趙萬(wàn)明，羅維民

(西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所, 陜西 西安710100)

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)流量測(cè)量技術(shù)研究

趙萬(wàn)明，羅維民

(西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所, 陜西 西安710100)

介紹了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)推進(jìn)劑流量測(cè)量技術(shù)與方法，闡述流量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)、傳感器的選擇與安裝工藝、現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)、信號(hào)調(diào)理器設(shè)計(jì)、抗干擾措施、數(shù)據(jù)分析與提供方法。文中論述的測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)流量參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量，為發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)提供準(zhǔn)確、可靠的依據(jù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)；流量測(cè)量；現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)；信號(hào)調(diào)理；數(shù)據(jù)分析

0 引言

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，推進(jìn)劑流量是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)比推力和混合比的關(guān)鍵參數(shù)，測(cè)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的流量參數(shù)至關(guān)重要。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由于用途的不同，其推進(jìn)劑流量從軌姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的每秒毫克級(jí)到主動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的每秒上千千克級(jí)，推進(jìn)劑種類有液體(低溫、常溫、有毒)、凝膠、氣體等，流量測(cè)量傳感器大多處于高溫(低溫)、振動(dòng)、腐蝕等惡劣環(huán)境條件下。所以，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)流量參數(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確性，必須根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)介質(zhì)類型、流量大小、試驗(yàn)特點(diǎn)等各種因素，針對(duì)性設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)，選擇高性能的傳感器，研究校準(zhǔn)方式、信號(hào)調(diào)理技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法。本文從流量參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)、傳感器選型及安裝工藝、現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)、信號(hào)調(diào)理技術(shù)、抗干擾措施、數(shù)據(jù)處理等方面論述液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)流量參數(shù)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)。

1 流量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

一個(gè)先進(jìn)、可靠的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)是參數(shù)測(cè)準(zhǔn)、測(cè)全的前提條件。流量參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入條件主要有：測(cè)量不確定度、推進(jìn)劑類型、發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式、流量范圍、傳感器安裝的環(huán)境條件、測(cè)量通道數(shù)、采樣速率、數(shù)據(jù)提供形式等。設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮以下因素：①根據(jù)測(cè)量不確定度對(duì)測(cè)量各環(huán)節(jié)進(jìn)行誤差分配；②綜合測(cè)量不確定度、量程、推進(jìn)劑類型、數(shù)據(jù)獲得可靠性、現(xiàn)場(chǎng)條件和安裝方式等選擇合適的傳感器；③確定校準(zhǔn)方式(首選現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)方式)，設(shè)計(jì)校準(zhǔn)裝置；④確定傳感器冗余測(cè)量手段；⑤根據(jù)傳感器輸出信號(hào)類型、幅值大小、波形形狀、采樣速率等，設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集裝置；⑥提出數(shù)據(jù)分析要求，規(guī)定數(shù)據(jù)提供方法。

上述因素中，研究校準(zhǔn)方式與建立現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置、研制信號(hào)調(diào)理器是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2 傳感器選擇與安裝工藝

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中應(yīng)用最多的是渦輪流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)。渦輪流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快、流阻小、重復(fù)性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。不足是精度一般，口徑10 mm以上的多數(shù)渦輪流量計(jì)水校準(zhǔn)精度一般達(dá)到0.5%，口徑1～4 mm渦輪流量計(jì)水校準(zhǔn)精度僅達(dá)到1%～2%。質(zhì)量流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)是精度和可靠性高、范圍寬、介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，缺點(diǎn)是流阻大、易受振動(dòng)干擾、有一定的滯后性。由于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境及安裝條件與計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)不同，加之推進(jìn)劑特性和溫度的影響，渦輪流量計(jì)使用計(jì)量水校準(zhǔn)系數(shù)時(shí)存在一定的系統(tǒng)誤差。當(dāng)推進(jìn)劑為液氧、液氫等低溫介質(zhì)時(shí)，誤差較大。質(zhì)量流量計(jì)在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，如果安裝位置距發(fā)動(dòng)機(jī)較近，易受到推進(jìn)劑管路傳遞的振動(dòng)干擾及介質(zhì)脈動(dòng)影響，當(dāng)干擾信號(hào)頻率和流量計(jì)測(cè)量使用的頻率較近時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真。

