專利名稱：在低溫介質(zhì)的大流量下校準(zhǔn)渦輪流量計(jì)的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及在低溫介質(zhì)的大流量下校準(zhǔn)渦輪流量計(jì)的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
飛行器發(fā)動機(jī)的比沖是其推力與所消耗推進(jìn)劑質(zhì)量的比值，是評價(jià)主動力發(fā)動機(jī)關(guān)鍵參數(shù)之一，與飛行器有效載荷計(jì)算、推進(jìn)劑加注量等直接相關(guān)，而發(fā)動機(jī)推力和推進(jìn)劑流量都是通過大量的地面熱試車數(shù)據(jù)對理論模型的不斷修正得到的。低溫介質(zhì)發(fā)動機(jī)的推進(jìn)劑為低溫介質(zhì)和燃料，其中低溫介質(zhì)的溫度為零下上百度，例如液氧煤油發(fā)動機(jī)的推進(jìn)劑為液氧和煤油，其中液氧溫度-183. 5°C ;由于劇烈的換熱 以及設(shè)備材料低溫下特性變化，這樣就會使得精確獲取低溫介質(zhì)的流量存在很大難度?，F(xiàn)有的針對低溫介質(zhì)發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)中，一般都是采用DN300渦輪流量計(jì)進(jìn)行低溫介質(zhì)的流量測量。但是目前尚無條件使用真實(shí)介質(zhì)對該渦輪流量計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)。因此，使用渦輪流量計(jì)實(shí)驗(yàn)室水校驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，但實(shí)驗(yàn)室校驗(yàn)用水介質(zhì)的溫度、粘度與試驗(yàn)過程中所用真實(shí)介質(zhì)低溫介質(zhì)的溫度、粘度存在較大差異；另外，實(shí)驗(yàn)室校驗(yàn)環(huán)境、流量傳感器安裝狀態(tài)與試驗(yàn)現(xiàn)場安裝狀態(tài)存在區(qū)別，很多因素都會給流量測量帶來誤差。而真實(shí)試驗(yàn)中，低溫介質(zhì)的流量很高，例如液氧低溫介質(zhì)流量高達(dá)近600kg/s,由于校驗(yàn)系統(tǒng)能力限制,水介質(zhì)校驗(yàn)范圍無法滿足校準(zhǔn)要求，對校驗(yàn)結(jié)果帶來額外影響，導(dǎo)致測量的流量不精準(zhǔn)。
發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有的低溫介質(zhì)的流量測量誤差太大、不精準(zhǔn)的技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供ー種在低溫介質(zhì)的大流量下校準(zhǔn)渦輪流量計(jì)的系統(tǒng)，通過現(xiàn)場真實(shí)介質(zhì)放液，利用分節(jié)式電容液位計(jì)對渦輪流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場真實(shí)介質(zhì)的原位校準(zhǔn)，得到渦輪流量計(jì)真實(shí)介質(zhì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而保證試驗(yàn)過程中低溫介質(zhì)流量的準(zhǔn)確測量，以滿足發(fā)動機(jī)性能參數(shù)的評估要求。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案在低溫介質(zhì)的大流量下校準(zhǔn)渦輪流量計(jì)的系統(tǒng)，其特殊之處在于包括低溫介質(zhì)容器，分節(jié)式電容液位計(jì)、多個溫度傳感器以及至少ー個渦輪流量計(jì)，所述分節(jié)式電容液位計(jì)設(shè)置在低溫介質(zhì)容器中，所述多個溫度傳感器沿低溫介質(zhì)容器軸向設(shè)置在低溫介質(zhì)容器中，所述低溫介質(zhì)容器的入口端通過安裝法蘭與試驗(yàn)現(xiàn)場放液管路連接，所述低溫介質(zhì)容器的出口端連接有輸送管道，所述渦輪流量計(jì)設(shè)置在輸送管道上，設(shè)置有渦輪流量計(jì)的輸送管道的對應(yīng)位置設(shè)置有溫度傳感器。