CN202522295U - 在低温介质的大流量下校准涡轮流量计的系统 - Google Patents

Abstract

一种在低温介质的大流量下校准涡轮流量计的系统，包括低温介质容器，分节式电容液位计、多个温度传感器以及至少一个涡轮流量计，分节式电容液位计设置在低温介质容器中，多个温度传感器沿低温介质容器轴向设置在低温介质容器中，低温介质容器的入口端通过安装法兰与试验现场放液管路连接，低温介质容器的出口端连接有输送管道。本实用新型解决了现有的低温介质的流量测量误差太大、不精准的技术问题，通过现场真实介质放液，利用分节式电容液位计对涡轮流量计进行现场真实介质的原位校准，得到涡轮流量计真实介质校准数据，进而保证试验过程中低温介质流量的准确测量，以满足发动机性能参数的评估要求。

Description

在低温介质的大流量下校准涡轮流量计的系统

技术领域

本实用新型涉及在低温介质的大流量下校准涡轮流量计的系统。

背景技术

飞行器发动机的比冲是其推力与所消耗推进剂质量的比值，是评价主动力发动机关键参数之一，与飞行器有效载荷计算、推进剂加注量等直接相关，而发动机推力和推进剂流量都是通过大量的地面热试车数据对理论模型的不断修正得到的。

低温介质发动机的推进剂为低温介质和燃料，其中低温介质的温度为零下上百度，例如液氧煤油发动机的推进剂为液氧和煤油，其中液氧温度-183.5℃；由于剧烈的换热以及设备材料低温下特性变化，这样就会使得精确获取低温介质的流量存在很大难度。现有的针对低温介质发动机的试验中，一般都是采用DN300涡轮流量计进行低温介质的流量测量。但是目前尚无条件使用真实介质对该涡轮流量计进行校验。因此，使用涡轮流量计实验室水校验系数进行数据处理，但实验室校验用水介质的温度、粘度与试验过程中所用真实介质低温介质的温度、粘度存在较大差异；另外，实验室校验环境、流量传感器安装状态与试验现场安装状态存在区别，很多因素都会给流量测量带来误差。而真实试验中，低温介质的流量很高，例如液氧低温介质流量高达近600kg/s，由于校验系统能力限制，水介质校验范围无法满足校准要求，对校验结果带来额外影响，导致测量的流量不精准。

发明内容

为了解决现有的低温介质的流量测量误差太大、不精准的技术问题，本实用新型提供一种在低温介质的大流量下校准涡轮流量计的系统，通过现场真实介质放液，利用分节式电容液位计对涡轮流量计进行现场真实介质的原位校准，得到涡轮流量计真实介质校准数据，进而保证试验过程中低温介质流量的准确测量，以满足发动机性能参数的评估要求。

本实用新型的技术解决方案：

在低温介质的大流量下校准涡轮流量计的系统，其特殊之处在于：包括低温介质容器，分节式电容液位计、多个温度传感器以及至少一个涡轮流量计，

所述分节式电容液位计设置在低温介质容器中，所述多个温度传感器沿低温介质容器轴向设置在低温介质容器中，所述低温介质容器的入口端通过安装法兰与试验现场放液管路连接，所述低温介质容器的出口端连接有输送管道，所述涡轮流量计设置在输送管道上，设置有涡轮流量计的输送管道的对应位置设置有温度传感器。

上述涡轮流量计为三个，三个涡轮流量计依次设置在输送管道上。

本实用新型所具有的优点：

1、本实用新型使用分节式电容液位计对涡轮流量计进行现场校准，消除了温度、粘度、安装环境等因素对涡轮流量计性能的影响，获得了大流量条件下，涡轮流量计真实介质校验系数，进而就可以准确获得低温介质流量。

2、采用本实用新型校准系统对涡轮流量计进行校准，平均流量测量系统精度为±0.65％，以此为校准源，对涡轮流量计测量精度进行评估，测量精度优于1％。从多次试验数据来看，试验过程测量值与设计值保持一致，为飞行器总体提供了准确的发动机性能参数。

附图说明

图1为本实用新型校准系统的结构示意图；

图2为本实用新型分节式电容液位计波形图。

其中附图标记为：1-安装法兰，2-低温介质容器，3-分节式电容液位计，4-温度传感器，5-涡轮流量计。

具体实施方式

如图1所示，在低温介质的大流量下校准涡轮流量计的系统，包括低温介质容器2，分节式电容液位计3、多个温度传感器4以及至少一个涡轮流量计5，分节式电容液位计3设置在低温介质容器2中，多个温度传感器4沿低温介质容器2轴向设置在低温介质容器2中，低温介质容器2的入口端通过安装法兰1与试验现场放液管路连接，低温介质容器的出口端连接有输送管道，涡轮流量计5设置在输送管道上，设置有涡轮流量计的输送管道的对应位置设置有温度传感器。一般为了测量的精准，涡轮流量计为三个，并且三个涡轮流量计依次设置在输送管道上。

实施例：

为了获得试验过程中的精确液氧流量数据，试验台建立了相应的液氧流量，原位校准系统。包括对液氧容器进行轴向容积标定，进行体积、温度、压力修正，安装高精度分节式电容液位计于液氧容器中，同时在液氧容器轴向和涡轮流量计周边安装多个低温温度传感器，通过试验现场真实介质放液，利用分节式电容液位计对涡轮流量计进行现场真实介质的原位校准，得到涡轮流量计真实介质校准数据，进而保证试验过程中液氧流量的准确测量，以满足火箭总体对发动机性能参数的评估要求。

