丁博深 楊金龍 李艷艷

一種低溫液體推進劑流量測量及液位監(jiān)測系統(tǒng)

丁博深 楊金龍 李艷艷

（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京 100074）

以某液氫/氧火箭發(fā)動機試驗臺建立為背景，介紹一種高精度低溫液體推進劑（液氫/氧）穩(wěn)態(tài)體積流量測量及液位監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由推進劑貯箱、分節(jié)電容液面計、二次儀表、采集設(shè)備等構(gòu)成。改進現(xiàn)有系統(tǒng)，使其除了具有獲取發(fā)動機工作過程中推進劑穩(wěn)態(tài)體積流量的功能外，還能夠在推進劑加注時實時監(jiān)測貯箱內(nèi)的液位，為推進劑加注操作過程提供依據(jù)。重點闡述了大容積推進劑貯箱的標(biāo)定方法及標(biāo)定過程中需要注意的問題。經(jīng)分析及試驗驗證，該系統(tǒng)實時液位監(jiān)測精度可達到3%，對液氫/氧穩(wěn)態(tài)體積流量測量的精度分別可達0.539%和0.457%。

穩(wěn)態(tài)體積流量；液位監(jiān)測；貯箱標(biāo)定；測量不確定度

1 引言

以液氫/氧低溫介質(zhì)為推進劑的火箭發(fā)動機地面試驗中，液氫/氧穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流量對發(fā)動機性能的評估具有十分重要的意義。穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流量由穩(wěn)態(tài)體積流量乘以密度得到，而密度一般可通過測量液氫/氧的溫度和壓力查表獲得。液氫/氧穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流量的測量目標(biāo)為獲得穩(wěn)態(tài)體積流量，穩(wěn)態(tài)體積流量由單位時間內(nèi)貯箱內(nèi)下降的液位乘以貯箱的截面積得到，其中，液位是通過分節(jié)電容液面計測出的，貯箱的截面積是通過貯箱的標(biāo)定得出的。因此，貯箱內(nèi)氫/氧的液位對發(fā)動機試驗至關(guān)重要。此外，液位是控制加注速度及加注量的主要依據(jù)，也為防止氣蝕關(guān)機提供重要監(jiān)視。目前，穩(wěn)態(tài)流量測量系統(tǒng)在發(fā)動機試驗時測得的體積流量非常精確，但用它實時監(jiān)測加注液位時，由于貯箱還未冷透，液面波動較大，無法監(jiān)測液位[1]?；诖私⒁环N既可精確測量發(fā)動機試驗時的穩(wěn)態(tài)體積流量，又可監(jiān)測加注時液位的穩(wěn)態(tài)體積流量測量系統(tǒng)很有意義。

2 穩(wěn)態(tài)體積流量測量系統(tǒng)組成及改進

穩(wěn)態(tài)體積流量測量系統(tǒng)的核心是分節(jié)電容液面計和電容液位變送儀，改進后除可提供發(fā)動機工作過程中體積流量計算所需信息外，還可提供加注過程中液氫/氧的液位信息。

2.1 體積流測量系統(tǒng)組成

穩(wěn)態(tài)體積流量測量系統(tǒng)主要由貯箱、分節(jié)電容液面計、電容液位變送儀、數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成，如圖1所示。

圖1 穩(wěn)態(tài)體積流量測量系統(tǒng)組成

2.1.1 貯箱

貯箱是液氫/氧推進劑的貯存裝置，圓柱體結(jié)構(gòu)，兩端為半圓形封頭，材質(zhì)為不銹鋼，立式安裝。上封頭開孔處裝入分節(jié)電容液面計，下封頭開孔處與發(fā)動機相連接，為發(fā)動機提供液氫/氧的同時，也是液氫/氧的加注口。