上述渦輪流量計(jì)為三個，三個渦輪流量計(jì)依次設(shè)置在輸送管道上。本實(shí)用新型所具有的優(yōu)點(diǎn)I、本實(shí)用新型使用分節(jié)式電容液位計(jì)對渦輪流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)，消除了溫度、粘度、安裝環(huán)境等因素對渦輪流量計(jì)性能的影響，獲得了大流量條件下，渦輪流量計(jì)真實(shí)介質(zhì)校驗(yàn)系數(shù)，進(jìn)而就可以準(zhǔn)確獲得低溫介質(zhì)流量。[0011]2、采用本實(shí)用新型校準(zhǔn)系統(tǒng)對渦輪流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，平均流量測量系統(tǒng)精度為±0. 65 %，以此為校準(zhǔn)源，對渦輪流量計(jì)測量精度進(jìn)行評估，測量精度優(yōu)于I %。從多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，試驗(yàn)過程測量值與設(shè)計(jì)值保持一致，為飛行器總體提供了準(zhǔn)確的發(fā)動機(jī)性能參數(shù)。

圖I為本實(shí)用新型校準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型分節(jié)式電容液位計(jì)波形圖。其中附圖標(biāo)記為1_安裝法蘭，2-低溫介質(zhì)容器，3-分節(jié)式電容液位計(jì)，4-溫度傳感器，5-渦輪流量計(jì)。
具體實(shí)施方式如圖I所示，在低溫介質(zhì)的大流量下校準(zhǔn)渦輪流量計(jì)的系統(tǒng)，包括低溫介質(zhì)容器2，分節(jié)式電容液位計(jì)3、多個溫度傳感器4以及至少一個渦輪流量計(jì)5，分節(jié)式電容液位計(jì)3設(shè)置在低溫介質(zhì)容器2中，多個溫度傳感器4沿低溫介質(zhì)容器2軸向設(shè)置在低溫介質(zhì)容器2中，低溫介質(zhì)容器2的入口端通過安裝法蘭I與試驗(yàn)現(xiàn)場放液管路連接，低溫介質(zhì)容器的出口端連接有輸送管道，渦輪流量計(jì)5設(shè)置在輸送管道上，設(shè)置有渦輪流量計(jì)的輸送管道的對應(yīng)位置設(shè)置有溫度傳感器。一般為了測量的精準(zhǔn)，渦輪流量計(jì)為三個，并且三個渦輪流量計(jì)依次設(shè)置在輸送管道上。實(shí)施例為了獲得試驗(yàn)過程中的精確液氧流量數(shù)據(jù)，試驗(yàn)臺建立了相應(yīng)的液氧流量，原位校準(zhǔn)系統(tǒng)。包括對液氧容器進(jìn)行軸向容積標(biāo)定，進(jìn)行體積、溫度、壓力修正，安裝高精度分節(jié)式電容液位計(jì)于液氧容器中，同時在液氧容器軸向和渦輪流量計(jì)周邊安裝多個低溫溫度傳感器，通過試驗(yàn)現(xiàn)場真實(shí)介質(zhì)放液，利用分節(jié)式電容液位計(jì)對渦輪流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場真實(shí)介質(zhì)的原位校準(zhǔn)，得到渦輪流量計(jì)真實(shí)介質(zhì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而保證試驗(yàn)過程中液氧流量的準(zhǔn)確測量，以滿足火箭總體對發(fā)動機(jī)性能參數(shù)的評估要求。使用真實(shí)介質(zhì)液氧進(jìn)行多次放液，放液流量范圍覆蓋發(fā)動機(jī)工作不同工況液氧流量，利用分節(jié)式電容液位計(jì)獲得體積流量，通過溫度測量間接得到相應(yīng)位置和時間段的液氧密度，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，獲得DN300液氧渦輪流量計(jì)的校驗(yàn)系數(shù)。