體積管流量測量法的應(yīng)用及其加注自動化

張智敏

上?？臻g推進(jìn)研究所，上海 200233

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的研究過程中，流量已成為一個不可缺少的參數(shù)。通過各種方法可以獲取流量參數(shù)，在分析流量參數(shù)后，調(diào)整工業(yè)生產(chǎn)過程和設(shè)計研發(fā)方法以達(dá)到科研或生產(chǎn)的最終目地?；鸺l(fā)動機(jī)試車的特殊要求和試車環(huán)境，常選用的流量測量方法有以下四種:壓差法，如孔板、文氏管；速流法，如渦輪流量傳感器、超聲波流量傳感器；測量液面法；動態(tài)稱量法。傳統(tǒng)的質(zhì)量流量計和渦輪流量計應(yīng)用非常廣泛，但受限于其設(shè)計原理，對于小流量和脈沖流量，尤其是短脈沖流量的測量作用有限，而體積管流量測量法在這方面則有其獨(dú)特的優(yōu)勢。由于體積管容量有限，在實際應(yīng)用中需頻繁對體積管進(jìn)行加注，所以加注過程實現(xiàn)自動化是一件非常必要的事情。

1 體積管流量測量裝置原理

1.1 體積管流量測量法

體積管測量流量的原理是將推進(jìn)劑存放在一根內(nèi)徑均勻的中空管中，測量發(fā)動機(jī)工作前后管內(nèi)推進(jìn)劑液位的高度差，算出消耗的推進(jìn)劑體積，再由發(fā)動機(jī)工作的時間或脈沖數(shù)，得到平均的流量值或每個脈沖的平均耗量。因為是通過測量推進(jìn)劑的體積，再計算得到流量，所以稱為體積管流量測量法。

1.2 體積管的標(biāo)定

對體積管的標(biāo)定實際就是測量計算鋼管的斜率（k）值，由于鋼管在生產(chǎn)安裝過程中，不能保證鋼管內(nèi)徑上下完全一致，因此，如果簡單地由液位高度和體積的正比關(guān)系，直接用k值來計算流量，可能會產(chǎn)生較大的誤差，影響測量精度。理論上采用插值法計算，可以減小誤差。

插值法就是將鋼管均勻的劃分為若干小段，每段有自己獨(dú)立的k值和測量范圍，所有的k值和量程形成一個插值表，由于劃分較細(xì)，每一端都可以認(rèn)為是內(nèi)徑均勻，在各段量程范圍內(nèi)都可以直接用其k值計算，如起始液位輸出電壓值Vs處于V1和V2之間，發(fā)動機(jī)工作時間t后液位輸出值Ve處于V4和V5之間，則發(fā)動機(jī)工作時間內(nèi)的平均流量為:

由于上述計算較為復(fù)雜，在實際應(yīng)用中，應(yīng)采用內(nèi)徑高度均勻的中空管，使各段的k值盡量一致。上述過程必須通過對體積管標(biāo)定來得到驗證，在標(biāo)定過程中，得到每段的k值并進(jìn)行分析。當(dāng)（1）式中k1≈k2≈k3≈k4≈k時，其變換為:

2 體積管流量測量法的應(yīng)用

2.1 體積管流量測量裝置的構(gòu)成

在試車過程中，流量是非常重要的數(shù)據(jù)。穩(wěn)態(tài)流量可以用渦輪流量計、質(zhì)量流量計等，其數(shù)據(jù)的測量也方便，流量計設(shè)置好后，測量過程中也不用人工干預(yù)了。而對于小流量和脈沖流量的測量，目前常用的方法是容積法和稱重法，該裝置采用的是容積法，它主要由大容器、體積管、管路、閥門、發(fā)動機(jī)構(gòu)成。

