數(shù)字式低溫液位測(cè)量系統(tǒng)

段文浩，張 佳，王虹玥

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京100074）

數(shù)字式低溫液位測(cè)量系統(tǒng)

段文浩，張 佳，王虹玥

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京100074）

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，低溫推進(jìn)劑（液氫、液氧、液態(tài)甲烷等）的穩(wěn)態(tài)流量是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。目前用自主研制的分節(jié)式電容液面計(jì)、電容變換儀、采集設(shè)備和計(jì)算機(jī)組成流量測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)及校準(zhǔn)試驗(yàn)中高精度穩(wěn)態(tài)流量的測(cè)量和實(shí)時(shí)液位監(jiān)測(cè)。為了提高電容式液位計(jì)的測(cè)量精度和可靠性，對(duì)變送儀表的性能進(jìn)行了改進(jìn)。研制了基于FPGA的數(shù)字式液位測(cè)量儀，測(cè)量系統(tǒng)僅由分節(jié)式液位傳感器、數(shù)字式液位測(cè)量儀和計(jì)算機(jī)構(gòu)成一套完整的解決方案，實(shí)現(xiàn)了儀器的智能化和數(shù)字化。

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)；低溫推進(jìn)劑；液位測(cè)量；數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)

0 引言

在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，低溫推進(jìn)劑（如液氫、液氧、液態(tài)甲烷等）的穩(wěn)態(tài)流量是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。目前，北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所使用自主研制的分節(jié)式電容液面計(jì)、電容變換儀、采集設(shè)備和計(jì)算機(jī)組成流量測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)、校準(zhǔn)試驗(yàn)中的高精度穩(wěn)態(tài)流量測(cè)量和實(shí)時(shí)液位監(jiān)測(cè)。

低溫流量測(cè)量中，分節(jié)式電容液面計(jì)技術(shù)已經(jīng)成熟，但配套的電容變換儀卻存在穩(wěn)定性不高、精度不高和智能化程度不高的不足。由于內(nèi)部是純模擬電路，每一個(gè)信號(hào)處理環(huán)節(jié)都需通過調(diào)節(jié)電位器來實(shí)現(xiàn)，電路中電位器多達(dá)幾十個(gè)，一旦不小心觸碰某一電位器會(huì)使事先調(diào)試好的電路發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出信號(hào)失真。這種模擬電路加調(diào)節(jié)電位器實(shí)現(xiàn)的方法比較原始，在北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用中已暴露出這一問題。

目前，重型運(yùn)載火箭的研制已進(jìn)入關(guān)深階段，對(duì)新試驗(yàn)臺(tái)數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化和信息化的需求日益迫切，對(duì)相關(guān)的試驗(yàn)技術(shù)和測(cè)量手段也提出了更高的要求。為了提高電容式液位計(jì)的精度及可靠性，研制了基于FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列）的數(shù)字式液位測(cè)量儀。該儀器內(nèi)部電路高度集成，信號(hào)的處理通過FPGA中Verilog HDL（硬件描述語言）語言編程實(shí)現(xiàn)，載波穩(wěn)定度高，儀器抗電磁干擾性強(qiáng)。另外，該儀器集采集和通信于一體，輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，可通過串口直接與計(jì)算機(jī)通信，使得僅由分節(jié)式液位傳感器、數(shù)字式液位測(cè)量儀和計(jì)算機(jī)就可構(gòu)成一套完整的解決方案，實(shí)現(xiàn)了儀器的智能化和數(shù)字化。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)的基于FPGA的數(shù)字式液位測(cè)量儀主要用于某大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的地面校準(zhǔn)試驗(yàn)，不僅可在加注、試車、回收過程中提供實(shí)時(shí)液位信息，還可提供試車中的穩(wěn)態(tài)流量參數(shù)。該液位測(cè)量系統(tǒng)由安裝在低溫推進(jìn)劑貯箱內(nèi)的液位傳感器、位于后端測(cè)量間的數(shù)字式液位測(cè)量儀以及上位機(jī)采集處理軟件組成，可實(shí)時(shí)顯示加注、試車中的貯箱液位信息，并采集試車中的穩(wěn)態(tài)流量數(shù)據(jù)。另外，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上兼容其他待測(cè)低溫介質(zhì)（液氮、液態(tài)甲烷等）、不同貯箱結(jié)構(gòu)及測(cè)量距離，具有較廣的適用范圍。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