試車過程中，測量系統(tǒng)實(shí)時獲取液氧供應(yīng)管路分節(jié)式電容液位計(jì)輸出波形的頻率(如圖2所示)，根據(jù)相應(yīng)渦輪流量計(jì)的校驗(yàn)系數(shù)，得到發(fā)動機(jī)工作過程的液氧流量。分節(jié)式電容液位計(jì)的設(shè)計(jì)制作分節(jié)式電容液位計(jì)，涵蓋容器上、下封頭，液位計(jì)由內(nèi)筒、外筒、絕緣層、接線端子、外引線等組成，總長度8. 3米。隨著容器內(nèi)液位的變化，內(nèi)筒、外筒構(gòu)成電容的電容值會隨著變化，通過電容變換器，將電容變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，并進(jìn)行整形、放大處理，以保證電壓值大小滿足采集系統(tǒng)信調(diào)板件輸入信號幅值要求。如圖2所示，某一時間段內(nèi)容器內(nèi)流出介質(zhì)體積的變化，可以通過測量得到的三角波的變化表示。液氧容器的容積標(biāo)定和修正由于發(fā)動機(jī)試驗(yàn)區(qū)條件限制，加上成本考慮，計(jì)量單位一般在常溫、常壓條件下，使用水介質(zhì)對所用容器進(jìn)行容積標(biāo)定，試車臺液氧容器的標(biāo)定也采用了這種方法，給出液氧容積數(shù)據(jù)時，未考慮溫度、壓カ等因素的影響。然而在實(shí)際使用中，液氧注入后，因?yàn)闇囟?、壓カ的變化，容器會發(fā)生形變，同時，由于分節(jié)式電容液位計(jì)安裝于容器中，也會占據(jù)ー定的容積，因此，在容器裝載有介質(zhì)的條件下，同一高度的容器容積與常溫、常壓狀態(tài)下有差異，為了提供某一時間段內(nèi)的準(zhǔn)確液氧體積，需在低溫、承壓條件下對容器的容積進(jìn)行修正，獲得真實(shí)條件下的液氧體積。容器容積修正公式見(I):V = V20 [I-(2 a !+Q2) (t~20) ] (I)式中V-低溫狀態(tài)下的容積，m3 ；V20-容量表所示20°C時常壓下的容積，m3 ； a r容器材料的線性膨脹系數(shù)；a 2-液面計(jì)材料的線膨脹系數(shù)；aぃa 2取標(biāo)定溫度20°C和試驗(yàn)時液氧溫度的平均值，°C ;t_液體平均溫度，で。 渦輪流量計(jì)現(xiàn)場原位大流量校準(zhǔn)渦輪流量計(jì)為體積流量測量傳感器。發(fā)動機(jī)試驗(yàn)過程中，渦輪流量計(jì)測量質(zhì)量流量傳感器算公式見(2):qmo = P (a +bf) (2)式中Clni。-液氧流量，kg/s；P-液氧密度，kg/m3 ;a -校驗(yàn)截距；b-校驗(yàn)斜率；f-試驗(yàn)過程中，渦輪流量計(jì)輸出頻率值，Hz。平均流量測量系統(tǒng)由分節(jié)式電容液位計(jì)、電容變換器等構(gòu)成，它也是體積流量測量傳感器，其體積流量測量方法見公式(3)
V1 -V2qv =--⑶
h-t'式中Wft1時刻對應(yīng)液氧體積，Hi3 ；N2-X2時刻對應(yīng)液氧體積，m3。根據(jù)質(zhì)量守恒原理進(jìn)行現(xiàn)場原位校準(zhǔn)，即在某一時間段內(nèi)，流出液氧容器的液氧流量與流經(jīng)渦輪流量計(jì)的液氧流量質(zhì)量相等，見公式(4)qmo = qv Pv (4)通過測量液氧容器內(nèi)以及渦輪流量計(jì)處的液氧溫度，獲得液氧容器以及渦輪流量計(jì)處的液氧密度，通過多次放液數(shù)據(jù)，對渦輪流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場原位真實(shí)介質(zhì)校準(zhǔn)，利用最小ニ乘法，獲得渦輪流量計(jì)校驗(yàn)系數(shù)，見公式(5)Pmo (a mo+bmof) = qv * Pv (5)式中Pni。-渦輪流量計(jì)處液氧密度；a fflo-現(xiàn)場原位校準(zhǔn)得到的截距；bmo-現(xiàn)場原位校準(zhǔn)得到的斜率；pv-容器內(nèi)液氧密度。[0051]密度測量對于液氧密度測量目前基本都采用間接測量法，即通過測量液氧溫度，間接得到密度的方法。在_183°C附近，液氧溫度每變化1°C，帶來密度的變化約為0. 44%，為了提高液氧密度測量精度，必須保證液氧溫度測量的準(zhǔn)確性。對銅-康銅熱電偶、鉬電阻等低溫溫度傳感器測量精度進(jìn)對比，選擇了鉬電阻，在液氧溫度，其測量精度為±0. 