凝膠流量計實流模擬校準技術研究

常瑩，劉彥軍，孫新新

(1．中國航天科技集團公司第六研究院計量測試研究所，陜西西安710100;2.中航工業(yè)北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

瞬態(tài)流量的準確測量是發(fā)動機試驗中的重要工作，對于新型發(fā)動機的設計、發(fā)動機的結構改進以及發(fā)動機熱試車和高空模擬試車非常重要［1］。凝膠推進劑屬于非牛頓流體，靜止貯存為類固態(tài)、粘性大，受剪切后粘性迅速下降，近似牛頓流體，使用常規(guī)的流量計無法對其進行準確測量，故選擇了科氏力質(zhì)量流量計對凝膠推進劑在實際管路中的質(zhì)量流量進行測量 (本文中簡稱凝膠流量計)。

質(zhì)量流量計的傳統(tǒng)校準方法是采用質(zhì)量法，質(zhì)量法屬于離線檢定，只能測平均流量，一般不能封閉運行且其關鍵部件換向器對粘度特別敏感，粘度大導致掛壁現(xiàn)象嚴重，影響測量精度，而凝膠推進劑的流變特性使得質(zhì)量法不適宜于對凝膠流量計進行校準。本文采用活塞位移型體積管構成凝膠流量計標準裝置的主標準器，它具有高精度、寬量程、適合高粘度、耐高壓、全密閉運行等特點，在原油等高粘度流量計計量領域得到了廣泛的應用，故該裝置適宜于對凝膠流量計進行校準。美國加利布朗公司、中航工業(yè)第三零四研究所對活塞位移型體積管在水、原油等領域的校準應用進行了研究［2－5］。

西安航天計量測試研究所結合凝膠推進劑本身的壓力觸變特性，對凝膠流量計的校準技術進行了深入地研究。基于常規(guī)液體流量標準裝置的結構［3］，通過增設加壓/泄壓裝置，加裝在線密度計，設計了一套針對火箭發(fā)動機凝膠流量計的標準裝置。該裝置可以模擬凝膠流量計的實際使用工況，進行瞬態(tài)流量的準確測量，實現(xiàn)凝膠流量計的實流模擬校準，提高測量的準確度。

1 活塞位移型凝膠流量計標準裝置

凝膠流量計標準裝置原理圖如圖1所示，該裝置主要包括機械系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)三部分。

圖1 活塞位移型凝膠流量計標準裝置原理圖

裝置采用伺服電機驅(qū)動標準活塞缸 (體積管)產(chǎn)生標準流量源，活塞缸同時作為容積標準，與光柵配合構成流量測量系統(tǒng)。具體的工作過程如下:校準前將閥1，2，3，4開啟，用增壓系統(tǒng)將貯罐中的凝膠擠壓到活塞體積管和管路中;在校準行程中關閉閥門3，由電機通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動活塞在主動體積管中運動，產(chǎn)生標準流量源，凝膠通過閥門1、凝膠流量計、密度計和閥門2進入貯箱。光柵用于測量活塞行程L，活塞行程與活塞截面積A的乘積再除以運行時間t就得到體積流量q==，密度ρ采用在線密度計進V行測量，則由活塞位移型體積管產(chǎn)生的質(zhì)量流量qm·ρ=·ρ。把q與凝膠流量計相應的指示流量mqs相比較，即可確定凝膠流量計的誤差，從而達到校準流量計的目的。

1.1 機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)由標準流量源部件和流量測量部件組成。

1.1.1 標準流量源部件

標準流量源部件由伺服電機、滾珠絲杠、活塞、活塞缸、貯罐和管路等組成。流量的穩(wěn)定是實現(xiàn)準確測量的前提，由伺服電機、精密絲杠驅(qū)動活塞運動產(chǎn)生高穩(wěn)定的凝膠流量源。本裝置采用國外進行凝膠實驗時常用的高壓氣體擠壓方式產(chǎn)生流量源，即使用高壓氣體將貯罐中的凝膠擠壓到活塞體積管和管路中。

如圖2所示，流量計上下游安裝有溫度傳感器(T1，T2)和壓力傳感器 (p1，p2)測量流體的溫度、壓力，其中p1和T1用來測量活塞位移型體積管出口處凝膠的壓力和溫度，p2和T2用來測量被校凝膠流量計處介質(zhì)的壓力和溫度，這四個參數(shù)可以進行活塞位移型體積管標準容積的壓力和溫度修正，得到高精度的流量。

圖2 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)原理圖

1.1.2 流量測量部件

活塞缸作為容積標準，與光柵、在線密度計配合構成流量測量系統(tǒng)。由于凝膠推進劑流量測量采用的是科氏力質(zhì)量流量計，需以質(zhì)量流量對其進行標定。而活塞位移型體積管標定的是體積流量，故需要加裝在線密度計連續(xù)實時地檢測校準介質(zhì)的密度值。由于凝膠具有的粘度高、壓力觸變性等特點，普通的密度測量手段無法滿足膠體密度測量的要求，本裝置中采用國際先進的諧振在線密度計，采用一個振動管來測量密度。當流體密度改變，密度計的振動質(zhì)量將發(fā)生改變，振動質(zhì)量的變化再影響諧振頻率，故測得密度計諧振頻率即可得知流體密度。頻率與密度的關系為

式中:ρ為液體密度;T為密度計輸出的振動周期;K0，K1，K2為傳感器的常數(shù)，在出廠時標定。

1.2 增壓系統(tǒng)

采用擠壓式系統(tǒng)供應凝膠推進劑，增壓系統(tǒng)能夠穩(wěn)定供應0.5 Mpa的壓力，實現(xiàn)凝膠推進劑剪切變稀和穩(wěn)定流動。

