CN101509439B - 微流率液体工质供给与测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种微流率液体工质供给与测量系统，包括：供给系统，是以储箱5为中心储箱5上游通过气体管路51、阀门31、减压阀2连接到气瓶1。压力传感器4经气体管路52连接到储箱5。储箱5经气体管路54，阀门32跟真空舱抽气系统13连接。储箱5经液体管路53，阀门33连接到液体排出口。管路55通过阀门35连接到推力器。注射泵10经由液体管路56、阀门36与液体管路55并联，连接到测量系统。测量系统，流量计7上游经由液体管路55与储箱连接，时经由液体管路56与注射泵连接，下游通过液体管路58连接到电喷雾推力器14上。方案之二具体为一种压差测流量系统，该压差测流量系统与流量计并联。计算机采集和软件处理系统11，通过数据线12与流量计7相连。

Description

微流率液体工质供给与测量系统

技术领域：

本发明涉及一种微流率液体工质供给与测量系统，属于空间微小电喷雾发动机技术领域。 

背景技术：

空间电喷雾推进技术包括场发射电推进(FEEP，Field Emission Electric Propulsion)和胶质微推进，它的目的是为航天器提供微牛级推力，这两类发动机的应用正日趋广泛。为这类推力器提供符合要求的微小推进剂流率的微流率供给系统也就必不可少了。国外相关单位已展开了对供给系统的研究。在原理上大都采用了气体挤压工质的方式保证主动增压，但是在具体的加工和装配上却语焉不详。 

就国内而言，目前研究电喷雾发动机的单位较少，完全针对这一方面液体推进剂供给的文献尚未公开报道。在化工和机械方面虽然有不少关于微流量测试的研究，但是与本研究所侧重的供给方式不同。 

本发明装置以向液体工质提供大小可调的气压，并通过流量计来实时观测流率，达到稳定精确控制流率的目的。由于整个管路与外界隔开，所以本系统在大气下或者真空下均能使用。 

发明内容：

本发明的目的在于提供一种微流率液体工质供给与测量系统，通过气体增压方式为电喷雾发动机提供准确的微小流率供给，对流率进行实时观测，并保持较好的稳定性。 

本发明的工作原理如下： 

对于推进剂微小流量供给系统，有主动式和被动式两种。被动式提供零压力，通过高电压将推进剂抽取出来，这种方法简单，但是精度不高，抽取速度也不稳定。我们采用从外界供压的主动式控制。主动式控制通过气体给推进剂增压或利用微型注射泵控制流率，注射泵作为一种机械控制手段，操作简单，但是在流率很小的情况下较难保证稳定的供给速度。而利用气压推动推进剂，由于气压稳定，受力均匀，即使小流率下也可以得到很高的控制精度。本发明利用注射泵推动和气体挤压两种方式供给推进剂，并用流量传感器和压差测量两种方 案结合监测流率。 

注射泵方式简单，工质存放在注射器中，安装在注射泵上。注射泵靠步进电机螺杆的转动带动螺母前进，螺母推动注射器活塞向前运动，从而将工质挤压出去。这种方式比较直接，在相对较高高流量时效果较好，但是流量很小时，可能受电机和注射器的加工精度影响，而使供给速率波动较大。 

气体挤压方式原理与安装较为复杂。挤压式设计的要求有： 

挤压系统采用通用的气瓶和减压阀控制的气体压力源，气源出口压力一般会在一个大气压以上，因此气源后管路压降应该足够大； 

推进剂存放在一储箱中，通过上游气瓶提供的压力，将会被挤压进入10^-3Pa或更高真空度的真空环境中，所以挤压系统的设计必须保证在压力源和真空环境较大的压强差下提供微小流率； 

由于微小流率的要求，储箱的压力可能低于大气压，因此，必须将储箱和一个真空泵系统连接，保证挤压管路的低气压； 

如果储箱气压偏高，可能导致推进剂在很短的时间内就被全部挤压进真空舱；反之，气压偏低，推进剂无法被挤压进真空舱； 

由于实验中的高真空环境，管路之间的连接必须保证很好的密封性。 

根据前面提出的要求，只能采用合适的管路尺寸来确定压强在管路中的损耗，保证在调节气源时，流量刚好能在设计值下变动；而且对应不变的气源压力，有不变的流量。 

推进剂的流量很小，约为几百纳升每分钟(nl/min)。储箱对外有3个主要连接：一路接入气瓶，接受气压输入，这一路需采用较小的管路内径，保证气源输入的气压能得到有效的降低；一路接入真空泵，用于降低储箱内的压力，这一路中的管路要求密封性能好，便于真空抽除；最后一路接入真空舱，给推力器提供推进剂，为了保证稳定的小流量输入，这里也需采用较小内径的管路。 

