?，?，劉彥軍，孫新新

(1．中國航天科技集團(tuán)公司第六研究院計量測試研究所，陜西西安710100;2.中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

瞬態(tài)流量的準(zhǔn)確測量是發(fā)動機(jī)試驗中的重要工作，對于新型發(fā)動機(jī)的設(shè)計、發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及發(fā)動機(jī)熱試車和高空模擬試車非常重要［1］。凝膠推進(jìn)劑屬于非牛頓流體，靜止貯存為類固態(tài)、粘性大，受剪切后粘性迅速下降，近似牛頓流體，使用常規(guī)的流量計無法對其進(jìn)行準(zhǔn)確測量，故選擇了科氏力質(zhì)量流量計對凝膠推進(jìn)劑在實際管路中的質(zhì)量流量進(jìn)行測量 (本文中簡稱凝膠流量計)。

質(zhì)量流量計的傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法是采用質(zhì)量法，質(zhì)量法屬于離線檢定，只能測平均流量，一般不能封閉運(yùn)行且其關(guān)鍵部件換向器對粘度特別敏感，粘度大導(dǎo)致掛壁現(xiàn)象嚴(yán)重，影響測量精度，而凝膠推進(jìn)劑的流變特性使得質(zhì)量法不適宜于對凝膠流量計進(jìn)行校準(zhǔn)。本文采用活塞位移型體積管構(gòu)成凝膠流量計標(biāo)準(zhǔn)裝置的主標(biāo)準(zhǔn)器，它具有高精度、寬量程、適合高粘度、耐高壓、全密閉運(yùn)行等特點，在原油等高粘度流量計計量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，故該裝置適宜于對凝膠流量計進(jìn)行校準(zhǔn)。美國加利布朗公司、中航工業(yè)第三零四研究所對活塞位移型體積管在水、原油等領(lǐng)域的校準(zhǔn)應(yīng)用進(jìn)行了研究［2－5］。

西安航天計量測試研究所結(jié)合凝膠推進(jìn)劑本身的壓力觸變特性，對凝膠流量計的校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行了深入地研究?；诔Ｒ?guī)液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)［3］，通過增設(shè)加壓/泄壓裝置，加裝在線密度計，設(shè)計了一套針對火箭發(fā)動機(jī)凝膠流量計的標(biāo)準(zhǔn)裝置。該裝置可以模擬凝膠流量計的實際使用工況，進(jìn)行瞬態(tài)流量的準(zhǔn)確測量，實現(xiàn)凝膠流量計的實流模擬校準(zhǔn)，提高測量的準(zhǔn)確度。

1 活塞位移型凝膠流量計標(biāo)準(zhǔn)裝置

凝膠流量計標(biāo)準(zhǔn)裝置原理圖如圖1所示，該裝置主要包括機(jī)械系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)三部分。

圖1 活塞位移型凝膠流量計標(biāo)準(zhǔn)裝置原理圖

裝置采用伺服電機(jī)驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)活塞缸 (體積管)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)流量源，活塞缸同時作為容積標(biāo)準(zhǔn)，與光柵配合構(gòu)成流量測量系統(tǒng)。具體的工作過程如下:校準(zhǔn)前將閥1，2，3，4開啟，用增壓系統(tǒng)將貯罐中的凝膠擠壓到活塞體積管和管路中;在校準(zhǔn)行程中關(guān)閉閥門3，由電機(jī)通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動活塞在主動體積管中運(yùn)動，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)流量源，凝膠通過閥門1、凝膠流量計、密度計和閥門2進(jìn)入貯箱。光柵用于測量活塞行程L，活塞行程與活塞截面積A的乘積再除以運(yùn)行時間t就得到體積流量q==，密度ρ采用在線密度計進(jìn)V行測量，則由活塞位移型體積管產(chǎn)生的質(zhì)量流量qm·ρ=·ρ。把q與凝膠流量計相應(yīng)的指示流量mqs相比較，即可確定凝膠流量計的誤差，從而達(dá)到校準(zhǔn)流量計的目的。

