低溫加注增壓試驗(yàn)系統(tǒng)中的測(cè)控技術(shù)

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(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

0 引言

目前，我國航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，新一代運(yùn)載火箭相繼研制并發(fā)射成功[1]，其燃料貯箱、級(jí)間段、整流罩、測(cè)試測(cè)量、控制等均為全新研制。具有“冰箭”之稱的長征五號(hào)運(yùn)載火箭采用低溫燃料液氫和液氧，因此需要開展一系列低溫試驗(yàn)以考核貯箱、輸送管路等相關(guān)結(jié)構(gòu)是否能夠在低溫條件下承載火箭的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)載荷。為此，研制了低溫加注增壓試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以液氮代替液氫和液氧作為試驗(yàn)介質(zhì)，其加注量從60立方到400 立方不等，最大加載能力1.6 MPa。采用可編程控制器構(gòu)建了高可靠的測(cè)控系統(tǒng)，系統(tǒng)高度自動(dòng)化。所有操作均具備遠(yuǎn)程的手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種模式，系統(tǒng)更加安全可靠，試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

1 低溫加注增壓試驗(yàn)系統(tǒng)

如圖1所示，低溫加注增壓試驗(yàn)系統(tǒng)由液氮容器、緩沖罐、試驗(yàn)貯箱、液/氣路、各類傳感器和手/自動(dòng)閥和測(cè)控系統(tǒng)組成。

圖1 低溫試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

液氮容器為壓力容器，用于存儲(chǔ)液氮和氮?dú)?。在試?yàn)準(zhǔn)備階段，可通過液氮容器內(nèi)的氮?dú)鈱?duì)試驗(yàn)管路、試驗(yàn)貯箱和緩沖罐進(jìn)行吹除和預(yù)冷。在加注過程中，液氮容器能夠?qū)⒂梢旱圮嚭蛷S區(qū)輸入的不穩(wěn)定的液氮緩沖，起到穩(wěn)定流量的作用。汽化器E-1負(fù)責(zé)將液氮容器內(nèi)的一部分液氮汽化，提供液氮容器的自增壓氣體，使液氮容器維持一定壓力。汽化器E-2負(fù)責(zé)在增壓試驗(yàn)中將液氮汽化進(jìn)行增壓試驗(yàn)。與試驗(yàn)貯箱相連的緩沖罐用于加大氣枕空間，起到平衡穩(wěn)壓、緩沖壓力波動(dòng)的作用，實(shí)現(xiàn)壓力的高精度控制。壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、液位傳感器是感知器，實(shí)時(shí)測(cè)量試驗(yàn)過程參數(shù)。位于管路上的各類手動(dòng)閥和自動(dòng)閥是執(zhí)行器，在控制系統(tǒng)作用下完成液氮加注和增壓工藝。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)控技術(shù)

2.1 關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量

2.1.1 流量測(cè)量

低溫加注試驗(yàn)中通過流量來計(jì)算液氮加注量，因此流量測(cè)量是該系統(tǒng)最重要的一項(xiàng)。在加注過程中，特別是加注初期，部分液氮蒸發(fā)變成氮?dú)?，與液氮形成液氣兩相介質(zhì)通過管路加入到試驗(yàn)箱內(nèi)，因此在流量測(cè)量中必須考慮兩相流的流量測(cè)量。為了準(zhǔn)確測(cè)量兩相介質(zhì)的流量，近年來研制了新型低溫質(zhì)量流量計(jì)，即采用質(zhì)量測(cè)量方法進(jìn)行流量測(cè)量，為克服兩相流給流量測(cè)量帶來的誤差起了關(guān)鍵作用。

采用低溫渦街流量變送器進(jìn)行質(zhì)量流量測(cè)量的原理是：當(dāng)在流體內(nèi)插入一個(gè)阻力體，流體流過該阻力體產(chǎn)生旋渦，并形成旋渦列，此漩渦列與流量之間的關(guān)系如下[3]：

由于在一定條件下，管道內(nèi)徑D、斯特勞哈爾數(shù)St1、流通面積與管道面積之比m、旋渦發(fā)生體特征寬度m均為常數(shù)，因此測(cè)量旋渦列的頻率f，即可得到流量Q。

