CN107131931A - 姿控发动机高温推进剂稳态流量原位校准装置及校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种姿控发动机高温推进剂稳态流量原位校准装置及校准方法,该校准装置包括推进剂供应装置、高低温箱、称重回收装置、控制***以及测量***;推进剂供应装置用于根据待校准质量流量计的流量要求为校准***提供流量、压力以及温度稳定的推进剂供应;高低温箱根据待校准质量流量计校准要求对推进剂供应装置进行加热;称重回收装置用于对校准设定时间内流过质量流量计的推进剂进行称重和回收;控制***用于对推进剂供应装置、高低温箱以及称重回收装置进行控制和调节;测量***对数据进行采集处理。采用该装置可有效减小介质温度、密度等对质量流量计测量结果的影响,提高流量测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及航天发动机试验,具体涉及一种姿控发动机高温推进剂稳态流量原位校准装置及校准方法。
背景技术
目前液体火箭姿控发动机试验中使用的质量流量计多采用计量部门标校的流量计参数和精度作为准确性依据,现场标校和使用往往存在较多不确定因素无法排除,且计量部门标校流量计使用的介质与试验现场试车时使用的介质物理特性、温度、黏度均不同,校验的流量计和使用环境也存在差异,这些因素均会影响小流量测量的准确性,造成姿控发动机稳态小流量测量的技术难题。
液体姿控发动机试验现场使用的质量流量计主要用于测量肼类、氮氧化物液体介质供应流量,其密度、黏度与流量计校验部门实验室采用的水介质性质偏差大,试验介质一般有剧毒、易挥发、强腐蚀的特性,容易引入***误差,此外,试车任务需求推进剂温度较高时,推进剂的密度、粘度等物理参数都随温度变化而变化,由此引入的***误差更大,严重影响流量测量的准确性。
因此,针对液体姿控发动机试验现场使用的质量流量计实验室校准和现场使用的介质、温度、环境等条件的差异而引起的测量误差,需要对液体姿控发动机试验用质量流量计进行高温推进剂原位校准,获得试验现场的校准系数,消除由校准介质和温度的影响。
发明内容
为了消除由于介质差异、温度变化、环境变化等因素对液体姿控发动机试验现场使用的质量流量计现场校准测量带来的影响,本发明提供一种姿控发动机高温推进剂稳态流量原位校准装置及校准方法。
本发明的具体技术方案是:
本发明提供了一种姿控发动机高温推进剂稳态流量原位校准装置,包括推进剂供应装置、高低温箱、称重回收装置、控制***以及测量***;
推进剂供应装置与待校准质量流量计的入口连通;称重回收装置与待校准质量流量计的出口连通;
推进剂供应装置用于根据待校准质量流量计的流量要求为校准***提供流量、压力以及温度稳定的推进剂供应;推进剂供应装置位于高低温箱内,高低温箱根据待校准质量流量计校准要求对推进剂供应装置进行加热;
所述称重回收装置用于对校准设定时间内流过质量流量计的推进剂进行称重和回收;
所述控制***用于对推进剂供应装置、高低温箱以及称重回收装置进行控制和调节;
所述测量***对压力传感器、电子秤、温度传感器以及待校准质量流量计的数据进行采集处理。
具体来说,称重回收装置包括放置平台、电子秤、电子秤高度调节装置、换向阀、推进剂回收容器、推进剂称重贮箱、放气回收罐、单向阀以及多根连接管路;
推进剂回收容器和放气回收罐均固定安装在放置平台上;
推进剂称重贮箱包括上部箱本体和下部连接底座;下部连接底座上端与上部箱本体固连,下部连接底座的下端面与放置平台的上表面接触;
放置平台上开设有一个凹坑,凹坑的开设位置正对下部连接底座并且凹坑的尺寸小于下部连接底座的下端面的尺寸,凹坑内放置电子秤;电子秤高度调节装置用于调节电子秤上升将整个推进剂称重贮箱脱离放置平台上表面;
上部箱本体的推进剂入口与推进剂回收容器均与换向阀连接;换向阀与外部推进剂供应***通过连接管路连通,上部箱本体的推进剂出口通过连接管路与单向阀入口连通,单向阀出口通过连接管路与放气回收罐连通。
上述称重回收装置还包括废气回收气囊;所述废气回收气囊与放气回收罐连通;废气回收气囊选用壁厚较大的大号气球或橡胶气囊;
上述称重回收装置还包括用于调节放置平台水平度的多个水平调节装置;水平调节装置包括手轮、长螺柱以及定位胶套;