1.1 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)流量源部件和流量測量部件組成。

1.1.1 標(biāo)準(zhǔn)流量源部件

標(biāo)準(zhǔn)流量源部件由伺服電機(jī)、滾珠絲杠、活塞、活塞缸、貯罐和管路等組成。流量的穩(wěn)定是實現(xiàn)準(zhǔn)確測量的前提，由伺服電機(jī)、精密絲杠驅(qū)動活塞運(yùn)動產(chǎn)生高穩(wěn)定的凝膠流量源。本裝置采用國外進(jìn)行凝膠實驗時常用的高壓氣體擠壓方式產(chǎn)生流量源，即使用高壓氣體將貯罐中的凝膠擠壓到活塞體積管和管路中。

如圖2所示，流量計上下游安裝有溫度傳感器(T1，T2)和壓力傳感器 (p1，p2)測量流體的溫度、壓力，其中p1和T1用來測量活塞位移型體積管出口處凝膠的壓力和溫度，p2和T2用來測量被校凝膠流量計處介質(zhì)的壓力和溫度，這四個參數(shù)可以進(jìn)行活塞位移型體積管標(biāo)準(zhǔn)容積的壓力和溫度修正，得到高精度的流量。

圖2 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)原理圖

1.1.2 流量測量部件

活塞缸作為容積標(biāo)準(zhǔn)，與光柵、在線密度計配合構(gòu)成流量測量系統(tǒng)。由于凝膠推進(jìn)劑流量測量采用的是科氏力質(zhì)量流量計，需以質(zhì)量流量對其進(jìn)行標(biāo)定。而活塞位移型體積管標(biāo)定的是體積流量，故需要加裝在線密度計連續(xù)實時地檢測校準(zhǔn)介質(zhì)的密度值。由于凝膠具有的粘度高、壓力觸變性等特點，普通的密度測量手段無法滿足膠體密度測量的要求，本裝置中采用國際先進(jìn)的諧振在線密度計，采用一個振動管來測量密度。當(dāng)流體密度改變，密度計的振動質(zhì)量將發(fā)生改變，振動質(zhì)量的變化再影響諧振頻率，故測得密度計諧振頻率即可得知流體密度。頻率與密度的關(guān)系為

式中:ρ為液體密度;T為密度計輸出的振動周期;K0，K1，K2為傳感器的常數(shù)，在出廠時標(biāo)定。

1.2 增壓系統(tǒng)

采用擠壓式系統(tǒng)供應(yīng)凝膠推進(jìn)劑，增壓系統(tǒng)能夠穩(wěn)定供應(yīng)0.5 Mpa的壓力，實現(xiàn)凝膠推進(jìn)劑剪切變稀和穩(wěn)定流動。

為實現(xiàn)有效和安全地控制氣體的流量、壓力，開啟相應(yīng)通路的閥門，在高壓段，打開氣瓶閥，通過增壓泵將氣瓶壓力提高到所需壓力送入貯膠罐;在中、低段，打開氣瓶閥，通過減壓器將氣瓶壓力減至工作所需壓力送入貯膠罐。在進(jìn)氣路有一個低速增壓閥和快速增壓閥，可通過選擇進(jìn)行低速或快速加壓，當(dāng)壓力與參考壓力平衡后，即可進(jìn)行實驗。在排氣路有一個低速卸壓閥和快速卸壓閥，當(dāng)壓力超過設(shè)定或降壓時，可通過選擇進(jìn)行低速或快速卸壓，當(dāng)壓力與參考壓力平衡后，即可進(jìn)行實驗，達(dá)到安全控制的目的。

1.3 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和上位機(jī)校準(zhǔn)軟件組成［7］。

1.3.1 硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。主要采集量包含溫度/壓力信號、時鐘信號，光柵位移信號，流量計模擬/頻率信號、密度計頻率信號等;控制系統(tǒng)主要進(jìn)行伺服電機(jī)的控制及反饋、閥門控制及反饋等。檢定流量計時，流量計數(shù)、光柵計數(shù)、時鐘計數(shù)三者之間要求嚴(yán)格同步，從而保證計算儀表系數(shù)的準(zhǔn)確。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，可以方便擴(kuò)展，升級系統(tǒng)功能，主要模塊包括研華公司PCI1716板卡、PCI1780板卡、凌華PCI8164板卡等。