測(cè)得流量后，通過對(duì)時(shí)間的積分運(yùn)算得到總的液氮加注量。

2.1.2 液位測(cè)量

低溫加注試驗(yàn)中通過試驗(yàn)箱的液位計(jì)算液氮加注量，作為流量測(cè)量的一個(gè)補(bǔ)充和驗(yàn)證。而試驗(yàn)箱箱體內(nèi)部一般沒有諸如差壓式、電容式、浮標(biāo)等形式的液位計(jì)，在試驗(yàn)中一般也無法在箱體或者其他部位安裝液位計(jì)，因此必須通過間接形式測(cè)量試驗(yàn)箱內(nèi)的液位。在試驗(yàn)箱體加注液氮后，液氮液面以下低至-196 ℃，液面以上的溫度與液面的距離反作用關(guān)系：離液面越近，溫度越低；反之，溫度越高。由此，本系統(tǒng)中通過在箱體外部間隔布置熱電阻測(cè)點(diǎn)，通過測(cè)量箱體的溫度來間接得到試驗(yàn)箱內(nèi)的液位。

在低溫測(cè)量過程中，當(dāng)測(cè)量導(dǎo)線材質(zhì)不同并且存在溫度差時(shí)，在導(dǎo)線上將產(chǎn)生熱電勢(shì)，從而引入測(cè)量誤差[5]。因此，在選用測(cè)量引線時(shí)，使用同一型號(hào)、同一批次、甚至同一線軸上連續(xù)截取的純質(zhì)導(dǎo)線作為測(cè)量線，最大限度減小溫度的測(cè)量誤差。

由于通過溫度測(cè)量液位的方法存在一定的滯后，因此在加注到接近試驗(yàn)規(guī)定值時(shí)，需要通過控制加注閥來降低加注速率以避免過加注。

2.1.3 壓力測(cè)量

一方面，注入到試驗(yàn)箱內(nèi)的液氮在周圍環(huán)境溫度的作用下會(huì)發(fā)生汽化，造成箱內(nèi)壓力的升高。另一方面，在液氮加注完畢后的增壓試驗(yàn)中，正是通過向試驗(yàn)箱注入汽化的氮?dú)鈦磉M(jìn)行增壓試驗(yàn)。如果加注試驗(yàn)中試驗(yàn)箱內(nèi)壓力過高，超過試驗(yàn)箱體承載能力，將導(dǎo)致箱體破裂，不僅試驗(yàn)失敗，還會(huì)造成巨大財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重的還會(huì)引發(fā)試驗(yàn)事故。如果壓力測(cè)量不準(zhǔn)確，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)無效，以該無效的數(shù)據(jù)作為研制依據(jù)，最終可能引起火箭發(fā)射的失敗。因此，壓力測(cè)量是該系統(tǒng)另一項(xiàng)重要的測(cè)量和控制參數(shù)。

低溫壓力參數(shù)可以用低溫壓力傳感器和常溫壓力傳感器來測(cè)量。低溫壓力傳感器耐低溫，可以直接安裝，但是仍然存在零位漂移，而且其產(chǎn)品成本和校準(zhǔn)成本都比較高。常溫壓力傳感器的一般溫度范圍是-40～80℃[6]，用于低溫測(cè)量時(shí)必須連接合適長度的測(cè)壓管，利用測(cè)壓管中的空氣將低溫介質(zhì)與傳感器膜片隔離，傳感器的膜片基本處于常溫或略低于常溫。本試驗(yàn)系統(tǒng)中，采用常溫型的薄膜壓力傳感器進(jìn)行壓力測(cè)量，測(cè)量范圍0～1.6 MPa，其測(cè)壓管長度2米，內(nèi)徑4毫米。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)完成液氮加注和氮?dú)庠鰤哼^程的控制。

2.2.1 測(cè)控系統(tǒng)組成

如圖2所示，控制系統(tǒng)由位于控制間的可編程控制器和監(jiān)控計(jì)算機(jī)、手動(dòng)控制臺(tái)、連接線纜以及位于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的閥門和傳感器等部分組成。