另外，储箱上安装压强传感器，用于观察储箱内的压力状态并研究管路压力损失。此外，还需给储箱设计排液口。系统原理示意图如图1。 

如图1，L_in，L_out，是气路，L_c为液路。N₂气瓶用于给储箱增压，而真空泵用于给储箱降压，两者保证了储箱气压的上下可调性。绝压传感器用于对储箱气压的实时监测，指导调节储箱压力。 

压力传感器采用中国航天空气动力研究院设计的绝压传感器，测量范围0～0.2MPa，输出范围0～5V，电源要求24V直流。 

流量与管径，长度的关系为： 

$Q=\frac{{{\mathrm{\πD}}_c}^4}{128{\mathrm{\μ}}_l}\frac{P_0-P_n}{L_c}=\frac{{{\mathrm{\πD}}_n}^4}{{128\mathrm{\μ}}_l}\frac{P_n-P_c}{L_n}---\left(1\right)$

其中，P₀、P_n、P_c分别代表管路中各点的压力，L₀、L_c、L_n、L_m分别代表各段管路的长度。各点压力及尺寸的辅助关系式为： 

$P_0=\sqrt{\frac{{P_M}^2+{{\mathrm{\βP}}_{\mathrm{in}}}^2}{1+\mathrm{\β}}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\β}=\frac{{D_{\mathrm{in}}}^4}{L_{\mathrm{in}}}(\frac{L_{\mathrm{out}}}{{D_{\mathrm{out}}}^4}+\frac{L_M}{{D_M}^4})---\left(3\right)$

根据以上公式，假设实际管路均为直管路，其它条件也为理论值，可以设计出需要的管路连接，再根据实际工作情况加以调整。 

测量系统也采用2种方案，一种方案是直接利用流量传感器串联在液路中，采集流率数据，并记录到计算机中。这种方案比较直接，而且所需部件直接从厂家购置，相对来说，系统完善度较好，有配套软件进行监测。本系统选用的流量传感器是美国Upchurch公司N-565的纳升传感器，其主要指标如下： 

流率测量范围1.5nl/min～8000nl/min；精度小于2％；可重复性：±0.08％；更新率：2Hz；电源：12VDC，100mA；压力：0～5000psi(34.45MPa)； 

此传感器可标定4个标准流率点，基本能够保证实验的顺利进行。将传感器输出信号采集到计算机上，可记录流率变化过程及变化范围。 

电喷雾发动机的不同液体工质有各种特殊的物理化学性质，或粘性较高，或有腐蚀性等，上述流量传感器就无法适用于所有的测量工况了。因此，我们同时也采用了一套压差测流量方案作为配合。 

仍然以前面的公式(1)作为指导，加工一段能适用于大多数推进剂通过的粗细均匀的不锈钢直管，测量其上一定距离的两个点的压差，就可以得到这段直管的流率大小。这种方法属于间接测量，而且在直管的加工和压差计的选取方面要求较高。直管直路内经为2mm，要求加工精度高，内表面光滑度好，且两个开口处连接良好，不会造成流率或压力损失。压差计用来测量液体工质的压差，需要有较好的抗粘性和抗腐蚀条件，要求能工作在几百帕到大气压之间，防止整个系统工作气压的变化而损毁压差计，压差计测量精度要求也相对较高。目前采用MDM3051DP型智能差压(流量)变送器。其量程0～7kPa，输入24V直流电压，超压极限0～13.76MPa. 

2、机械结构 

如图2，本发明一种微流率液体工质供给与测量系统，具体包括供给系统、测量系统、计算机采集和软件处理系统等。 

供给系统通过两个方案实现推进剂供给；方案之一是以储箱5为中心，储箱材料为不锈钢。储箱5上游通过第一气体管路51、第一阀门31、减压阀2连接到气瓶1。压力传感器4经第二气体管路52连接到储箱5，监测储箱5内气体压力。储箱5经第三气体管路54，第二阀门32跟真空舱抽气系统13连接，用于降低储箱内气压。储箱5经第一液体管路53，第三阀门33连接到液体排出口。实验后多余的工质由此排出。储箱5最关键的第二液体管路55通过第五阀门35并经由测量系统连接到推力器，提供推进剂。注射泵10作为供给系统的另一方案，经由第三液体管路56、第六阀门36与第二液体管路55并联，连接到测量系统。 

