一種低溫液體推進劑流量測量及液位監測系統

丁博深 楊金龍 李艷艷

一種低溫液體推進劑流量測量及液位監測系統

丁博深 楊金龍 李艷艷

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

以某液氫/氧火箭發動機試驗臺建立為背景，介紹一種高精度低溫液體推進劑（液氫/氧）穩態體積流量測量及液位監測系統。該系統由推進劑貯箱、分節電容液面計、二次儀表、采集設備等構成。改進現有系統，使其除了具有獲取發動機工作過程中推進劑穩態體積流量的功能外，還能夠在推進劑加注時實時監測貯箱內的液位，為推進劑加注操作過程提供依據。重點闡述了大容積推進劑貯箱的標定方法及標定過程中需要注意的問題。經分析及試驗驗證，該系統實時液位監測精度可達到3%，對液氫/氧穩態體積流量測量的精度分別可達0.539%和0.457%。

穩態體積流量；液位監測；貯箱標定；測量不確定度

1 引言

以液氫/氧低溫介質為推進劑的火箭發動機地面試驗中，液氫/氧穩態質量流量對發動機性能的評估具有十分重要的意義。穩態質量流量由穩態體積流量乘以密度得到，而密度一般可通過測量液氫/氧的溫度和壓力查表獲得。液氫/氧穩態質量流量的測量目標為獲得穩態體積流量，穩態體積流量由單位時間內貯箱內下降的液位乘以貯箱的截面積得到，其中，液位是通過分節電容液面計測出的，貯箱的截面積是通過貯箱的標定得出的。因此，貯箱內氫/氧的液位對發動機試驗至關重要。此外，液位是控制加注速度及加注量的主要依據，也為防止氣蝕關機提供重要監視。目前，穩態流量測量系統在發動機試驗時測得的體積流量非常精確，但用它實時監測加注液位時，由于貯箱還未冷透，液面波動較大，無法監測液位[1]。基于此建立一種既可精確測量發動機試驗時的穩態體積流量，又可監測加注時液位的穩態體積流量測量系統很有意義。

2 穩態體積流量測量系統組成及改進

穩態體積流量測量系統的核心是分節電容液面計和電容液位變送儀，改進后除可提供發動機工作過程中體積流量計算所需信息外，還可提供加注過程中液氫/氧的液位信息。

2.1 體積流測量系統組成

穩態體積流量測量系統主要由貯箱、分節電容液面計、電容液位變送儀、數據采集設備組成，如圖1所示。

圖1 穩態體積流量測量系統組成

2.1.1 貯箱

貯箱是液氫/氧推進劑的貯存裝置，圓柱體結構，兩端為半圓形封頭，材質為不銹鋼，立式安裝。上封頭開孔處裝入分節電容液面計，下封頭開孔處與發動機相連接，為發動機提供液氫/氧的同時，也是液氫/氧的加注口。

2.1.2 電容液面計

圖2 穩態流量信號輸出形式

分節式電容液面計是在電容液面計基礎上改進而來的，其外管被分割成相鄰的高度相同/互相絕緣的若干節，為電容的一極，另一極為內管。將外管奇、偶數節分別連接在一起，奇數節（與內管）電容記為1，偶數節（與內管）電容記為2，兩個電容作為電橋相鄰兩臂。在加注或泄出過程中，奇偶節電容隨著氣液相轉變，獲得如圖2所示的三角波。其中，各極值點與奇偶節間的交界處相對應，觀測三角波數，即可判斷液位高度。

2.1.3 電容液位變送儀

電容液位變送儀將電容的變化轉化為交流電壓的變化，再通過檢波器轉換成模擬直流電壓值輸出。

2.1.4 采數據采集設備

數據采集設備由采集工控機和前端采集器構成，電容液位變送儀將電壓信號輸入到Cbook2001E前端采集器，采集器將模擬信號轉為數字信號，再經過光纖收發器轉換為光信號遠傳到采集工控機。采集工控機用LabVIEW開發的采集軟件采集，該軟件還有液位、三角波顯示及數據存盤功能。