手轮固定安装在长螺柱一端,长螺柱垂直穿过放置平台后的一端安装定位胶套,定位胶套与地面接触;长螺柱垂直穿过放置平台的部分与放置平台螺纹连接;
上述称重回收装置还包括垂直固定安装在放置平台上的固定支架;所述单向阀、换向阀以及连接管路均固定于固定支架上。
具体来说,上述电子秤高度调节装置为四个,分别位于电子秤的四个角;电子秤高度调节装置包括电子秤支撑板、螺杆以及手柄;电子秤放置在支撑板上,支撑板的四角分别设有第一螺孔,放置平台开设有与支撑板上第一螺孔位置相同的第二螺孔,螺杆的上端固定安装手把,螺杆的下端自上而下依次穿过第一螺孔和第二螺孔。
上述上部箱本体的推进剂入口与换向阀之间,推进剂回收容器与换向阀之间以及上部箱本体的放气口与单向阀入口之间的连接管路均采用螺旋管;
具体来说,上述推进剂供应装置包括推进剂贮箱、放气管路、第一手动截止阀、放气电磁阀、增压管路、第二手动截止阀、单通道压力控制器、第一供应管路、压力传感器、温度传感器、流量调节阀以及第二供应管路;
推进剂贮箱包括球形罐以及缠绕在球形罐上的伴热带;
放气管路的一端与球形罐连通,另一端与外部空间连通;第一手动截止阀和放气电磁阀并联安装在放气管路上;
增压管路的一端与球形罐连通,另一端与外部空间连通;单通道压力控制器何第二手动截止阀在增压管路上沿增压方向依次安装;
第一供应管路一端与推进剂贮箱连通,另一端与待校准质量流量计入口连通;第一供应管路上沿推进剂的流向依次设置温度传感器、第三手动截止阀、电磁阀以及过滤器;
第二供应管路一端与待校准质量流量计出口连通,另一端与所述换向阀连通;第二供应管路上设置有流量调节阀;
压力传感器安装在球形罐上。
上述控制***包括工控机、实时控制器、驱动电路以及直流稳压电源;
所述工控机与实时控制器相互通讯,在接收实时控制器采集的数据的同时,向实时控制器发送各个阀门的动态控制指令,并完成人机交互;
所述实时控制器通过数字逻辑完成数字I/O控制和温度传感器、压力传感器以及质量流量计测量的信号采集,并通过将信号输出至驱动电路;
所述驱动电路用于完成控制***的启停以及电磁阀驱动和电磁阀电流信号回测;
所述直流稳压电源通过驱动电路向电磁阀、流量调节阀和换向阀供电。
基于上述姿控发动机高温推进剂稳态流量原位校准装置,现对该装置的校准方法进行描述,具体步骤是:
1)状态检查
对推进剂供应装置和称重回收装置的管路进行清洁和气密性检查,确保无多余物并且气密性良好;检查高低温箱、直流稳压电源、实时控制器、驱动电路以及测量***均可正常工作;
2)推进剂加注
校准开始前,根据校准时间和流量要求,确定预计所需推进剂的加注量,加注量必须保证校准过程推进剂用量,向推进剂贮箱注入推进剂;
3)加热状态准备
推进剂加注完成后,将推进剂供应装置移动至高低温箱内,连接待校准质量流量计出口和流量调节阀,关闭高低温箱舱门,设定目标温度进行加热准备;
4)推进剂加热
确认推进剂供应装置密封性良好,无推进剂泄露,称重回收装置、温度传感器、压力传感器以及控制***状态正常后,通过控制***打开伴热带对推进剂贮箱进行加热,温度传感器实时采集推进剂温度,待推进剂温度接近目标值±5℃时,关闭伴热带加热;启动高低温箱对推进剂供应装置进行加热,待推进剂温度到达目标值后,维持高低温箱温度不变;
5)流量原位校准
设置流量校准点以及校准时长并调节流量调节阀,观察待校准质量流量计流入推进剂回收容器的流量,流量达到流量校准点稳定后,改变换向阀流向同时开始计时,并记录电子秤初始值,使推进剂流入推进剂称重贮箱,实时记录待校准质量流量计的流量值,待经过校准时长后,改变换向阀流向并停止计时,等待电子秤读数稳定后记录电子秤终值;
6)计算待校准质量流量计的修正系数a和b;
6.1)设定不同校准点,重复步骤5),根据多次校准过程中获取的电子秤终值、电子秤初始值、校准时长、待校准质量流量计的实时流量数据、校准现场空气密度、推进剂密度从而求得标准流量qs;
式中:qs——标准流量,g/s;
ρα——校准现场空气密度,kg/m3;
ρe——推进剂密度,kg/m3;
Qmi——第i次电子称终值,g;
Qci——第i次电子称初始值,g;
t——计量时间,s;
6.2)计算待校准质量流量计的测量误差Ei;
qz代表待测质量流量计在不同校准点时通过的流量示数;