测量系统通过两个方案实现对不同液体工质流量的测量；方案之一为：流量计7上游经由第二液体管路55与储箱连接，同时经由第三液体管路56与注射泵连接，下游通过第五液体管路58连接到电喷雾推力器14上。方案之二具体为一种压差测流量系统，该压差测流量系统与流量计并联。该压差测流量系统具体包括一不锈钢的细直管路8及一压差计9，该不锈钢细直管路8上游通过第四液体管路57连接第二液体管路55、第三液体管路56，下游通过第四阀门34连接电喷雾推力器14，该压差计9连接在细直管路8两边距离两端点一定距离的地方，监测管路的压降。 

计算机采集和软件处理系统11主要是针对流量计7而言，用于监视流量计7的输出信号并记录，通过数据线12与流量计7相连。 

本系统中，第一阀门31、第二阀门32、第三阀门33、第三阀门34、第五阀门35、第六阀门36均采用航天标准的低压直通阀系列，材料为不锈钢。第一气体管路51、第二气体管路52、第三气体管路54均采用不锈钢材料，第一气体管路51内径Φ1.6mm，便于使气瓶出来的气体压强迅速下降。第二气体管路52、第二液体管路55内径Φ6mm。第一液体管路53管路内径Φ6mm，材料为不锈钢。第三液体管路56、第四液体管路57、第五液体管路58均为管路内径Φ1.6mm的PEEK管。 

本发明一种微流率液体工质供给与测量系统，其优点及功效在于：采用新型的微流量推进剂供给测量系统，针对胶质微推力器做了相关实验，很好的支持了推力器的正常工作，为相关的电喷雾推力器相关研究打下了良好的基础，系统简单可靠。本系统在胶质微推力器实验方面已经成功实现了0.1μl/min到8μl/min之间的流量供给与测量。各管路尺寸如下： 

气体管路51的长度L_in＝2m，管路内部直径为D_in＝0.5mm； 

气体管路54的长度L_c＝2m，管路内部直径为D_c＝0.4mm； 

气体管路55的长度L_out＝1m，管路内部直径为D_out＝8mm； 

真空舱内气体管路的长度L_n＝25mm，管路内部直径为D_n＝125μm。 

附图说明：

图1所示为挤压式供给系统原理图 

图2所示为本发明的测量供给系统总图 

图中具体标号如下： 

1、气瓶           2、减压阀          31、第一阀门      32、第二阀门      33、第三阀门 

34、第四阀门      35、第五阀门       36、第六阀门 

4、压力传感器     5、储箱            51、第一气体管路  52、第二气体管路 

54、第三气体管路  53、第一液体管路   55、第二液体管路  56、第三液体管路 

57、第四液体管路  58、第五液体管路   7、流量计         8、细直管路 

9、压差计         10、注射泵         11、计算机采集和软件处理系统 

12、数据线        13、真空舱抽气系统 14、电喷雾推力器 

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。 

如图2所示，本发明一种微流率液体工质供给与测量系统，具体包括供给系统、测量系统、计算机采集和软件处理系统等。 

供给系统通过两个方案实现推进剂供给；方案之一是以储箱5为中心，储箱材料为不锈钢。储箱5上游通过第一气体管路51、第一阀门31、减压阀2连接到气瓶1。压力传感器4经第二气体管路52连接到储箱5，监测储箱5内气体压力。储箱5经第三气体管路54，第二阀门32跟真空舱抽气系统13连接，用于降低储箱内气压。储箱5经第一液体管路53，第三阀门33连接到液体排出口。实验后多余的工质由此排出。储箱5最关键的第二液体管路55通过第五阀门35并经由测量系统连接到推力器，提供推进剂。注射泵10作为供给系统的另一方案，经由第三液体管路56、第六阀门36与第二液体管路55并联，连接到测量系统。 

测量系统通过两个方案实现对不同液体工质流量的测量；方案之一为：流量计7上游经由第二液体管路55与储箱连接，同时经由第三液体管路56与注射泵连接，下游通过第五液 体管路58连接到电喷雾推力器14上。方案之二具体为一种压差测流量系统，该压差测流量系统与流量计并联，。该压差测流量系统具体包括一不锈钢的细直管路8及一压差计9，该不锈钢细直管路8上游通过第四液体管路57连接第三液体管路55、第四液体管路56，下游通过第四阀门34连接电喷雾推力器14，该压差计9连接在细直管路8两边距离两端点一定距离的地方，监测管路的压降。 

计算机采集和软件处理系统11主要是针对流量计7而言，用于监视流量计7的输出信号并记录，通过数据线12与流量计7相连。 

本系统中，第一阀门31、第二阀门32、第三阀门33、第四阀门34、第五阀门35、第六阀门36均采用航天标准的低压直通阀系列，材料为不锈钢。第一气体管路51、第二气体管路52、第三气体管路54均采用不锈钢材料，第一气体管路51内径Φ1.6mm，便于使气瓶出来的气体压强迅速下降。第二气体管路52、第二液体管路55内径Φ6mm。第一液体管路53管路内径Φ6mm，材料为不锈钢。第三液体管路56、第四液体管路57、第五液体管路58均为管路内径Φ1.6mm的PEEK管，这种管线和相应的接头都可在安捷伦公司色谱产品中找到。 