2.2 測量系統改進

2.2.1 液位實時監測

在發動機工作過程中，貯箱已經完全預冷，液位下降平穩，通過上述三角波電壓信號計算穩態體積流量容易實現，但該方法難以用于推進劑加注過程中的實時液位監測，原因在于加注過程中，貯箱內的氣液分界附近始終處于劇烈的沸騰狀態，三角波電壓1將變得雜亂難辨。此外，受閥門動作導致液位較大波動，加注和泄出都產生三角波，通過人工或軟件判斷加注量難以實現。

因此求得分節電容液面計實時總電容，即將奇、偶節電容之和作為液位檢測的依據，是最為合理可行的實現方案。將奇數節、偶數節電容實時求和后的電容變換為總液位信號，相當于將分節電容液面計作為連續電容液面計使用。根據發動機試驗驗證，連續電容液面計測量精度可達到3%以內[2]，可以滿足實時液位監測的要求。即變送電路同時分別測量得到如圖2、圖3所示的兩種變換信號，電壓2用來監測液位，實際上，液位高位變化速率不可能始終保持恒定，相應輸出波形只是近似呈線性。

圖3 液位電壓輸出信號

通過上述改進后，穩態體積流量測量系統在液氫/氧加注時具有液位實時監測功能。經過多次液氮調試比對，改進后的穩態體積流量測量系統液位實時監測的精度可達到±3%。

2.2.2 電容液位變送儀

圖4 電纜分布電容抑制基本原理

分節電容液面計的輸出電容量級約幾nF，對于配套使用電容復制比液位變送儀而言，由于所處位置與貯箱內分節電容液面計距離較遠，受長電纜帶來的分布電容等雜散因素影響，要將微小電容變化從大本底電容中精確、實時提取并穩定放大的實現難度很大。分節電容液面計輸出的最小差動電容在全氣-液態下的最大變化僅約6pF，而1m長的低電容電纜的分布電容也接近100pF。當電容液位變送儀與貯箱內分節電容液面計距離近百米時，有用信號則完全被淹沒。本系統中的電容液位變送儀采用長線測量抑制技術，有效地消除了線纜分布電容的干擾，原理如圖4所示。激勵源s驅動待測電容的一個電極，另一電極連接運算放大器A的反相輸入端，C1、C2為線纜分布電容，C、s分別代表待測電容和固定大小的參考電容。當正弦波信號源內阻與C1的抗相比足夠小時，C1影響可忽略，而運算放大器A的反相輸入端處于“虛地”狀態時，C2兩端的電位相等，從而達到了消除線纜分布電容干擾的目的。

3 大容積貯箱標定

在發動機工作過程中為獲得穩態體積流量，要精確獲得貯箱對應的截面積。由圖1可知，貯箱需要標定的部分為貯箱的直線段，即與分節電容液面計相配合工作的部分。

3.1 穩態體積流量計算

根據文獻[3]的規定，液體火箭發動機試驗體積流量的不確定度由貯箱標定不確定度、液位差測量不確定度和時間測量不確定度構成。穩態體積流量計算如式（1）所示。

式中：q——低溫介質的穩態體積流量；1——1時刻三角波峰對應的體積；2——2時刻三角波峰對應的體積；Δ——計算穩態體積流量的時間段；——1至2時刻對應分節電容液面計的節數；S——第節分節電容液面計對應貯箱的截面積；h——第節分節電容液面計的高度，精確加工及嚴格篩選后，可認為每一節的高度相同，即1＝2…=h=。

由式（1）可知，精確測得貯箱截面積S十分重要，也是研究重點之一。

3.2 貯箱截面積標定方法

貯箱容積誤差來源主要由生產制造、貯箱變形和標定介質計量等誤差構成[4]。需要標定液氫/氧貯箱屬于大容積貯箱（容積10m3/4m3，高約5m），對其精確標定困難較大。分別闡述標定要求、方法及標定過程需要注意的問題。

