專利名稱：音速噴嘴自動標定系統(tǒng)及自動標定方法
音速噴嘴自動標定系統(tǒng)及自動標定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及火箭發(fā)動機地面試驗的推進劑輸送系統(tǒng)，主要用于氣體推進劑的流量控制器 (音速噴嘴)的流量特性的標定。背景技術(shù)：
音速噴嘴是氣體推進劑(如氧氣等)輸送系統(tǒng)中的重要部件，它的作用是控制流量。音 速噴嘴的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，是一個先收縮后擴張的拉法爾噴管，氣體推進劑由左向右流 動，流通面積最小的截面稱為喉部。音速噴嘴的流量控制原理可以用流量公式表示
(1)
式中，
A是通過音速噴嘴的氣體流量；
//是結(jié)構(gòu)系數(shù)，由音速噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸和加工質(zhì)量決定；
《是流量系數(shù)，只與通過音速噴嘴的氣體種類有關(guān)；
P是音速噴嘴入口總壓；
r是氣體總溫；
x是音速噴嘴喉部面積。
由流量公式可以看出， 一個音速噴嘴在一次試驗過程中，//、《、r、 ^都是常數(shù)，取:
a = //iT"P= (2)
則流量公式(l)可以表示為
A = aP (3)
(3)式所表示的流量A與入口總壓P之間的關(guān)系稱為音速噴嘴的流量特性。一個音速噴嘴 的流量特性明確后，就可以通過控制入口總壓來控制流量。
由于加工誤差、加工質(zhì)量的不確定性等問題的存在，音速噴嘴生產(chǎn)出來之后，必須對其 進行標定，以獲得流量特性。
音速噴嘴傳統(tǒng)的標定系統(tǒng)如圖2所示，高壓氣罐l中貯存有潔凈的高壓氣體，高壓手閥 2是系統(tǒng)的上游閩門，打開手閥2，高壓氣體通過減壓器4降低壓力，低壓氣體經(jīng)過流量計6、 被測音速噴嘴8，到達電磁閥9前端。減壓器4是系統(tǒng)的核心部件，被測音速噴嘴8的入口 總壓由減壓器4控制。通過調(diào)節(jié)減壓器4，能夠?qū)⑷肟诘母邏簹怏w變?yōu)槿我庑枰牡蛪簹怏w,其出口壓力即是被測音速噴嘴8的入口壓力。壓力表3用來監(jiān)測氣源壓力，壓力表5用來監(jiān) 測減壓器出口壓力，壓力表7用來監(jiān)測音速噴嘴入口壓力，流量計6用來測量流量。
標定開始后，首先調(diào)節(jié)減壓器4，使其出口壓力為某一值，打開系統(tǒng)閥門9，系統(tǒng)開始 工作，待工作穩(wěn)定后，記錄壓力表7和流量計6的數(shù)據(jù)，之后關(guān)閉電磁閥9。重新調(diào)節(jié)減壓 器4,改變其出口壓力，之后打開電磁閥9重新試驗，并記錄壓力表7和流量計6的數(shù)據(jù)， 重復多次，可以得到一組音速噴嘴的流量與入口壓力的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行回歸分析，擬合得 到流量與壓力的關(guān)系曲線，即是被測音速噴嘴的流量特性。
圖2所示的標定系統(tǒng)，對每一個音速噴嘴入口壓力尸，都要調(diào)節(jié)減壓器4，調(diào)節(jié)好之后 再打開電磁閥9并記錄數(shù)據(jù)，而一個音速噴嘴的標定往往要觀察、記錄幾十個不同的入口壓 力與流量數(shù)據(jù)，采用圖2所示的系統(tǒng)與方法需要重復幾十次手動調(diào)節(jié)減壓器和開關(guān)閥門的過 程，費時費力。而且考慮到安全，標定系統(tǒng)與閥門控制裝置往往不在同一個現(xiàn)場，二者要離 開一定的距離，因此標定音速噴嘴需要至少兩個人來操作， 一個人調(diào)節(jié)減壓器， 一個人開關(guān) 閥門和采集數(shù)據(jù)，而且兩人必須保持通訊，這使得標定效率比較低下。