流量傳感器選擇主要考慮精度、流阻、現(xiàn)場(chǎng)安裝條件、輸出信號(hào)類型、可靠性等因素。推薦常溫推進(jìn)劑采用質(zhì)量流量計(jì)+渦輪流量計(jì)的方式進(jìn)行測(cè)量；低溫推進(jìn)劑使用分節(jié)式電容液面計(jì)平均流量測(cè)量裝置+低溫渦輪流量計(jì)的方式進(jìn)行測(cè)量，發(fā)揮分節(jié)式電容液面計(jì)平均流量測(cè)量精度高、低溫渦輪流量計(jì)可同時(shí)獲得瞬時(shí)和平均流量的特點(diǎn)；氣體流量使用質(zhì)量流量計(jì)或氣體渦輪流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量；凝膠推進(jìn)劑使用質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量；軌姿控發(fā)動(dòng)機(jī)小推力(小流量)試驗(yàn)系統(tǒng)使用質(zhì)量流量計(jì)或高精度天平測(cè)量。

流量計(jì)正確的安裝工藝是保證測(cè)量精度的前提條件之一。渦輪流量計(jì)安裝時(shí)應(yīng)注意：①上、下游安裝一段與流量計(jì)口徑相同的直管段，前直管段長(zhǎng)應(yīng)不小于通徑的20倍，后直管段不小于5倍；②安裝坡度一般小于2°。質(zhì)量流量計(jì)安裝時(shí)應(yīng)注意：①盡可能遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)可靠安裝，制作支架，在連接法蘭上固定；②試驗(yàn)過程受到的振動(dòng)大小應(yīng)不影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，建議在連接管路上安裝波紋管或金屬軟管減小發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)對(duì)質(zhì)量流量計(jì)的影響；③一般測(cè)量液體介質(zhì)時(shí)彎管朝下垂直安裝，靠近流量計(jì)處設(shè)置高點(diǎn)排氣裝置，測(cè)量氣體時(shí)應(yīng)安裝在氣體流場(chǎng)比較穩(wěn)定的管路上，必要時(shí)設(shè)置緩沖器，對(duì)氣體進(jìn)行穩(wěn)流；④安裝好后選擇合適的時(shí)間常數(shù)，并按4～20 mA對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

另外：①流量計(jì)安裝后應(yīng)注意安裝應(yīng)力的影響，別特是用于低溫介質(zhì)測(cè)量的流量計(jì)第一次使用時(shí)，應(yīng)進(jìn)行預(yù)冷處理；②使用渦輪流量計(jì)時(shí)，用于管路介質(zhì)測(cè)溫的傳感器應(yīng)安裝在主管路流量計(jì)附近管路的側(cè)下方。推薦常溫介質(zhì)選用鎧裝封閉式A級(jí)鉑電阻傳感器，插入深度1/3～1/2管徑。低溫介質(zhì)安裝兩只不同插入深度(1/4～1/2管徑)的鎧裝裸露式熱敏電阻傳感器，測(cè)量窄溫區(qū)分層溫度，求平均值。同時(shí)安裝一只封閉式A級(jí)鉑電阻傳感器，用于預(yù)冷全過程溫度監(jiān)示。介質(zhì)溫度測(cè)量誤差一般應(yīng)小于0.4°。

3 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，渦輪流量計(jì)使用環(huán)境、安裝形式、測(cè)量介質(zhì)的粘度、密度、溫度等和計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)存在差異，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)存在一定系統(tǒng)偏差。研究測(cè)量參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)(原位)校準(zhǔn)，是提高參數(shù)測(cè)量精度的最有效途徑。航天標(biāo)準(zhǔn)QJ1794中規(guī)定，流量測(cè)量不確定度不大于1%時(shí)，其傳感器必須在現(xiàn)場(chǎng)用真實(shí)推進(jìn)劑進(jìn)行校準(zhǔn)；大于1%時(shí)可在計(jì)量部門實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)用渦輪流量計(jì)(精度0.5%)測(cè)量流量時(shí)，當(dāng)要求常溫推進(jìn)劑流量測(cè)量不確定度不大于0.7%，低溫液氧、液氫流量不大于1%時(shí)，應(yīng)建立現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置，對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行真實(shí)介質(zhì)原位校準(zhǔn)，才可能達(dá)到要求的測(cè)量不確定度。 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)流量校準(zhǔn)裝置一般按常溫推進(jìn)劑和低溫推進(jìn)劑分別設(shè)計(jì)。在滿足測(cè)量不確定度要求前提下，多數(shù)常溫推進(jìn)劑流量測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置可采用質(zhì)量流量計(jì)和渦輪流量計(jì)串聯(lián)的方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)，校準(zhǔn)原理如圖1所示。

