CN106768171A - 空间推进中的深冷介质液位确定方法 - Google Patents

Abstract

用于空间推进中的深冷介质液位确定方法，属于航天测试技术领域，包括安装在深冷介质储罐内的同轴电容传感器、位于储罐外部的变送电路和连接传感器、变送电路的信号连接线；同轴电容传感器包括沿液位变化方向放置，彼此保持同轴心、固定间隔的金属内管、金属外管；信号连接线由内导体、中导体、外导体构成；信号变送电路由具有公共参考点的信号源、消除连接线附带电容影响的阻抗变换器以及输出响应液位高度变化量的检测单元组成。本发明保证了空间推进应用中的传感器电容与液位高度间的线性关系成立，提高测量精度，并节省引出和布置线缆数量、空间及重量。

Description

空间推进中的深冷介质液位确定方法

技术领域

本发明属于航天测试技术领域，涉及一种用于空间推进中的深冷介质液位确定方法。

背景技术

在航天推进领域内，液氢、液氧等运载火箭用低温燃料以及液氦、液氮等预冷、增压用低温介质的准确液位信息获取，具有非常重要的意义。

基于电容式原理的液位传感器具有能量低，响应快，可连续测量，无活动部件等特点，对于上述应用具有独特优势。现有公开的此类液位感测技术，仍存在一定缺陷或不足，难以满足空间推进中的深冷介质液位测量。

现有公开技术CN 2700847 Y“液化天然气液位计传感器”中公开了一种同轴式静电容液位传感器，它采用内筒和外筒结构形成待测静电容，内、外电极分别连接信号线缆的芯线和屏蔽层的结构。由于电子元件不可能处于深冷环境内，必须将检测电路放在深冷贮箱外部。显然，这种电容传感器结构中的芯线与屏蔽层间存在着数值较大的且随温度、位置等因素变化着的附带电容，该不稳定电容叠加在待测传感器电容上，造成不可消除的误差。对于液氦(1.048)、液氢(1.233)等低相对介电常数的空间推进深冷介质，加之实际布置中的线缆长度经常可达数十米，上述影响更加严重，甚至远超过待检测的真实电容变化，无法满足要求。

在申请公开的201210250511.X“分节电容液位传感器测量电路实现方法”中，针对采取细分结构、复杂度高、对可靠性有所影响的电容传感器，通过特定的传感器电极连接方式和前置放大单元中器件工作特性的保证，虽能对连接线附带电容的不良影响有效，但对于一个待测传感器电容的测量，显然需要配备两根独立的信号线缆，难以满足空间推进应用中对于引出和布线数量、空间、重量等方面的严格限制要求。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提供一种用于空间推进中的深冷介质液位确定方法。

本发明为实现上述目的采用以下技术方案：

空间推进中的深冷介质液位确定方法，包括安装在深冷介质储罐内的同轴电容传感器、位于储罐外部的变送电路和连接传感器、变送电路的信号连接线；同轴电容传感器包括沿液位变化方向放置，彼此保持同轴心、固定间隔的金属内管、金属外管；信号连接线由内导体、中导体、外导体和绝缘材料构成；信号变送电路，由具有公共参考点的信号源、消除连接线附带电容影响的阻抗变换器、检测单元组成；其中，信号连接线内导体在传感器端连接传感器金属内管，内导体另一端受变送电路的信号源作用并且连接阻抗变换器输入；中导体在传感器连接端浮空，另一端连接信号变送电路中阻抗变换器输出；外导体在传感器端连接金属外管，外导体另一端连接公共参考点；检测单元输出响应液位高度变化的电学参量；