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新的音速噴嘴標定系統(tǒng)和一種自動標定方法，將目前的兩人 配合手動操作改進為由計算機控制的自動操作，具有較高的自動化水平，可以節(jié)省大量的時 間，并且可以獲得更加精確的標定數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是將出口壓力可以遠程調(diào)節(jié)的定量供給式電控減壓器置于被測音速 噴嘴的上游，被測音速噴嘴的入口壓力由定量供給式電控減壓器調(diào)節(jié)，并配合閥門驅(qū)動裝置、 電磁閩、壓力傳感器、流量計、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和計算機等設(shè)備組成音速噴嘴自動標定系統(tǒng)， 并配合音速噴嘴自動標定軟件，通過軟件來控制標定系統(tǒng)自動運行，并將標定數(shù)據(jù)自動記錄、 顯示和處理。
具體的技術(shù)方案為用定量供給式電控減壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動調(diào)節(jié)的減壓器。定量供給 式電控減壓器的特征在于其出口壓力可以遠程控制，其內(nèi)部安裝有兩個小型電磁閥增壓電 磁閥和減壓電磁閥，給增壓電磁閥施加一個脈沖信號，則出口壓力升高一定水平，給減壓電 磁閥施加一個脈沖信號，則出口壓力降低一定水平。將定量供給式電控減壓器置于被測音速 噴嘴上游較近的位置上，定量供給式電控減壓器的出口壓力即是被測音速噴嘴的入口壓力。 自動標定軟件通過閥門驅(qū)動裝置控制定量供給式電控減壓器出口壓力的升與降，并控制系統(tǒng) 閥門的開與關(guān)。用壓力傳感器和流量計測量音速噴嘴的流量和入口壓力，并通過數(shù)據(jù)采集設(shè) 備輸送到計算機，經(jīng)過自動標定軟件處理后顯示在計算機上。
音速噴嘴自動標定方法，標定之前，在自動標定軟件上預先設(shè)定好一組被測音速噴嘴入口壓力尸的值。標定開始后，軟件自動讀取第一個尸值，并控制定量供給式電控減壓器動作，將其出口壓力調(diào)節(jié)到尸值。當P值穩(wěn)定后，自動標定軟件發(fā)出指令打開系統(tǒng)閥門，系統(tǒng)開始工作，標定軟件讀取各傳感器的數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄音速噴嘴入口壓力尸和流量，并顯示在軟件界面上，并關(guān)閉閥門。之后計算機自動讀取第二個P值，并調(diào)節(jié)定量供給式電控減壓器，使其出口壓力等于第二個尸值，穩(wěn)定后開啟系統(tǒng)閥門并記錄音速噴嘴入口壓力和流量。如此下去直到記錄最后一個入口壓力尸和流量數(shù)據(jù)，從而得到一組入口壓力與流量的數(shù)據(jù)，經(jīng)回歸分析得到入口壓力與流量的關(guān)系，即是被測音速噴嘴的流量特性。整個標定過程全部由計算機控制標定系統(tǒng)自動運行，不需要任何的手工操作。標定完成后根據(jù)需要生成標定報表和流量特性曲線。
本發(fā)明的有益效果是實現(xiàn)了音速噴嘴標定過程的自動化，整個標定過程全部由計算機控制標定系統(tǒng)自動運行，免去了人工操作，節(jié)省了人力和時間，提高了工作效率，并且系統(tǒng)運用了現(xiàn)代傳感技術(shù)，能夠獲得更加精確的數(shù)據(jù)。整個標定過程全部由計算機遠程控制，不需要人員到現(xiàn)場搡作，提高了標定過程的安全性。

圖l音速噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖2音速噴嘴傳統(tǒng)標定系統(tǒng)示意圖3音速噴嘴自動標定系統(tǒng)示意圖4數(shù)據(jù)釆集設(shè)備組成示意圖5閥門驅(qū)動裝置組成示意圖；具體實施方式