質(zhì)量流量計(jì)對(duì)渦輪流量計(jì)的校準(zhǔn)方法和計(jì)量單位校準(zhǔn)基本相同，利用推進(jìn)劑貯箱和推進(jìn)劑回收箱之間放液進(jìn)行校準(zhǔn)。流量基準(zhǔn)為質(zhì)量流量計(jì)，質(zhì)量流量計(jì)同時(shí)獲得質(zhì)量流量和密度，質(zhì)量流量除以密度得到體積流量，通過體積流量和渦輪流量計(jì)輸出頻率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用最小二乘法求出渦輪流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)安裝條件下真實(shí)介質(zhì)的斜率與截距(或儀表系數(shù))。通過改變貯箱壓力獲得不同校準(zhǔn)點(diǎn)流量值。渦輪流量計(jì)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)后，提供的數(shù)據(jù)測(cè)量不確定度一般優(yōu)于0.7%。在額定工況流量值附近校準(zhǔn)，測(cè)量不確定度可優(yōu)于0.5%。

低溫介質(zhì)(如液氧、液氫)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)一般不用低溫質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量流量，原因是低溫質(zhì)量流量計(jì)對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)這樣短時(shí)間工作方式的流量測(cè)量重復(fù)性、穩(wěn)定性較差。小型低溫介質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)由于介質(zhì)容器較小，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置可采用稱重法方式進(jìn)行。中、大型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)由于介質(zhì)容器巨大，不適合稱重法對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行原位校準(zhǔn)。采用測(cè)量介質(zhì)容器標(biāo)準(zhǔn)體積和密度的方法對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)，校準(zhǔn)原理圖如圖2所示。

校準(zhǔn)原理如下：①對(duì)低溫介質(zhì)容器進(jìn)行計(jì)量標(biāo)定，獲得體積和高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)行容器材料低溫系數(shù)和使用壓力體積修正。同時(shí)，對(duì)容器內(nèi)安裝的液面計(jì)等其他設(shè)備占用體積進(jìn)行修正；②在標(biāo)定過的容器中安裝分節(jié)式電容液面計(jì)。低溫介質(zhì)放液時(shí)，對(duì)液位高度變化信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、記錄和處理，查表、插值求出容器某時(shí)間段內(nèi)流出的介質(zhì)體積，同時(shí)，實(shí)時(shí)測(cè)量容器介質(zhì)流出區(qū)域壓力和溫度計(jì)算密度，獲得該時(shí)間段標(biāo)準(zhǔn)平均質(zhì)量流量；③在同一時(shí)間段內(nèi)，測(cè)量渦輪流量計(jì)附近壓力和溫度計(jì)算密度，求出渦輪流量計(jì)測(cè)量的質(zhì)量流量。由于同一時(shí)間段內(nèi)從容器流出的低溫介質(zhì)質(zhì)量等于流過主管道渦輪流量計(jì)的介質(zhì)質(zhì)量，即：獲得渦輪流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)體積流量同時(shí)獲得了體積流量對(duì)應(yīng)的頻率。選擇4～6校準(zhǔn)點(diǎn)，每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)重復(fù)2～3次。用最小二乘法對(duì)渦輪流量計(jì)的體積流量和對(duì)應(yīng)的輸出頻率值擬合，求出現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)介質(zhì)條件下的渦輪流量計(jì)的斜率和截距值，實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)。

需要注意的是，以分節(jié)式電容液面計(jì)為核心組成的低溫介質(zhì)平均流量測(cè)量裝置必須按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量不確定度評(píng)定。按照目前技術(shù)水平，容器內(nèi)低溫介質(zhì)溫度測(cè)量誤差控制在±0.4K以內(nèi)，容器容積檢定不確定度在0.1%(含容器低溫壓力、溫度修正)以內(nèi)，低溫介質(zhì)平均流量測(cè)量裝置測(cè)量不確定度優(yōu)于0.5%，用該裝置對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)后，低溫介質(zhì)流量測(cè)量不確定度優(yōu)于0.7%。

