CN114458477A - 基于低波动液位低温在线原位流量标定方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于低波动液位低温在线原位流量标定方法及系统，对储罐标定，获得储罐内的液位高度与容积对应关系；对储罐加压，使所述介质流经流量计，流量计对介质流量进行计量；对储罐内液面高度进行计量；通过储罐内液面高度根据液位高度与容积对应关系获得剩余介质体积，计算流量值作为基准，根据流量计计量的偏差标定流量计的低温仪表系数。本发明在实际工作温度下进行标定，对储罐体积低温的形变以及流量计的温差进行计量和补偿，大大提高了低温情况下的计量精度。

Description

基于低波动液位低温在线原位流量标定方法及系统
技术领域
本发明涉及低温液体火箭发动机地面热点火试验技术领域，尤其涉及一种基于低波动液位低温在线原位流量标定方法及系统。
背景技术
低温液体火箭发动机地面试验由于其特殊性，一般使用速度式流量测量原理，其中广泛使用的是涡轮流量测量方式。该测量方式通过涡轮流量计计量实时流量，涡轮流量计在实验室采用室温环境的水进行标定，标定系数用于给定涡轮流量计的仪表系数。实验室流量计安装条件为标准条件，发动机试车台现场为满足工艺流程用设计，二者存在显著差异。由于室温与火箭发动机低温推进剂温度相差近200K，流量计结构在低温条件下存在显著的收缩变形，且低温推进剂与水的密度、运动粘度等物性参数均存在显著差异，研究文献记载，采用水校获得的仪表系数与低温介质工作时的真实仪表系数存在3％左右的流量差异。
流量是液体火箭发动机的核心参数，流量测量的精确性直接关系到发动机工作稳定性和可靠性，提升低温流量测量精度，直接影响发动机性能改进和火箭飞行弹道设计。
发明内容
针对流量测量用涡轮流量计实验室校准的仪表系数在发动机试验现场偏差较大的问题，本发明提供一种基于低波动液位低温在线原位流量标定方法及系统，通过在试验现场的真实低温推进剂介质标定，获取低温条件下真实的仪表系数，提升流量测量精度。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于低波动液位低温在线原位流量标定方法，包括：
(1)对储罐标定，加注液位至标定容器的上封头，获得储罐内的液位高度与容积对应关系，获取储罐材料在介质工作温度下的线胀系数，计算介质工作温度下，储罐内的液位高度与容积对应关系；
(2)采用储罐内储存推进剂作为介质加注，测量介质温度，依据介质沸点与压力的对应关系，常压条件下调整介质温度至介质沸腾，静置至达到热平衡；
(3)介质流入流量计，预冷介质和流量计至介质工作温度；
(4)对储罐加压，使所述介质流经流量计，流量计对介质流量进行计量；对储罐内液面高度进行计量；
(5)通过介质工作温度下，储罐内液面高度根据液位高度与容积对应关系获得剩余介质体积，计算流量值作为基准，根据流量计计量的偏差标定流量计的低温仪表系数。
进一步地，获得储罐内的液位高度与容积对应关系包括：
储罐内加注标定用常温纯净水，实时测量储罐内纯净水的温度；纯净水经待标定储罐充填至标准容器内，同时测量储罐内液位的变化，通过标准容器内纯净水流出的体积建立起储罐不同液位高度与体积的对应关系，实现储罐的标定；通过标定获得的为常温条件下储罐高度与体积的对应关系，获得标准条件下储罐高度与截面积的对应关系。
进一步地，所述介质为液氧或液氢、液氮、液化甲烷、氧化亚氮、乙烯。
进一步地，对储罐加压包括：采用纯度高于99％的氮气经气体扩散器从储罐顶部注入加压，氮气经扩散后平行于液面出流并形成稳定压力。
进一步地，标定流量计的低温补偿系数包括采用最小二乘法计算流量计低温仪表系数。
进一步地，排出介质，进行回温，回温至室温后结束标定。
本发明另一方面提供一种基于低波动液位低温在线原位流量标定系统，对储罐及介质通路上的流量计进行标定，包括温度传感器、液位传感器、降温系统和主控制器；
所述温度传感器测量介质温度；所述液位传感器检测储罐内储存介质的液位高度；所述降温系统能够降低储罐内介质和流量计的温度至介质工作温度；所述主控制器采集所述温度传感器测量的介质温度，达到介质工作温度后控制注入增压气体，所述主控制器同时采集液位传感器和流量计的计量值，通过储罐内液面高度根据液位高度与容积对应关系获得剩余介质体积，计算流量值作为基准，根据流量计计量的偏差标定流量计的低温仪表系数。