音速噴嘴自動標定系統(tǒng)如圖3所示，高壓儲氣罐l中儲存有潔凈的高壓氧氣，作為系統(tǒng)氣源。高壓手閥2是氣源總開關(guān)，在高壓手閥2下游布置一個壓力傳感器13,用來檢測氣源壓力。定量供給式電控減壓器14布置于被測音速噴嘴8上游，其作用是將上游的高壓氣體變?yōu)榈蛪簹怏w送給下游，其出口壓力可以任意調(diào)節(jié)。音速噴嘴8的上游布置一個溫度傳感器15和一個壓力傳感器16,用來測量氧氣的溫度和音速噴嘴的入口壓力。流量計6布置于被測音速噴嘴8下游，用來測量流量。電磁閥9是系統(tǒng)閥門。壓力傳感器13、 16和溫度傳感器15的信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備12處理后進入計算機ll,標定軟件將信號處理并顯示在計算機11上。計算機11發(fā)出的指令，通過閥門驅(qū)動裝置IO來驅(qū)動定量供給式電控減壓器M和系統(tǒng)閩門9。
數(shù)據(jù)采集設(shè)備12的組成如圖4所示，23~30是8路采集端口，傳感器產(chǎn)生的4~20mA電流信號經(jīng)過這8個端口，進入配電隔離器陣列22。配電隔離器一方面用來給傳感器供電，另一方面將傳感器送來的信號隔離整理。整理后的電流信號經(jīng)過一個由8個250D的標準電阻組成的調(diào)理陣列21，轉(zhuǎn)換成1 5V的電壓信號，被釆集卡19采集到，并通過USB端口 17輸送到計算機。端口 18是220V交流電源的輸入端口。 24V直流電源20作為配電隔離陣列22的輸入電源。
閥門驅(qū)動裝置10的組成如圖5所示，控制指令由計算機ll發(fā)出后，通過USB端口33驅(qū)動開關(guān)量卡34輸出一個約3.5V的數(shù)字信號，該信號經(jīng)過達林頓管陣列35放大后，生成一個約27V的控制信號，經(jīng)過端口 39 42輸出到控制端(定量供給式電控減壓器14或系統(tǒng)闊門9)。端口 32是220V交流電源的輸入端口。 27V直流電源31作為達林頓管陣列35的輸入電源。復位開關(guān)36是定量供給式電控減壓器14的手動增壓開關(guān)，復位開關(guān)37是定量供給式電控減壓器14的手動減壓開關(guān)。通過復位開關(guān)36、 37可以手動調(diào)節(jié)定量供給式電控減壓器14出口壓力的升與降。旋鈕開關(guān)38是電磁閥9的手動操作開關(guān)，用來手動操作系統(tǒng)閥門9的開啟與關(guān)閉。電壓表43用來監(jiān)視27V直流電源的電壓。
閥門驅(qū)動裝置和數(shù)據(jù)采集設(shè)備集成在一個儀器箱內(nèi)，方便攜帶與運輸。音速噴嘴自動標定軟件，用來設(shè)定標定參數(shù)，控制標定過程，顯示、記錄標定數(shù)據(jù)，對標定數(shù)據(jù)進行處理。
音速噴嘴自動標定方法通過標定軟件預先設(shè)定好一組被測音速噴嘴的入口壓力尸值，并設(shè)定尸允許的誤差」尸，軟件自動計算入口壓力尸的穩(wěn)定區(qū)間(尸-zlP，尸+」尸)。標定開始后，標定軟件自動讀取第一個尸值，并采集當前的被測音速噴嘴8的入口壓力，如果入口壓力大于尸+」尸，則軟件輸出一個減壓指令，該指令通過閥門驅(qū)動裝置10放大后，控制定量供給式電控減壓器14的放氣閥開關(guān)一次，使得音速噴嘴8的入口壓力降低一定水平，軟件繼續(xù)采集音速噴嘴8的入口壓力，如果當前入口壓力還大于尸+ZiP,則軟件繼續(xù)控制定量供給式電控減壓器14降低出口壓力。相似的，如果當前壓力小于尸-zl尸，則軟件輸出一個增壓指令，該指令通過閥門驅(qū)動裝置IO放大后，控制定量供給式電控減壓器14的充氣閥開關(guān)一次，使得其出口壓力提高一定水平。如此往復，直到定量供給式電控減壓器14將音速噴嘴8的入口壓力調(diào)節(jié)到(尸-」尸,尸+」尸)范圍內(nèi)。標定軟件發(fā)出指令打開系統(tǒng)閥門9,并讀取各傳感器的數(shù)據(jù)，待各傳感器采集到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，軟件自動記錄音速噴嘴8的入口壓力尸、流量A和標定氣體的溫度r,記錄完成后，標定軟件關(guān)閉系統(tǒng)閥門9并自動讀取第二個尸值，之后自動調(diào)節(jié)定量供給式電控減壓器14使音速噴嘴8的入口壓力穩(wěn)定在第二個P值的穩(wěn)定區(qū)間(尸-d尸,尸+J尸)內(nèi)，打開系統(tǒng)閩門并記錄音速噴嘴入口壓力尸、流量A和標定氣體的溫度r,如此下去直到記錄最后一組數(shù)據(jù)，從而得到一組音速噴嘴入口壓力尸與流量A的值，即是被測減音速噴嘴的流量特性，標定完成后依據(jù)需要生成數(shù)據(jù)報表和流量特性曲線。整個標定過程全部由計算機控制系統(tǒng)自動運行，不需要任何手工操作，具有較高的自動化水平。