4 信號(hào)調(diào)理技術(shù)

渦輪流量計(jì)輸出的原始信號(hào)一般是較正規(guī)的正弦波，多數(shù)頻率在20～3 000 Hz范圍內(nèi)。但液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，渦輪流量計(jì)受結(jié)構(gòu)、安裝位置、振動(dòng)、介質(zhì)性質(zhì)等因素影響，渦輪流量計(jì)輸出的波形有時(shí)不規(guī)則。圖3所示為某低溫渦輪流量計(jì)試驗(yàn)過程實(shí)際輸出波形圖，這種不規(guī)則的波形對(duì)信號(hào)調(diào)理技術(shù)提出更高的要求。

質(zhì)量流量計(jì)輸出信號(hào)是經(jīng)過調(diào)理的正規(guī)脈沖或4～20 mA電流信號(hào)，對(duì)信號(hào)調(diào)理要求不高。渦輪流量計(jì)輸出的正弦頻率信號(hào)測(cè)量方法有三種：第一是計(jì)數(shù)法直接測(cè)頻率，第二是測(cè)周期(單周期或多周期)，第三是F-V變換測(cè)量電壓信號(hào)。直接測(cè)頻法測(cè)量精度高，但適合頻率穩(wěn)定且較高的場(chǎng)合。當(dāng)被測(cè)頻率變化較大，且比較低的情況下測(cè)周期法較理想。當(dāng)采集裝置未配置頻率采集板時(shí)，用F-V變換法測(cè)頻率。F-V變換法適合頻率比較穩(wěn)定的場(chǎng)合?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)試車中既要準(zhǔn)確測(cè)量起動(dòng)段、關(guān)機(jī)段數(shù)據(jù)，又要準(zhǔn)確測(cè)量穩(wěn)定段數(shù)據(jù)，且輸出頻率一般較低，大多采用測(cè)周期法進(jìn)行測(cè)量。由于發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)的核心采集部件多數(shù)引進(jìn)或外購(gòu)，配置的頻率型參數(shù)測(cè)量板卡上的整形電路比較簡(jiǎn)單，不適應(yīng)與各種不規(guī)則的流量信號(hào)直接匹配，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)流量測(cè)量信號(hào)輸出幅值波動(dòng)大、波形奇異時(shí)，采集的數(shù)據(jù)異?；蛘`差大。因此，研究滿足要求的頻率型參數(shù)信號(hào)調(diào)理技術(shù)，設(shè)計(jì)適合多種發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中流量輸出信號(hào)的多功能、高可靠、抗干擾能力強(qiáng)的信號(hào)調(diào)理器是流量參數(shù)測(cè)量關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

4.1 調(diào)理器的組成與要求

頻率信號(hào)調(diào)理器一般由濾波、放大、整形、隔離、信號(hào)匹配(分頻、F-V變換)等環(huán)節(jié)組成，如圖4所示。對(duì)信調(diào)器的基本要求是：截止頻率、門檻電平、增益等分檔可調(diào)，硬件具有多檔分頻功能，輸入信號(hào)直接監(jiān)視，信號(hào)調(diào)理器與采集裝置隔離，可選擇頻率或電壓輸出，各通道相互獨(dú)立，輸入無(wú)信號(hào)或傳感器不工作時(shí)無(wú)50Hz干擾，能直接匹配多種幅值不同、波形復(fù)雜的流量計(jì)輸出信號(hào)。

4.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

濾波與保護(hù)電路設(shè)計(jì) 多功能頻率信調(diào)器一般由多級(jí)電路組成，第一級(jí)一般設(shè)計(jì)濾波和限幅保護(hù)功能。限幅保護(hù)是為了防止誤接特大信號(hào)。硬件濾波和正確接地是減小或抑制50 Hz工頻和各種大功率電氣設(shè)備產(chǎn)生的高頻干擾的有效措施。

