CN107014454A - 一种计算低温介质稳态流量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种计算低温介质稳态流量的方法，能够给出高精度的稳态流量参数，精度达到0.05％。本发明的方法基于分节式电容液位计，能够解决贮箱加注过程中产生的扰动对分节式液面计的干扰影响。本发明在分节式电容液位计的结构设计中引入参考位置小节，并提出一种准确分辨分节式电容液位计的三角波拐点信号的方法，能够替代人工计算，自动识别参考位置波，自动精确计算质量流量。

Description

一种计算低温介质稳态流量的方法

技术领域

本发明主要用于低温介质稳态流量的测量技术领城。

背景技术

在液体火箭发动机试验中，稳态流量是掌握发动机性能需获得的重要参数。特别是在氢氧发动机的高空模拟试验和校准试验中，对稳态流量测量的精度要求很高。而由于涡轮流量计在低温下的校准目前尚存在技术问题，采用涡轮流量计等常规手段已不能满足要求低温介质的流量测量，需要采用一种新的方法来组建高精度流量测量系统。

分节式电容液位计是测量低温液位的一种常用方法。分节电容液面计采用细分结构设计和比较测量模式，可以达到很高的分辨率和零点漂移抑制能力。分节液面计的基本特征是由两根垂直放置的内管和外管同轴装配组成，作为液面探测元件。其中，内、外管分别构成电容的两个电极，内外电极之加用绝缘支撑件保持固定。与普通电容液面计不同，其外管被分割成相同高度并相互绝缘的若干节。若从贮箱底部向上计，依次与内管构成电容C1、C2…C2n-1、C2n，将奇数节电容C1、C3…C2n-1并联，偶数节电容C2、C4…C2n并联，所形成电容分别记为C奇、C偶，如图1所示。分节电容液面计的信号变化硬件技术已较为成熟，参考专利201210250511.X，信号形式如图2所示。

基于分节式电容液位计的流量系统的数据处理软件较为复杂，该软件主要对图2所示的三角波信号数据进行分析和计算，得到指定时间段内的三角波个数，根据分节式电容液位计的具体分段的小节长度换算为指定时间段内的液位信息；通过查容器校验表得到指定液位所对应的容积，根据公式(1)计算出稳态体积流量值；再根据公式(2)计算出质量流量值。

式中：q_V―低温推进剂稳态体积流量，

n1―t1时刻的波峰对应的节数，

n2－t2时刻的波峰对应的节数，

V(n1)－n1对应的体积，

V(n2)－n2对应的体积。

q_m＝q_V·ρ (2)

式中，q_m－低温推进剂稳态质量流量，

q_V－低温推进剂稳态体积流量，

ρ－低温介质密度。

由于电容信号机器敏感，贮箱加注过程中受阀门动作等因素影响的会产生干扰，使得差动电容变换信号出现奇异波形，此时依赖于计算三角波个数而实现的液位测量功能失效，真实液位信息将无法确定。并且由于在实际应用中，三角波个别信号值可能受干扰，不易实时计算精确的液位值。因此，本专利是提出一种基于分节式电容液位计的低温介质稳态流量计算方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种计算低温介质稳态流量的方法，能够给出高精度、高稳定的低温介质量稳态流量值。此方法基于分节式电容液位计，本发明包括以下内容：

分节式电容液位计在上液位、中液位、下液位段上分布两个或者四个参考位置小节，具体尺寸比其余普通小节短，通常取信号小节长度的一半，实际应用中具体尺寸以能分辨参考位置小节信号和普通小节信号的大小为准。参考位置小节的设置能有效地避免三角波信号在受干扰时，不能准确得到液位信息。而通过参考位置小节作为起始点对液位进行重新计算，它的位置分布以及个数根据实际需要可灵活设置。

贮箱在分节式电容液位计每个小节节点对应的液位高度都做了液位容积的贮箱标定。

然后根据分节式电容液位计的变送器给出的信号设计高效的软件计算方法。软件计算方法具体包括三部分。在三角波判读的过程中，在寻找拐点时，先采用电平比较法找到包含拐点的时间段，再寻找极值。由于实际波形有抖动干扰，采用简单的电平比较可能会有误判，故建立了一个迟滞带，在迟滞带之间的信号作为干扰信号剔除，杜绝了干扰造成的误判。