權(quán)利要求
1、音速噴嘴自動標定系統(tǒng)，包括高壓儲氣罐(1)、高壓手閥(2)、定量供給式電控減壓器(14)、被測音速噴嘴(8)、壓力傳感器(13、16)、溫度傳感器(15)、流量計(6)、電磁閥(9)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備(12)、閥門驅(qū)動裝置(10)、計算機(11)以及自動標定軟件。其特征在于在被測音速噴嘴(8)上游設(shè)置有定量供給式電控減壓器(14)，被測音速噴嘴(8)的入口壓力由定量供給式電控減壓器(14)調(diào)節(jié)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的音速噴嘴自動標定系統(tǒng)，其特征還在于數(shù)據(jù)釆集設(shè)備(12)與 閥門驅(qū)動裝置(10)集成于一個儀器箱內(nèi)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的音速噴嘴自動標定系統(tǒng)，其特征在于閥門驅(qū)動裝置(10)設(shè)置 有復位開關(guān)(36、 37)和旋鈕開關(guān)(38)。該系統(tǒng)即能通過標定軟件自動運行，也能通過復位開關(guān) (36、 37)和旋鈕開關(guān)(38)手動操作運行。
4、 音速噴嘴自動標定方法，其特征在于通過標定軟件預先設(shè)定好一組被測音速噴嘴 的入口壓力尸值；標定開始后，計算機自動讀取第一個戶值，通過閩門驅(qū)動裝置(10)調(diào)節(jié)定 量供給式電控減壓器(14),將其出口壓力調(diào)節(jié)到P值，并打開系統(tǒng)閥門(9),待傳感器檢測的 參數(shù)穩(wěn)定后，記錄音速噴嘴入口壓力P與流量的值；計算機自動讀取第二個P值，繼續(xù)調(diào)節(jié) 定量供給式電控減壓器出口壓力至二個尸值，打開系統(tǒng)閥門(9)并記錄音速噴嘴入口壓力尸與 流量的值；如此下去直到記錄最后一個數(shù)據(jù)，從而得到一組入口壓力與流量的值，即是被測 音速噴嘴的流量特性，標定完成后根據(jù)需要生成數(shù)據(jù)報表和流量特性曲線。
全文摘要
一種音速噴嘴自動標定系統(tǒng)及自動標定方法，主要用于火箭發(fā)動機氣體推進劑輸送系統(tǒng)的流量控制器(音速噴嘴)的流量特性的標定，能夠?qū)鹘y(tǒng)標定過程的手動操作改進為由計算機控制的自動運行。將氧氣儲罐、定量供給式電控減壓器、壓力傳感器、溫度傳感器、被測音速噴嘴、流量計、控制閥、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、閥門驅(qū)動裝置和計算機串聯(lián)組成音速噴嘴自動標定系統(tǒng)。自動標定軟件通過閥門驅(qū)動裝置來驅(qū)動定量供給式電控減壓器，由定量供給式電控減壓器調(diào)節(jié)被測音速噴嘴的入口壓力的大小。用傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備測量被測音速噴嘴入口壓力、流量等參數(shù)，并通過自動標定軟件實時顯示和記錄。
文檔編號G01M15/14GK101644627SQ20091009242
公開日2010年2月10日 申請日期2009年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月11日
發(fā)明者冰 孫, 佳 張, 鄭力銘 申請人:北京航空航天大學