放大、整形電路設(shè)計(jì) 調(diào)理器的第二級(jí)為放大、整形電路。為適應(yīng)幾毫伏到幾伏的不同傳感器電壓幅值，調(diào)理器應(yīng)增益可調(diào)。整形電路對(duì)放大后的不規(guī)則正弦信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為同頻率的正規(guī)方波信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中流量信號(hào)不規(guī)則的原因除工頻、高頻干擾信號(hào)疊加外，還有試車過程隨機(jī)大振動(dòng)引起傳感器的信號(hào)發(fā)生器與切割磁力線的導(dǎo)磁葉片之間位移隨機(jī)變化、導(dǎo)磁葉片磁性不均勻、介質(zhì)不穩(wěn)流等因素。如果采用簡(jiǎn)單的整形方式，可能導(dǎo)致采集結(jié)果不正確或波動(dòng)大，不能正確反映被測(cè)對(duì)象的真實(shí)情況。整形電路在濾波、放大的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置合適的門檻電平(調(diào)整放大倍數(shù))，濾掉無(wú)用、干擾信號(hào)。門檻電平設(shè)置根據(jù)傳感器在額定狀態(tài)下輸出幅值大小、波形是否正規(guī)和測(cè)量系統(tǒng)的噪聲大小三個(gè)因素來(lái)確定。波形不正規(guī)時(shí)，門檻電平設(shè)置電壓應(yīng)比系統(tǒng)噪聲大2～3倍，是實(shí)際波形峰值的10～30%。波形正規(guī)時(shí)，一般設(shè)一個(gè)固定值(如20 mV)。摸清發(fā)動(dòng)機(jī)試車各種流量傳感器的原始輸出波形情況，是門檻電平設(shè)置的依據(jù)。

隔離電路設(shè)計(jì) 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車中測(cè)量參數(shù)眾多，測(cè)控系統(tǒng)龐大，干擾信號(hào)機(jī)理復(fù)雜，傳感器信號(hào)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)隔離。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，濾波和整形基本消除了干擾信號(hào)，頻率信號(hào)光耦隔離后仍是正規(guī)的方波信號(hào)。采用濾波—放大—整形—光耦隔離的方式效果比較理想。

分頻電路設(shè)計(jì) 發(fā)動(dòng)機(jī)試車中，渦輪流量計(jì)設(shè)計(jì)多個(gè)導(dǎo)磁葉片，轉(zhuǎn)一周輸出多個(gè)波。由于加工精度、發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷后葉片變形、試車時(shí)大振動(dòng)等因素影響，一周輸出的多個(gè)波形幅值、脈寬有差異。采用單周期、按固定速率采樣時(shí)，采集到的可能是一周內(nèi)任意一個(gè)波，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)大，不能準(zhǔn)確反映發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)穩(wěn)定工作狀態(tài)。分頻測(cè)量實(shí)際上是多周期測(cè)量，分頻數(shù)為流量計(jì)葉片數(shù)。分頻后流量計(jì)轉(zhuǎn)一周相當(dāng)于只輸出一個(gè)波，發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定段轉(zhuǎn)一周的脈沖寬度比較穩(wěn)定，測(cè)得的數(shù)據(jù)波動(dòng)大大減小。對(duì)頻率信號(hào)分頻時(shí)，可采用軟件分頻或硬件分頻。軟件分頻的特點(diǎn)是非常容易實(shí)現(xiàn)任意分頻，簡(jiǎn)單、方便。硬件分頻的特點(diǎn)是速度快，不占用軟件開銷。需要指出的是，流量參數(shù)采用分頻處理后，解決了數(shù)據(jù)波動(dòng)問題，但試車啟動(dòng)段采集的第一個(gè)數(shù)是轉(zhuǎn)動(dòng)整周的波形(并不是第一周中第一個(gè)波)而產(chǎn)生一定的滯后。

F-V變換技術(shù) 對(duì)未配置頻率信號(hào)調(diào)理器、頻率計(jì)數(shù)板的數(shù)據(jù)采集裝置，在頻率信號(hào)調(diào)理器上增加F-V變換功能。F-V變換電路通常設(shè)計(jì)在信號(hào)調(diào)理器的光耦隔離后。

