本發(fā)明主要用于低溫介質穩(wěn)態(tài)流量的測量技術領城。

背景技術：

在液體火箭發(fā)動機試驗中，穩(wěn)態(tài)流量是掌握發(fā)動機性能需獲得的重要參數(shù)。特別是在氫氧發(fā)動機的高空模擬試驗和校準試驗中，對穩(wěn)態(tài)流量測量的精度要求很高。而由于渦輪流量計在低溫下的校準目前尚存在技術問題，采用渦輪流量計等常規(guī)手段已不能滿足要求低溫介質的流量測量，需要采用一種新的方法來組建高精度流量測量系統(tǒng)。

分節(jié)式電容液位計是測量低溫液位的一種常用方法。分節(jié)電容液面計采用細分結構設計和比較測量模式，可以達到很高的分辨率和零點漂移抑制能力。分節(jié)液面計的基本特征是由兩根垂直放置的內管和外管同軸裝配組成，作為液面探測元件。其中，內、外管分別構成電容的兩個電極，內外電極之加用絕緣支撐件保持固定。與普通電容液面計不同，其外管被分割成相同高度并相互絕緣的若干節(jié)。若從貯箱底部向上計，依次與內管構成電容c1、c2…c2n-1、c2n，將奇數(shù)節(jié)電容c1、c3…c2n-1并聯(lián)，偶數(shù)節(jié)電容c2、c4…c2n并聯(lián)，所形成電容分別記為c奇、c偶，如圖1所示。分節(jié)電容液面計的信號變化硬件技術已較為成熟，參考專利201210250511.x，信號形式如圖2所示。

基于分節(jié)式電容液位計的流量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件較為復雜，該軟件主要對圖2所示的三角波信號數(shù)據(jù)進行分析和計算，得到指定時間段內的三角波個數(shù)，根據(jù)分節(jié)式電容液位計的具體分段的小節(jié)長度換算為指定時間段內的液位信息；通過查容器校驗表得到指定液位所對應的容積，根據(jù)公式(1)計算出穩(wěn)態(tài)體積流量值；再根據(jù)公式(2)計算出質量流量值。

式中：qv―低溫推進劑穩(wěn)態(tài)體積流量，

n1―t1時刻的波峰對應的節(jié)數(shù)，

n2－t2時刻的波峰對應的節(jié)數(shù)，

v(n1)－n1對應的體積，

v(n2)－n2對應的體積。

qm＝qv·ρ(2)

式中，qm－低溫推進劑穩(wěn)態(tài)質量流量，

qv－低溫推進劑穩(wěn)態(tài)體積流量，

ρ－低溫介質密度。

由于電容信號機器敏感，貯箱加注過程中受閥門動作等因素影響的會產(chǎn)生干擾，使得差動電容變換信號出現(xiàn)奇異波形，此時依賴于計算三角波個數(shù)而實現(xiàn)的液位測量功能失效，真實液位信息將無法確定。并且由于在實際應用中，三角波個別信號值可能受干擾，不易實時計算精確的液位值。因此，本專利是提出一種基于分節(jié)式電容液位計的低溫介質穩(wěn)態(tài)流量計算方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種計算低溫介質穩(wěn)態(tài)流量的方法，能夠給出高精度、高穩(wěn)定的低溫介質量穩(wěn)態(tài)流量值。此方法基于分節(jié)式電容液位計，本發(fā)明包括以下內容：

分節(jié)式電容液位計在上液位、中液位、下液位段上分布兩個或者四個參考位置小節(jié)，具體尺寸比其余普通小節(jié)短，通常取信號小節(jié)長度的一半，實際應用中具體尺寸以能分辨參考位置小節(jié)信號和普通小節(jié)信號的大小為準。參考位置小節(jié)的設置能有效地避免三角波信號在受干擾時，不能準確得到液位信息。而通過參考位置小節(jié)作為起始點對液位進行重新計算，它的位置分布以及個數(shù)根據(jù)實際需要可靈活設置。

貯箱在分節(jié)式電容液位計每個小節(jié)節(jié)點對應的液位高度都做了液位容積的貯箱標定。

然后根據(jù)分節(jié)式電容液位計的變送器給出的信號設計高效的軟件計算方法。軟件計算方法具體包括三部分。在三角波判讀的過程中，在尋找拐點時，先采用電平比較法找到包含拐點的時間段，再尋找極值。由于實際波形有抖動干擾，采用簡單的電平比較可能會有誤判，故建立了一個遲滯帶，在遲滯帶之間的信號作為干擾信號剔除，杜絕了干擾造成的誤判。

