摘要:渦街流量計具有儀表系數(shù)與介質(zhì)無關(guān)的特性,可以使用常溫水介質(zhì)下的標定公式,正確測量氫/氧火箭發(fā)動機試驗中的流量參數(shù)。研究了低溫渦街流量計的關(guān)鍵技術(shù)，包括:低溫壓電陶瓷材料特性、低溫渦街信號檢測、低溫渦街信號調(diào)理技術(shù)以及低溫渦街信號的DSP技術(shù)。最后推出低溫渦街流量計樣機,對樣機進行了常溫水介質(zhì)的標定，綜合精度達到0.5級。在某型號氫/氧火箭發(fā)動機試驗系統(tǒng)上,以分節(jié)式液面計為標準，對低溫渦街流量計樣機進行了液氮介質(zhì)的比對試驗,其偏差為0.65%,精度優(yōu)于渦輪流量計。
引言
在目前的氫/氧火箭發(fā)動機和液氧/煤油火箭發(fā)動機試驗系統(tǒng)中,低溫推進劑的流量測量主要采用渦輪流量計測量瞬時流量,用分節(jié)式電容液面計測量穩(wěn)態(tài)流量。然而，渦輪流量計用水進行標定在液氫、液氧下使用時誤差較大,分節(jié)式電容液面計無法測量瞬時流量且成本昂貴。因此,隨著航天技術(shù)的發(fā)展,特別是大推力氫氧(液氧/煤油)火箭發(fā)動機的發(fā)展,必.須尋找一種儀表系數(shù)與介質(zhì)無關(guān)、成本低、精度高的瞬時低溫流量測量裝置,而渦街流量計正是理想的選擇。
根據(jù)渦街流量計的工作原理,在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi),其輸出的頻率信號不受比如流體組分,密度、壓力、溫度的影響”，即儀其表系數(shù)只與漩渦發(fā)生體及管道的幾何尺寸有關(guān)。因此,只需在一種典型介質(zhì)中標定即可適用于各種介質(zhì),即當用于低溫測量時,不進行低溫介質(zhì)標定而用常溫水標定即可達到一-定的精度。
目前,常溫下的渦街流量計技術(shù)已相當成熟,形成了系列產(chǎn)品,用于各種工業(yè)領(lǐng)域。國內(nèi)外都有相當數(shù)量的公司生產(chǎn)此類產(chǎn)品。但用于低溫特別是超低溫流體測量的渦街流量計國內(nèi)尚無產(chǎn)品和文獻報導,國外已開展研究并有少量文獻報導,還沒有成熟的產(chǎn)品推向市場。
通過理論分析和試驗研究表明,超低溫下渦街流量計的難點在于信號檢測器靈敏度低,信噪弱。通過對壓電材料低溫特性、檢測器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、弱信號提取等技術(shù)的研究，用于超低溫流體測量的精度高渦街流量測量裝置樣機,為運載火箭發(fā)動機地面試驗低溫流量測量提供性能好、可靠性高、而又價格便宜的測量手段。
2渦街流量計的結(jié)構(gòu)和工作原理
一般的渦街流量計由流量計殼體、漩渦發(fā)生體、信號檢測器、信號變換器和二次儀表組成,如圖1所示。
漩渦發(fā)生體用于產(chǎn)生穩(wěn)定的漩渦,一般采用三角柱體,因為三角柱漩渦發(fā)生體是一種綜合性能比較優(yōu)良的旋渦發(fā)生體,均勻而嚴密的分離機制,減小了流.體的其他擾動和噪聲,使渦街信號既強烈又穩(wěn)定,便于檢測,合理設(shè)計尺寸可以得到高穩(wěn)定性的渦街和量程比。正是這個原因,三角柱漩渦發(fā)生體是目前應(yīng)用最廣泛的漩渦發(fā)生體形狀。信號檢測器放在漩渦發(fā)生體后檢測漩渦發(fā)生體尾流中的漩渦頻率。
渦街流量計流量信號檢測流程是:流量-→漩渦頻率→檢測桿交變升力-+壓電陶瓷應(yīng)力→交變電荷→電荷放大器→濾波整形→TTL方波→測頻→顯示輸出流量。
3壓電陶瓷的材料研究
