CN101509797B - 全弹性微小流量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全弹性微小流量测量装置，包括：支撑架组件，由支撑架底座和上支撑架组成，二者之间采用可调节螺杆连接；精密分析天平，水平安放在上支撑架的平台上；推进剂贮箱为一圆球体，通过推进剂贮箱供给管路接口分别连接两路液气路全弹性连接管路，底部设有贮箱固定托盘，固定在天平托盘上；液气路全弹性连接管路，一端与推进剂贮箱入口处连接，另一端固定在支撑架横梁上；控制阀门包括贮箱增压阀门、贮箱加注阀门、回吹阀门、液体阀门、和压力传感器接通手阀，这些阀门通过阀门接口与相应管路上球头连接；单稳电磁阀门安装在贮箱推进剂出口管路上；压力补偿单元，包括压力传感器及压力传感器接通手阀。

Description

全弹性微小流量测量装置

技术领域：

本发明涉及一种全弹性微小流量测量装置，具体涉及无水肼推进剂微小流量测量技术领域。

背景技术：

小功率(0.1-3kW)电弧加热发动机(Arcjet)具有比冲高、推力小、控制精度高、结构简单等优点，被广泛用以承担同步卫星和中低轨道卫星的位置保持、轨道控制等任务。Arcjet以肼(N₂H₄)为推进剂不仅能获得较高的性能，同时由于与化学推进系统共用推进剂贮箱与阀门，可以使推进系统的结构更加简单、质量更轻，因而更具有工程应用的优越性。

推进剂流量控制与测量是N₂H₄电弧加热发动机研制与应用中的关键技术。小功率电弧加热发动机N₂H₄工作流量非常小，一般仅为10mg/s～60mg/s；同时，N₂H₄的腐蚀性、粘附性极强且极其容易挥发，常规流量控制测量装置无法满足N₂H₄电弧加热发动机推进剂流量控制与测量的精度、可靠性和安全性要求，给以N₂H₄为推进剂的电弧加热发动机的研制工作增加了难度。

鉴于N₂H₄推进剂危险性和相应微小流量测量技术空白状态，国外在N₂H₄电弧加热发动机研制过程中，多以N₂、H₂混合模拟完全分解后的N₂H₄。少数电弧加热发动机地面试验以N₂H₄为推进剂并进行流量测量，但未就试验中流量测量的重要细节进行公开报道。

目前，国内在微小流量测量方面的技术已经具有较高水平，但尚未具有满足N₂H₄电弧加热发动机推进剂微小测量要求的流量测量装置。工程应用中，在以往以N₂H₄为推进剂的单组元、双组元发动机试验过程中，发动机的推进剂质量流率相对比较大，一般采用称重法获得N₂H₄平均质量流率，而这些流量测量装置中液气路的管路均未采用弹性连接管路，对推进剂流量测量具有较大的影响。对于N₂H₄电弧加热发动机，推进剂流量只有mg/s量级，采用非弹性连接管路的流量测量装置，无法满足Arcjet试验研究中N₂H₄微小流量精确测量的要求。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种全弹性微小流量测量装置，根据以N₂H₄为推进剂低功率电弧加热发动机试验研究中微小流量测量实际需求，针对强腐蚀性、强挥发性N₂H₄微小流量测量的特殊要求，发明了适用于N₂H₄微小流量测量的全弹性稳态微小流量测量系统。发明采用弹簧状不锈钢细管连接支撑组件与推进剂贮箱，成功避免供给管路刚性连接影响微小流量测量的问题；采用压力补偿方法进一步提高了流量测量的准确性。为低功率电弧加热发动机试验研究与工程应用提供了必要的前提基础。

本发明的技术方案如下：

一种全弹性微小流量测量装置，包括支撑架组件、精密分析天平、推进剂贮箱、液气路全弹性连接管路、控制阀门、单稳电磁阀门和压力补偿单元。

支撑架组件由支撑架底座和上支撑架组成，支撑架底座通过螺钉固定在地面上，上支撑架设有四根横梁，上支撑架与支撑架底座之间采用可调节螺杆连接。

精密分析天平水平安放在上支撑架的平台上。

推进剂贮箱为一圆球体，推进剂贮箱入口处采用球头螺母连接密封，并通过推进剂贮箱供给管路接口分别连接两路液气路全弹性供给管路8，实现对贮箱进行加注、增压、供给等功能；为保证在测量过程中贮箱平稳放置在天平上，在推进剂贮箱底部设有一个圆盘形铝制的贮箱固定托盘，固定在天平托盘上。

