CN101644627B - 音速喷嘴自动标定系统及自动标定方法 - Google Patents

Abstract

一种音速喷嘴自动标定系统及自动标定方法，主要用于火箭发动机气体推进剂输送系统的流量控制器(音速喷嘴)的流量特性的标定，能够将传统标定过程的手动操作改进为由计算机控制的自动运行。将氧气储罐、定量供给式电控减压器、压力传感器、温度传感器、被测音速喷嘴、流量计、控制阀、数据采集设备、阀门驱动装置和计算机串联组成音速喷嘴自动标定系统。自动标定软件通过阀门驱动装置来驱动定量供给式电控减压器，由定量供给式电控减压器调节被测音速喷嘴的入口压力的大小。用传感器和数据采集设备测量被测音速喷嘴入口压力、流量等参数，并通过自动标定软件实时显示和记录。

Description

音速喷嘴自动标定系统及自动标定方法

【技术领域】

本发明涉及火箭发动机地面试验的推进剂输送系统，主要用于气体推进剂的流量控制器(音速喷嘴)的流量特性的标定。

【背景技术】

音速喷嘴是气体推进剂(如氧气等)输送系统中的重要部件，它的作用是控制流量。音速喷嘴的结构形式如图1所示，是一个先收缩后扩张的拉法尔喷管，气体推进剂由左向右流动，流通面积最小的截面称为喉部。音速喷嘴的流量控制原理可以用流量公式表示：

$\stackrel{\·}{m}=\mathrm{\μK}\frac{P}{\sqrt{T}}A---\left(1\right)$

式中，

是通过音速喷嘴的气体流量；

μ是结构系数，由音速喷嘴的结构尺寸和加工质量决定；

K是流量系数，只与通过音速喷嘴的气体种类有关；

P是音速喷嘴入口总压；

T是气体总温；

A是音速喷嘴喉部面积。

由流量公式可以看出，一个音速喷嘴在一次试验过程中，μ、K、T、A都是常数，取：

$a=\mathrm{\μK}\frac{A}{\sqrt{T}}---\left(2\right)$

则流量公式(1)可以表示为：

$\stackrel{\·}{m}=\mathrm{aP}---\left(3\right)$

(3)式所表示的流量与入口总压P之间的关系称为音速喷嘴的流量特性。一个音速喷嘴的流量特性明确后，就可以通过控制入口总压来控制流量。

由于加工误差、加工质量的不确定性等问题的存在，音速喷嘴生产出来之后，必须对其进行标定，以获得流量特性。

音速喷嘴传统的标定系统如图2所示，高压气罐1中贮存有洁净的高压气体，高压手阀2是系统的上游阀门，打开手阀2，高压气体通过减压器4降低压力，低压气体经过流量计6、被测音速喷嘴8，到达电磁阀9前端。减压器4是系统的核心部件，被测音速喷嘴8的入口总压由减压器4控制。通过调节减压器4，能够将入口的高压气体变为任意需要的低压气体，其出口压力即是被测音速喷嘴8的入口压力。压力表3用来监测气源压力，压力表5用来监测减压器出口压力，压力表7用来监测音速喷嘴入口压力，流量计6用来测量流量。

标定开始后，首先调节减压器4，使其出口压力为某一值，打开系统阀门9，系统开始工作，待工作稳定后，记录压力表7和流量计6的数据，之后关闭电磁阀9。重新调节减压器4，改变其出口压力，之后打开电磁阀9重新试验，并记录压力表7和流量计6的数据，重复多次，可以得到一组音速喷嘴的流量与入口压力的数据，将数据进行回归分析，拟合得到流量与压力的关系曲线，即是被测音速喷嘴的流量特性。

图2所示的标定系统，对每一个音速喷嘴入口压力P，都要调节减压器4，调节好之后再打开电磁阀9并记录数据，而一个音速喷嘴的标定往往要观察、记录几十个不同的入口压力与流量数据，采用图2所示的系统与方法需要重复几十次手动调节减压器和开关阀门的过程，费时费力。而且考虑到安全，标定系统与阀门控制装置往往不在同一个现场，二者要离开一定的距离，因此标定音速喷嘴需要至少两个人来操作，一个人调节减压器，一个人开关阀门和采集数据，而且两人必须保持通讯，这使得标定效率比较低下。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种新的音速喷嘴标定系统和一种自动标定方法，将目前的两人配合手动操作改进为由计算机控制的自动操作，具有较高的自动化水平，可以节省大量的时间，并且可以获得更加精确的标定数据。