壓電陶瓷作為渦街流量計的關(guān)鍵敏感元件,其低溫特性直接影響到流量計的性能，因此必須研究和選擇低溫下工作穩(wěn)定、靈敏度高的材料。
隨著溫度的降低,壓電材料的性能特性會發(fā)生一定的變化,并且由于制造方法和化學成分的不同,不同材料性能隨溫度的改變也是不同的。根據(jù)國外資料,對PZT-4、PZT-5.和PZT-8這幾種材料的低溫性能參數(shù)進行分析,初步確定它們在低溫下能夠使用,但實際情況下信號的強度和測量的靈敏度還需通過具體的試驗來確定。
壓電陶瓷國內(nèi)沒有低溫產(chǎn)品,而且相關(guān)科研機構(gòu)也沒有進行過相關(guān)研究,國外有低溫產(chǎn)品和相關(guān)實驗資料,但價格昂貴,一般購買不到。與中科院硅酸鹽研究所合作,專門配制了4種材料的壓電陶瓷,分別是:
以上4種壓電陶瓷經(jīng)過幾十次的“常溫→液氮→常溫"的反復升降溫試驗后發(fā)現(xiàn)壓電陶瓷的機械強度沒有太大的變化,PZN的電容值變化較大(6:1),NB8的電容值變化較大(3:1),其它2種電容變化較小(2:1)。說明以上壓電陶瓷均可在低溫下使用,機械強度和絕緣性能沒有明顯變化,但通過表面電容的比較認為LBNN和PMS-5兩種較好比較穩(wěn)定。
4低溫渦街信號檢測技術(shù)研究
4.1低溫信號檢測器的傳熱學設(shè)計[4)
低溫信號檢測器設(shè)計時,一方面需要考慮其對低溫介質(zhì)的引人熱量,不能引起低溫介質(zhì)的顯著氣化,從而影響漩渦的穩(wěn)定性和低溫推進劑的品質(zhì),造成無法測量或無法試驗;另一方面應(yīng)盡量使壓電陶瓷處的溫度不要太低,從而降低對壓電陶瓷性能的要求和提高壓電陶瓷的使用壽命。
在設(shè)計時通過絕熱套筒減少熱量引人,通過加長桿使壓電陶瓷處溫度達到較為理想。通過傳熱計算進行了參數(shù)優(yōu)化。傳熱計算程序用MicrosoftVisualC++6.0編寫,用于估算檢測桿溫度分布。
基本方程采用二維穩(wěn)態(tài)熱傳導方程:
數(shù)值計算中采用控制容積離散化方程,即認為在一個小的控制容積中,進出的凈熱流量為零。
該問題屬于第三類邊界條件,即給定周圍流體的溫度和換熱系數(shù)。以流體和檢測桿接觸面為例，如圖2,圖中:P、S、E、N為網(wǎng)格點;T為流體溫度,K。
控制體的方向符合常規(guī)X軸、Y軸和Z軸定義。
式中:k為控制容積間界面上的當量導熱系數(shù),W/(m.K);△y為一個單元控制體Y方向的長度，mm;△x為一個單元控制體X方向的長度,mm;1為Z方向的長度,mm。
qn、、qs則有差別,因為其控制容積側(cè)面積變?yōu)閮?nèi)點的一半,即:
式(6)就是檢測桿溫度分布計算中第三類邊界條件在流體與桿端面接觸處的具體應(yīng)用。
程序中的數(shù)值計算方法主要采用了ADI方法。ADI方法就是分別沿軸向和徑向這兩個方向?qū)φ麄�溫度場做--次TDMA求解。TDMA即三對角矩陣算法,在溫度場計算中用它來求解一維離散化方程。以上方法均是數(shù)值傳熱學中常用的方法,在此不再詳細說明。
設(shè)計了6個檢測器的結(jié)構(gòu)方案,對其進行傳熱學計算,結(jié)果見表2。
從計算結(jié)果看,方案1.2.5可以為壓電陶瓷提供較好的工作溫度。
此外,在不采用絕熱措施的情況下估算的由檢測桿進入流體中的熱流量小于100W,而液氫的燕發(fā)潛熱約為453.6J/g,顯然,由檢測桿進人流體中的熱量相對于液氫的蒸發(fā)潛熱非常小，故這部分熱量不會造成液氫的大量氣化,因此不需要采用抽真空絕熱,可以考慮設(shè)計絕熱套簡,以便更有效的阻止熱量的流人。
4.2低溫信號檢測器的動力學設(shè)計