2.1.2 電容液面計

圖2 穩(wěn)態(tài)流量信號輸出形式

分節(jié)式電容液面計是在電容液面計基礎(chǔ)上改進而來的，其外管被分割成相鄰的高度相同/互相絕緣的若干節(jié)，為電容的一極，另一極為內(nèi)管。將外管奇、偶數(shù)節(jié)分別連接在一起，奇數(shù)節(jié)（與內(nèi)管）電容記為1，偶數(shù)節(jié)（與內(nèi)管）電容記為2，兩個電容作為電橋相鄰兩臂。在加注或泄出過程中，奇偶節(jié)電容隨著氣液相轉(zhuǎn)變，獲得如圖2所示的三角波。其中，各極值點與奇偶節(jié)間的交界處相對應(yīng)，觀測三角波數(shù)，即可判斷液位高度。

2.1.3 電容液位變送儀

電容液位變送儀將電容的變化轉(zhuǎn)化為交流電壓的變化，再通過檢波器轉(zhuǎn)換成模擬直流電壓值輸出。

2.1.4 采數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集設(shè)備由采集工控機和前端采集器構(gòu)成，電容液位變送儀將電壓信號輸入到Cbook2001E前端采集器，采集器將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，再經(jīng)過光纖收發(fā)器轉(zhuǎn)換為光信號遠傳到采集工控機。采集工控機用LabVIEW開發(fā)的采集軟件采集，該軟件還有液位、三角波顯示及數(shù)據(jù)存盤功能。

2.2 測量系統(tǒng)改進

2.2.1 液位實時監(jiān)測

在發(fā)動機工作過程中，貯箱已經(jīng)完全預(yù)冷，液位下降平穩(wěn)，通過上述三角波電壓信號計算穩(wěn)態(tài)體積流量容易實現(xiàn)，但該方法難以用于推進劑加注過程中的實時液位監(jiān)測，原因在于加注過程中，貯箱內(nèi)的氣液分界附近始終處于劇烈的沸騰狀態(tài)，三角波電壓1將變得雜亂難辨。此外，受閥門動作導(dǎo)致液位較大波動，加注和泄出都產(chǎn)生三角波，通過人工或軟件判斷加注量難以實現(xiàn)。

因此求得分節(jié)電容液面計實時總電容，即將奇、偶節(jié)電容之和作為液位檢測的依據(jù)，是最為合理可行的實現(xiàn)方案。將奇數(shù)節(jié)、偶數(shù)節(jié)電容實時求和后的電容變換為總液位信號，相當(dāng)于將分節(jié)電容液面計作為連續(xù)電容液面計使用。根據(jù)發(fā)動機試驗驗證，連續(xù)電容液面計測量精度可達到3%以內(nèi)[2]，可以滿足實時液位監(jiān)測的要求。即變送電路同時分別測量得到如圖2、圖3所示的兩種變換信號，電壓2用來監(jiān)測液位，實際上，液位高位變化速率不可能始終保持恒定，相應(yīng)輸出波形只是近似呈線性。

圖3 液位電壓輸出信號

通過上述改進后，穩(wěn)態(tài)體積流量測量系統(tǒng)在液氫/氧加注時具有液位實時監(jiān)測功能。經(jīng)過多次液氮調(diào)試比對，改進后的穩(wěn)態(tài)體積流量測量系統(tǒng)液位實時監(jiān)測的精度可達到±3%。

2.2.2 電容液位變送儀

圖4 電纜分布電容抑制基本原理

分節(jié)電容液面計的輸出電容量級約幾nF，對于配套使用電容復(fù)制比液位變送儀而言，由于所處位置與貯箱內(nèi)分節(jié)電容液面計距離較遠，受長電纜帶來的分布電容等雜散因素影響，要將微小電容變化從大本底電容中精確、實時提取并穩(wěn)定放大的實現(xiàn)難度很大。分節(jié)電容液面計輸出的最小差動電容在全氣-液態(tài)下的最大變化僅約6pF，而1m長的低電容電纜的分布電容也接近100pF。當(dāng)電容液位變送儀與貯箱內(nèi)分節(jié)電容液面計距離近百米時，有用信號則完全被淹沒。本系統(tǒng)中的電容液位變送儀采用長線測量抑制技術(shù)，有效地消除了線纜分布電容的干擾，原理如圖4所示。激勵源s驅(qū)動待測電容的一個電極，另一電極連接運算放大器A的反相輸入端，C1、C2為線纜分布電容，C、s分別代表待測電容和固定大小的參考電容。當(dāng)正弦波信號源內(nèi)阻與C1的抗相比足夠小時，C1影響可忽略，而運算放大器A的反相輸入端處于“虛地”狀態(tài)時，C2兩端的電位相等，從而達到了消除線纜分布電容干擾的目的。