液气路弹性供给管路，一端与推进剂贮箱入口处连接，另一端被弹性固定块固定在支撑架横梁上，该液气路弹性供给管路采用直径2mm、内径为1.5mm的金属细管，而且必需保证金属管具有足够弹性。

控制阀门是指安装在支撑架上、贮箱上游和下游管路中的控制阀门，这些阀门用于对贮箱进行加注、增压、供给等功能的控制。具体包括贮箱增压阀门、贮箱加注阀门、回吹阀门、液体阀门、和压力传感器接通手阀，这些阀门均采用宁波星箭航天机械厂生产的Y5708.1-91手动截止阀，阀门接口为标准DN4、37°接头并与相应管路上球头连接。

单稳电磁阀门安装在贮箱推进剂出口管路上，用来精确控制推进剂的供给时间。

压力补偿单元，包括压力传感器及压力传感器接通手阀，压力传感器安装在贮箱增压阀门与增压气体进入推进剂贮箱之前的管路上，在压力传感器之前还安装有压力传感器接通手阀，可以控制压力补偿单元开关状态。

本发明的优点及功效在于：在N₂H₄电弧加热发动机试验台上，采用新型的全弹性稳态称重法微小流量测量系统对以酒精为模拟推进剂进行了流量测量试验，试验测量流量与实际流量进行了比较。试验证明，该套微小流量测量装置测量误差小于2％，满足N₂H₄电弧加热发动机试验研究中微小流量测量的需求；同时，也验证了该套微小流量测量系统具有较好适应性，可以用于其他液体微小流量的测量。试验中，通过调节配气台减压阀实现推进剂贮箱压强从1.1MPa增加到1.8MPa，其中设有5个工况，每个工况持续时间为10s，这主要是考虑贮箱容积有限，同时降低由于工作时间过短推进剂在出口电磁阀门关闭一瞬间损失的质量对流量测量产生的影响。经过数据采集系统采集流量测量装置的输出信号，经过压力补偿获得10s内稳态质量流量。

为验证该流量测量精度，使用容器接收推进剂供给管路出口流出的酒精，每次称量对应工况流出酒精的质量，将测量装置测量获得的流量与实际酒精总量/时间进行比较，获得流量装置的测量精度。

表1  流量验证试验结果

试验结果表明，设计研制的全弹性稳态称重法微小流量测量系统能够较为准确测得推进剂稳态流量，测量相对误差小于2％。

附图说明

图1为全弹性微小流量测量装置总装示意图。

图中具体标号如下：

1——支撑架组件；2——贮箱增压阀门；3——回吹阀门；4——贮箱加注阀门；

5——液体阀门；6——液体阀门；7——推进剂弹性弯管固定块；8——液气路全弹性连接管路；9——压力传感器；10——压力传感器接通手阀；11——推进剂弹性弯管固定块；

12——推进剂贮箱供给管路接口；13——推进剂贮箱堵头；14——推进剂贮箱；15——贮箱固定托盘；16——精密分析天平；17——四通。

具体实施方式：

本发明，一种全弹性微小流量测量装置，包括支撑架组件1、精密分析天平16、推进剂贮箱14、液气路全弹性连接管路8、控制阀门、单稳电磁阀门和压力补偿单元等。

支撑架组件1由支撑架底座和上支撑架组成，均采用角铁焊接而成，支撑架底座尺寸600mm×600mm×250mm，材料为45^#钢，表面进行喷漆处理防止生锈。支撑架底座下端角铁上打有直径为10mm的圆孔，用螺钉可以将支撑架底座固定在地面上。上支撑架采用45^#钢角铁焊接而成，尺寸为600mm×600mm×800mm，表面经过镀锌防锈处理。上支撑架与支撑架底座之间采用可调节螺杆连接，起到固定上支撑架与支撑架底座，同时通过调节螺杆还可以调整上支撑架上安防天平平台的水平。由于上支撑架需要承担安放天平、固定供给管路阀门、压力传感器等部件的原因，上支撑架设有四根横梁用于固定上述部件，并在相应位置打有通孔。安装各个部件时，采用固定件将阀门等部件牢固地固定在上支撑架上，保证工作过程中各部件不会因外界干扰而产生移动，进而影响流量测量。

