音速噴嘴自動標定系統及自動標定方法

2023-10-18 05:24:29

專利名稱：音速噴嘴自動標定系統及自動標定方法
音速噴嘴自動標定系統及自動標定方法
技術領域：
本發明涉及火箭發動機地面試驗的推進劑輸送系統，主要用於氣體推進劑的流量控制器 (音速噴嘴)的流量特性的標定。背景技術：
音速噴嘴是氣體推進劑(如氧氣等)輸送系統中的重要部件，它的作用是控制流量。音 速噴嘴的結構形式如圖1所示，是一個先收縮後擴張的拉法爾噴管，氣體推進劑由左向右流 動，流通面積最小的截面稱為喉部。音速噴嘴的流量控制原理可以用流量公式表示
(1)
式中，
A是通過音速噴嘴的氣體流量；
//是結構係數，由音速噴嘴的結構尺寸和加工質量決定；
《是流量係數，只與通過音速噴嘴的氣體種類有關；
P是音速噴嘴入口總壓；
r是氣體總溫；
x是音速噴嘴喉部面積。
由流量公式可以看出， 一個音速噴嘴在一次試驗過程中，//、《、r、 ^都是常數，取:
a = //iT"P= (2)
則流量公式(l)可以表示為
A = aP (3)
(3)式所表示的流量A與入口總壓P之間的關係稱為音速噴嘴的流量特性。一個音速噴嘴 的流量特性明確後，就可以通過控制入口總壓來控制流量。
由於加工誤差、加工質量的不確定性等問題的存在，音速噴嘴生產出來之後，必須對其 進行標定，以獲得流量特性。
音速噴嘴傳統的標定系統如圖2所示，高壓氣罐l中貯存有潔淨的高壓氣體，高壓手閥 2是系統的上遊閩門，打開手閥2，高壓氣體通過減壓器4降低壓力，低壓氣體經過流量計6、 被測音速噴嘴8，到達電磁閥9前端。減壓器4是系統的核心部件，被測音速噴嘴8的入口 總壓由減壓器4控制。通過調節減壓器4，能夠將入口的高壓氣體變為任意需要的低壓氣體,其出口壓力即是被測音速噴嘴8的入口壓力。壓力表3用來監測氣源壓力，壓力表5用來監 測減壓器出口壓力，壓力表7用來監測音速噴嘴入口壓力，流量計6用來測量流量。
標定開始後，首先調節減壓器4，使其出口壓力為某一值，打開系統閥門9，系統開始 工作，待工作穩定後，記錄壓力表7和流量計6的數據，之後關閉電磁閥9。重新調節減壓 器4,改變其出口壓力，之後打開電磁閥9重新試驗，並記錄壓力表7和流量計6的數據， 重複多次，可以得到一組音速噴嘴的流量與入口壓力的數據，將數據進行回歸分析，擬合得 到流量與壓力的關係曲線，即是被測音速噴嘴的流量特性。
圖2所示的標定系統，對每一個音速噴嘴入口壓力屍，都要調節減壓器4，調節好之後 再打開電磁閥9並記錄數據，而一個音速噴嘴的標定往往要觀察、記錄幾十個不同的入口壓 力與流量數據，採用圖2所示的系統與方法需要重複幾十次手動調節減壓器和開關閥門的過 程，費時費力。而且考慮到安全，標定系統與閥門控制裝置往往不在同一個現場，二者要離 開一定的距離，因此標定音速噴嘴需要至少兩個人來操作， 一個人調節減壓器， 一個人開關 閥門和採集數據，而且兩人必須保持通訊，這使得標定效率比較低下。
發明內容
本發明的目的在於提供一種新的音速噴嘴標定系統和一種自動標定方法，將目前的兩人 配合手動操作改進為由計算機控制的自動操作，具有較高的自動化水平，可以節省大量的時 間，並且可以獲得更加精確的標定數據。
本發明的技術方案是將出口壓力可以遠程調節的定量供給式電控減壓器置於被測音速 噴嘴的上遊，被測音速噴嘴的入口壓力由定量供給式電控減壓器調節，並配合閥門驅動裝置、 電磁閩、壓力傳感器、流量計、數據採集設備和計算機等設備組成音速噴嘴自動標定系統， 並配合音速噴嘴自動標定軟體，通過軟體來控制標定系統自動運行，並將標定數據自動記錄、 顯示和處理。
具體的技術方案為用定量供給式電控減壓器代替傳統的手動調節的減壓器。定量供給 式電控減壓器的特徵在於其出口壓力可以遠程控制，其內部安裝有兩個小型電磁閥增壓電 磁閥和減壓電磁閥，給增壓電磁閥施加一個脈衝信號，則出口壓力升高一定水平，給減壓電 磁閥施加一個脈衝信號，則出口壓力降低一定水平。將定量供給式電控減壓器置於被測音速 噴嘴上遊較近的位置上，定量供給式電控減壓器的出口壓力即是被測音速噴嘴的入口壓力。 自動標定軟體通過閥門驅動裝置控制定量供給式電控減壓器出口壓力的升與降，並控制系統 閥門的開與關。用壓力傳感器和流量計測量音速噴嘴的流量和入口壓力，並通過數據採集設 備輸送到計算機，經過自動標定軟體處理後顯示在計算機上。
音速噴嘴自動標定方法，標定之前，在自動標定軟體上預先設定好一組被測音速噴嘴入口壓力屍的值。標定開始後，軟體自動讀取第一個屍值，並控制定量供給式電控減壓器動作，將其出口壓力調節到屍值。當P值穩定後，自動標定軟體發出指令打開系統閥門，系統開始工作，標定軟體讀取各傳感器的數據，待數據穩定後記錄音速噴嘴入口壓力屍和流量，並顯示在軟體界面上，並關閉閥門。之後計算機自動讀取第二個P值，並調節定量供給式電控減壓器，使其出口壓力等於第二個屍值，穩定後開啟系統閥門並記錄音速噴嘴入口壓力和流量。如此下去直到記錄最後一個入口壓力屍和流量數據，從而得到一組入口壓力與流量的數據，經回歸分析得到入口壓力與流量的關係，即是被測音速噴嘴的流量特性。整個標定過程全部由計算機控制標定系統自動運行，不需要任何的手工操作。標定完成後根據需要生成標定報表和流量特性曲線。
本發明的有益效果是實現了音速噴嘴標定過程的自動化，整個標定過程全部由計算機控制標定系統自動運行，免去了人工操作，節省了人力和時間，提高了工作效率，並且系統運用了現代傳感技術，能夠獲得更加精確的數據。整個標定過程全部由計算機遠程控制，不需要人員到現場搡作，提高了標定過程的安全性。