圖2 控制系統(tǒng)組成框圖

可編程序控制器選用西門子公司S7-300系列PLC產(chǎn)品，包括CPU模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、以太網(wǎng)通訊模塊、PROFIBUS通訊模塊等。數(shù)字輸入模塊一方面連接手動(dòng)操作臺(tái)，采集手動(dòng)按鍵的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制；另一方面連接現(xiàn)場(chǎng)各類開關(guān)閥的反饋，采集開關(guān)閥的開關(guān)狀態(tài)。數(shù)字輸出模塊連接到現(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)閥，根據(jù)工藝流程控制閥的開關(guān)，配合液路和氣路完成置換、加注和增壓等工作。模擬輸入模塊連接現(xiàn)場(chǎng)的溫度、壓力、流量等傳感器，完成過程參數(shù)的采集。模擬輸出模塊連接現(xiàn)場(chǎng)的比例調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)精確的加注和增壓控制。主控CPU模塊完成系統(tǒng)采集、控制和通訊等任務(wù)。以太網(wǎng)連接監(jiān)控計(jì)算機(jī)，完成數(shù)據(jù)發(fā)送和指令接受。PROFIBUS通訊接口與廠房的其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)更大范圍的自動(dòng)化系統(tǒng)。

監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)與PLC通訊，將采集到的閥門及重要參數(shù)的變化情況以動(dòng)態(tài)形式顯示在工藝流程圖上。同時(shí)，試驗(yàn)人員操作虛擬開關(guān)對(duì)所有閥門參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制及設(shè)定，并通過以太網(wǎng)下發(fā)給PLC執(zhí)行。監(jiān)控計(jì)算機(jī)在整個(gè)試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)存儲(chǔ)重要參數(shù)，形成歷史記錄。

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)安全性和可靠性要求以及試驗(yàn)場(chǎng)地的布局，低溫加注控制間距加注受控設(shè)備在200米以上。因此，傳輸中的信號(hào)衰減，抗干擾等成長線傳輸要解決的重點(diǎn)問題[7]。本系統(tǒng)選取4～20 mA電流環(huán)傳輸采集和控制信號(hào)。

位于液氮貯箱和管路以及試驗(yàn)箱體上的液位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器以及開關(guān)閥、比例調(diào)節(jié)閥等構(gòu)成測(cè)控系統(tǒng)的感知層和執(zhí)行層。

2.2.2 數(shù)字控制算法

在可編程控制器中，模擬采集模塊先對(duì)液位、溫度、壓力和流量等模擬量參數(shù)進(jìn)行調(diào)理和采樣，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，把模擬量變成數(shù)字量，然后傳給CPU。這些數(shù)字量在CPU內(nèi)按數(shù)字控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理，運(yùn)算結(jié)果通過數(shù)模轉(zhuǎn)換把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，通過輸出口送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制被調(diào)量，使其達(dá)到設(shè)定值。低溫加注系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)，無論是壓力還是流量等參數(shù)，在氣液兩相狀態(tài)并存的環(huán)境條件下難以尋求到精確的數(shù)學(xué)模型。采用PID調(diào)節(jié)技術(shù)可以使復(fù)雜的工程問題得以解決，所以，數(shù)字PID調(diào)節(jié)技術(shù)比較適合于低溫加注系統(tǒng)的特點(diǎn)。對(duì)于該系統(tǒng)來說，在比例系數(shù)P、積分系數(shù)I和微分系數(shù)D的整定過程中，主要追求系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，響應(yīng)速度和系統(tǒng)帶寬放在第二位。

2.2.3 壓力的高精度控制

試驗(yàn)介質(zhì)液氮的沸點(diǎn)是77K(-196℃)，在試驗(yàn)過程中，它極其容易汽化。同時(shí)，大量液氮的存在導(dǎo)致低溫氮?dú)庖埠苋菀桌淠Ｒ虼嗽囼?yàn)時(shí)由于液氮蒸發(fā)會(huì)造成貯箱壓力上升，低溫氮?dú)饫淠謺?huì)造成貯箱壓力下降，因此壓力波動(dòng)較大。另一方面，試驗(yàn)貯箱的氣枕壓力空間較小，導(dǎo)致壓力控制起來精度不高。

該系統(tǒng)中通過增加一個(gè)與試驗(yàn)箱體相連的緩沖罐來加大氣枕空間起到平衡穩(wěn)壓、緩沖壓力波動(dòng)的作用，通過調(diào)節(jié)緩沖罐排放閥實(shí)現(xiàn)貯箱壓力高精度控制。

貯箱增壓時(shí)，汽化器將液氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)馔ㄟ^增壓閥門沿增壓管路將氣體輸送至貯箱。貯箱排氣時(shí)，貯箱排氣口通過排氣口排氣管路與緩沖罐相連，而在緩沖罐上安裝有三種規(guī)格的低溫截止閥組合成排氣閥組，控制器通過控制進(jìn)氣閥與排氣閥組的開啟和關(guān)閉來實(shí)現(xiàn)壓力的穩(wěn)定。