精密分析天平16是该套微小流量测量系统的另一关键组成部分，要求选用的产品必须具有良好的测量准确性与重复性。精密分析天平被水平安放在支撑架上的平台上，天平四个可调支座平稳放置在平台上保证天平不会移动。天平摆放尽量摆放在平台的中央，并保证系统中弹性连接管路在此天平摆放位置状态下处于自由状态。本发明选用了瑞士梅特勒-托利多生产的PL4002-IC精密电子天平，天平具有内置砝码实现自动校准，确保称量结果的准确性。天平设有清晰的液晶显示以供显示读数，同时配有内置RS232通讯接口，可以连接打印机、电脑等外围设备实现数据采集。天平外壳材料为具有良好耐腐蚀、抗冲击性能的ABS工程塑料，确保天平轻便、坚固，可以承受推进剂轻度腐蚀。PL4002-IC精密分析电子天平具有简单称量、百分比称量、计件称量、动态称量、加减称量等功能，具体参数如下：

可读性：0.01g

最大称量值：4100g

重复性(s)：0.01g

线性：±0.02g

秤盘尺寸：Φ180mm

外形尺寸：238×335×111(W×D×H)(mm)

推进剂贮箱14为一圆球体，容积为2L、设计压强为4MPa，箱体采用钛合金焊接而成，具有可靠的结构强度与耐腐蚀性。同时，由于钛合金密度小，进而保证了测量过程中由于贮箱质量过大而对微小流量测量产生较大误差的情况。推进剂贮箱14入口处采用球头螺母连接密封，并通过推进剂贮箱供给管路接口12分别连接液两路气路全弹性连接管路8，实现对贮箱进行加注、增压、供给等功能。为保证在测量过程中推进剂贮箱平稳放置在天平上，在推进剂贮箱底部设有一个圆盘形铝制的贮箱固定托盘15，天平托盘上粘结了一个有凸台的圆环型铝圈，用于固定贮箱固定托盘15的同时保证推进剂贮箱拆装的灵活性。

液气路全弹性连接管路8是本发明的关键部件，它的合理设计与应用，解决了常规流量测量过程中非弹性供给管路对于流量测量的误差影响。为了保证增压气进入贮箱、推进剂流出贮箱的管路具有良好的弹性，特别选用了弹性好的不锈钢细管，直径2mm、内径为1.5mm，并将细管加工成弹簧状。安装过程中，液气路全弹性连接管路8一端通过弹性弯管固定块7、11固定在上支撑架上，另一端通过焊接固定在推进剂贮箱供给管路接口12上，保证两端良好的固定性；同时，在安装过程中，通过调整推进剂贮箱的位置，尽量保证液气路全弹性连接管路8处于较为自由的状态。测量过程中，由于弹性管路只承受内压作用，而且在给定流量供给要求情况下，弹性管路在前后称重时所承受压强相同，产生的影响可以通过数据处理进行消除，保证了质量测量的准确性。

控制阀门是指安装在支撑架上、贮箱上游和下游管路中的控制阀门，这些阀门用于对贮箱进行加注、增压、供给等功能的控制。具体包括贮箱增压阀门2、贮箱加注阀门4、回吹阀门3、液体阀门5、液体阀门6和压力传感器接通手阀10，这些阀门均采用宁波星箭航天机械厂生产的Y5708.1-91手动截止阀，阀门接口为标准DN4、37°接头并与相应管路上球头连接。

贮箱增压阀门2用来控制增压气体进入推进剂贮箱，阀门的入口是上游的增压气体管路，经过贮箱增压阀门2的增压气体进入推进剂贮箱14。在贮箱增压阀门2与推进剂贮箱14之间的增压气体管路上装有一个四通17，四通的四个连接口分别连接从贮箱增压阀门2出来的增压气体管路、四通通向推进剂贮箱的增压气体管路、通向压力传感器9的管路和用于推进剂贮箱放气的管路。在四通与压力传感器9之间安装有用于控制压力传感器管路开关的压力传感器接通手阀10。

回吹阀门3安装在贮箱回吹管路上，用于控制气体实现对管路中推进剂的回吹。回吹阀门3入口连接回吹气管路，出口端通过三通连接到贮箱加注阀门4和液体阀门6、液体阀门5靠近推进剂贮箱的管路上。在对贮箱进行推进剂加注完成后，打开回吹阀门3对贮箱加注管路中的推进剂进行回吹，加注管路中的一部分推进剂被吹入推进剂贮箱14，另一部分被反向吹回用于运输推进剂的中转贮箱，得以保证加注管路中没有残余推进剂进而避免意外事故。