本发明的技术方案是：将出口压力可以远程调节的定量供给式电控减压器置于被测音速喷嘴的上游，被测音速喷嘴的入口压力由定量供给式电控减压器调节，并配合阀门驱动装置、电磁阀、压力传感器、流量计、数据采集设备和计算机等设备组成音速喷嘴自动标定系统，并配合音速喷嘴自动标定软件，通过软件来控制标定系统自动运行，并将标定数据自动记录、显示和处理。

具体的技术方案为：用定量供给式电控减压器代替传统的手动调节的减压器。定量供给式电控减压器的特征在于其出口压力可以远程控制，其内部安装有两个小型电磁阀：增压电磁阀和减压电磁阀，给增压电磁阀施加一个脉冲信号，则出口压力升高一定水平，给减压电磁阀施加一个脉冲信号，则出口压力降低一定水平。将定量供给式电控减压器置于被测音速喷嘴上游较近的位置上，定量供给式电控减压器的出口压力即是被测音速喷嘴的入口压力。自动标定软件通过阀门驱动装置控制定量供给式电控减压器出口压力的升与降，并控制系统阀门的开与关。用压力传感器和流量计测量音速喷嘴的流量和入口压力，并通过数据采集设备输送到计算机，经过自动标定软件处理后显示在计算机上。

音速喷嘴自动标定方法，标定之前，在自动标定软件上预先设定好一组被测音速喷嘴入口压力P的值。标定开始后，软件自动读取第一个P值，并控制定量供给式电控减压器动作，将其出口压力调节到P值。当P值稳定后，自动标定软件发出指令打开系统阀门，系统开始工作，标定软件读取各传感器的数据，待数据稳定后记录音速喷嘴入口压力P和流量，并显示在软件界面上，并关闭阀门。之后计算机自动读取第二个P值，并调节定量供给式电控减压器，使其出口压力等于第二个P值，稳定后开启系统阀门并记录音速喷嘴入口压力和流量。如此下去直到记录最后一个入口压力P和流量数据，从而得到一组入口压力与流量的数据，经回归分析得到入口压力与流量的关系，即是被测音速喷嘴的流量特性。整个标定过程全部由计算机控制标定系统自动运行，不需要任何的手工操作。标定完成后根据需要生成标定报表和流量特性曲线。

本发明的有益效果是：实现了音速喷嘴标定过程的自动化，整个标定过程全部由计算机控制标定系统自动运行，免去了人工操作，节省了人力和时间，提高了工作效率，并且系统运用了现代传感技术，能够获得更加精确的数据。整个标定过程全部由计算机远程控制，不需要人员到现场操作，提高了标定过程的安全性。

【附图说明】

图1音速喷嘴结构示意图；

图2音速喷嘴传统标定系统示意图；

图3音速喷嘴自动标定系统示意图；

图4数据采集设备组成示意图；

图5阀门驱动装置组成示意图；

【具体实施方式】

音速喷嘴自动标定系统如图3所示，高压储气罐1中储存有洁净的高压氧气，作为系统气源。高压手阀2是气源总开关，在高压手阀2下游布置一个压力传感器13，用来检测气源压力。定量供给式电控减压器14布置于被测音速喷嘴8上游，其作用是将上游的高压气体变为低压气体送给下游，其出口压力可以任意调节。音速喷嘴8的上游布置一个温度传感器15和一个压力传感器16，用来测量氧气的温度和音速喷嘴的入口压力。流量计6布置于被测音速喷嘴8下游，用来测量流量。电磁阀9是系统阀门。压力传感器13、16和温度传感器15的信号经数据采集设备12处理后进入计算机11，标定软件将信号处理并显示在计算机11上。计算机11发出的指令，通过阀门驱动装置10来驱动定量供给式电控减压器14和系统阀门9。

数据采集设备12的组成如图4所示，23～30是8路采集端口，传感器产生的4～20mA电流信号经过这8个端口，进入配电隔离器阵列22。配电隔离器一方面用来给传感器供电，另一方面将传感器送来的信号隔离整理。整理后的电流信号经过一个由8个250Ω的标准电阻组成的调理阵列21，转换成1～5V的电压信号，被采集卡19采集到，并通过USB端口17输送到计算机。端口18是220V交流电源的输入端口。24V直流电源20作为配电隔离阵列22的输入电源。