使用真实介质液氧进行多次放液，放液流量范围覆盖发动机工作不同工况液氧流量，利用分节式电容液位计获得体积流量，通过温度测量间接得到相应位置和时间段的液氧密度，根据质量守恒原理，获得DN300液氧涡轮流量计的校验系数。

试车过程中，测量系统实时获取液氧供应管路分节式电容液位计输出波形的频率(如图2所示)，根据相应涡轮流量计的校验系数，得到发动机工作过程的液氧流量。

分节式电容液位计的设计

制作分节式电容液位计，涵盖容器上、下封头，液位计由内筒、外筒、绝缘层、接线端子、外引线等组成，总长度8.3米。随着容器内液位的变化，内筒、外筒构成电容的电容值会随着变化，通过电容变换器，将电容变化转换为电压的变化，并进行整形、放大处理，以保证电压值大小满足采集系统信调板件输入信号幅值要求。如图2所示，某一时间段内容器内流出介质体积的变化，可以通过测量得到的三角波的变化表示。

液氧容器的容积标定和修正

由于发动机试验区条件限制，加上成本考虑，计量单位一般在常温、常压条件下，使用水介质对所用容器进行容积标定，试车台液氧容器的标定也采用了这种方法，给出液氧容积数据时，未考虑温度、压力等因素的影响。然而在实际使用中，液氧注入后，因为温度、压力的变化，容器会发生形变，同时，由于分节式电容液位计安装于容器中，也会占据一定的容积，因此，在容器装载有介质的条件下，同一高度的容器容积与常温、常压状态下有差异，为了提供某一时间段内的准确液氧体积，需在低温、承压条件下对容器的容积进行修正，获得真实条件下的液氧体积。容器容积修正公式见(1)：

V＝V₂₀[1-(2α₁+α₂)(t-20)]    (1)

式中：V-低温状态下的容积，m³；

V₂₀-容量表所示20℃时常压下的容积，m³；

α₁-容器材料的线性膨胀系数；

α₂-液面计材料的线膨胀系数；

α₁、α₂取标定温度20℃和试验时液氧温度的平均值，℃；

t-液体平均温度，℃。

涡轮流量计现场原位大流量校准

涡轮流量计为体积流量测量传感器。发动机试验过程中，涡轮流量计测量质量流量传感器算公式见(2)：

q_mo＝ρ(α+bf)    (2)

式中：q_mo-液氧流量，kg/s；

ρ-液氧密度，kg/m³；

α-校验截距；

b-校验斜率；

f-试验过程中，涡轮流量计输出频率值，Hz。

平均流量测量系统由分节式电容液位计、电容变换器等构成，它也是体积流量测量传感器，其体积流量测量方法见公式(3)：

$q_V=\frac{V_1-V_2}{t_2-t_1}---\left(3\right)$

式中：V₁-t₁时刻对应液氧体积，m³；

V₂-t₂时刻对应液氧体积，m³。

根据质量守恒原理进行现场原位校准，即在某一时间段内，流出液氧容器的液氧流量与流经涡轮流量计的液氧流量质量相等，见公式(4)：

q_mo＝q_v·p_V    (4)

通过测量液氧容器内以及涡轮流量计处的液氧温度，获得液氧容器以及涡轮流量计处的液氧密度，通过多次放液数据，对涡轮流量计进行现场原位真实介质校准，利用最小二乘法，获得涡轮流量计校验系数，见公式(5)：

ρ_mo(α_mo+b_mof)＝q_v·p_V    (5)

式中：p_mo-涡轮流量计处液氧密度；

α_mo-现场原位校准得到的截距；

b_mo-现场原位校准得到的斜率；

p_v-容器内液氧密度。

密度测量：对于液氧密度测量目前基本都采用间接测量法，即通过测量液氧温度，间接得到密度的方法。在-183℃附近，液氧温度每变化1℃，带来密度的变化约为0.44％，为了提高液氧密度测量精度，必须保证液氧温度测量的准确性。对铜-康铜热电偶、铂电阻等低温温度传感器测量精度进对比，选择了铂电阻，在液氧温度，其测量精度为±0.51℃，远远高于铜-康铜热电偶等类型传感器。再从测量方法、校验方法等方面进行研究，在同样的条件下，测温用铂电阻与低温标准传感器进行对比，温度误差小于±0.3℃，保证了液氧温度的准确测量。

使用分节式电容液位计对涡轮流量计进行现场校准，消除了温度、粘度、安装环境等因素对涡轮流量计性能的影响，获得了大流量条件下，涡轮流量计真实介质校验系数，进而获得了准确的液氧流量。

对影响平均流量测量系统测量精度的各种因素进行分析，按照误差合成理论进行合成，平均流量测量系统精度为±0.65％，以此为校准源，对涡轮流量计测量精度进行评估，测量精度优于1％。从多次1200kN液氧/煤油发动机双机试验数据来看，试验过程测量值与设计值保持一致，为火箭总体提供了准确的发动机性能参数。

Claims (2)

1.在低温介质的大流量下校准涡轮流量计的系统，其特征在于：包括低温介质容器，分节式电容液位计、多个温度传感器以及至少一个涡轮流量计，

所述分节式电容液位计设置在低温介质容器中，所述多个温度传感器沿低温介质容器轴向设置在低温介质容器中，所述低温介质容器的入口端通过安装法兰与试验现场放液管路连接，所述低温介质容器的出口端连接有输送管道，所述涡轮流量计设置在输送管道上，设置有涡轮流量计的输送管道的对应位置设置有温度传感器。

2.根据权利要求1所述的在低温介质的大流量下校准涡轮流量计的系统，其特征在于：所述涡轮流量计为三个，三个涡轮流量计依次设置在输送管道上。

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