1）總電容測(cè)量范圍：0～20 000 pF；

2）三角波測(cè)量拐點(diǎn)精度不低于0.5%；

3）電容測(cè)量分辨率：優(yōu)于1 pF；

4） 總電容測(cè)量精度優(yōu)于1%，線性度優(yōu)于0.5%；

5）響應(yīng)時(shí)間不大于50ms；

6）信號(hào)電纜長度小于500m；

7）液晶顯示器可同時(shí)動(dòng)態(tài)顯示測(cè)量的電容值、液氫容積、三角波電壓值,每0.5 s刷新一次；

8）輸出三角波電壓0～7.2 V可調(diào)，三角波周期數(shù)精確對(duì)應(yīng)液位傳感器奇/偶節(jié)組合數(shù)目；

9）具有采集和通信功能。

2 電容式液位傳感器原理

利用介質(zhì)在氣相和液相下介電常數(shù)的不同進(jìn)行測(cè)量。電容式液位計(jì)工作原理如圖1所示。

基于節(jié)省空間、方便安裝等因素考慮，傳感器通常采用雙層圓筒式結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外管分別作為測(cè)量電極。液位傳感器（液位計(jì)） 總長度為L，當(dāng)沒有液體進(jìn)入時(shí)，傳感器的初始電容為c0，當(dāng)浸入液位計(jì)（傳感器）的液體高度為h時(shí)，液位計(jì)的電容為C，電容變化量為ΔC，它們之間的計(jì)算關(guān)系如（1）式：

式中：D為液位計(jì)外管內(nèi)徑；d為液位計(jì)內(nèi)管外徑；εg為介質(zhì)的氣相介電常數(shù)；εl為介質(zhì)的液相介電常數(shù)。

電容式液位計(jì)具有結(jié)構(gòu)可靠、安裝快捷、制造維修簡(jiǎn)單、使用壽命長、穩(wěn)定性好、受外界電磁等干擾小的特點(diǎn)，在各種非導(dǎo)電介質(zhì)的液位監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛。理論上，所測(cè)電容值將與液位變化成線性關(guān)系。但實(shí)際上，介電常數(shù)受溫度、壓力影響，會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來誤差。特別是隨著貯箱壓力的增加，要充分考慮到貯箱內(nèi)增壓氣體介質(zhì)和低溫推進(jìn)劑的熱力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變以及貯箱內(nèi)溫度分層等因素影響。

北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所是氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)及參數(shù)測(cè)量的專業(yè)單位，在低溫貯箱點(diǎn)式液位測(cè)量中曾采用自行研制的熱敏電阻液位計(jì)方案，連續(xù)液位測(cè)量主要采用自行研制的連續(xù)式電容液位計(jì)、分節(jié)式電容液位計(jì)。由于傳統(tǒng)電容式液位計(jì)受溫度，壓力影響，導(dǎo)致非線性和零點(diǎn)漂移誤差。解決方法是加入溫度、壓力補(bǔ)償或改變傳感器結(jié)構(gòu)與測(cè)量形式。在20世紀(jì)70年代末，北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所馬禮耀等人研制出新型的分節(jié)式電容液位計(jì)，采用細(xì)分直管段和比較式測(cè)量原理，有效克服了外界因素影響帶來的漂移，顯著提高了液位測(cè)量精度，處于國內(nèi)外先進(jìn)水平。