4.2.1漩渦發(fā)生體產(chǎn)生的漩渦升力估算
據(jù)流體力學知識:環(huán)流引起的流體對柱體的升力L可表示為:
式中ρ為流體密度,kg/m³;u為來流的速度,m/s;r為環(huán)量,m2/s;d為漩渦發(fā)生體迎面寬度,mm;D為表體通徑,mm;b為漩渦發(fā)生體縱向尺寸,mm;CD為阻力系數(shù),CL為橫向升力力系數(shù)。
ITOH&S.OHKI通過大量實驗,給出了3種截面形狀(梯形、矩形、三角形)的發(fā)生體在不同Re數(shù)下的CL值,梯形(就是習慣上所稱的三角柱)的CL≈
2.3,基本為一常量。
4.2.2信號檢測器的受力計算
本研究的檢測桿置于漩渦發(fā)生體下游一定距離的位置,其上端與流動管道固定,下端為自由端,因而在受力分析時,可以將系統(tǒng)簡化為懸臂梁。如圖3所示。
通過柱體的受力分析,可知柱體上受到的大多數(shù)都不是集中力而是局部分布力，下面就以這種情況來進行受力分析。
取x1、x2為坐標,凡使微段沿順時針方向轉(zhuǎn)動的剪力為正,使微段彎曲成凹形的彎矩為正,由材料力學的知識可以算得(如圖3b所示):
式中:d31為極化方向與外力方向垂直的壓電系數(shù)。
對6個設(shè)計方案的計算結(jié)果見表3。
從計算結(jié)果可以看出,方案2.3.5的電荷輸出最大,結(jié)合傳熱學計算結(jié)果,方案2.5較為理想。從結(jié)構(gòu)上看,方案5比方案2結(jié)構(gòu)簡單,易于加工,因此最終確定了檢測器的設(shè)計方案為方案5。方案5特點為:(1)采用加長桿設(shè)計;(2)不采用抽真空絕熱,但增加絕熱套簡;(3)對加長檢測桿結(jié)構(gòu)的固有頻率進行估算,在500Hz以上，而渦街頻率則在40-100Hz這個范圍內(nèi),判斷不會發(fā)生共振問題。
5低溫渦街信號調(diào)理技術(shù)研究
由于壓電式信號檢測器輸出電荷量的大小與流體流速近似成平方關(guān)系變化，因此輸出電壓信號的幅值變化范圍也相當大[5],此外,要求研制的渦街流量計既能用于試車的極低溫環(huán)境,又能用于水介質(zhì)標定的常溫環(huán)境,而渦街流量計檢測探頭在極低溫下的輸出信號是常溫下的1/5以下,因此要求變送器的信號調(diào)理部分要能夠適應(yīng)大范圍的信號幅值變化。在火箭發(fā)動機試車現(xiàn)場存在各種強振動的干擾,信噪比極差,因此還要求其濾波電路是銳截止的窄帶濾波器。目前流行的渦街流量計信號調(diào)理電路無法滿足要求。研制過程中,通過各種.方案的比較和多次實驗改進,最后確定在研制的信號調(diào)理電路中應(yīng)用ALC自動電平控制技術(shù)和高性能窄帶濾波技術(shù)。與YDN80-1樣品連接,在流量塔進行現(xiàn)場調(diào)試,比較試驗證明,其性能優(yōu)于國內(nèi)其他型號渦街流量計。輸人信號在8m-2000mV有效值范圍內(nèi)的情況下,該電路輸出信號基本穩(wěn)定在6000mV上。
6低溫渦街信號的DSP(DigitalSignalProcessing)技術(shù)
6.1低溫渦街流量計噪聲分析
管道內(nèi)介質(zhì)流動紊流、脈動、流場的不穩(wěn)定及不均勻性對旋渦發(fā)生體施加不規(guī)則的附加作用力。附.加作用力引起的噪聲的幅度.頻率均不規(guī)則，帶有很大的隨機性。其結(jié)果相當于在渦街頻率信號中疊加了一個隨機噪聲。當噪聲頻率落人工作頻段時,其影響難以消除。
有些動力源，如水泵、風機、壓縮機等工作時都會引起管道振動。若管道安裝不當,流體流動時管道有時會自振。這些振動傳遞到傳感器上可造成漩渦發(fā)生體上產(chǎn)生附加的慣性應(yīng)力,形成振動噪聲。這些振動往往持續(xù)時間長或強度大,對渦街流量計的影響大。
