料,会直接影响到复合材料的力学性能和耐湿热性能,因此它是复合材料工艺过程中的重要控制参数。按照分离校准法校准压力真空系统从质量方面考虑扩大了非常大允许误差,从生产成本上考虑增加了标准设备,同时也增加了人工成本和校准复杂性; 而压力真空系统校准法则覆盖了整个压力真空量程,能够全面反应压力真空系统的真实准确度。
 
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