分節(jié)液面計(jì)的基本特征是由兩根垂直放置的內(nèi)管和外管同軸裝配組成，作為液面探測(cè)元件。其中，內(nèi)、外管分別構(gòu)成電容的兩個(gè)電極，內(nèi)外電極之加用絕緣支撐件保持固定。與普通電容液面計(jì)不同，其外管被分割成相同高度并相互絕緣的若干節(jié)。若從貯箱底部向上計(jì)數(shù)，依次與內(nèi)管構(gòu)成電容C1、C2….C2n-1、C2n，將奇數(shù)節(jié)電容C1、C3….C2n-1并聯(lián)，偶數(shù)節(jié)電容C2、C4…. C2n并聯(lián)，所形成電容分別記為C奇、C偶，如圖2所示。

將這兩個(gè)電容作為電橋相鄰兩個(gè)橋臂進(jìn)行比較測(cè)量，隨著試車過程的液位下降，奇、偶數(shù)小節(jié)電容所處狀態(tài)將交替從液相回到氣相，如果下降速度均勻平穩(wěn)，輸出將獲得連續(xù)的三角波，如圖3所示。只要提前對(duì)貯箱進(jìn)行特定高度與對(duì)應(yīng)容積之間的標(biāo)定，即已知每一節(jié)對(duì)應(yīng)的容積，通過對(duì)若干個(gè)三角波的完整周期測(cè)量，可以獲得液位下降的速率或體積流量的精確數(shù)據(jù)。

3 測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 電容液位測(cè)量儀設(shè)計(jì)

該測(cè)量儀器的工作原理是通過由FPGA產(chǎn)生的正弦激勵(lì)信號(hào)作用至電容式液位傳感器的一個(gè)電極（內(nèi)管），然后傳感器的另一個(gè)電極（外管）經(jīng)過C-V變換電路（自動(dòng)平衡電容電橋電路、精密檢波電路、低通濾波電路） 轉(zhuǎn)換為與傳感器的電容變化呈線性關(guān)系的直流電壓信號(hào)，再經(jīng)過加減法電路送至AD進(jìn)行采集，F(xiàn)PGA對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

具體過程為：在頻率、幅值穩(wěn)定的正弦波電壓Cx～激勵(lì)下，用兩個(gè)自動(dòng)電容平衡電橋分別快速跟蹤測(cè)量傳感器奇數(shù)節(jié)電容C1和偶數(shù)節(jié)電容C2，分別得到奇、偶數(shù)節(jié)的交流變換電壓Us1～和Us2～，具體計(jì)算關(guān)系如下，Cs為儀器內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)電容。

US1～和US2～經(jīng)過交流放大、AC－DC變換、低通平滑后，分別得到奇、偶數(shù)節(jié)直流變換電壓U1和U2。當(dāng)貯箱內(nèi)的液面上升或下降時(shí)，C1和C2分別發(fā)生相應(yīng)改變，電容變化量記為 ΔC1和ΔC2，相應(yīng)的直流電壓變化值記為ΔU1和ΔU2。由式（2） 和（3） 知，ΔU1和ΔU2亦分別與ΔC1和ΔC2成正比關(guān)系。

將ΔU1和ΔU2相減，即可得到與ΔC1和ΔC2之差成正比的電壓，在液位上升或下降過程中，呈現(xiàn)連續(xù)的三角波變化，精確測(cè)量三角波周期數(shù)后，可計(jì)算點(diǎn)火過程中的穩(wěn)態(tài)流量。

與之類似，將ΔU1和ΔU2相加，即可得到與ΔC1和ΔC2之和成正比的電壓，在液位上升或下降過程中，可用來測(cè)量總液位。

儀器內(nèi)部電路分為模擬電路、數(shù)字電路、電源電路三部分，分別在三塊電路板上實(shí)現(xiàn)。其中C-V變換電路為模擬部分，在設(shè)計(jì)該電路的過程中用Multisim軟件做了大量的仿真分析，最后確定電路中阻容元件的最佳參數(shù)，用固定阻值的電阻取代可調(diào)電位器；數(shù)字部分的核心是FPGA，主要完成對(duì)ADC輸出的高速串行數(shù)據(jù)的解串、串口數(shù)據(jù)傳輸和驅(qū)動(dòng)液晶顯示器顯示功能，F(xiàn)PGA選用的是 Altera公司的 cycloneⅢ系列EP3C16E144C8N，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)是儀器的關(guān)鍵所在，整個(gè)開發(fā)流程在Altera公司的QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下完成；電源電路產(chǎn)生±15 V和+5 V電壓為系統(tǒng)供電。