进一步地，所述介质为液氧或液氢、液氮、液化甲烷、氧化亚氮、乙烯。
进一步地，采用纯度高于99％的氮气经气体扩散器从储罐顶部注入加压，氮气经扩散后平行于液面出流并形成稳定压力。
进一步地，所述主控制器采用最小二乘法标定流量计的低温仪表系数。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明使用标定的液氧储罐作为标准源，通过差压传感器获取实时液氧液位，考虑低温变形导致的容器变形，进行线胀分析后，液面分辨精度可达2mm；试验系统为真实使用状态，校准的状态与使用状态一致，不存在系统偏差，使用介质一致，不存在物性偏差，系统预冷稳定后通过稳定的液面变化标定液氧流出量，通过质量守恒原理获得流量计仪表系数，精度较实验室水校准有较大提升，经不确定度评估，偏差程度为1％～1.5％。
(2)本发明在实际工作温度下进行标定，对储罐体积低温的形变以及流量计的温差进行计量和补偿，大大提高了低温情况下的计量精度。
附图说明
图1是储罐系统示意图；
图2为标定流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1所示，储罐系统包括储罐1、增压阀2、流量计上游调节阀3、流量计4、铠装低温温度传感器5、流量计下游调节阀6、流量控制阀7、液位传感器8。
基于低波动液位低温在线原位流量标定系统，包括在储罐1设置液位传感器8，管路上设置温度传感器5，设置降温系统和主控制器；液位传感器8检测储罐内储存介质的液位高度；所述温度传感器5测量介质温度；所述降温系统能够降低储罐内介质和流量计的温度至介质工作温度；所述主控制器采集所述温度传感器测量的介质温度，达到介质工作温度后控制注入增压气体，主控制器同时采集液位传感器和流量计的计量值，通过储罐内液面高度根据液位高度与容积对应关系获得剩余介质体积，计算流量值作为基准，根据流量计计量的偏差标定流量计的低温仪表系数。
本发明采用火箭发动机试验台现场条件，将流量计安装固定于试验供应系统的真实状态。方法步骤如下：
1)低温储罐未加注低温介质前通过标准容器法标定，采用0.1％精度压差传感器获得储罐的液位高度—容积对应关系；，获取储罐材料在介质工作温度下的线胀系数，计算介质工作温度下，储罐内的液位高度与容积对应关系。
储罐内加注标定用常温纯净水，同时实时测量储罐内水的温度，通过计量用的标准容器连接至储罐，设置阀门等附件进行储罐放水控制。水经待标定储罐充填至标准容器内，同时测量储罐内液位的变化，通过标准容器内水流出的体积建立起储罐不同液位高度与体积的对应关系，实现储罐的标定。通过标定获得的为常温条件下储罐高度与体积的对应关系，进而可导出标准条件下储罐高度与截面积的对应关系，低温介质加注后，储罐会产生收缩，收缩截面为圆形，通过测量介质温度，按照不锈钢线胀系数进行截面收缩的计算，从而获得使用介质条件下的储罐高度和截面积对应关系。
2)加注试验用低温介质，以温度传感器测量介质温度，根据介质沸点与压力的对应关系，常压条件下调整介质温度至沸腾，进行常压条件下沸腾静置，待系统达到热平衡；
3)开启流量计上游调节阀3、调节阀6，低温介质进入流量计4，采用降温系统预冷低温介质，通过温度参数监测系统预冷状态，直至达到工作温度，将流量计冷却至低温介质要求工作温度；
4)开启增压阀2，高纯氮气经气体扩散器向低温储罐气枕增压，增压用氮气经扩散后平行于液面出流并形成稳定压力；启动阀门控制系统和流量计及温度传感器等测量系统，经控制系统发时统统一时间基准后，在压力达到理论预设值后，打开流量控制阀7，通过调节阀7的节流调节获得设定流量，以液面高度作为判定基准，获取稳态数值后关断流量控制阀7；
5)重复步骤4，通过调整流量获取涡轮流量计检验规程所需的标定点，通过介质工作温度下，储罐内液面高度根据液位高度与容积对应关系获得剩余介质体积，计算流量值作为基准，根据流量计计量的偏差标定流量计的低温仪表系数。。
常规校准中仅能在实验室环境条件下采用常温的水介质对涡轮流量计进行标定，获取流量与流量计的转速的对应关系，这一对应关系在常温范围内适用，但是在使用的低温环境如-180℃以下的区间并不适应，在这个温度区间，流量计结构件因大温差带来的结构形变导致其特性与实验室常规水标定的状态差异可达3％，影响流量计测量精度，使用低温工作介质，在真实工作环境下进行流量计的标定，可以获取低温条件下流量与流量计转速对应关系，这一对应关系为低温仪表系数。最小二乘法为标定计量中中常用的线性对应关系计算方法。具体计算过程为通过设置不同的标定流量，实际测量对应的流量计转速，将相应的流量数据作为Y值，转速作为X值，拟合得到Y＝b×X+a，实际工作时将测量到的转速带入上述公式中即可得到相应的流量值。