6.3)计算质量流量计示数平均值;
式中:——待校准质量流量计示数平均值,g/s;
n——待校准质量流量计校准点总数;
6.4)根据不同流量校准点下原位校准所得的标准流量和质量流量计测得的质量流量平均值以及线性拟合得出修正系数a和b:
本发明的工作原理为:
通过增压管路调节推进剂贮箱压力恒定,伴热带以及高低温箱将推进剂温度加热至指定温度并保持温度恒定,推进剂贮箱在恒定压力和温度下为***供应推进剂,流量调节阀通过控制***准确调节推进剂流量,换向阀可改变推进剂流动方向,使推进剂流入推进剂称重贮箱或推进剂回收容器中。校准前推进剂由换向阀流向推进剂回收容器,待推进剂温度和流量稳定一段时间后,控制***控制换向阀启动并触发计时器,推进剂流入推进剂称重贮箱,当达到预定的累积时间时,操作换向阀,使推进剂流向推进剂回收容器,测量***记录电子称数值,即为称重容器一定时间内流入的推进剂总质量,根据同一时间内质量相等的原理,计算得到该时间段内流过质量流量计的准确质量流量。采用质量-时间法可以实现试验用推进剂对质量流量计原位校准。
本发明的有益效果是:
1、本发明采用推进剂供应装置、高低温箱、称重回收装置、控制***、测量***协调工作,减小待校准质量流量计实验室校准与现场使用的介质和环境差异较大对姿控发动机流量测量的影响,显著提高流量测量精度。
2、本发明推进剂供应装置中安装有温度传感器、压力传感器可精确调节校准介质温度、压力,可实现不同温度下的质量流量计稳态流量校准。
3、本发明将推进剂的称重所需要的各个零部件和连接管路均集成在一台可移动的放置平台上,并对推进剂进行了合理的回收,不仅实现了推进剂质量精确测量,并且也有很好的环保性能。
4、本发明的推进剂称重贮箱与推进剂回收容器之间设置换向阀,目的是需要校准流量计时,要达到流量计校准点会经历一段时间,避免该段时间带来的测量误差,通过换向阀将介质回收,即可解决这一问题。
5、本发明装置通过设置废气回收气囊,通过回收罐中的中和液吸收推进剂,并通过废气回收囊收集废气,达到零排放零泄漏的效果,避免因放气导致质量测量精度下降。
6、本发明装置可调节电子秤高度,工作时升起电子秤,工作结束降低电子秤使其非工作期间不受力,避免长期受力影响电子秤测量精度。
7、本发明装置通过螺旋管可减小称重贮箱进出口管路引入的管路约束对推进剂称重的影响,显著提高质量测量精度。
8、本发明装置放气接口设置单向阀进行放气,通过单向阀放气可始终保持称重贮箱压力恒定,进而有利于提高流量稳定性。
9、本发明装置设置了水平调节装置对电子秤进行水平度调节,进一步的增加了测量的精度。
10、本发明装置的控制和测量***可远程控制***阀门和数据采集,可以进行远程自动校准。
附图说明
图1为本发明的结构简图;
图2为称重回收装置的结构简图;
图3为控制***的原理图。
附图标记如下:
1-放置平台、2-电子秤、3-电子秤高度调节装置、31-电子秤支撑板、32-螺杆、33-手柄、4-换向阀、5-推进剂回收容器、6-推进剂称重贮箱、61-上部箱本体、62-下部连接底座、7-放气回收罐、8-单向阀、9-连接管路、10-废气回收气囊、11-万向轮、12-固定支架、13-水平调节装置、131-手轮、132-长螺柱、133-定位胶套、14-推进剂贮箱、15-放气管路、16-第一手动截止阀、17-放气电磁阀、18-增压管路、19-第二手动截止阀、20-单通道压力控制器、21-第一供应管路、22-压力传感器、23-温度传感器、24-流量调节阀、25-第二供应管路、26-第三手动截止阀、27-电磁阀、28-过滤器、100-推进剂供应装置、200-高低温箱、300-称重回收装置、400-待校准质量流量计。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明:
参见图1,本发明提供了一种姿控发动及高温推进剂稳态流量原位校准装置,该装置包括推进剂供应装置100、高低温箱200、称重回收装置300、控制***、测量***;推进剂供应装置100与待校准质量流量计400的入口连通;称重回收装置300与待校准质量流量计400的出口连通;推进剂供应装置100用于根据待校准质量流量计400的流量要求为校准***提供流量、压力以及温度稳定的推进剂供应;推进剂供应装置100位于高低温箱200内,高低温箱200用根据待校准质量流量计400校准要求对推进剂供应装置100进行加热;