4.3 抗干擾措施

流量參數(shù)測(cè)量中，由于系統(tǒng)長(zhǎng)線傳輸、接地不規(guī)范、大功率電器動(dòng)作、電磁波輻射等原因容易引起干擾。如果在流量傳感器未工作時(shí)，采集系統(tǒng)有50 Hz信號(hào)的主要原因是系統(tǒng)接地不良或不正確。輸出波形中出現(xiàn)的尖脈沖(采集數(shù)據(jù)中的特大點(diǎn))的主要原因是系統(tǒng)的大電器動(dòng)作。疊加在輸出波形上的毛刺或高頻噪聲的主要原因是電磁波干擾。系統(tǒng)抗干擾措施除選擇抗干擾能力強(qiáng)、電磁兼容性符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的采集裝置及軟件抗干擾技術(shù)外，主要是通過濾波、去耦、屏蔽、調(diào)節(jié)門檻電平、隔離、接地等綜合技術(shù)措施將干擾擬制到最小。如信號(hào)傳輸選用屏蔽雙絞線(或同軸電纜)，屏蔽層在傳感器處浮空且全程連續(xù)，信號(hào)負(fù)線和屏蔽線在采集系統(tǒng)處一點(diǎn)接地，可有效地抑制系統(tǒng)干擾。

5 數(shù)據(jù)分析與提供方法

5.1 數(shù)據(jù)分析

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，用渦輪流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、低溫分節(jié)式電容液面計(jì)平均流量測(cè)量裝置、孔板等測(cè)量手段測(cè)量的常溫、低溫、膠體等推進(jìn)劑流量及氣體流量數(shù)據(jù)需進(jìn)行處理、分析和確認(rèn)，排除系統(tǒng)設(shè)備偶發(fā)故障及信號(hào)干擾、系數(shù)錯(cuò)誤、介質(zhì)密度差異對(duì)數(shù)據(jù)的影響，對(duì)異常數(shù)據(jù)分析后給出結(jié)論，確認(rèn)提供的測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信。

數(shù)據(jù)處理與分析應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

1) 數(shù)據(jù)處理取舍方法：平穩(wěn)段數(shù)據(jù)根據(jù)格魯布斯舍點(diǎn)公式，剔除異常點(diǎn)。因采集系統(tǒng)不清零、工頻50 Hz干擾、其他干擾造成尖脈沖等非正常流量數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行處理(按頻率信號(hào)采集，開車前無(wú)流量信號(hào)時(shí)采集的非零數(shù)據(jù)應(yīng)置零，按F-V電壓信號(hào)采集時(shí)，開車前無(wú)流量信號(hào)時(shí)零位應(yīng)是一個(gè)很小的穩(wěn)定值，漂移明顯時(shí)應(yīng)修正)。

2)介質(zhì)密度計(jì)算：常溫介質(zhì)密度推薦取發(fā)動(dòng)機(jī)工作(10～20 s)后至關(guān)機(jī)前全程實(shí)時(shí)測(cè)量的溫度平均值計(jì)算。低溫介質(zhì)液氫、液氧和甲烷等密度計(jì)算一般采用測(cè)溫、測(cè)壓和查NASA分度表方法獲取密度。也可采用美國(guó)愛達(dá)荷大學(xué)應(yīng)用熱力學(xué)研究中心開發(fā)的《ALLPROPS》軟件計(jì)算液氧、液氫、甲烷等常用低溫介質(zhì)密度。

3)異常數(shù)據(jù)分析：若發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程流量數(shù)據(jù)變化規(guī)律、數(shù)值大小、時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系有異常時(shí)，應(yīng)分析測(cè)量系統(tǒng)、傳感器、電纜轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)是否正常，測(cè)量信號(hào)是否受到干擾；控制系統(tǒng)時(shí)序、工藝系統(tǒng)閥門動(dòng)作、控制指令及發(fā)動(dòng)機(jī)工作是否正常；介質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)是否有多余物等。

4)冗余測(cè)量差異分析：同一位置，安裝位置不變的串聯(lián)流量計(jì)，發(fā)現(xiàn)本次試驗(yàn)各流量計(jì)測(cè)量的平均值差值較大或和以前規(guī)律不一致時(shí)，應(yīng)分析流量計(jì)多次校準(zhǔn)系數(shù)變化情況、穩(wěn)定性及流量計(jì)工作是否正常，查明原因，采取措施。