為實現(xiàn)有效和安全地控制氣體的流量、壓力，開啟相應通路的閥門，在高壓段，打開氣瓶閥，通過增壓泵將氣瓶壓力提高到所需壓力送入貯膠罐;在中、低段，打開氣瓶閥，通過減壓器將氣瓶壓力減至工作所需壓力送入貯膠罐。在進氣路有一個低速增壓閥和快速增壓閥，可通過選擇進行低速或快速加壓，當壓力與參考壓力平衡后，即可進行實驗。在排氣路有一個低速卸壓閥和快速卸壓閥，當壓力超過設定或降壓時，可通過選擇進行低速或快速卸壓，當壓力與參考壓力平衡后，即可進行實驗，達到安全控制的目的。

1.3 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和上位機校準軟件組成［7］。

1.3.1 硬件設計

數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。主要采集量包含溫度/壓力信號、時鐘信號，光柵位移信號，流量計模擬/頻率信號、密度計頻率信號等;控制系統(tǒng)主要進行伺服電機的控制及反饋、閥門控制及反饋等。檢定流量計時，流量計數(shù)、光柵計數(shù)、時鐘計數(shù)三者之間要求嚴格同步，從而保證計算儀表系數(shù)的準確。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)采用模塊化設計，可以方便擴展，升級系統(tǒng)功能，主要模塊包括研華公司PCI1716板卡、PCI1780板卡、凌華PCI8164板卡等。

1.3.2 上位機校準軟件設計

上位機校準軟件主要是依據(jù)相關流量計檢定規(guī)程，完成凝膠流量計的檢定、校準等工作，主要實現(xiàn)信息錄入、電機控制、閥門控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和證書打印等功能。編程語言采用了VC++，利用在VC++中嵌套Microsoft Excel實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、保存和管理，在VC++中嵌套Microsoft Word實現(xiàn)證書的自動生成和打印功能。上位機校準軟件發(fā)送給控制系統(tǒng)的命令包括:開始檢定命令、活塞穩(wěn)定時間、電機轉(zhuǎn)速及位置控制、閥門控制信號等;控制系統(tǒng)發(fā)回給上位機校準軟件的數(shù)據(jù)包括:檢定完畢信號、光柵位移信號、流量計模擬/頻率信號、密度計頻率信號、時鐘脈沖信號、溫度/壓力傳感器信號等。校準軟件程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

1.3.3 檢定流程設計

在上位機設置好介質(zhì)參數(shù)和被校流量計的參數(shù)之后，上位機向控制系統(tǒng)發(fā)送檢定命令和檢定參數(shù)。控制系統(tǒng)收到上位機發(fā)出的檢定命令以和檢定參數(shù)之后，開始檢定被檢流量計。檢定流程如圖4所示。

圖4 檢定流程圖

首先，啟動電機正轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)根據(jù)上位機要求的流量大小來控制電機轉(zhuǎn)速。當電機轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定時，啟動校準軟件，開始采集被校流量計信號、活塞的初始位移、時鐘信號和密度計的頻率信號，當活塞位移達到上位機規(guī)定的距離時，控制系統(tǒng)立即停止采集數(shù)據(jù)，同時將檢定數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)存儲完畢后，啟動電機反轉(zhuǎn)，活塞退回到起始位置準備下一次檢定。

上位機校準軟件收到控制系統(tǒng)發(fā)回的檢定完畢信號后，首先導入原始數(shù)據(jù)，選擇檢定/校準功能，輸入密度值和儀表系數(shù);進行數(shù)據(jù)處理，得到所有檢定點的原始數(shù)據(jù);然后對所有檢定點的原始數(shù)據(jù)進行處理，得到每個檢定點的結果;最后對每個檢定點進行數(shù)據(jù)處理，得到被校流量計的檢定結果，包括最小流量、最大流量、介質(zhì)溫度、介質(zhì)壓力、儀表系數(shù)、誤差和重復性，并打印輸出被檢流量計的檢定證書。

2 結論

凝膠推進劑是一種非牛頓粘彈性流體，具有粘度高、壓力觸變性等特點，而常規(guī)液體流量標準裝置只能以牛頓流體作為校準介質(zhì)，故無法實現(xiàn)凝膠流量計真實介質(zhì)的校準。因此針對凝膠推進劑的特殊流變性，本文設計的活塞位移型凝膠流量計標準裝置通過增設加壓/泄壓裝置、加裝在線密度計，充分模擬了凝膠流量計的實際使用工況，實現(xiàn)了凝膠流量計的實流模擬校準，提高了測量的準確度。該裝置具有如下特點:

1)流量穩(wěn)定。由于流量值為活塞運行速度與活塞缸橫截面積的乘積，活塞由伺服電機帶動，而伺服電機的轉(zhuǎn)速易于調(diào)整和控制，因此容易使流量達到并穩(wěn)定在設定流量點上。

2)重復性好。從原理上看，其重復性僅與活塞缸體面積的變化、光柵測量的重復性及密封圈的變形等因素有關，而這些影響因素均很小。

3)流量測量范圍大。本裝置體積流量測量范圍:0．1～10 m3/h，標準模擬液的密度范圍為700～1300 kg/m3［8］，將體積流量轉(zhuǎn)換成質(zhì)量流量，則其測量范圍為19．44～3611 g/s，我所建立的凝膠流量計標準裝置在流量測量范圍方面可以滿足我國航天發(fā)動機在實際熱試車和高空模擬試車中對凝膠推進劑質(zhì)量流量測量的要求，同時為該裝置后續(xù)功能的擴展奠定了基礎。

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