在寻找参考位置波时，算法中采用了状态机的方法，如图3所示，此图是参考位置波为四个小波的情况。

另外由于实际的拐点并不尖锐，而是一段不规则的圆弧，故用斜坡段的数据进行线性拟合，再求出直线的交点作为真正的拐点位置。

读取指定时间段内拐点对应的时间信息，得到指定时间段内的三角波个数，根据分节式电容液位计的具体分段的小节长度换算为指定时间段内的液位信息；通过查容器校验表得到指定液位所对应的容积，根据公式(1)计算出稳态体积流量值；用“P-T-ρ”法测密度计算得到低温介质密度。再根据公式(2)计算出质量流量值。

本方法有效地去除贮箱加注过程中受阀门动作，以及电磁干扰等因素影响，通过本方法计算得到的稳态质量流量值精度达到0.05％。

附图说明

图1为分节式电容液位计信号实现方式示意图；

图2为分节式电容液位计输出的三角波信号；

图3为算法所使用的状态机图；

图4为系统框图；

图5为分节式电容液位计的局部机械图；

图6为液位下降时三角波信号示意图；

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

具体实施方式

本发明是一种计算低温介质稳态流量的方法，

在实际应用的具体实施方案，系统的组成参见系统框图(图4)。

图4中，LO2分节式电容液位计和相应的变送器组成液位测量前端系统。它将液氧贮箱中液位的变化转换成连续的三角波信号，并将三角波信号输出至采集板卡，由微机读取数据结合密度计算出稳态平均质量流量。

本实现中，分节式电容液位计的参考位置节设置在上液位——贮箱上焊缝位置(对应液位为L)。如图5所示。其中偶节奇节的长度为L1，参考位置节的长度为L2，环氧玻璃钢长度为L3。

在贮箱加满后，开始试车后，可得到波形如图6所示。用软件找出参考位置节的小波之后，数大波个数为2个。由此可得到t0时刻液位是L-(L2+1.5·L3)， t1时刻液位是L-(3·L1+2·L2+5.5·L3)。在之前，贮箱在分节式电容液位计每个小节节点对应的液位高度都做了液位容积的贮箱标定。因此可查询贮箱容积表得到t0和t1时刻准确的容积V1和V2。根据公式(1)计算体积流量。用“P-T- ρ”法测密度计算得到低温介质密度，根据公式(2)得到液氧的稳态流量。

此方法中，分节式电容液位计的参考位置节还在下液位(贮箱下焊缝位置)，中液位(液位计一半长度位置)，在试车过程中，如果上液位参考位置节由于干扰未找到，可寻找中液位和下液位的参考位置节信号，重新对液位进行准确计算。

Claims (9)

1.一种计算低温介质稳态流量的方法，其特征在于：本方法采用分节式电容液位计，并设置参考位置节，采用精密的三角波拐点判读算法，通过计算拐点信息得到液位信息，进而转换成体积流量值，用“P-T-ρ”法测密度计算得到低温介质密度，进而转换成质量流量值。

2.根据权利要求1所述的一种计算低温介质稳态流量的方法，其特征在于：在整个系统应用之前，贮箱在分节式电容液位计每个小节节点对应的液位高度都做了液位容积的贮箱标定。

3.根据权利要求1所述的一种计算低温介质稳态流量的方法，其特征在于：分节式电容液位计的设计中根据具体需求，在分节式电容液位计的指定位置设置参考位置节。

4.根据权利要求2所述的一种计算低温介质稳态流量的方法，其特征在于：设计参考位置节，一般位置在贮箱上焊缝高度位置和贮箱下焊缝位置分别设置。

5.根据权利要求2所述的一种计算低温介质稳态流量的方法，其特征在于：设计参考位置节，一般的长度设计为分节式电容液位计的其余小节长度的一半或者较之短，具体长度根据能够区分其余小节的信号的实际需要定。

6.根据权利要求2所述的一种计算低温介质稳态流量的方法，其特征在于：参考位置节的个数，根据实际需要可设计为两个或这四个，或者其余双数的个数。

7.根据权利要求1所述的一种计算低温介质稳态流量的方法，其特征在于：采用精密的三角波拐点判读算法，在寻找拐点时，先采用电平比较法找到包含拐点的时间段，再寻找极值，其中设置迟滞带，杜绝了干扰造成的误判。

8.根据权利要求1所述的一种计算低温介质稳态流量的方法，其特征在于：在寻找参考位置波时，采用了状态机的方法。

9.根据权利要求1所述的一种计算低温介质稳态流量的方法，其特征在于：由于实际的拐点并不尖锐，而是一段不规则的圆弧，故用斜坡段的数据进行线性拟合，再求出直线的交点作为实际拐点进行计算。