3 大容積貯箱標(biāo)定

在發(fā)動機工作過程中為獲得穩(wěn)態(tài)體積流量，要精確獲得貯箱對應(yīng)的截面積。由圖1可知，貯箱需要標(biāo)定的部分為貯箱的直線段，即與分節(jié)電容液面計相配合工作的部分。

3.1 穩(wěn)態(tài)體積流量計算

根據(jù)文獻[3]的規(guī)定，液體火箭發(fā)動機試驗體積流量的不確定度由貯箱標(biāo)定不確定度、液位差測量不確定度和時間測量不確定度構(gòu)成。穩(wěn)態(tài)體積流量計算如式（1）所示。

式中：q——低溫介質(zhì)的穩(wěn)態(tài)體積流量；1——1時刻三角波峰對應(yīng)的體積；2——2時刻三角波峰對應(yīng)的體積；Δ——計算穩(wěn)態(tài)體積流量的時間段；——1至2時刻對應(yīng)分節(jié)電容液面計的節(jié)數(shù)；S——第節(jié)分節(jié)電容液面計對應(yīng)貯箱的截面積；h——第節(jié)分節(jié)電容液面計的高度，精確加工及嚴(yán)格篩選后，可認(rèn)為每一節(jié)的高度相同，即1＝2…=h=。

由式（1）可知，精確測得貯箱截面積S十分重要，也是研究重點之一。

3.2 貯箱截面積標(biāo)定方法

貯箱容積誤差來源主要由生產(chǎn)制造、貯箱變形和標(biāo)定介質(zhì)計量等誤差構(gòu)成[4]。需要標(biāo)定液氫/氧貯箱屬于大容積貯箱（容積10m3/4m3，高約5m），對其精確標(biāo)定困難較大。分別闡述標(biāo)定要求、方法及標(biāo)定過程需要注意的問題。

3.2.1 貯箱標(biāo)定要求

圖5 推進劑貯箱標(biāo)定示意圖

為滿足精度要求，對液氫/液氧貯箱的標(biāo)定制定了詳細的要求，液氫/液氧貯箱的標(biāo)定示意圖如圖5所示。

a. 由于貯箱高超過5m以上，應(yīng)對整個貯箱直線段進行分段標(biāo)定，避免累積不確定度放大；

b. 使用純凈水為標(biāo)定介質(zhì)，每段標(biāo)定5次（根據(jù)數(shù)據(jù)重復(fù)性決定是否增加標(biāo)定次數(shù)），便于不確定度計算；

c. 為保證標(biāo)定精確性，標(biāo)定貯箱安裝的垂直度要求很高，確定方法為由上法蘭口引出鉛垂線，確保鉛垂線與貯箱直線段上端、下端距離之差小于10mm；

d. 標(biāo)定結(jié)束后，使用衡量法，在貯箱直線段上隨機取若干個100mm液位差的水，稱其質(zhì)量，通過溫度，密度換算為體積來標(biāo)定符合。

3.2.2 標(biāo)定步驟

貯箱標(biāo)定步驟流程圖如圖6所示。

圖6 貯箱標(biāo)定流程

確定貯箱直線段起止位置：貯箱直線段的起止位置可直接由設(shè)計圖紙上獲得，但在實際制造過程中會有5%～10%的誤差，因此，在確定直線段起止位置時，為其確保直線段起止位置正確，在滿足貯箱實際使用的前提下適當(dāng)調(diào)整。