圖1 體積管測流量裝置的構(gòu)成

2.2 微脈沖位移傳感器

在相同的密度下，質(zhì)量流量與體積成正比，體積管有由一根內(nèi)徑高度均勻的不銹鋼管制成，所以流量測量最終轉(zhuǎn)化成液位高度的測量。

液位高度測量采用巴魯夫的BTL系列的微脈沖位移傳感器。其檢測元件（波導(dǎo)管）由特種鎳鐵合金制成，內(nèi)徑0.5mm，外徑0.7mm。管內(nèi)設(shè)有一根銅導(dǎo)線。由一個瞬時電流脈沖啟動檢測過程。該電流產(chǎn)生了一個圍繞波導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)的圓形磁場。在被測位置作為標(biāo)示塊的永磁鐵，其磁力線垂直于電磁場。在兩個磁場交會的波導(dǎo)管中，由于磁致伸縮效應(yīng)使波導(dǎo)管（在極小范圍內(nèi)）產(chǎn)生了一個彈性形變，并以機(jī)械波的形式沿波導(dǎo)管同時向兩個方向傳播。在波導(dǎo)管中，機(jī)械波的傳播速度為2830 m/s，幾乎不受環(huán)境的影響（如溫度、沖擊、污染等）。到達(dá)波導(dǎo)管遠(yuǎn)端的機(jī)械波在那里衰減，而到達(dá)信號轉(zhuǎn)換器的機(jī)械波由磁致伸縮的反效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號。從波發(fā)生點到信號轉(zhuǎn)換器機(jī)械波傳播的時間與磁鐵到信號轉(zhuǎn)換器的距離直接對應(yīng)。通過檢測時間，可以高精度地測出距離。

2.3 體積管流量測量裝置的工作過程

體積管測量裝置的工作過程大致如下:對體積管進(jìn)行加注→記錄初始電流I1→進(jìn)行試車→記錄末電流I2→對體積管進(jìn)行加注→……。

加注過程中所開閥門為:燃加注、燃放氣、燃試車。

試車過程中，需容積法測量流量時所開閥門為:燃增壓、燃主、燃試車、燃閥。其中燃閥、燃主由程序控制。

試車過程中，不需容積法測量流量時所開閥門為:燃加注、燃主、燃閥。其中燃閥、燃主由程序控制。

3 體積管加注過程的自動化

早期液位加注中采用了提示音的方法，但還是不能完全消除誤操作。第一，對時間較長的試車，人員疲勞，而不同過程的閥門操作需有人來判斷；第二，容器和體積管中的壓力是不定的，這導(dǎo)致了對體積管加注速度的不定性，使操作難度加大。這需要用新的方法來解決。

3.1 壓差控制原理

圖2 壓差控制原理

當(dāng)對體積管進(jìn)行加注時，其流量取決與P1與P2的差值，其公式為:

式中K為系數(shù)，q為流量。所以控制住壓差，就能控制住流量。

3.2 基于LabVIEW平臺的壓差控制液位加注系統(tǒng)

3.2.1 硬件構(gòu)成

基于LabVIEW平臺的壓差控制液位加注系統(tǒng)的硬件組成為:

1）PCI-1710多功能卡一塊，用于體積管液位信號的反饋；

2）PCI-1756數(shù)字I/O卡一塊，用于控制與體積管加注相關(guān)的閥門；

3）微型計算機(jī)一臺，用于軟件編程，界面的顯示與控制；

4）C200HS可編程序控制器一臺，控制與發(fā)動機(jī)試車相關(guān)的閥門。

圖3 液位加注系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

3.2.2 軟件與控制界面

基于LabVIEW平臺的壓差控制液位加注系統(tǒng)用LabVIEW編程。

LabVIEW是靠圖形化編程，其風(fēng)格直觀形象，故稱這類虛擬儀器設(shè)計軟件的開發(fā)工具為圖形化編程語言。 LabVIEW通用性強(qiáng)，測控兩方面功能比較均衡，用其軟件開發(fā)研華的PCI-1756、 PCI-1710卡時，效果較好。

下圖該液位加注系統(tǒng)的控制界面。

圖4 液位加注系統(tǒng)的界面

3.2.3 體積管自動加注過程

剛開始時，因為體積管內(nèi)只有大氣壓，壓差極大，所以開始要增加P2，控制較小的流量。0.6s后減小P2，流速開始上升。當(dāng)液位到達(dá)減速位后，又要增加P2，使流速減慢，當(dāng)?shù)酵Ｖ刮缓螅y門關(guān)閉，加注過程結(jié)束。

圖5 自動加注過程

[1]郭霄峰.液體火箭發(fā)動機(jī)試車[M].宇航出版社，1990.

[2]孔德斌，周慶元.體積管在小流量和脈沖流量測量中的應(yīng)用[J].青年科技論文競賽優(yōu)秀論文集.上?？臻g推進(jìn)研究所，2003.

[3]BTL目錄.http://www.balluff.com.cn.

[4]Robert H.Bishop著.LabVIEW7實用教程[M].喬瑞萍，林欣，等譯.北京:電子工業(yè)出版社，2005.