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經驗文獻 / _儀表知識

複材成型工藝用熱壓罐的壓力真空測量係統分析

發布時間:2019-05-16  發布作者:

 複材成型工藝用熱壓罐的壓力真空測量係統分析

摘 要:熱壓罐成型工藝是複合材料的主要成型工藝之一。其壓力、真空參數目前大部分采用數字化測量技術用於數據采集和記錄,熱壓罐的壓力真空係統一般是由壓力傳感器( 變送器) 、顯示儀表和記錄儀表組成。本文從壓力傳感器( 變送器) 及儀表的校準方法角度分析,通過實驗驗證,指出了熱壓罐壓力真空係統校準過程中需要注意的問題並給出相應的完善方案。
0引言
複合材料由於其優越的各項性能,在航空航天領域有著廣泛的應用,並且趨勢日益增加。波音、空客兩大民機巨頭在複合材料方麵不斷搶占技術製高點,推出的機型中無一不把提高複合材料用量作為經濟性,先進性的象征性指標,波音 787 更是使用了總重 50% 的複合材料。對於熱壓工藝而言,壓力是通過罐內壓力和真空袋內真空共同作用,如圖 1 所示,因此熱壓罐內壓力真空係統的準確性對複合材料熱壓成型工藝過程中有重要意義。大家知道先進複合材料的固化成型工藝對熱壓罐的溫度要求嚴格,但同時對壓力的要求也同樣重要,在成型熱固性複合材料時,需要高溫來降低樹脂黏度和引發固化化學反應,而壓力是用來將各層壓合起來並抑製空隙的產生。同時工業化熱壓罐應符合聯邦管理規程 29CFR1910中相關的條款規定.可以毫不誇張地說,被加熱加壓的容器相當於一個炸彈。所以熱壓罐的壓力真空校準對熱壓罐複合材料成型工藝和安全是尤為重要的。本文從熱壓罐壓力真空係統原理、測試方法及誤差計算判斷出發,通過實驗驗證,分析現有方法的不足,並給出合理的壓力真空係統校準方法。
                                                  圖 1 熱壓罐壓力真空係統示意圖
1 熱壓罐壓力真空係統分布及工作原理按照熱壓成型工藝要求,熱壓罐一般壓力真空係統分布罐內壓力測試及記錄係統、真空測試記錄係統和真空袋內分路真空測試記錄係統,有些熱壓罐還單獨設置壓力真空控製係統,如圖 2 所示
圖 2 熱壓罐壓力真空傳感器示意圖
熱壓罐壓力真空係統大量使用壓力傳感器( 變送器) 及顯示記錄儀表進行壓力真空測試記錄,基本工作原理是,被測壓力通過傳壓介質施加於壓力傳感器( 變送器) 上,隨著壓力的變化,壓力傳感器( 變送器) 輸出相應的電信號。該信號經過處理,較後在顯示器上顯示出變化的被測壓力量值。圖 3 是壓力真空係統工作原理的示意圖。
圖 3 壓力真空係統工作原理示意圖
2 熱壓罐的壓力真空係統校準要求
2. 1 大型客機項目中用於複合材料零件製造用熱壓罐工藝規範有明確要求,其中對真空校準更為嚴格,周期控製在 6 個月,具體技術指標見表 1。
表1 真空袋內真空壓力傳感器、真空壓力儀表和真空壓力記錄儀表要求
固化過程中壓力參數的計量校準要求見表 2。
表 2 熱壓罐內壓力傳感器、壓力儀表和壓力記錄儀表要求
 
2. 2 美國波音公司在對複合材料成型工藝用熱壓罐的真空壓力技術要求見表 3、表 4
表 3 波音公司熱壓罐真空參數校準要求
表 4 波音公司熱壓罐壓力記錄儀表參數校準要求
 
3 熱壓罐真空壓力參數校準方法
3. 1 熱壓罐壓力真空係統校準方法
係統校準方法是將壓力真空傳感器( 變送器)與顯示儀表組合成係統,組成係統後校準數據一致,輸入值為標準壓力,輸出值同樣為壓力值,校準示意圖如圖 4。
圖 4 係統校準示意圖
係統校準方法是將壓力傳感器( 變送器) 與顯示記錄儀表組合成一套係統,可以說該係統就是一台數字壓力計,可以按照 JJG875 - 2005《數字壓力計檢定規程》進行校準,誤差計算公式為:δ = p - ps ( 3)式中: δ—熱壓罐壓力真空係統示值誤差;p—熱壓罐壓力真空係統讀數;ps—標準示值。
3. 2 壓力傳感器( 變送器) 和儀表分離校準法分離校準法是分別校準壓力傳感器( 變送器)和儀表,通過標準壓力源給壓力傳感器( 變送器) 壓力信號,使用數字萬用表測量壓力傳感器( 變送器)輸出電信號,同時給儀表輸入標準電信號,測量儀表壓力信號輸出值,校準示意圖如圖 5。
圖 5 壓力傳感器(變送器)和儀表分離校準示意圖
分離校準法具有局限性,由於壓力傳感器隻考慮傳感器的線性誤差,而傳感器輸出信號沒有理論值無法進行儀表示值誤差校準,所以一般隻適用於壓力變送器,根據壓力變送器理論輸出值計算儀表輸入標準電信號,誤差計算公式為:φ = I - Is ( 4)ω = pi - pis ( 5)式中: φ—熱壓罐壓力變送器示值誤差;
 