分割貯箱直線段：根據(jù)文獻[5]中“標(biāo)準(zhǔn)量筒與被標(biāo)定的貯箱的容積比不大于1:10”的要求，結(jié)合貯箱直線段實際情況，使用1000L標(biāo)準(zhǔn)量筒對氫貯箱的直線段分段，不足1000L的部分，可使用500L、200L等不同容積標(biāo)準(zhǔn)量筒確定其容積。

衡量法復(fù)核：是在貯箱中隨機抽取若干段液位差為100mm的標(biāo)定水，稱量水的質(zhì)量，通過溫度、密度計算出該段水的體積，計算出每毫米分度值后，與之前標(biāo)定的結(jié)果相比較。

4 穩(wěn)態(tài)體積流量測量不確定度評估

由式（1）可知，穩(wěn)態(tài)體積流量的不確定度由貯箱標(biāo)定不確定度、液位差測量不確定度和時間測量不確定度構(gòu)成。使用分節(jié)電容液面計測量液位差，因此其測量不確定度受到分節(jié)電容液面計裝配時每一節(jié)長度測量及分節(jié)電容液面計放入低溫介質(zhì)時熱膨脹系數(shù)引入不確定度的影響。試驗的時基信號由標(biāo)準(zhǔn)時基裝置提供，因此時間測量不確定度由標(biāo)準(zhǔn)時基裝置和采集系統(tǒng)判讀的不確定度構(gòu)成。通過計算，穩(wěn)態(tài)體積流量測量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度[3]為：液氫0.539%、液氫0.457%。

5 結(jié)束語

介紹一種高精度低溫液體推進劑穩(wěn)態(tài)體積流量測量及液位監(jiān)測系統(tǒng)，并在現(xiàn)有測量系統(tǒng)基礎(chǔ)上改進，使得穩(wěn)態(tài)流量測量系統(tǒng)在精確測量發(fā)動機試驗穩(wěn)態(tài)體積流量的同時，具備液氫/氧推進劑加注過程液位實時監(jiān)測的功能。詳細介紹了大容積低溫貯箱的標(biāo)定方法及不確定評估，該標(biāo)定方法的準(zhǔn)確性為型號試驗提供了有力保障。

1 耿衛(wèi)國. 高精度低溫介質(zhì)穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流量、液位自動測量系統(tǒng)[J]. 低溫工程，2001(1)：6～10

2 于海磊，陳鋒. 低溫推進劑液位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 火箭推進，2010(3)：54～57

3 QJ1789.3—2011. 液體火箭發(fā)動機試驗測量不確定度評定[S]

4 馬鍵，童飛. 貯箱容積偏差及測量精度分析[J]. 火箭推進，2013(1)：41～45

5 JJG259—2005. 標(biāo)準(zhǔn)金屬量器檢定規(guī)程[S]

A Measurement System of Cryogenic Liquid Propellant Flowrate and Liquid Level Monitoring

Ding Boshen Yang Jinlong Li Yanyan

(Beijing Institute of Aerospace Testing Technology, Beijing 100074)

Based on the establishment of a liquid LHx/LOx rocket engine test bed, the paper introduces a kind of high precision cryogenic liquid propellant (liqiud LHx/LOx) steady state volume flowrate measurement and liquid level monitoring system. This system includes a propellant tank, a sectionalized liquid level gauge, secondary instrument, and acquisition device etc. On the basis of the existing system, the system can not only obtain the steady volume flow of propellant in the process of engine operation, but also monitor the liquid level in the tank in real time when the propellant is filled, which provides the basis for the propellant filling operation process. This paper focuses on the calibration method of large volume propellant tank and the problems needing attention in the calibration process. Through analysis and verification, the accuracy of real-time liquid level monitoring can reach 3%, and the accuracy of liquid hydrogen / oxygen steady-state volume flow measurement can reach 0.539% and 0.457%.

steady state volume flowrate measurement；liquid level monitoring；tank calibration；uncertainty in measurement

丁博深（1988），碩士，測試計量技術(shù)及儀器專業(yè)；研究方向：測控技術(shù)和測控系統(tǒng)。

2020-03-25