丁博深 楊金龍 李艷艷

一種低溫液體推進(jìn)劑流量測(cè)量及液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

丁博深 楊金龍 李艷艷

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

以某液氫/氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)建立為背景，介紹一種高精度低溫液體推進(jìn)劑（液氫/氧）穩(wěn)態(tài)體積流量測(cè)量及液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由推進(jìn)劑貯箱、分節(jié)電容液面計(jì)、二次儀表、采集設(shè)備等構(gòu)成。改進(jìn)現(xiàn)有系統(tǒng)，使其除了具有獲取發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中推進(jìn)劑穩(wěn)態(tài)體積流量的功能外，還能夠在推進(jìn)劑加注時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)貯箱內(nèi)的液位，為推進(jìn)劑加注操作過程提供依據(jù)。重點(diǎn)闡述了大容積推進(jìn)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(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)液位監(jiān)測(cè)精度可達(dá)到3%，對(duì)液氫/氧穩(wěn)態(tài)體積流量測(cè)量的精度分別可達(dá)0.539%和0.457%。

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

1 引言

以液氫/氧低溫介質(zhì)為推進(jìn)劑的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)中，液氫/氧穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的評(píng)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(cè)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(cè)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(shí)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(jì)測(cè)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)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(jī)提供重要監(jiān)視。目前，穩(wěn)態(tài)流量測(cè)量系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的體積流量非常精確，但用它實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加注液位時(shí)，由于貯箱還未冷透，液面波動(dòng)較大，無法監(jiān)測(cè)液位[1]?；诖私⒁环N既可精確測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)的穩(wěn)態(tài)體積流量，又可監(jiān)測(cè)加注時(shí)液位的穩(wěn)態(tài)體積流量測(cè)量系統(tǒng)很有意義。

2 穩(wěn)態(tài)體積流量測(cè)量系統(tǒng)組成及改進(jìn)

穩(wěn)態(tài)體積流量測(cè)量系統(tǒng)的核心是分節(jié)電容液面計(jì)和電容液位變送儀，改進(jìn)后除可提供發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中體積流量計(jì)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(cè)量系統(tǒng)組成

穩(wěn)態(tài)體積流量測(cè)量系統(tǒng)主要由貯箱、分節(jié)電容液面計(jì)、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(cè)量系統(tǒng)組成

2.1.1 貯箱

貯箱是液氫/氧推進(jìn)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(jì)，下封頭開孔處與發(fā)動(dòng)機(jī)相連接，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供液氫/氧的同時(shí)，也是液氫/氧的加注口。

2.1.2 電容液面計(jì)

圖2 穩(wěn)態(tài)流量信號(hào)輸出形式

分節(jié)式電容液面計(jì)是在電容液面計(jì)基礎(chǔ)上改進(jìn)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(gè)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(diǎn)與奇偶節(jié)間的交界處相對(duì)應(yīng)，觀測(cè)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(jī)和前端采集器構(gòu)成，電容液位變送儀將電壓信號(hào)輸入到Cbook2001E前端采集器，采集器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過光纖收發(fā)器轉(zhuǎn)換為光信號(hào)遠(yuǎn)傳到采集工控機(jī)。采集工控機(jī)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(cè)量系統(tǒng)改進(jìn)

2.2.1 液位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

在發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)計(jì)算穩(wěn)態(tài)體積流量容易實(shí)現(xiàn)，但該方法難以用于推進(jìn)劑加注過程中的實(shí)時(shí)液位監(jiān)測(cè)，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(dòng)作導(dǎo)致液位較大波動(dòng)，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(shí)現(xiàn)。

因此求得分節(jié)電容液面計(jì)實(shí)時(shí)總電容，即將奇、偶節(jié)電容之和作為液位檢測(cè)的依據(jù)，是最為合理可行的實(shí)現(xiàn)方案。將奇數(shù)節(jié)、偶數(shù)節(jié)電容實(shí)時(shí)求和后的電容變換為總液位信號(hào)，相當(dāng)于將分節(jié)電容液面計(jì)作為連續(xù)電容液面計(jì)使用。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，連續(xù)電容液面計(jì)測(cè)量精度可達(dá)到3%以內(nèi)[2]，可以滿足實(shí)時(shí)液位監(jiān)測(cè)的要求。即變送電路同時(shí)分別測(cè)量得到如圖2、圖3所示的兩種變換信號(hào)，電壓2用來監(jiān)測(cè)液位，實(shí)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(hào)