圖3 壓力控制流程

如圖3所示是壓力控制流程。貯箱處于增壓狀態(tài)時(shí)，某級(jí)別增壓到壓力值設(shè)為P1，采集到的壓力值為P2，當(dāng)P1-P2≤0.005 MPa時(shí)，關(guān)閉增壓閥，停止增壓；否則，打開增壓閥，進(jìn)行增壓。當(dāng)P2-P1≥0.005 MPa時(shí)，打開泄壓閥，進(jìn)行泄壓；否則，關(guān)閉泄壓閥，停止泄壓。到達(dá)增壓級(jí)別后，發(fā)出增壓級(jí)別到信號(hào)給載荷測(cè)量設(shè)備，載荷測(cè)量設(shè)備開始測(cè)量載荷。待收到載荷測(cè)量設(shè)備返回的“繼續(xù)增壓”信號(hào)，并且增壓級(jí)別未完時(shí)，開始下一級(jí)增壓。

2.3 監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)

由于采用液氮為試驗(yàn)介質(zhì)，因此無論是在試驗(yàn)過程中試驗(yàn)件的破損，還是試驗(yàn)完畢后的泄壓，都會(huì)在瞬間泄出大量液氮，為了試驗(yàn)人員的安全性，增加了氧氣濃度監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)測(cè)。

1)氧氣濃度監(jiān)測(cè)。

氧濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過氧濃度探頭探測(cè)本系統(tǒng)測(cè)控間及總系統(tǒng)測(cè)控間氧氣濃度，并通過報(bào)警主機(jī)處理判斷完成濃度監(jiān)測(cè)工作, 能夠及時(shí)提醒操作人員，保證操作人員的人身安全。

2)視頻監(jiān)視。

視頻監(jiān)視系統(tǒng)由視頻記錄器、監(jiān)視器和5個(gè)攝像頭等組成。其中4個(gè)攝像頭在貯箱安裝塔架水平方向上90度均勻分布，固定于相關(guān)外圍設(shè)備上，1個(gè)攝像頭安裝立柱架上，攝制貯箱全景，可監(jiān)視貯箱狀態(tài)。視頻信號(hào)可由視頻記錄主機(jī)通過硬盤存儲(chǔ)，同時(shí)通過顯示器分屏顯示。在控制間可對(duì)攝像頭進(jìn)行全方位控制。

3 某液氧貯箱的爆破試驗(yàn)

為了考核某低溫貯箱的極限承載能力，進(jìn)行了低溫加注增壓爆破試驗(yàn)。如圖4所示，液氮加注分為十三個(gè)級(jí)別逐級(jí)加注，每一級(jí)別加注完畢，測(cè)得壓力穩(wěn)定一段時(shí)間后通過控制器向載荷測(cè)量系統(tǒng)發(fā)出測(cè)量信號(hào)。待接受到載荷測(cè)量系統(tǒng)返回的測(cè)量完畢信號(hào)后進(jìn)行下一級(jí)加注，如此直至加注完畢。加注完畢后，以同樣的方式開始液氮汽化增壓加壓過程。

圖4 貯箱爆破試驗(yàn)的液氮加注和加壓曲線

由圖4可知，加注和增壓過程控制平穩(wěn)，無過沖發(fā)生。本次試驗(yàn)驗(yàn)證了貯箱達(dá)到了設(shè)計(jì)極限載荷，獲得了極限承壓能力及破壞模式，不但保證了試驗(yàn)的安全，降低了試驗(yàn)成本，也為該貯箱研制提供了有力支撐，更為長征五號(hào)運(yùn)載火箭首飛成功奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

自該低溫加注增壓試驗(yàn)系統(tǒng)正式投入使用以來，進(jìn)行了大量的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證工作?；谠撓到y(tǒng)開展了低溫靜力試驗(yàn)自動(dòng)加載技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了液氮低溫介質(zhì)加注、泄出按流量自動(dòng)控制，貯箱內(nèi)壓和軸壓、彎、剪力等載荷的自動(dòng)協(xié)調(diào)加載，完成了包括新一代運(yùn)載火箭一、二級(jí)氫箱和一、二級(jí)氧箱所有5 m直徑的大型貯箱的液氮介質(zhì)低溫靜力試驗(yàn)，以及一級(jí)氧箱的爆破試驗(yàn)等，獲得了完整的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為運(yùn)載火箭的研制和成功發(fā)射奠定了基礎(chǔ)[9]。

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