贮箱加注阀门4安装在贮箱加注管路上，在试验前不需要将贮箱拆除即可对贮箱进行加注，这样还能够避免由于经常拆卸而造成液气路全弹性连接管路8损坏。贮箱加注阀门4入口为连接推进剂中转箱的管路，出口连接到液体阀门6的一个连接口，加注过程中推进剂经过打开的贮箱加注阀门4经过管路流向液体阀门6，而液体阀门6的另一端接口直接接到液气路液气路全弹性连接管路8中的液体全弹性连接管路，液气路全弹性连接管路8中的液体全弹性连接管路采用焊接连接方式连接在推进剂贮箱供给管路接口12、再经过推进剂贮箱堵头13进入推进剂贮箱14。当加注完毕后，便可以将贮箱加注阀门4关闭。

当需要进行推进剂供给的时候，增压气体通过贮箱增压阀门2进入推进剂贮箱14，此时同时打开液体阀门6和液体阀门5，推进剂由贮箱经过液气路全弹性连接管路8中的液体全弹性连接管路、通过液体阀门6和液体阀门5，流向发动机，通过设置在推进剂出口远端的单稳电磁阀门可以精确控制推进剂的供给，单稳式电磁阀管路接口为DN4，激励电压为±12V直流电源。

单稳电磁阀门(图中未示)安装在贮箱推进剂出口管路上，用来精确控制推进剂的供给时间。系统中采用开关反应时间快的单稳式电磁阀，电磁阀的开关由数据采集系统发出的时钟信号进行控制，避免了手动操作供给开关反应时间慢的问题，避免由于推进剂供给开关反应时间长而造成的流量测量误差。

压力补偿单元，包括压力传感器9及压力传感器接通手阀10，压力传感器安装在贮箱增压阀门2与增压气体进入推进剂贮箱之前的管路上，在压力传感器之前还安装有压力传感器接通手阀10，可以控制压力补偿单元开关状态。压力补偿单元的设计是为了修正流量测量中增压气体密度随压强变化而产生的误差影响。试验过程中通过压力传感器测得推进剂贮箱内压力，数据采集系统采集压力传感器信号，并通过数据采集系统分析软件对测得的推进剂流量进行压力补偿修正，使测量具有更高的准确性。压力传感器选用YZD-1型扩散硅压力传感器。该压力传感器选用进口扩散硅压力芯片作为敏感元件，性能稳定可靠，抗过载能力强。压力传感器主要性能参数如下：

测压范围：0～5MPa

输出信号：4～20mA

准确度等级：0.2

基本误差：±0.2％F.S

工作温度：-10～+70

激励电压：24VDC

推进剂贮箱堵头13起到将连有液气路全弹性连接管路8的推进剂贮箱供给管路接口12固定在贮箱上的作用，同时必须保证良好的密封性，严禁推进剂的挥发、泄露。

Claims (1)

1.全弹性微小流量测量装置，其特征在于：该装置包括支撑架组件、精密分析天平、推进剂贮箱、液气路全弹性连接管路、控制阀门、单稳电磁阀门和压力补偿单元：

支撑架组件由支撑架底座和上支撑架组成，支撑架底座通过螺钉固定在地面上，上支撑架设有四根横梁，上支撑架与支撑架底座之间采用可调节螺杆连接；

精密分析天平水平安放在上支撑架的平台上；

推进剂贮箱为一圆球体，推进剂贮箱入口处采用球头螺母连接密封，并通过推进剂贮箱供给管路接口分别连接两路液气路全弹性连接管路，实现对贮箱进行加注、增压、供给功能；为保证在测量过程中贮箱平稳放置在天平上，在贮箱底部设有一个圆盘形铝制的贮箱固定托盘，固定在天平托盘上；

液气路全弹性连接管路，一端与推进剂贮箱入口处连接，另一端被弹性固定块固定在所述横梁上；

控制阀门是指安装在上支撑架上、贮箱上游和下游管路中的控制阀门，这些阀门用于对贮箱进行加注、增压、供给功能的控制；具体包括贮箱增压阀门、贮箱加注阀门、回吹阀门、液体阀门、和压力传感器接通手阀，这些阀门通过阀门接口与相应管路上球头连接；

单稳电磁阀门安装在贮箱推进剂出口管路上，用来精确控制推进剂的供给时间；

压力补偿单元，包括压力传感器及所述压力传感器接通手阀，压力传感器安装在贮箱增压阀门与增压气体进入推进剂贮箱之前的管路上，在压力传感器之前还安装有所述压力传感器接通手阀，控制压力补偿单元开关状态；

其中，所述的液气路全弹性连接管路采用直径2mm、内径为1.5mm的金属细管，且该金属细管管具有弹性。

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