凝胶流量计实流模拟校准技术研究

常莹，刘彦军，孙新新

(1．中国航天科技集团公司第六研究院计量测试研究所，陕西西安710100;2.中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

瞬态流量的准确测量是发动机试验中的重要工作，对于新型发动机的设计、发动机的结构改进以及发动机热试车和高空模拟试车非常重要［1］。凝胶推进剂属于非牛顿流体，静止贮存为类固态、粘性大，受剪切后粘性迅速下降，近似牛顿流体，使用常规的流量计无法对其进行准确测量，故选择了科氏力质量流量计对凝胶推进剂在实际管路中的质量流量进行测量 (本文中简称凝胶流量计)。

质量流量计的传统校准方法是采用质量法，质量法属于离线检定，只能测平均流量，一般不能封闭运行且其关键部件换向器对粘度特别敏感，粘度大导致挂壁现象严重，影响测量精度，而凝胶推进剂的流变特性使得质量法不适宜于对凝胶流量计进行校准。本文采用活塞位移型体积管构成凝胶流量计标准装置的主标准器，它具有高精度、宽量程、适合高粘度、耐高压、全密闭运行等特点，在原油等高粘度流量计计量领域得到了广泛的应用，故该装置适宜于对凝胶流量计进行校准。美国加利布朗公司、中航工业第三零四研究所对活塞位移型体积管在水、原油等领域的校准应用进行了研究［2－5］。

西安航天计量测试研究所结合凝胶推进剂本身的压力触变特性，对凝胶流量计的校准技术进行了深入地研究。基于常规液体流量标准装置的结构［3］，通过增设加压/泄压装置，加装在线密度计，设计了一套针对火箭发动机凝胶流量计的标准装置。该装置可以模拟凝胶流量计的实际使用工况，进行瞬态流量的准确测量，实现凝胶流量计的实流模拟校准，提高测量的准确度。

1 活塞位移型凝胶流量计标准装置

凝胶流量计标准装置原理图如图1所示，该装置主要包括机械系统、增压系统和数据采集处理系统三部分。

图1 活塞位移型凝胶流量计标准装置原理图

装置采用伺服电机驱动标准活塞缸 (体积管)产生标准流量源，活塞缸同时作为容积标准，与光栅配合构成流量测量系统。具体的工作过程如下:校准前将阀1，2，3，4开启，用增压系统将贮罐中的凝胶挤压到活塞体积管和管路中;在校准行程中关闭阀门3，由电机通过传动系统驱动活塞在主动体积管中运动，产生标准流量源，凝胶通过阀门1、凝胶流量计、密度计和阀门2进入贮箱。光栅用于测量活塞行程L，活塞行程与活塞截面积A的乘积再除以运行时间t就得到体积流量q==，密度ρ采用在线密度计进V行测量，则由活塞位移型体积管产生的质量流量qm·ρ=·ρ。把q与凝胶流量计相应的指示流量mqs相比较，即可确定凝胶流量计的误差，从而达到校准流量计的目的。

1.1 机械系统

机械系统由标准流量源部件和流量测量部件组成。

1.1.1 标准流量源部件

标准流量源部件由伺服电机、滚珠丝杠、活塞、活塞缸、贮罐和管路等组成。流量的稳定是实现准确测量的前提，由伺服电机、精密丝杠驱动活塞运动产生高稳定的凝胶流量源。本装置采用国外进行凝胶实验时常用的高压气体挤压方式产生流量源，即使用高压气体将贮罐中的凝胶挤压到活塞体积管和管路中。

如图2所示，流量计上下游安装有温度传感器(T1，T2)和压力传感器 (p1，p2)测量流体的温度、压力，其中p1和T1用来测量活塞位移型体积管出口处凝胶的压力和温度，p2和T2用来测量被校凝胶流量计处介质的压力和温度，这四个参数可以进行活塞位移型体积管标准容积的压力和温度修正，得到高精度的流量。

图2 数据采集控制系统原理图

1.1.2 流量测量部件

活塞缸作为容积标准，与光栅、在线密度计配合构成流量测量系统。由于凝胶推进剂流量测量采用的是科氏力质量流量计，需以质量流量对其进行标定。而活塞位移型体积管标定的是体积流量，故需要加装在线密度计连续实时地检测校准介质的密度值。由于凝胶具有的粘度高、压力触变性等特点，普通的密度测量手段无法满足胶体密度测量的要求，本装置中采用国际先进的谐振在线密度计，采用一个振动管来测量密度。当流体密度改变，密度计的振动质量将发生改变，振动质量的变化再影响谐振频率，故测得密度计谐振频率即可得知流体密度。频率与密度的关系为