其中，减压阀量程0～0.4MPa，最小刻度0.02MPa。不锈钢气体管路管路51内径1.6mm，长2m，气体到达储箱时，其压力最低能达到上百帕量级。 

不考虑测量系统的影响，供给管路的下游直接接入处于真空舱中的推力器，真空度在10-3到10-5之间。 

实验时，先进行真空抽气，此时储箱5以及所有气体管路第一阀门31、第二阀门32都打开，所有液体管路第三阀门33、第四阀门34和流量计7关闭。整个管路抽至0.1Pa左右时，关闭第二阀门32，调小第一阀门31。打开流量计7，开启气瓶1，由气瓶1缓缓向储箱5增压。如果采用碘化钠甲酰胺溶液，储箱压力在1200Pa时，大约能以流率8μl/min供给推进剂。当流量合适时，关闭第一阀门31、第二阀门32和气瓶1。如果需要调高储箱压力，保持第二阀门32关闭，开启第一阀门31和气瓶1，从气瓶1供压；如果需要降低储箱压力，保持第一阀门31关闭，略微开启第二阀门32，通过真空抽取系统抽走其中的气体。 

本实验中，所有的调节工作都需要根据流量计7的读数或者压差计9的读数进行。 

Claims (7)

1.一种微流率液体工质供给与测量系统，其特征在于：具体包括供给系统、测量系统、计算机采集和软件处理系统；

供给系统通过两个方案实现推进剂供给；方案之一是以储箱(5)为中心，储箱材料为不锈钢；储箱(5)上游通过气体管路(51)、第一阀门(31)、减压阀(2)连接到气瓶(1)；压力传感器(4)经第二气体管路(52)连接到储箱(5)，监测储箱(5)内气体压力；储箱(5)经第三气体管路(54)，第二阀门(32)跟真空舱抽气系统(13)连接，用于降低储箱内气压；储箱(5)经第一液体管路(53)，第三阀门(33)连接到液体排出口；储箱(5)最关键的第二液体管路(55)通过第五阀门(35)并经由测量系统连接到推力器，提供推进剂；注射泵(10)作为供给系统的另一方案，经由第三液体管路(56)、第六阀门(36)与第二液体管路(55)并联，连接到测量系统；

测量系统通过两个方案实现对不同液体工质流量的测量；方案之一为：流量计(7)上游经由第二液体管路(55)与储箱连接，同时经由第三液体管路(56)与注射泵连接，下游通过第五液体管路(58)连接到电喷雾推力器(14)上；方案之二具体是通过一种压差测流量系统实现，该压差测流量系统与流量计(7)并联，该压差测流量系统具体包括一不锈钢的细直管路(8)及一压差计(9)，该不锈钢细直管路(8)上游通过第四液体管路(57)连接第二液体管路(55)、第三液体管路(56)，下游通过第四阀门(34)连接电喷雾推力器(14)，该压差计(9)连接在细直管路(8)两边靠近两端点处，监测管路的压降；

计算机采集和软件处理系统(11)主要是针对流量计(7)而言，用于监视流量计(7)的输出信号并记录，通过数据线(12)与流量计(7)相连。

2.根据权利要求1所述的微流率液体工质供给与测量系统，其特征在于：所述的第一阀门(31)、第二阀门(32)、第三阀门(33)、第四阀门(34)、第五阀门(35)、第六阀门(36)均采用航天标准的低压直通阀系列，材料为不锈钢。

3.根据权利要求1所述的微流率液体工质供给与测量系统，其特征在于：所述的第一气体管路(51)、第二气体管路(52)、第三气体管路(54)均采用不锈钢材料。

4.根据权利要求1所述的微流率液体工质供给与测量系统，其特征在于：所述的第一气体管路(51)内径Φ1.6mm，便于使气瓶出来的气体压强迅速下降。

5.根据权利要求1所述的微流率液体工质供给与测量系统，其特征在于：所述的第二气体管路(52)、第二液体管路(55)内径Φ6mm。

6.根据权利要求1所述的微流率液体工质供给与测量系统，其特征在于：所述的第一液体管路(53)管路内径Φ6mm，材料为不锈钢。

7.根据权利要求1所述的微流率液体工质供给与测量系统，其特征在于：第三液体管路(56)、第四液体管路(57)、第五液体管路(58)均为管路内径Φ1.6mm的PEEK管。

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