一、待校准质量流量计
本发明装置中选用Φ1科里奥利质量流量计为待校准质量流量计4。
二、称重回收装置
参见图2,称重回收装置包括放置平台1、电子秤2、电子秤高度调节装置3、推进剂回收容器5、换向阀4、推进剂称重贮箱6、放气回收罐7、单向阀8及多根连接管路9;
推进剂回收容器4和放气回收罐7均固定安装在放置平台1上;
推进剂称重贮箱6包括上部箱本体61和下部连接底座62;下部连接底座62上端与上部箱本体61固连,下部连接底座62的下端与放置平台1的上表面接触;
放置平台1上开设有一个凹坑,凹坑的开设位置正对下部连接底座并且凹坑的尺寸小于下部连接底座的下端面的尺寸,凹坑内放置电子秤2;电子秤高度调节装置3用于调节电子秤上升将整个推进剂称重贮箱托离放置平台1上表面;
上部箱本体61的推进剂入口与推进剂回收容器5均与换向阀4连接;换向阀4与外部推进剂供应***通过连接管路9连通,上部箱本体61的推进剂出口通过连接管路9与单向阀8入口连通,单向阀8出口通过连接管路9与放气回收罐7连通。
进一步的说,为了使中和后的废气排放大气带来的污染问题,该装置还包括废气回收气囊10;废气回收气囊10与放气回收罐7连通,放气回收罐7内装有推进剂中和液。
电子秤高度调节装置3为四个,分别位于电子秤2的四个角;电子秤高度调节装3置包括电子秤支撑板31、螺杆32以及手柄33;电子秤2放置在支撑板31上,支撑板31的四角分别设有第一螺孔,放置平台1开设有与支撑板31上四个第一螺孔位置相同的四个第二螺孔,螺杆32的上端固定安装手柄33,螺杆32的下端自上而下依次穿过第一螺孔和第二螺孔。
为了避免推进剂腐蚀放置平台,放置平台1为下表面设置有多个带刹车的万向轮11。
为了使电子秤的保证水平称重,从而保证称重精度,该装置还包括用于调节放置平台水平度的多个水平调节装置13;水平调节装置13包括手轮131、长螺柱132以及定位胶套133;
手轮131固定安装在长螺柱132一端,长螺柱132垂直穿过放置平台后的一端安装定位胶套133,定位胶套133与地面接触;长螺柱132垂直穿过放置平台1的部分与放置平台1螺纹连接。
为了减小管路约束对推进剂称重贮箱进行推进剂质量称重时测量精度的影响,上部箱本体61的推进剂入口与换向阀4之间,推进剂回收容器5与换向阀4之间以及上部箱本体61的放气口与单向阀4入口之间的连接管路9均采用螺旋管。
为了使整个装置的连接管路整齐,使得装置的外观美观,该装置还包括垂直固定安装在放置平台1上的固定支架12;所述单向阀8、换向阀4、连接管路9均固定于固定支架12上。
下面对本发明中每个零部件的具体结构和特点进行说明:
1、电子秤选用0.1g感量,35kg量程,外廓尺寸300mm×400mm的高精度电子秤。
2、电子秤高度调节装置中电子秤支撑板、螺杆、手柄材料均选择不锈钢,通过调节螺杆,可调节支撑板高度,进而调节电子秤高度。
3、推进剂回收容器设计为容积15L,工作压力1MPa,材料选用1Cr18Ni9Ti,容器顶部设置放气口、增压口、进液口,底部设置出液口,主要用于称重前后推进剂盛放。
4、推进剂称重贮箱设计为为容积15L,直径300mm,工作压力4MPa,材料选用Ta10,容器顶部设置放气口、增压口、进液口,底部设置出液口,贮箱底部支座底面为环状平板,便于平稳放置于电子秤上,主要用于称重过程收集所需重量的推进剂。
5、放气回收罐主要用于放气过程中推进剂气体的中和吸收,材料选用PTFE,回收罐顶部设置进气口和出气口,底部选用平面结构,密封结构选用法兰连接,使用过程中回收罐内需加一定量的推进剂中和液。
6、废气回收气囊选用壁厚较大的大号气球或橡胶气囊,用于收集从房企回收罐内经过中和处理的推进剂废气,气囊和回收罐采用软管进行连接,气囊固定于称重贮箱顶部,避免废气泄露后,影响推进剂质量称重的测量精度。
7、单向阀用于稳定贮箱压力,与贮箱放气口和放气回收罐入口管路相连。
8、螺旋管用于连接称重贮箱推进剂入口管路和***阀门,以及连接称重贮箱放气口管路与单向阀,主要用以减小管路约束对称重贮箱进行推进剂质量称重时测量精度的影响。