3.2 電容液位測(cè)量儀的功能與特點(diǎn)

根據(jù)實(shí)際測(cè)量需要，研制的數(shù)字式電容液位測(cè)量儀具有如下功能與特性：

1)實(shí)時(shí)測(cè)量顯示傳感器的總電容值，并根據(jù)電容值的變化自動(dòng)計(jì)算并顯示出液位容積。

2)顯示三角波電壓值，并可根據(jù)需要調(diào)節(jié)三角波的零位和幅度，系統(tǒng)的阻尼時(shí)間小，實(shí)時(shí)跟蹤能力強(qiáng)。

3)采用電容三端測(cè)量技術(shù)，消除前后端數(shù)百米傳輸線纜帶來的約幾萬pF的隨機(jī)分布電容、電磁干擾和共模干擾影響。

4)對(duì)傳感器電容變化有極高的變換靈敏度，分辨率為1 pF，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高。

5)輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，可通過串口直接與上位機(jī)通信。

4 上位機(jī)采集軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用LabVIEW語言來編寫。程序中用到VISA資源包，VISA是虛擬儀器軟件構(gòu)架的縮寫，是儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O API，可控制GPIB、串口、USB、以太網(wǎng)、PXI或VXI儀器，可根據(jù)儀器的通信類型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。

LabVIEW收錄系統(tǒng)流程圖如圖5所示。按下開始采集按鈕后，程序進(jìn)行串口配置，串口配置好后通信分兩路實(shí)現(xiàn)，分別用于數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，讀取的數(shù)據(jù)顯示在波形窗口中，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制格式.dat文件存儲(chǔ)在硬盤中。存儲(chǔ)之前程序會(huì)彈出對(duì)話框制定存儲(chǔ)路徑。波形顯示采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，可以回放之前已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行對(duì)比分析。

根據(jù)上位機(jī)軟件流程圖，編寫完成的系統(tǒng)界面如圖6所示。上面部分為開始采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、波形回放、退出系統(tǒng)4個(gè)控制按鍵以及采集時(shí)間顯示，兩個(gè)圖形控件分別顯示讀取波形和回放波形，讀取值以數(shù)字形式顯示在左下角讀取值窗口。

5 結(jié)果與性能分析

儀器研制后需要進(jìn)行大量測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試的目的是要觀察傳感器在長傳輸電纜連接的情況下儀器對(duì)電容發(fā)生微小變化和相對(duì)較大改變時(shí)的反應(yīng)靈敏度，即分別對(duì)應(yīng)其微觀液位和宏觀液位的測(cè)量性能。

基本測(cè)試方法是通過外接標(biāo)準(zhǔn)電容來模擬分節(jié)液面計(jì)在使用中的奇、偶數(shù)節(jié)電容變化過程，測(cè)量樣機(jī)相應(yīng)的信號(hào)變換電壓輸出。其中，輸出電壓測(cè)量選用美國Agilent公司生產(chǎn)的6位半數(shù)字臺(tái)式電壓表 34401A，電容標(biāo)定選用美國Andeen Hagerling公司生產(chǎn)的高精度電容電橋AH2500A，信號(hào)線纜為300 m同軸電纜。為減少環(huán)境因素影響，標(biāo)準(zhǔn)電容放置于恒溫恒濕箱內(nèi)，保證測(cè)試條件一致。

首先進(jìn)行微觀液位測(cè)量功能測(cè)試，步驟如下：

1） 在數(shù)字式電容液位測(cè)量儀的a、m和b、m輸入端分別外接5 100 pF的標(biāo)準(zhǔn)電容，用這兩個(gè)電容來模擬傳感器的奇偶節(jié)總電容，調(diào)節(jié)前面板的“三角波電壓調(diào)零”旋鈕，使液晶顯示器的三角波電壓讀數(shù)為0.0 V；