1.3.2 上位機(jī)校準(zhǔn)軟件設(shè)計

上位機(jī)校準(zhǔn)軟件主要是依據(jù)相關(guān)流量計檢定規(guī)程，完成凝膠流量計的檢定、校準(zhǔn)等工作，主要實現(xiàn)信息錄入、電機(jī)控制、閥門控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和證書打印等功能。編程語言采用了VC++，利用在VC++中嵌套Microsoft Excel實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、保存和管理，在VC++中嵌套Microsoft Word實現(xiàn)證書的自動生成和打印功能。上位機(jī)校準(zhǔn)軟件發(fā)送給控制系統(tǒng)的命令包括:開始檢定命令、活塞穩(wěn)定時間、電機(jī)轉(zhuǎn)速及位置控制、閥門控制信號等;控制系統(tǒng)發(fā)回給上位機(jī)校準(zhǔn)軟件的數(shù)據(jù)包括:檢定完畢信號、光柵位移信號、流量計模擬/頻率信號、密度計頻率信號、時鐘脈沖信號、溫度/壓力傳感器信號等。校準(zhǔn)軟件程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

1.3.3 檢定流程設(shè)計

在上位機(jī)設(shè)置好介質(zhì)參數(shù)和被校流量計的參數(shù)之后，上位機(jī)向控制系統(tǒng)發(fā)送檢定命令和檢定參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)收到上位機(jī)發(fā)出的檢定命令以和檢定參數(shù)之后，開始檢定被檢流量計。檢定流程如圖4所示。

圖4 檢定流程圖

首先，啟動電機(jī)正轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)要求的流量大小來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定時，啟動校準(zhǔn)軟件，開始采集被校流量計信號、活塞的初始位移、時鐘信號和密度計的頻率信號，當(dāng)活塞位移達(dá)到上位機(jī)規(guī)定的距離時，控制系統(tǒng)立即停止采集數(shù)據(jù)，同時將檢定數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)存儲完畢后，啟動電機(jī)反轉(zhuǎn)，活塞退回到起始位置準(zhǔn)備下一次檢定。

上位機(jī)校準(zhǔn)軟件收到控制系統(tǒng)發(fā)回的檢定完畢信號后，首先導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)，選擇檢定/校準(zhǔn)功能，輸入密度值和儀表系數(shù);進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到所有檢定點的原始數(shù)據(jù);然后對所有檢定點的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到每個檢定點的結(jié)果;最后對每個檢定點進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到被校流量計的檢定結(jié)果，包括最小流量、最大流量、介質(zhì)溫度、介質(zhì)壓力、儀表系數(shù)、誤差和重復(fù)性，并打印輸出被檢流量計的檢定證書。

2 結(jié)論

凝膠推進(jìn)劑是一種非牛頓粘彈性流體，具有粘度高、壓力觸變性等特點，而常規(guī)液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置只能以牛頓流體作為校準(zhǔn)介質(zhì)，故無法實現(xiàn)凝膠流量計真實介質(zhì)的校準(zhǔn)。因此針對凝膠推進(jìn)劑的特殊流變性，本文設(shè)計的活塞位移型凝膠流量計標(biāo)準(zhǔn)裝置通過增設(shè)加壓/泄壓裝置、加裝在線密度計，充分模擬了凝膠流量計的實際使用工況，實現(xiàn)了凝膠流量計的實流模擬校準(zhǔn)，提高了測量的準(zhǔn)確度。該裝置具有如下特點:

1)流量穩(wěn)定。由于流量值為活塞運(yùn)行速度與活塞缸橫截面積的乘積，活塞由伺服電機(jī)帶動，而伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速易于調(diào)整和控制，因此容易使流量達(dá)到并穩(wěn)定在設(shè)定流量點上。

2)重復(fù)性好。從原理上看，其重復(fù)性僅與活塞缸體面積的變化、光柵測量的重復(fù)性及密封圈的變形等因素有關(guān)，而這些影響因素均很小。

3)流量測量范圍大。本裝置體積流量測量范圍:0．1～10 m3/h，標(biāo)準(zhǔn)模擬液的密度范圍為700～1300 kg/m3［8］，將體積流量轉(zhuǎn)換成質(zhì)量流量，則其測量范圍為19．44～3611 g/s，我所建立的凝膠流量計標(biāo)準(zhǔn)裝置在流量測量范圍方面可以滿足我國航天發(fā)動機(jī)在實際熱試車和高空模擬試車中對凝膠推進(jìn)劑質(zhì)量流量測量的要求，同時為該裝置后續(xù)功能的擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。

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