9、放置平台用于将所有称重装置部件集成安装,便于称重装置在试验现场进行移动,放置平台材料均选择1Cr18Ni9Ti,避免推进剂腐蚀移动装置。
三、推进剂供应装置
推进剂供应装置包括推进剂贮箱14、放气管路15、第一手动截止阀16、放气电磁阀17、增压管路18、第二手动截止阀19、单通道压力控制器20、第一供应管路21、压力传感器22、温度传感器23、流量调节阀24以及第二供应管路25;
推进剂贮箱14包括球形罐以及缠绕在球形罐上的伴热带;
放气管路15的一端与球形罐连通,另一端与外部空间连通;第一手动截止阀16和放气电磁阀17并联安装在放气管路15上;
增压管路18的一端与球形罐连通,另一端与外部空间连通;单通道压力控制器20和第二手动截止阀19在增压管路18上沿增压方向依次安装;
第一供应管路18一端与推进剂贮箱14连通,另一端与待校准质量流量计(400)入口连通;第一供应管路18上沿推进剂的流向依次设置温度传感器23、第三手动截止阀26、电磁阀27以及过滤器28;
第二供应管路25一端与待校准质量流量计400出口连通,另一端与换向阀4连通;第二供应管路25上设置有流量调节阀24;
压力传感器22安装在球形罐上。
推进剂供应装置中所有的零部件均集成在一个可移动的小车上,其中,单通道压力控制器可根据测量***采集的压力传感器反馈实际压力值自动调节贮箱压力;推进剂贮箱采用40L钛合金球罐;采用DN6流量调节阀通过控制***进行远程控制,按校准要求通过流量调节阀调节流量大小;压力传感器采用YB1D(6MPa);推进剂供应装置中所有电磁阀选用DN6电磁阀,手动截止阀均采用DN4手动截止阀;推进剂供应装置所有供应管路、阀门和小车等所用材料都采用不锈钢,确保推进剂供应***的耐腐蚀性能。
温度传感器由推进剂贮箱底部接口***推进剂贮箱,根据测量***采集的***式温度传感器反馈的实时温度值,对推进剂温度进行调节,推进剂供应装置整体置于高低温箱内,可通过高低温箱控制推进剂供应装置所处环境温度,先采用伴热带加热对推进剂进行加热,待推进剂温度达到目标值±5℃后,关闭伴热带加热,将高低温箱内部温度设置为目标值,通过高低温箱对推进剂继续加热,直至推进剂温度达到目标值,并在校准过程中始终维持温度恒定。
四、控制***
如图3所示,控制***由包括工控机、实时控制器、驱动电路以及直流稳压电源;
工控机与实时控制器相互通讯,在接收实时控制器采集的数据的同时,向实时控制器发送各个阀门的动态控制指令,并完成人机交互;
实时控制器通过数字逻辑完成数字I/O控制和传感器信号采集,并将传感器信号输出至驱动电路;实时控制器实际中选用NI CompactRIO高可靠测控平台;
驱动电路用于完成控制***的启停以及电磁阀驱动和电磁阀电流信号回测;
直流稳压电源通过驱动电路向电磁阀、流量调节阀和换向阀供电。
五、测量***
测量***选用德国IMC公司的CRONOSflex 2000G数据采集设备,对***相关压力、称重、质量流量计和推进剂温度等参数的进行采集处理。
该校准装置的的校准方法具体步骤是:
步骤1)状态检查
校准装置推进剂供应装置和称重回收装置进行清洁和气密性检查,确保***无多余物并且气密性良好。直流稳压电源向驱动电路、电磁阀、流量调节阀和换向阀供电,确认控制***可完成电磁阀、流量调节阀和换向阀的开关控制。测量***能够实现压力传感器、温度传感器和电子秤等数据采集信号的实时采集,确认数据采集正常。检查伴热带加热和高低温箱加热状态,确保贮箱推进剂加热正常。
步骤2)推进剂加注
校准开始前,根据校准时间和流量要求,确定预计所需推进剂的加注量,加注量必须保证校准过程推进剂用量,准备加注设备,对推进剂贮箱进行推进剂加注。
步骤3)加热状态准备
推进剂加注完成后,将推进剂供应装置移动至高低温箱内,连接质量待校准流量计出口和流量调节阀,通过第一手动截止阀对管路进行气密性检查,确认气密性良好,检查伴热带、温度传感器测量状态,确认温度数据正常,关闭高低温舱门,进行设定目标温度加热准备。
步骤4)推进剂加热
确认推进剂供应***密封性良好,无推进剂泄露,称重回收装置、温度传感器、压力传感器以及控制***状态正常后,通过控制***打开伴热带对推进剂贮箱进行加热,温度传感器实时采集推进剂温度,待推进剂温度接近目标值±5℃时,关闭伴热带加热;启动高低温箱对推进剂供应装置进行加热,待推进剂温度到达目标值后,维持高低温箱温度不变;