51°C,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于銅-康銅熱電偶等類型傳感器。再從測量方法、校驗(yàn)方法等方面進(jìn)行研究，在同樣的條件下，測溫用鉬電阻與低溫標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行對比，溫度誤差小于±0. 3°C，保證了液氧溫度的準(zhǔn)確測量。使用分節(jié)式電容液位計(jì)對渦輪流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)，消除了溫度、粘度、安裝環(huán)境等因素對渦輪流量計(jì)性能的影響，獲得了大流量條件下，渦輪流量計(jì)真實(shí)介質(zhì)校驗(yàn)系數(shù)，進(jìn)而獲得了準(zhǔn)確的液氧流量。對影響平均流量測量系統(tǒng)測量精度的各種因素進(jìn)行分析，按照誤差合成理論進(jìn)行合成，平均流量測量系統(tǒng)精度為±0. 65%,以此為校準(zhǔn)源，對渦輪流量計(jì)測量精度進(jìn)行評估，測量精度優(yōu)于I %。從多次1200kN液氧/煤油發(fā)動機(jī)雙機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，試驗(yàn)過程測量 值與設(shè)計(jì)值保持一致，為火箭總體提供了準(zhǔn)確的發(fā)動機(jī)性能參數(shù)。
權(quán)利要求1.在低溫介質(zhì)的大流量下校準(zhǔn)渦輪流量計(jì)的系統(tǒng)，其特征在于包括低溫介質(zhì)容器，分節(jié)式電容液位計(jì)、多個溫度傳感器以及至少一個渦輪流量計(jì)， 所述分節(jié)式電容液位計(jì)設(shè)置在低溫介質(zhì)容器中，所述多個溫度傳感器沿低溫介質(zhì)容器軸向設(shè)置在低溫介質(zhì)容器中，所述低溫介質(zhì)容器的入口端通過安裝法蘭與試驗(yàn)現(xiàn)場放液管路連接，所述低溫介質(zhì)容器的出口端連接有輸送管道，所述渦輪流量計(jì)設(shè)置在輸送管道上，設(shè)置有渦輪流量計(jì)的輸送管道的對應(yīng)位置設(shè)置有溫度傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在低溫介質(zhì)的大流量下校準(zhǔn)渦輪流量計(jì)的系統(tǒng)，其特征在于所述渦輪流量計(jì)為三個，三個渦輪流量計(jì)依次設(shè)置在輸送管道上。
專利摘要一種在低溫介質(zhì)的大流量下校準(zhǔn)渦輪流量計(jì)的系統(tǒng)，包括低溫介質(zhì)容器，分節(jié)式電容液位計(jì)、多個溫度傳感器以及至少一個渦輪流量計(jì)，分節(jié)式電容液位計(jì)設(shè)置在低溫介質(zhì)容器中，多個溫度傳感器沿低溫介質(zhì)容器軸向設(shè)置在低溫介質(zhì)容器中，低溫介質(zhì)容器的入口端通過安裝法蘭與試驗(yàn)現(xiàn)場放液管路連接，低溫介質(zhì)容器的出口端連接有輸送管道。本實(shí)用新型解決了現(xiàn)有的低溫介質(zhì)的流量測量誤差太大、不精準(zhǔn)的技術(shù)問題，通過現(xiàn)場真實(shí)介質(zhì)放液，利用分節(jié)式電容液位計(jì)對渦輪流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場真實(shí)介質(zhì)的原位校準(zhǔn)，得到渦輪流量計(jì)真實(shí)介質(zhì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而保證試驗(yàn)過程中低溫介質(zhì)流量的準(zhǔn)確測量，以滿足發(fā)動機(jī)性能參數(shù)的評估要求。
文檔編號G01F25/00GK202522295SQ20122010625
公開日2012年11月7日 申請日期2012年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月20日
發(fā)明者冷海峰, 張輝, 李正兵, 來代初, 趙延, 郭立, 雷震 申請人:西安航天動力試驗(yàn)技術(shù)研究所