I—熱壓罐壓力變送器輸出電信號值;Is—熱壓罐壓力變送器輸出電信號理論值;ω—熱壓罐壓力真空儀表示值誤差;
pi—熱壓罐壓力真空儀表示值;pis—熱壓罐壓力真空儀表電信號對應理論壓力值。
3. 3 係統校準與分離校準方法可行性分析壓力真空參數的校準在行業校準領域一般優先選擇係統校準方法,由於壓力傳感器( 變送器) 一般均為線性誤差,並且壓力真空參數校準均為全量程校準,係統校準可覆蓋壓力真空設備全部範圍。分離校準法一般不適用於壓力傳感器校準,由於壓力傳感器的輸出信號不是標準信號,壓力傳感器誤差分析隻考核傳感器的線性誤差,例如 GE 公司生產的 PDCR330 - 16A 型壓力傳感器壓力量程為( 0 ~ 1000psi,輸出信號為( 0 ~ 100) mv,較大允許誤差為 ± 0. 2% FS,校準數據如表 5、表 6。
表 5 傳感器 1 校準數據
表 6 傳感器 2 校準數據
從表 5 和表 6 中可看出兩個壓力傳感器的線性誤差均為 0. 13% FS,滿足傳感器技術要求,但是兩個傳感器之間的差值為 0. 421% FS,按理論值計算表 6 中的示值誤差更是達到了 - 1. 064% FS,如果按理論值推倒計算均超出的傳感器技術要求; 並且有些公司生產的熱壓罐壓力真空設備采用係統集成的方法根本無法進行分離測試,如德國 Scholz 公司生產熱壓罐采用 Honeywell 壓力傳感器和顯示記錄儀表,集成在儀器櫃內,如采用分離法校準對設備的損
傷比較大,均不建議采用分離法校準。另外,從誤差分析的原理出發考慮分離法校準擴大了壓力真空係統的較大允許誤差。美國波音公司的熱壓罐壓力真空係統采用係統法校準,真空段的較大允許誤差為 ± 5kPa,但如果按照大型客機采用分離法校準傳感器較大允許誤差為 ± 5kPa,儀表的較大允許誤差為 ± 10kPa,累加後較大允許誤差為± 15kPa,擴大了壓力真空係統的較大允許誤差。當然分離法校準對傳感器( 變送器) 和儀表的故障排除具有優勢,可準確的判斷故障,但會帶來大量的人工成本,綜上分析,分離法校準加大了校準複雜性,提高了校準成本,擴大的壓力真空係統的較大允許誤差,可以說在質量上放寬了對壓力真空係統的要求。
3. 4 驗證實驗
為驗證係統校準法與分離校準法,通過熱壓罐同一壓力係統分別進行係統校準法和分離校準法,計算係統校準法誤差和分離校準法累加誤差,比較二者之間的差異驗證兩種校準方法。實驗對象為美國 ASC 公司生產 Φ1 × 2m 熱壓罐壓力及儀表係統,該係統采用壓力變送器配備計算機采集顯示係統,壓力變送器量程: ( 0 ~ 300) psi,輸出值( 0 ~ 5) V。
3. 4. 1 係統校準法
使用 GE 公司生產 DPI615 型便攜式壓力校驗儀作為標準壓力源,允差為 ± 0. 025% FS,校準數據如表 7
表 7 係統校準法校準數據
 
 
3. 4. 2 分離校準法
使用 GE 公司生產 DPI615 型便攜式壓力校驗儀作為標準壓力源,允差為 ± 0. 025% FS; 芬蘭貝美克斯公司生產的 MC6 過程測量儀作為信號源和數字萬用表進行電信號測量,允差為 ± 0. 02% 讀數,校準數據如表 8。
表 8 分離校準法校準數據
 
將係統校準法和分離校準法的誤差進行比對,如圖 6 所示。
圖 6 係統校準法和分離校準法的誤差比對圖
通過實驗驗證係統校準法的示值誤差與分離校準法的累加誤差是基本一致的,對熱壓罐壓力真空係統的校準可以認為是等同的。
4 結論
由於熱壓罐壓力真空係統控製性能不好會導致多餘的孔隙發生壓縮、破碎並溶解在基體中,從而得到低孔隙含量的複合材料,會直接影響到複合材料的力學性能和耐濕熱性能,因此它是複合材料工藝過程中的重要控製參數。按照分離校準法校準壓力真空係統從質量方麵考慮擴大了較大允許誤差,從生產成本上考慮增加了標準設備,同時也增加了人工成本和校準複雜性; 而壓力真空係統校準法則覆蓋了整個壓力真空量程,能夠全麵反應壓力真空係統的真實準確度。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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