步骤5)流量原位校准
通过控制程序设置流量校准点并调节流量调节阀,观察待校准质量流量计流入回收容器的流量,流量达到流量校准点稳定10s后,改变换向阀流同时开始计时,并记录电子秤初始值,使推进剂流入称重贮箱,实时记录待校准质量流量计的流量值,待设置的校准时间300s/600s后,通过控制程序改变换向阀流向并停止计时,待电子秤读数稳定后记录电子秤终值。
步骤6)计算待校准质量流量计的修正系数a和b;
步骤6.1)设定不同校准点,重复步骤5),根据多次校准过程中获取的电子秤终值、电子秤初始值、校准时长、待校准质量流量计的实时流量数据、校准现场空气密度、推进剂密度从而求得标准流量qs;
式中:qs——标准流量,g/s;
ρα——校准现场空气密度,kg/m3;
ρe——推进剂密度,kg/m3;
Qmi——第i次电子称终值,g;
Qci——第i次电子称初始值,g;
t——计量时间,s;
步骤6.2)计算待校准质量流量计的测量误差Ei;
qz代表待测质量流量计在不同校准点时通过的流量示数;
步骤6.3)计算质量流量计示数平均值;
式中:——待校准质量流量计示数平均值,g/s;
n——待校准质量流量计校准点总数;
步骤6.4)根据不同流量校准点下原位校准所得的标准流量和质量流量计测得的质量流量平均值以及线性拟合得出修正系数a和b:
通过获得的修正系数a和b完成对待校准质量流量计的校准。
Claims (10)
1.一种姿控发动机高温推进剂稳态流量原位校准装置,其特征在于:包括推进剂供应装置(100)、高低温箱(200)、称重回收装置(300)、控制***以及测量***;
推进剂供应装置(100)与待校准质量流量计(400)的入口连通;称重回收装置(300)与待校准质量流量计(400)的出口连通;
推进剂供应装置(100)用于根据待校准质量流量计(400)的流量要求为校准***提供流量、压力以及温度稳定的推进剂供应;推进剂供应装置(100)位于高低温箱(200)内,高低温箱(200)根据待校准质量流量计(400)校准要求对推进剂供应装置(100)进行加热;
所述称重回收装置(300)用于对校准设定时间内流过质量流量计的推进剂进行称重和回收;
所述控制***用于对推进剂供应装置、高低温箱以及称重回收装置进行控制和调节;
所述测量***对压力、重量、温度以及待校准质量流量计的数据进行采集处理。
2.根据权利要求1所述的姿控发动机高温推进剂稳态流量原位校准装置,其特征在于:所述称重回收装置(300)包括放置平台(1)、电子秤(2)、电子秤高度调节装置(3)、换向阀(4)、推进剂回收容器(5)、推进剂称重贮箱(6)、放气回收罐(7)、单向阀(8)及多根连接管路(9);
推进剂回收容器(5)和放气回收罐(7)均固定安装在放置平台(1)上;
推进剂称重贮箱(6)包括上部箱本体(61)和下部连接底座(62);下部连接底座(62)上端与上部箱本体固连,下部连接底座(62)的下端与放置平台(1)的上表面接触;
放置平台(1)上开设有一个凹坑,凹坑的开设位置正对下部连接底座(62)并且凹坑的尺寸小于下部连接底座(62)的下端面的尺寸,凹坑内放置电子秤(2);电子秤高度调节装置(3)用于调节电子秤上升将整个推进剂称重贮箱脱离放置平台(1)上表面;
上部箱本体(61)的推进剂入口与推进剂回收容器(5)均与换向阀(4)连接;换向阀(4)与外部推进剂供应***通过连接管路(9)连通,上部箱本体(61)的推进剂出口通过连接管路(9)与单向阀(8)入口连通,单向阀(8)出口通过连接管路(9)与放气回收罐(7)连通。
3.根据权利要求1或2所述的姿控发动机高温推进剂稳态流量原位校准装置,其特征在于:所述推进剂供应装置包括推进剂贮箱(14)、放气管路(15)、第一手动截止阀(16)、放气电磁阀(17)、增压管路(18)、第二手动截止阀(19)、单通道压力控制器(20)、第一供应管路(21)、压力传感器(22)、温度传感器(23)、流量调节阀(24)以及第二供应管路(25);
推进剂贮箱(14)包括球形罐以及缠绕在球形罐上的伴热带;
放气管路(15)的一端与球形罐连通,另一端与外部空间连通;第一手动截止阀(16)和放气电磁阀(17)并联安装在放气管路(15)上;