3.2.1 貯箱標定要求

圖5 推進劑貯箱標定示意圖

為滿足精度要求，對液氫/液氧貯箱的標定制定了詳細的要求，液氫/液氧貯箱的標定示意圖如圖5所示。

a. 由于貯箱高超過5m以上，應對整個貯箱直線段進行分段標定，避免累積不確定度放大；

b. 使用純凈水為標定介質，每段標定5次（根據數據重復性決定是否增加標定次數），便于不確定度計算；

c. 為保證標定精確性，標定貯箱安裝的垂直度要求很高，確定方法為由上法蘭口引出鉛垂線，確保鉛垂線與貯箱直線段上端、下端距離之差小于10mm；

d. 標定結束后，使用衡量法，在貯箱直線段上隨機取若干個100mm液位差的水，稱其質量，通過溫度，密度換算為體積來標定符合。

3.2.2 標定步驟

貯箱標定步驟流程圖如圖6所示。

圖6 貯箱標定流程

確定貯箱直線段起止位置：貯箱直線段的起止位置可直接由設計圖紙上獲得，但在實際制造過程中會有5%～10%的誤差，因此，在確定直線段起止位置時，為其確保直線段起止位置正確，在滿足貯箱實際使用的前提下適當調整。

分割貯箱直線段：根據文獻[5]中“標準量筒與被標定的貯箱的容積比不大于1:10”的要求，結合貯箱直線段實際情況，使用1000L標準量筒對氫貯箱的直線段分段，不足1000L的部分，可使用500L、200L等不同容積標準量筒確定其容積。

衡量法復核：是在貯箱中隨機抽取若干段液位差為100mm的標定水，稱量水的質量，通過溫度、密度計算出該段水的體積，計算出每毫米分度值后，與之前標定的結果相比較。

4 穩態體積流量測量不確定度評估

由式（1）可知，穩態體積流量的不確定度由貯箱標定不確定度、液位差測量不確定度和時間測量不確定度構成。使用分節電容液面計測量液位差，因此其測量不確定度受到分節電容液面計裝配時每一節長度測量及分節電容液面計放入低溫介質時熱膨脹系數引入不確定度的影響。試驗的時基信號由標準時基裝置提供，因此時間測量不確定度由標準時基裝置和采集系統判讀的不確定度構成。通過計算，穩態體積流量測量的合成標準不確定度[3]為：液氫0.539%、液氫0.457%。

5 結束語

介紹一種高精度低溫液體推進劑穩態體積流量測量及液位監測系統，并在現有測量系統基礎上改進，使得穩態流量測量系統在精確測量發動機試驗穩態體積流量的同時，具備液氫/氧推進劑加注過程液位實時監測的功能。詳細介紹了大容積低溫貯箱的標定方法及不確定評估，該標定方法的準確性為型號試驗提供了有力保障。

1 耿衛國. 高精度低溫介質穩態質量流量、液位自動測量系統[J]. 低溫工程，2001(1)：6～10

2 于海磊，陳鋒. 低溫推進劑液位監測系統設計[J]. 火箭推進，2010(3)：54～57

3 QJ1789.3—2011. 液體火箭發動機試驗測量不確定度評定[S]

4 馬鍵，童飛. 貯箱容積偏差及測量精度分析[J]. 火箭推進，2013(1)：41～45

5 JJG259—2005. 標準金屬量器檢定規程[S]

A Measurement System of Cryogenic Liquid Propellant Flowrate and Liquid Level Monitoring

Ding Boshen Yang Jinlong Li Yanyan

(Beijing Institute of Aerospace Testing Technology, Beijing 100074)

Based on the establishment of a liquid LHx/LOx rocket engine test bed, the paper introduces a kind of high precision cryogenic liquid propellant (liqiud LHx/LOx) steady state volume flowrate measurement and liquid level monitoring system. This system includes a propellant tank, a sectionalized liquid level gauge, secondary instrument, and acquisition device etc. On the basis of the existing system, the system can not only obtain the steady volume flow of propellant in the process of engine operation, but also monitor the liquid level in the tank in real time when the propellant is filled, which provides the basis for the propellant filling operation process. This paper focuses on the calibration method of large volume propellant tank and the problems needing attention in the calibration process. Through analysis and verification, the accuracy of real-time liquid level monitoring can reach 3%, and the accuracy of liquid hydrogen / oxygen steady-state volume flow measurement can reach 0.539% and 0.457%.

steady state volume flowrate measurement；liquid level monitoring；tank calibration；uncertainty in measurement

丁博深（1988），碩士，測試計量技術及儀器專業；研究方向：測控技術和測控系統。

2020-03-25