阀门驱动装置10的组成如图5所示，控制指令由计算机11发出后，通过USB端口33驱动开关量卡34输出一个约3.5V的数字信号，该信号经过达林顿管阵列35放大后，生成一个约27V的控制信号，经过端口39～42输出到控制端(定量供给式电控减压器14或系统阀门9)。端口32是220V交流电源的输入端口。27V直流电源31作为达林顿管阵列35的输入电源。复位开关36是定量供给式电控减压器14的手动增压开关，复位开关37是定量供给式电控减压器14的手动减压开关。通过复位开关36、37可以手动调节定量供给式电控减压器14出口压力的升与降。旋钮开关38是电磁阀9的手动操作开关，用来手动操作系统阀门9的开启与关闭。电压表43用来监视27V直流电源的电压。

阀门驱动装置和数据采集设备集成在一个仪器箱内，方便携带与运输。

音速喷嘴自动标定软件，用来设定标定参数，控制标定过程，显示、记录标定数据，对标定数据进行处理。

音速喷嘴自动标定方法：通过标定软件预先设定好一组被测音速喷嘴的入口压力P值，并设定P允许的误差ΔP，软件自动计算入口压力P的稳定区间(P-ΔP，P+ΔP)。标定开始后，标定软件自动读取第一个P值，并采集当前的被测音速喷嘴8的入口压力，如果入口压力大于P+ΔP，则软件输出一个减压指令，该指令通过阀门驱动装置10放大后，控制定量供给式电控减压器14的放气阀开关一次，使得音速喷嘴8的入口压力降低一定水平，软件继续采集音速喷嘴8的入口压力，如果当前入口压力还大于P+ΔP，则软件继续控制定量供给式电控减压器14降低出口压力。相似的，如果当前压力小于P-ΔP，则软件输出一个增压指令，该指令通过阀门驱动装置10放大后，控制定量供给式电控减压器14的充气阀开关一次，使得其出口压力提高一定水平。如此往复，直到定量供给式电控减压器14将音速喷嘴8的入口压力调节到(P-ΔP，P+ΔP)范围内。标定软件发出指令打开系统阀门9，并读取各传感器的数据，待各传感器采集到的数据稳定后，软件自动记录音速喷嘴8的入口压力P、流量

和标定气体的温度T，记录完成后，标定软件关闭系统阀门9并自动读取第二个P值，之后自动调节定量供给式电控减压器14使音速喷嘴8的入口压力稳定在第二个P值的稳定区间(P-ΔP，P+ΔP)内，打开系统阀门并记录音速喷嘴入口压力P、流量和标定气体的温度T，如此下去直到记录最后一组数据，从而得到一组音速喷嘴入口压力P与流量

的值，即是被测减音速喷嘴的流量特性，标定完成后依据需要生成数据报表和流量特性曲线。整个标定过程全部由计算机控制系统自动运行，不需要任何手工操作，具有较高的自动化水平。

Claims (4)

1.音速喷嘴自动标定系统，包括高压储气罐(1)、高压手阀(2)、定量供给式电控减压器(14)、被测音速喷嘴(8)、压力传感器(13、16)、温度传感器(15)、流量计(6)、电磁阀(9)、数据采集设备(12)、阀门驱动装置(10)、计算机(11)以及自动标定软件，其特征在于：在被测音速喷嘴(8)上游设置有定量供给式电控减压器(14)，被测音速喷嘴(8)的入口压力由定量供给式电控减压器(14)调节。

2.根据权利要求1所述的音速喷嘴自动标定系统，其特征还在于：数据采集设备(12)与阀门驱动装置(10)集成于一个仪器箱内。

3.根据权利要求1所述的音速喷嘴自动标定系统，其特征在于：阀门驱动装置(10)设置有复位开关(36、37)和旋钮开关(38)，该系统既能通过标定软件自动运行，也能通过复位开关(36、37)和旋钮开关(38)手动操作运行。

4.音速喷嘴自动标定方法，其特征在于：通过标定软件预先设定好一组被测音速喷嘴的入口压力P值；标定开始后，计算机自动读取第一个P值，通过阀门驱动装置(10)调节定量供给式电控减压器(14)，将其出口压力调节到P值，并打开电磁阀(9)，待传感器检测的参数稳定后，记录音速喷嘴入口压力P与流量的值；计算机自动读取第二个P值，继续调节定量供给式电控减压器出口压力至二个P值，打开电磁阀(9)并记录音速喷嘴入口压力P与流量的值；如此下去直到记录最后一个数据，从而得到一组入口压力与流量的值，即是被测音速喷嘴的流量特性，标定完成后根据需要生成数据报表和流量特性曲线。

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