式中:ρ为液体密度;T为密度计输出的振动周期;K0，K1，K2为传感器的常数，在出厂时标定。

1.2 增压系统

采用挤压式系统供应凝胶推进剂，增压系统能够稳定供应0.5 Mpa的压力，实现凝胶推进剂剪切变稀和稳定流动。

为实现有效和安全地控制气体的流量、压力，开启相应通路的阀门，在高压段，打开气瓶阀，通过增压泵将气瓶压力提高到所需压力送入贮胶罐;在中、低段，打开气瓶阀，通过减压器将气瓶压力减至工作所需压力送入贮胶罐。在进气路有一个低速增压阀和快速增压阀，可通过选择进行低速或快速加压，当压力与参考压力平衡后，即可进行实验。在排气路有一个低速卸压阀和快速卸压阀，当压力超过设定或降压时，可通过选择进行低速或快速卸压，当压力与参考压力平衡后，即可进行实验，达到安全控制的目的。

1.3 数据采集处理系统

数据采集处理系统主要由数据采集控制系统和上位机校准软件组成［7］。

1.3.1 硬件设计

数据采集控制系统原理图如图2所示。主要采集量包含温度/压力信号、时钟信号，光栅位移信号，流量计模拟/频率信号、密度计频率信号等;控制系统主要进行伺服电机的控制及反馈、阀门控制及反馈等。检定流量计时，流量计数、光栅计数、时钟计数三者之间要求严格同步，从而保证计算仪表系数的准确。数据采集控制系统采用模块化设计，可以方便扩展，升级系统功能，主要模块包括研华公司PCI1716板卡、PCI1780板卡、凌华PCI8164板卡等。

1.3.2 上位机校准软件设计

上位机校准软件主要是依据相关流量计检定规程，完成凝胶流量计的检定、校准等工作，主要实现信息录入、电机控制、阀门控制、数据采集、数据处理和证书打印等功能。编程语言采用了VC++，利用在VC++中嵌套Microsoft Excel实现数据的处理、保存和管理，在VC++中嵌套Microsoft Word实现证书的自动生成和打印功能。上位机校准软件发送给控制系统的命令包括:开始检定命令、活塞稳定时间、电机转速及位置控制、阀门控制信号等;控制系统发回给上位机校准软件的数据包括:检定完毕信号、光栅位移信号、流量计模拟/频率信号、密度计频率信号、时钟脉冲信号、温度/压力传感器信号等。校准软件程序流程图如图3所示。

图3 程序流程图

1.3.3 检定流程设计

在上位机设置好介质参数和被校流量计的参数之后，上位机向控制系统发送检定命令和检定参数。控制系统收到上位机发出的检定命令以和检定参数之后，开始检定被检流量计。检定流程如图4所示。

图4 检定流程图

首先，启动电机正转，控制系统根据上位机要求的流量大小来控制电机转速。当电机转速达到稳定时，启动校准软件，开始采集被校流量计信号、活塞的初始位移、时钟信号和密度计的频率信号，当活塞位移达到上位机规定的距离时，控制系统立即停止采集数据，同时将检定数据存储。数据存储完毕后，启动电机反转，活塞退回到起始位置准备下一次检定。

上位机校准软件收到控制系统发回的检定完毕信号后，首先导入原始数据，选择检定/校准功能，输入密度值和仪表系数;进行数据处理，得到所有检定点的原始数据;然后对所有检定点的原始数据进行处理，得到每个检定点的结果;最后对每个检定点进行数据处理，得到被校流量计的检定结果，包括最小流量、最大流量、介质温度、介质压力、仪表系数、误差和重复性，并打印输出被检流量计的检定证书。

2 结论

凝胶推进剂是一种非牛顿粘弹性流体，具有粘度高、压力触变性等特点，而常规液体流量标准装置只能以牛顿流体作为校准介质，故无法实现凝胶流量计真实介质的校准。因此针对凝胶推进剂的特殊流变性，本文设计的活塞位移型凝胶流量计标准装置通过增设加压/泄压装置、加装在线密度计，充分模拟了凝胶流量计的实际使用工况，实现了凝胶流量计的实流模拟校准，提高了测量的准确度。该装置具有如下特点:

1)流量稳定。由于流量值为活塞运行速度与活塞缸横截面积的乘积，活塞由伺服电机带动，而伺服电机的转速易于调整和控制，因此容易使流量达到并稳定在设定流量点上。

2)重复性好。从原理上看，其重复性仅与活塞缸体面积的变化、光栅测量的重复性及密封圈的变形等因素有关，而这些影响因素均很小。

3)流量测量范围大。本装置体积流量测量范围:0．1～10 m3/h，标准模拟液的密度范围为700～1300 kg/m3［8］，将体积流量转换成质量流量，则其测量范围为19．44～3611 g/s，我所建立的凝胶流量计标准装置在流量测量范围方面可以满足我国航天发动机在实际热试车和高空模拟试车中对凝胶推进剂质量流量测量的要求，同时为该装置后续功能的扩展奠定了基础。

［1］郭霄峰．发动机试验［M］．北京:宇航出版社．1990．

［2］孙策．质量流量计的在线检定和离线检定 ［J］．工业计量．2007，17(4):27－30．

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