内导体被中导体所包围，内、外导体间由内绝缘层隔开，中导体被外导体包围，中、外导体间由外绝缘层隔开；

公共参考点是信号源、阻抗变换器、检测单元采用的共同信号地。

内绝缘层、外绝缘层的选取材料为聚四氟乙烯。

金属外管2的内直径与金属内管1的外直径之差保持在2.0mm至5.0mm之间；

阻抗变换器输出信号与作用在内导体上的激励信号幅度大小、频率、相位相同；

检测单元输出响应液位高度变化的电学参量包括交流电压、直流电压、直流电流信号、频率信号的任意一种。

本发明的有益效果：

一、不受信号连接线长度以及形状、温度变化影响，提高测量精度及稳定性；二、可作为独立模块用于现有测量装置，实现性能改善。三、节省引出和布置线缆数量、空间及重量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，包括：1内管、2外管、3内导体、4中导体、5外导体、6激励源、7阻抗变换器、8检测单元、9公共参考点。

图2为信号连接线的结构示意，包括：3内导体、4中导体、5外导体、10内绝缘层、11外绝缘层。

图3为传感器液位确定的原理示意。

图4为附带电容对实际测量的影响示意。

图5为变送电路的一个典型具体实例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步具体说明：

如附图1所示，用于空间推进中的深冷介质液位确定方法，包括安装在深冷介质储罐内的同轴电容传感器、位于储罐外部的变送电路和连接传感器、变送电路的信号连接线。同轴电容传感器包括沿液位变化方向放置，彼此保持同轴心、固定间隔的金属内管1、金属外管2。信号连接线由内导体3、中导体4、外导体5和绝缘材料构成。信号变送电路由具有公共参考点9的信号源6、消除连接线附带电容影响的阻抗变换器7以及检测单元8组成。其中，信号连接线内导体在传感器端连接传感器金属内管，内导体另一端受变送电路的信号源作用，并连接信号源输出作为阻抗变换器输入；中导体在传感器连接端浮空，另一端连接信号变送电路中阻抗变换器输出；外导体在传感器端连接金属外管，外导体另一端连接公共参考点；检测单元输出响应液位高度变化的电学参量。

金属内管1与金属外管2同轴安装，彼此保持固定间隔，形成同轴圆柱电容器。较佳地，金属外管2的内直径D2与金属内管1的外直径D1之差保持在2.0mm至5.0mm之间，金属内管1与金属外管2的长度大于300mm，待检测电容及其变化值较适合检测，同时避免杂质意外短路以及保证液体在内、外管之间顺利流通。

如图2所示，信号连接线具有三层同轴结构，内导体3被中导体4所包围，内、外导体间由内层绝缘材料10隔开，中导体4被外导体5包围，中、外导体间由外层绝缘材料11隔开。内、外绝缘层材料为适用于深冷环境的聚四氟乙烯。

用于深冷介质液位确定的同轴电容传感器属于变介电常数型电容传感器，即根据待检测上方为气相介质常数和液相介质介电常数之间的差异进行检测，现结合图3进行原理说明。

令金属外管内径为b，金属内管外径a，气态介质的介电常数为k1，液态介质的介电常数为k2，金属内、外管有效长度，即最大检测高度为H。则当液位高度为h时，根据变介电常数型电容传感器理论，测得传感器电容Cm可用下式计算：

显然，对于确定的传感器和待测介质，a、b、k1、k2、H等参量均固定，Cm与液态介质的液位高度h成线性关系，只要通过检测手段得到与Cm呈一一对应关系的常见电信号，如电压、电流、频率等易处理类型信号，即可完成介质液位信息的确定。

然而，上述计算考虑的是感知液***置变化的传感器有效电容，未考虑实际测量条件下，从传感器到变送电路的信号连接对液位确定的影响。如图4所示，大小随温度、位置等因素变化着的连接线附带电容Cx对实际测量的影响在于与传感器有效电容相并联，即与Cm叠加。这样，原本的线性关系将不再成立，且由于Cx本身的不确定性，检测到的电容信号也无法经处理得到可用的液位信息。