5)數(shù)據(jù)修正原則：原因清楚的異常數(shù)據(jù)(經(jīng)冗余測(cè)量數(shù)據(jù)比較、分析，綜合測(cè)試、驗(yàn)證等證明是傳感器或測(cè)量系統(tǒng)引起)應(yīng)進(jìn)行修正，原因不清楚或經(jīng)過反復(fù)復(fù)查證明測(cè)量系統(tǒng)無(wú)異常時(shí)，提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)報(bào)告中說明。

5.2數(shù)據(jù)提供方法

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)最終提供的數(shù)據(jù)報(bào)告必須真實(shí)、客觀、準(zhǔn)確、有效，反映發(fā)動(dòng)機(jī)的固有性能和質(zhì)量。對(duì)采取冗余測(cè)量手段及不同推進(jìn)劑的流量數(shù)據(jù)可按以下方法提供數(shù)據(jù)：

1)常溫介質(zhì)管路串聯(lián)安裝渦輪流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)，并確認(rèn)質(zhì)量流量計(jì)未受振動(dòng)影響時(shí)，推薦用質(zhì)量流量計(jì)提供數(shù)據(jù)。如果用渦輪流量計(jì)提供數(shù)據(jù)，應(yīng)用質(zhì)量流量計(jì)對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行原位校準(zhǔn)。

2)常溫推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)安裝兩只渦輪流量計(jì)，用質(zhì)量流量計(jì)對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行原位校準(zhǔn)，且多次試驗(yàn)兩只流量計(jì)穩(wěn)定段平均值的差值穩(wěn)定且在一定范圍內(nèi)，用渦輪流量計(jì)提供數(shù)據(jù)時(shí)，推薦用兩流量計(jì)各時(shí)間點(diǎn)的平均值。

3)低溫介質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)，推薦經(jīng)測(cè)量不確定度評(píng)估后的高精度平均流量測(cè)量系統(tǒng)對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)，再用渦輪流量計(jì)全程提供數(shù)據(jù)。或用渦輪流量計(jì)提供瞬時(shí)數(shù)據(jù)，平均流量測(cè)量系統(tǒng)提供平均值數(shù)據(jù)。

4)凝膠推進(jìn)劑和氣體流量推薦用質(zhì)量流量計(jì)直接測(cè)量質(zhì)量流量。如果用渦輪流量計(jì)測(cè)量氣體流量時(shí)，應(yīng)用質(zhì)量流量計(jì)對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)，密度用測(cè)溫、測(cè)壓方法計(jì)算獲得。

6 結(jié)束語(yǔ)

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中流量測(cè)量面臨著非常復(fù)雜的惡劣環(huán)境，試驗(yàn)中為了完整、準(zhǔn)確地獲得發(fā)動(dòng)機(jī)流量數(shù)據(jù)，除選擇高可靠性、適合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件的傳感器、測(cè)量設(shè)備外，還要研究測(cè)量工藝方法。特別是研究傳感器安裝工藝、現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)、信號(hào)調(diào)理、抗干擾措施、數(shù)據(jù)綜合分析及測(cè)量數(shù)據(jù)提供方法等技術(shù)，確保測(cè)量各個(gè)環(huán)節(jié)引入的誤差在預(yù)估范圍內(nèi)。只有這樣，才能保證提供的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效，反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的固有質(zhì)量，為發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)判斷提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。

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Research on flow-rate measurement technology for liquid rocket engine test

ZHAO Wanming，LUO Weimin

(Xi’an Aerospace Test Technology Institute，Xi’an 710100，China)

The method and technology of propellant flow-rate measurement in LRE test is introduced in this paper.The design essentials，sensor selection and installation technology，field calibration technology，signal accommodator design，anti-jamming measures，data analysis and data providing methods of flow-rate measurement system is elaborated in this paper.The accurate measurement of flow-rate parameters in the engine test is realized with the flow-rate measurement technology described in this paper，which can provide accurate and reliable data for the engine performance evaluation.

engine test; flow-rate measurement; field calibration; signal accommodation; data analysis

V433.9-34

A

1672-9374(2017)05-0074-06

2017-05-05；

2017-06-09

趙萬(wàn)明(1958—)，男，研究員，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)量與控制技術(shù)

(編輯：陳紅霞)