2）在a、m端上并聯(lián)1個(gè)5.27 pF的電容Cs1（模擬小節(jié)電容在氣、液相時(shí)的變化量），調(diào)節(jié)樣機(jī)前面板的“三角波電壓調(diào)幅”旋鈕，使樣機(jī)三角波電壓Vs1為527.0 mV，即設(shè)定變換靈敏度K1=0.1 V/pF；

3）在該設(shè)定靈敏度下，重復(fù)測(cè)量5次,三角波零位電壓Vo的最大偏差小于0.8 mV，Vs1的最

大偏差小于0.5mV，K1的重復(fù)性優(yōu)于0.2%；

4）用1個(gè)從最小5 pF到最大25 pF連續(xù)可調(diào)的可變電容Cs2（模擬三角波變化）代替a和m上并聯(lián)的Cs1，分別用AH2500A和本樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，模擬范圍包括液面計(jì)細(xì)分小節(jié)使用時(shí)的變化區(qū)間，結(jié)果如表1所示。樣機(jī)測(cè)量值是電壓，經(jīng)靈敏度K1換算回電容。

表1 微觀液位測(cè)量性能測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results for m icro levelmeasurement performance

從表1中可見，用于微觀液位測(cè)量時(shí)，在液氫、液氧分節(jié)液面計(jì)的一個(gè)小節(jié)電容的全氣－液相變化范圍內(nèi)，樣機(jī)的測(cè)量誤差不超過0.5%，測(cè)量精度優(yōu)于任務(wù)書要求的1%。

6 結(jié)論

基于FPGA的數(shù)字式液位測(cè)量儀+LabVIEW編寫的上位機(jī)程序構(gòu)成的低溫液位測(cè)量系統(tǒng)研制后，經(jīng)過了大量的測(cè)試驗(yàn)證。測(cè)量數(shù)據(jù)表明，該測(cè)量儀器具有響應(yīng)快、精度高、重復(fù)性好的特點(diǎn)。特別是很好地解決了從試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)至測(cè)控站的小電容信號(hào)遠(yuǎn)距離（幾百至上千米）傳輸?shù)募夹g(shù)難題，滿足某大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的地面校準(zhǔn)試驗(yàn)要求。同時(shí)，該系統(tǒng)同樣適用于液氮、液態(tài)甲烷等低溫介質(zhì)以及煤油、汽油等其他非導(dǎo)電液態(tài)介質(zhì)的高精度實(shí)時(shí)液位測(cè)量。由于系統(tǒng)智能化和集成度高，省去價(jià)格昂貴的采集設(shè)備且搭建簡(jiǎn)單，便于向民用市場(chǎng)推廣應(yīng)用。

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（編輯：陳紅霞）

Digital measurementsystem for cryogenic liquid level

DUANWenhao,ZHANG Jia,WANGHongyue
（Beijing Instituteof Aerospace Testing Technology,Beijing 100074,China）

In liquid rocket engine test,steady-state flow rate of cryogenic propellants(such as liquid hydrogen,liquid oxygen,liquidmethane,etc.)is an important parameter of the engine design. Currently,the flow measurementsystem consists of self-developed sub-section capacitive liquid level gauge,matching capacitance meter,acquisition equipment and computers.It can implement high-precision steady-state flow measurement and real-time liquid level monitoring in altitude simulation test and calibration test of a hydrogen oxygen engine.In order to improve accuracy and reliability of capacitive liquidometer,the performance of transm ission instrumentswas improved and the FPGA-based digital liquidometer was developed,so that a complete set of solutions could be constituted by only the section level sensor,digital levelmeasuring instruments and computers to achieve intelligentization and digitization of the instrument.

engine test;cryogenic propellant;liquid levelmeasurement;digitization measuring system

V434+.3-34

A

1672-9374(2017)03-0079-06

2016-09-08；

2016-10-21

段文浩（1986—），男，碩士，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)榛鸺l(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)控技術(shù)