在尋找參考位置波時，算法中采用了狀態(tài)機的方法，如圖3所示，此圖是參考位置波為四個小波的情況。

另外由于實際的拐點并不尖銳，而是一段不規(guī)則的圓弧，故用斜坡段的數(shù)據(jù)進行線性擬合，再求出直線的交點作為真正的拐點位置。

讀取指定時間段內拐點對應的時間信息，得到指定時間段內的三角波個數(shù)，根據(jù)分節(jié)式電容液位計的具體分段的小節(jié)長度換算為指定時間段內的液位信息；通過查容器校驗表得到指定液位所對應的容積，根據(jù)公式(1)計算出穩(wěn)態(tài)體積流量值；用“p-t-ρ”法測密度計算得到低溫介質密度。再根據(jù)公式(2)計算出質量流量值。

本方法有效地去除貯箱加注過程中受閥門動作，以及電磁干擾等因素影響，通過本方法計算得到的穩(wěn)態(tài)質量流量值精度達到0.05％。

附圖說明

圖1為分節(jié)式電容液位計信號實現(xiàn)方式示意圖；

圖2為分節(jié)式電容液位計輸出的三角波信號；

圖3為算法所使用的狀態(tài)機圖；

圖4為系統(tǒng)框圖；

圖5為分節(jié)式電容液位計的局部機械圖；

圖6為液位下降時三角波信號示意圖；

本發(fā)明未詳細描述內容為本領域技術人員公知技術。

具體實施方式

本發(fā)明是一種計算低溫介質穩(wěn)態(tài)流量的方法，

在實際應用的具體實施方案，系統(tǒng)的組成參見系統(tǒng)框圖(圖4)。

圖4中，lo2分節(jié)式電容液位計和相應的變送器組成液位測量前端系統(tǒng)。它將液氧貯箱中液位的變化轉換成連續(xù)的三角波信號，并將三角波信號輸出至采集板卡，由微機讀取數(shù)據(jù)結合密度計算出穩(wěn)態(tài)平均質量流量。

本實現(xiàn)中，分節(jié)式電容液位計的參考位置節(jié)設置在上液位——貯箱上焊縫位置(對應液位為l)。如圖5所示。其中偶節(jié)奇節(jié)的長度為l1，參考位置節(jié)的長度為l2，環(huán)氧玻璃鋼長度為l3。

在貯箱加滿后，開始試車后，可得到波形如圖6所示。用軟件找出參考位置節(jié)的小波之后，數(shù)大波個數(shù)為2個。由此可得到t0時刻液位是l-(l2+1.5·l3)，t1時刻液位是l-(3·l1+2·l2+5.5·l3)。在之前，貯箱在分節(jié)式電容液位計每個小節(jié)節(jié)點對應的液位高度都做了液位容積的貯箱標定。因此可查詢貯箱容積表得到t0和t1時刻準確的容積v1和v2。根據(jù)公式(1)計算體積流量。用“p-t-ρ”法測密度計算得到低溫介質密度，根據(jù)公式(2)得到液氧的穩(wěn)態(tài)流量。

此方法中，分節(jié)式電容液位計的參考位置節(jié)還在下液位(貯箱下焊縫位置)，中液位(液位計一半長度位置)，在試車過程中，如果上液位參考位置節(jié)由于干擾未找到，可尋找中液位和下液位的參考位置節(jié)信號，重新對液位進行準確計算。

技術特征：

技術總結
本發(fā)明提出一種計算低溫介質穩(wěn)態(tài)流量的方法，能夠給出高精度的穩(wěn)態(tài)流量參數(shù)，精度達到0.05％。本發(fā)明的方法基于分節(jié)式電容液位計，能夠解決貯箱加注過程中產(chǎn)生的擾動對分節(jié)式液面計的干擾影響。本發(fā)明在分節(jié)式電容液位計的結構設計中引入?yún)⒖嘉恢眯」?jié)，并提出一種準確分辨分節(jié)式電容液位計的三角波拐點信號的方法，能夠替代人工計算，自動識別參考位置波，自動精確計算質量流量。

技術研發(fā)人員：耿衛(wèi)國;蔡睿;周磊;劉岳鵬;段娜;宋緒勇;方俊雅;敖春芳;周文怡
受保護的技術使用者：北京航天試驗技術研究所
技術研發(fā)日：2016.11.29
技術公布日：2017.08.04