图5中，运放A1与电容C1、C2、R1、R2、R3、R4组成了文氏正弦波振荡器。当满足关系：R1＝R2，C1＝C2，R4≥2R3时，A1可相对于公共参考点输出正弦波信号，记为Vs。

波信号频率f由计算得出。

输出的正弦波信号送入A2的同相输入端。经过运放A2“虚拟短路”的作用，同相输入端电压与反相输入端电压始终相同，即相当于激励源在A2反相输入端与信号连接线的变送电路端内导体连接，也就是与电容传感器的金属内管相连。连接电容传感器金属外管的连接线外导体的变送电路端连接公共参考点。

因此，待检测电容Cm位于运放A2的反相输入端和公共参考点之间，运放A2的反相输入端和输出端之间设置电容Cs，则构成同相比例运算电路作为检测单元。将A2的输出电压记为Vout，则有：

所以，检测单元的输出电压为与激励信号同频率的正弦波信号，且幅值与Cm成线性关系。由于消除了不确定大小电容Cx的影响，即Cx等效为0，故在该式中检测单元输出信号幅值与液位间的线性关系得以成立。至此，已经得到响应液位高度变化的可使用电学参量。如有必要，还可采取整流滤波，将此交流电压信号进一步变为直流电压，若再经V-F变换得到频率量，这些均是业内熟知且极易实现的通用常见技术。诸如此类后续处理环节可认为检测单元的组成部分。

运放A3选用高速大电流型运算放大器。A3的同相输入端连接A2的反相输入端，即相当于将激励信号引入，并且将反相输入端和输出端连接形成跟随器。加之A3具有高速大电流特性的保证，中导体可得到与加在内导体上的激励信号，幅度大小、频率、相位始终相同的信号，中导体和外导体之间的连接线电容，只是作为高速大电流型A3的负载而驱动，不对检测单元带来影响。由于不存在电位差，信号连接线的内导体和中导体之间不产生充放电效应，即二者间的连接线电容等效为0。

以上所述的是本发明的优选实施方式，并不局限于此。例如，激励源也可用专门信号发生芯片或直接数字合成等方式产生。

本发明提供的是一种用于空间推进中的深冷介质液位确定方法，其性能改善的实现具有较为普遍的适用性。对本技术领域内人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，可以做出若干润饰和改进，亦应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.空间推进中的深冷介质液位确定方法，其特征在于：包括安装在深冷介质储罐内的同轴电容传感器、位于储罐外部的变送电路和连接传感器、变送电路的信号连接线；同轴电容传感器包括沿液位变化方向放置，彼此保持同轴心、固定间隔的金属内管1、金属外管2；信号连接线由内导体3、中导体4、外导体5和绝缘材料构成；信号变送电路，由具有公共参考点9的信号源6、消除连接线附带电容影响的阻抗变换器7、检测单元8组成；其中，信号连接线的内导体3在传感器端连接传感器金属内管1，另一端受变送电路的信号源6作用并且连接阻抗变换器输入；中导体4在传感器连接端浮空，4另一端连接信号变送电路中阻抗变换器7输出；外导体5在传感器端连接金属外管2，另一端连接公共参考点9；检测单元8输出响应液位高度变化的电学参量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的内导体被中导体所包围，内、外导体间由内绝缘层隔开，中导体被外导体包围，中、外导体间由外绝缘层隔开。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的公共参考点是信号源、阻抗变换器、检测单元采用的共同信号地。

4.根据权利要求1、2所述的方法，所述的内绝缘层、外绝缘层的选取材料为聚四氟乙烯。

5.根据权利要求1所述的方法，所述的金属外管2的内直径与金属内管1的外直径之差保持在2.0mm至5.0mm之间。

6.根据权利要求1所述的方法，所述的阻抗变换器输出信号与作用在内导体上的激励信号幅度大小、频率、相位相同。

7.根据权利要求1所述的方法，所述的检测单元输出响应液位高度变化的电学参量包括交流电压、直流电压、直流电流信号、频率信号的任意一种。