增压管路(18)的一端与球形罐连通,另一端与外部空间连通;单通道压力控制器(20)和第二手动截止阀(19)在增压管路(18)上沿增压方向依次安装;
第一供应管路(21)一端与推进剂贮箱(14)连通,另一端与待校准质量流量计(400)入口连通;第一供应管路上沿推进剂的流向依次设置温度传感器(23)、第三手动截止阀(26)、电磁阀(27)以及过滤器(28);
第二供应管路(25)一端与待校准质量流量计(400)出口连通,另一端与所述换向阀(4)连通;第二供应管路(25)上设置有流量调节阀(24);
压力传感器(22)安装在球形罐上。
4.根据权利要求3所述的姿控发动机高温推进剂稳态流量原位校准装置,其特征在于:所述控制***包括工控机、实时控制器、驱动电路以及直流稳压电源;
所述工控机与实时控制器相互通讯,在接收实时控制器采集的数据的同时,向实时控制器发送各个阀门的动态控制指令,并完成人机交互;
实时控制器通过数字逻辑完成数字I/O控制和传感器信号采集,并将传感器信号输出至驱动电路;
所述驱动电路用于完成控制***的启停以及电磁阀驱动和电磁阀电流信号回测;
所述直流稳压电源通过驱动电路向电磁阀、流量调节阀和换向阀供电。
5.根据权利要求4所述的姿控发动机高温推进剂稳态流量原位校准装置,其特征在于:所述称重回收装置还包括废气回收气囊(10);所述废气回收气囊(10)与放气回收罐(7)连通;废气回收气囊(10)选用大号气球或橡胶气囊。
6.根据权利要求5所述的姿控发动机高温推进剂稳态流量原位校准装置,其特征在于:所述称重回收装置还包括用于调节放置平台水平度的多个水平调节装置(13);水平调节装置(13)包括手轮(131)、长螺柱(132)以及定位胶套(133);
手轮(131)固定安装在长螺柱(132)一端,长螺柱(132)垂直穿过放置平台(1)后的一端安装定位胶套(133),定位胶套(133)与地面接触;长螺柱(132)垂直穿过放置平台(1)的部分与放置平台(1)螺纹连接。
7.根据权利要求6所述的姿控发动机高温推进剂稳态流量原位校准装置,其特征在于:所述称重回收装置还包括垂直固定安装在放置平台(1)上的固定支架(12);所述单向阀(8)、换向阀(4)以及连接管路(9)均固定于固定支架(12)上。
8.根据权利要求7所述的姿控发动机高温推进剂稳态流量原位校准装置,其特征在于:所述电子秤高度调节装置(3)为四个,分别位于电子秤(2)的四个角;电子秤高度调节装置(3)包括支撑板(31)、螺杆(32)以及手柄(33);电子秤(2)放置在支撑板(31)上,支撑板(31)的四角分别设有第一螺孔,放置平台(1)开设有与支撑板上第一螺孔位置相同的第二螺孔,螺杆(32)的上端固定安装手柄(33),螺杆(32)的下端自上而下依次穿过第一螺孔和第二螺孔。
9.根据权利要求8所述的姿控发动机高温推进剂稳态流量原位校准装置,其特征在于:所述上部箱本体(61)的推进剂入口与换向阀(4)之间,推进剂回收容器(5)与换向阀(4)之间以及上部箱本体(61)的放气口与单向阀(8)入口之间的连接管路(9)均采用螺旋管。
10.一种基于权利要求4-9任一权利要求所述的姿控发动机高温推进剂稳态流量原位校准装置的校准方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)状态检查
对推进剂供应装置和称重回收装置的管路进行清洁和气密性检查,确保无多余物并且气密性良好;检查高低温箱、直流稳压电源、实时控制器、驱动电路以及测量***均可正常工作;
2)推进剂加注
校准开始前,根据校准时间和流量要求,确定预计所需推进剂的加注量,加注量必须保证校准过程推进剂用量,向推进剂贮箱注入推进剂;
3)加热状态准备
推进剂加注完成后,将推进剂供应装置移动至高低温箱内,连接待校准质量流量计出口和流量调节阀,关闭高低温箱舱门,设定目标温度进行加热准备;
4)推进剂加热
确认推进剂供应装置密封性良好,无推进剂泄露,称重回收装置、温度传感器、压力传感器以及控制***状态正常后,通过控制***打开伴热带对推进剂贮箱进行加热,温度传感器实时采集推进剂温度,待推进剂温度接近目标值±5℃时,关闭伴热带加热;启动高低温箱对推进剂供应装置进行加热,待推进剂温度到达目标值后,维持高低温箱温度不变;
