體積管流量測量法的應用及其加注自動化

張智敏

上海空間推進研究所，上海 200233

0 引言

在工業生產和科學技術的研究過程中，流量已成為一個不可缺少的參數。通過各種方法可以獲取流量參數，在分析流量參數后，調整工業生產過程和設計研發方法以達到科研或生產的最終目地。火箭發動機試車的特殊要求和試車環境，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；動態稱量法。傳統的質量流量計和渦輪流量計應用非常廣泛，但受限于其設計原理，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特的優勢。由于體積管容量有限，在實際應用中需頻繁對體積管進行加注，所以加注過程實現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劑存放在一根內徑均勻的中空管中，測量發動機工作前后管內推進劑液位的高度差，算出消耗的推進劑體積，再由發動機工作的時間或脈沖數，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 體積管的標定

對體積管的標定實際就是測量計算鋼管的斜率（k）值，由于鋼管在生產安裝過程中，不能保證鋼管內徑上下完全一致，因此，如果簡單地由液位高度和體積的正比關系，直接用k值來計算流量，可能會產生較大的誤差，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，每一端都可以認為是內徑均勻，在各段量程范圍內都可以直接用其k值計算，如起始液位輸出電壓值Vs處于V1和V2之間，發動機工作時間t后液位輸出值Ve處于V4和V5之間，則發動機工作時間內的平均流量為:

由于上述計算較為復雜，在實際應用中，應采用內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定來得到驗證，在標定過程中，得到每段的k值并進行分析。當（1）式中k1≈k2≈k3≈k4≈k時，其變換為:

2 體積管流量測量法的應用

2.1 體積管流量測量裝置的構成

在試車過程中，流量是非常重要的數據。穩態流量可以用渦輪流量計、質量流量計等，其數據的測量也方便，流量計設置好后，測量過程中也不用人工干預了。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、發動機構成。

圖1 體積管測流量裝置的構成

2.2 微脈沖位移傳感器

在相同的密度下，質量流量與體積成正比，體積管有由一根內徑高度均勻的不銹鋼管制成，所以流量測量最終轉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（波導管）由特種鎳鐵合金制成，內徑0.5mm，外徑0.7mm。管內設有一根銅導線。由一個瞬時電流脈沖啟動檢測過程。該電流產生了一個圍繞波導管旋轉的圓形磁場。在被測位置作為標示塊的永磁鐵，其磁力線垂直于電磁場。在兩個磁場交會的波導管中，由于磁致伸縮效應使波導管（在極小范圍內）產生了一個彈性形變，并以機械波的形式沿波導管同時向兩個方向傳播。在波導管中，機械波的傳播速度為2830 m/s，幾乎不受環境的影響（如溫度、沖擊、污染等）。到達波導管遠端的機械波在那里衰減，而到達信號轉換器的機械波由磁致伸縮的反效應轉換為電信號。從波發生點到信號轉換器機械波傳播的時間與磁鐵到信號轉換器的距離直接對應。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:對體積管進行加注→記錄初始電流I1→進行試車→記錄末電流I2→對體積管進行加注→……。

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

當對體積管進行加注時，其流量取決與P1與P2的差值，其公式為:

式中K為系數，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

3.2.1 硬件構成

基于LabVIEW平臺的壓差控制液位加注系統的硬件組成為:

1）PCI-1710多功能卡一塊，用于體積管液位信號的反饋；

2）PCI-1756數字I/O卡一塊，用于控制與體積管加注相關的閥門；

3）微型計算機一臺，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，控制與發動機試車相關的閥門。

圖3 液位加注系統的硬件構成

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用LabVIEW編程。

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

下圖該液位加注系統的控制界面。

圖4 液位加注系統的界面

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。當液位到達減速位后，又要增加P2，使流速減慢，當到停止位后，閥門關閉，加注過程結束。

圖5 自動加注過程

[1]郭霄峰.液體火箭發動機試車[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用[J].青年科技論文競賽優秀論文集.上海空間推進研究所，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:電子工業出版社，2005.