6)关断流量控制阀门7，系统推进剂介质自容器转注阀门管道泄出，进行回温等结束工作。
进一步地，介质为液氧或液氢、液氮、液化甲烷、氧化亚氮、乙烯。
综上所述，本发明涉及一种基于低波动液位低温在线原位流量标定方法及系统，对储罐标定，获得储罐内的液位高度与容积对应关系；对储罐加压，使所述介质流经流量计，流量计对介质流量进行计量；对储罐内液面高度进行计量；通过储罐内液面高度根据液位高度与容积对应关系获得剩余介质体积，计算流量值作为基准，根据流量计计量的偏差标定流量计的低温仪表系数。本发明在实际工作温度下进行标定，对储罐体积低温的形变以及流量计的温差进行计量和补偿，大大提高了低温情况下的计量精度。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种基于低波动液位低温在线原位流量标定方法，其特征在于，包括：
(1)对储罐标定，加注液位至标定容器的上封头，获得储罐内的液位高度与容积对应关系，获取储罐材料在介质工作温度下的线胀系数，计算介质工作温度下，储罐内的液位高度与容积对应关系；
(2)采用储罐内储存推进剂作为介质加注，测量介质温度，依据介质沸点与压力的对应关系，常压条件下调整介质温度至介质沸腾，静置至达到热平衡；
(3)介质流入流量计，预冷介质和流量计至介质工作温度；
(4)对储罐加压，使所述介质流经流量计，流量计对介质流量进行计量；对储罐内液面高度进行计量；
(5)通过介质工作温度下，储罐内液面高度根据液位高度与容积对应关系获得剩余介质体积，计算流量值作为基准，根据流量计计量的偏差标定流量计的低温仪表系数。
2.根据权利要求1所述的基于低波动液位低温在线原位流量标定方法，其特征在于，获得储罐内的液位高度与容积对应关系包括：
储罐内加注标定用常温纯净水，实时测量储罐内纯净水的温度；纯净水经待标定储罐充填至标准容器内，同时测量储罐内液位的变化，通过标准容器内纯净水流出的体积建立起储罐不同液位高度与体积的对应关系，实现储罐的标定；通过标定获得的为常温条件下储罐高度与体积的对应关系，获得标准条件下储罐高度与截面积的对应关系。
3.根据权利要求1或2所述的基于低波动液位低温在线原位流量标定方法，其特征在于，所述介质为液氧或液氢、液氮、液化甲烷、氧化亚氮、乙烯。
4.根据权利要求1或2所述的基于低波动液位低温在线原位流量标定方法，其特征在于，对储罐加压包括：采用纯度高于99％的氮气经气体扩散器从储罐顶部注入加压，氮气经扩散后平行于液面出流并形成稳定压力。
5.根据权利要求1或2所述的基于低波动液位低温在线原位流量标定方法，其特征在于，标定流量计的低温补偿系数包括采用最小二乘法计算流量计低温仪表系数。
6.根据权利要求1或2所述的基于低波动液位低温在线原位流量标定方法，其特征在于，排出介质，进行回温，回温至室温后结束标定。
7.一种基于低波动液位低温在线原位流量标定系统，对储罐及介质通路上的流量计进行标定，其特征在于，包括温度传感器、液位传感器、降温系统和主控制器；
所述温度传感器测量介质温度；所述液位传感器检测储罐内储存介质的液位高度；所述降温系统能够降低储罐内介质和流量计的温度至介质工作温度；所述主控制器采集所述温度传感器测量的介质温度，达到介质工作温度后控制注入增压气体，所述主控制器同时采集液位传感器和流量计的计量值，通过储罐内液面高度根据液位高度与容积对应关系获得剩余介质体积，计算流量值作为基准，根据流量计计量的偏差标定流量计的低温仪表系数。
8.根据权利要求7所述的基于低波动液位低温在线原位流量标定系统，其特征在于，所述介质为液氧或液氢、液氮、液化甲烷、氧化亚氮、乙烯。
9.根据权利要求7或8所述的基于低波动液位低温在线原位流量标定系统，其特征在于，采用纯度高于99％的氮气经气体扩散器从储罐顶部注入加压，氮气经扩散后平行于液面出流并形成稳定压力。
10.根据权利要求7或8所述的基于低波动液位低温在线原位流量标定系统，其特征在于，所述主控制器采用最小二乘法标定流量计的低温仪表系数。
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