通過上述改進(jìn)后，穩(wěn)態(tài)體積流量測(cè)量系統(tǒng)在液氫/氧加注時(shí)具有液位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。經(jīng)過多次液氮調(diào)試比對(duì)，改進(jìn)后的穩(wěn)態(tài)體積流量測(cè)量系統(tǒng)液位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的精度可達(dá)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(jì)的輸出電容量級(jí)約幾nF，對(duì)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(jì)距離較遠(yuǎn)，受長(zhǎng)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(shí)時(shí)提取并穩(wěn)定放大的實(shí)現(xiàn)難度很大。分節(jié)電容液面計(jì)輸出的最小差動(dòng)電容在全氣-液態(tài)下的最大變化僅約6pF，而1m長(zhǎng)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(jì)距離近百米時(shí)，有用信號(hào)則完全被淹沒。本系統(tǒng)中的電容液位變送儀采用長(zhǎng)線測(cè)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(lì)源s驅(qū)動(dòng)待測(cè)電容的一個(gè)電極，另一電極連接運(yùn)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(cè)電容和固定大小的參考電容。當(dāng)正弦波信號(hào)源內(nèi)阻與C1的抗相比足夠小時(shí)，C1影響可忽略，而運(yùn)算放大器A的反相輸入端處于“虛地”狀態(tài)時(shí)，C2兩端的電位相等，從而達(dá)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(dòng)機(jī)工作過程中為獲得穩(wěn)態(tài)體積流量，要精確獲得貯箱對(duì)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(jì)相配合工作的部分。

3.1 穩(wěn)態(tài)體積流量計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[3]的規(guī)定，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)體積流量的不確定度由貯箱標(biāo)定不確定度、液位差測(cè)量不確定度和時(shí)間測(cè)量不確定度構(gòu)成。穩(wěn)態(tài)體積流量計(jì)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(shí)刻三角波峰對(duì)應(yīng)的體積；2——2時(shí)刻三角波峰對(duì)應(yīng)的體積；Δ——計(jì)算穩(wěn)態(tài)體積流量的時(shí)間段；——1至2時(shí)刻對(duì)應(yīng)分節(jié)電容液面計(jì)的節(jié)數(shù)；S——第節(jié)分節(jié)電容液面計(jì)對(duì)應(yīng)貯箱的截面積；h——第節(jié)分節(jié)電容液面計(jì)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(cè)得貯箱截面積S十分重要，也是研究重點(diǎn)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(jì)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(duì)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(jìn)劑貯箱標(biāo)定示意圖

為滿足精度要求，對(duì)液氫/液氧貯箱的標(biāo)定制定了詳細(xì)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(duì)整個(gè)貯箱直線段進(jìn)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(jì)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(jī)取若干個(gè)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(jì)圖紙上獲得，但在實(shí)際制造過程中會(huì)有5%～10%的誤差，因此，在確定直線段起止位置時(shí)，為其確保直線段起止位置正確，在滿足貯箱實(shí)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(xiàn)[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(shí)際情況，使用1000L標(biāo)準(zhǔn)量筒對(duì)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(jī)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(jì)算出該段水的體積，計(jì)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(cè)量不確定度評(píng)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(cè)量不確定度和時(shí)間測(cè)量不確定度構(gòu)成。使用分節(jié)電容液面計(jì)測(cè)量液位差，因此其測(cè)量不確定度受到分節(jié)電容液面計(jì)裝配時(shí)每一節(jié)長(zhǎng)度測(cè)量及分節(jié)電容液面計(jì)放入低溫介質(zhì)時(shí)熱膨脹系數(shù)引入不確定度的影響。試驗(yàn)的時(shí)基信號(hào)由標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基裝置提供，因此時(shí)間測(cè)量不確定度由標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基裝置和采集系統(tǒng)判讀的不確定度構(gòu)成。通過計(jì)算，穩(wěn)態(tài)體積流量測(cè)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(jìn)劑穩(wěn)態(tài)體積流量測(cè)量及液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng)基礎(chǔ)上改進(jìn)，使得穩(wěn)態(tài)流量測(cè)量系統(tǒng)在精確測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)穩(wěn)態(tài)體積流量的同時(shí)，具備液氫/氧推進(jìn)劑加注過程液位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能。詳細(xì)介紹了大容積低溫貯箱的標(biāo)定方法及不確定評(píng)估，該標(biāo)定方法的準(zhǔn)確性為型號(hào)試驗(yàn)提供了有力保障。

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

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

3 QJ1789.3—2011. 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)量不確定度評(píng)定[S]

4 馬鍵，童飛. 貯箱容積偏差及測(cè)量精度分析[J]. 火箭推進(jìn)，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(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器專業(yè)；研究方向：測(cè)控技術(shù)和測(cè)控系統(tǒng)。

2020-03-25