5)流量原位校准
设置流量校准点以及校准时长并调节流量调节阀,观察待校准质量流量计流入推进剂回收容器的流量,流量达到流量校准点稳定后,改变换向阀流向同时开始计时,并记录电子秤初始值,使推进剂流入推进剂称重贮箱,实时记录待校准质量流量计的流量值,待经过校准时长后,改变换向阀流向并停止计时,等待电子秤读数稳定后记录电子秤终值;
6)计算待校准质量流量计的修正系数a和b;
6.1)设定不同校准点,重复步骤5),根据多次校准过程中获取的电子秤终值、电子秤初始值、校准时长、待校准质量流量计的实时流量数据、校准现场空气密度、推进剂密度从而求得标准流量qs;
<mrow>
<msub>
<mi>q</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>&rho;</mi>
<mi>&alpha;</mi>
</msub>
<msub>
<mi>&rho;</mi>
<mi>e</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>Q</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>i</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>Q</mi>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>i</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<mi>t</mi>
</mfrac>
</mrow>
式中:qs——标准流量,g/s;
ρα——校准现场空气密度,kg/m3;
ρe——推进剂密度,kg/m3;
Qmi——第i次电子称终值,g;
Qci——第i次电子称初始值,g;
t——计量时间,s;
6.2)计算待校准质量流量计的测量误差Ei;
<mrow>
<msub>
<mi>E</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>q</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>q</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
</mrow>
<msub>
<mi>q</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>&times;</mo>
<mn>100</mn>
<mi>%</mi>
<mo>;</mo>
</mrow>
qz代表待测质量流量计在不同校准点时通过的流量示数;
6.3)计算质量流量计示数平均值;
<mrow>
<mover>
<msub>
<mi>q</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mn>1</mn>
<mi>n</mi>
</munderover>
<msub>
<mi>q</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
</mrow>
<mi>n</mi>
</mfrac>
</mrow>
式中:——待校准质量流量计示数平均值,g/s;
n——待校准质量流量计校准点总数;
6.4)根据不同流量校准点下原位校准所得的标准流量和质量流量计测得的质量流量平均值以及线性拟合得出修正系数a和b:
<mrow>
<msub>
<mi>q</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mi>a</mi>
<mo>+</mo>
<mi>b</mi>
<mover>
<msub>
<mi>q</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
<mo>.</mo>
</mrow>
3
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