壓電晶體輸出的電荷信號很弱.容易引人電磁串模或共模干擾。
除上述外界產(chǎn)生的噪聲外,渦街本身還會產(chǎn)生低頻擺動和信號衰減,如圖5所示。
綜上所述,渦街傳感器輸出信號可由下式表示:
y(t)=S(t)+n(t)
其中S(t)渦街頻率信號,n(t)為隨機干擾信號,由于其成分復雜,頻譜寬廣，處理是可假定為零均值的高斯分布。圖6是微機采集到的經(jīng)模擬濾波電路處理后的渦街傳感器信號。由圖看出,用普通的模擬濾波和整形電路很難提取準確可靠穩(wěn)定的流量信號。
6.2DSP算法研究
深人分析發(fā)現(xiàn)渦街傳感器輸出信號中的噪聲信號n(1)為隨機干擾信號,處理時高于流量計量程范圍的頻率成分,可以通過前置模擬低通濾波電路加以消除,效果很好。但n(t)中處于量程范圍內(nèi)的頻率成分不可能通過模擬濾波器或常規(guī)數(shù)字濾波器(如窄帶濾波器)加以消除。
解決這個問題的途徑有兩條:-是改進漩渦發(fā)生體和信號檢測器,也就是改進傳感器,使其輸出信號的信噪比盡可能高;二是采用數(shù)字信號處理方法,將渦街頻率信號從有噪聲的傳感器輸出信號中提取出來。
之前的研究基本上集中在第一條途徑上,取得了一定效果,但這畢竟是局部的,沒有完全解決問題,傳感器輸出信號依然不可避免地帶有大量噪聲，在有干擾的環(huán)境下,渦街流量計仍然工作不穩(wěn)定,因此必須研究第二條途徑,目前數(shù)字信號的處理方法歸納起來主要包括:小波變換、自適應(yīng)陷波濾波和頻譜分析方法。
小波變換可以看成是一.組帶通濾波器,在低頻段有很高的分辨率,而在高頻段分辨率低，其實時性和功耗也都存在一定的缺陷。自適應(yīng)陷波針對不同頻率的信號建立不同參數(shù)的模型,在非整周期采樣、諧波和噪聲干擾情況下頻率測量都能達到很好的精度，但是如果流量信號發(fā)生突變，而采樣頻率沒有及時跟蹤,就會造成較大的測量誤差。譜分析方法是近年來的研究熱點之一,經(jīng)典譜分析算法對屬于正態(tài)分布的噪聲有很好的抑制作用,而且易于編程實現(xiàn),但是在非整數(shù)周期采樣時誤差比較大,需要更多的計算和操作來進行頻譜校正。而現(xiàn)代譜分析方法，也就是最大熵譜分析法更適合處理短序列的譜分析，對噪聲的抑制能力更強,精度也更高[6]。
本研究采用了現(xiàn)代功率譜估計中的最大熵譜估計法提取噪聲中的渦街頻率。對設(shè)計的算法進行計算機仿真計算,結(jié)果如圖7所示。
由計算結(jié)果可以看出,當信噪比為1:0.5時普通變送器的輸出就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)不穩(wěn)，當信噪比為1:1時,其輸出數(shù)據(jù)已基本不可用。而采用研究的DSP算法,即使在信噪比為1:10時仍能從頻域獲取有用的渦街信號,從而獲得較為準確的流量數(shù)據(jù)。
7試驗驗證及效果
推出低溫渦街流量計樣機DW-80,在流量塔對該樣機進行了常溫水介質(zhì)的標定.綜合精度達到0.5級。
采用某型號氫氧火箭發(fā)動機試驗系統(tǒng),以分節(jié)液面計測得的流量為標準,分別對低溫渦街流量計和低溫渦輪流量計進行比對試驗，結(jié)果如下:
從表中可見渦街流量計所測流量比液面計測的流量數(shù)據(jù)平均偏大0.65%,而渦輪流量數(shù)據(jù)比液面計測的流量數(shù)據(jù)平均偏大1.3%。若以液面計為標準，則可以認為渦街流量計的測量精度優(yōu)于渦輪流量計。
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