圖l音速噴嘴結構示意圖2音速噴嘴傳統標定系統示意圖3音速噴嘴自動標定系統示意圖4數據釆集設備組成示意圖5閥門驅動裝置組成示意圖；具體實施方式
音速噴嘴自動標定系統如圖3所示，高壓儲氣罐l中儲存有潔淨的高壓氧氣，作為系統氣源。高壓手閥2是氣源總開關，在高壓手閥2下遊布置一個壓力傳感器13,用來檢測氣源壓力。定量供給式電控減壓器14布置於被測音速噴嘴8上遊，其作用是將上遊的高壓氣體變為低壓氣體送給下遊，其出口壓力可以任意調節。音速噴嘴8的上遊布置一個溫度傳感器15和一個壓力傳感器16,用來測量氧氣的溫度和音速噴嘴的入口壓力。流量計6布置於被測音速噴嘴8下遊，用來測量流量。電磁閥9是系統閥門。壓力傳感器13、 16和溫度傳感器15的信號經數據採集設備12處理後進入計算機ll,標定軟體將信號處理並顯示在計算機11上。計算機11發出的指令，通過閥門驅動裝置IO來驅動定量供給式電控減壓器M和系統閩門9。
數據採集設備12的組成如圖4所示，23~30是8路採集埠，傳感器產生的4~20mA電流信號經過這8個埠，進入配電隔離器陣列22。配電隔離器一方面用來給傳感器供電，另一方面將傳感器送來的信號隔離整理。整理後的電流信號經過一個由8個250D的標準電阻組成的調理陣列21，轉換成1 5V的電壓信號，被釆集卡19採集到，並通過USB埠 17輸送到計算機。埠 18是220V交流電源的輸入埠。 24V直流電源20作為配電隔離陣列22的輸入電源。
閥門驅動裝置10的組成如圖5所示，控制指令由計算機ll發出後，通過USB埠33驅動開關量卡34輸出一個約3.5V的數位訊號，該信號經過達林頓管陣列35放大後，生成一個約27V的控制信號，經過埠 39 42輸出到控制端(定量供給式電控減壓器14或系統闊門9)。埠 32是220V交流電源的輸入埠。 27V直流電源31作為達林頓管陣列35的輸入電源。復位開關36是定量供給式電控減壓器14的手動增壓開關，復位開關37是定量供給式電控減壓器14的手動減壓開關。通過復位開關36、 37可以手動調節定量供給式電控減壓器14出口壓力的升與降。旋鈕開關38是電磁閥9的手動操作開關，用來手動作業系統閥門9的開啟與關閉。電壓表43用來監視27V直流電源的電壓。
閥門驅動裝置和數據採集設備集成在一個儀器箱內，方便攜帶與運輸。音速噴嘴自動標定軟體，用來設定標定參數，控制標定過程，顯示、記錄標定數據，對標定數據進行處理。
音速噴嘴自動標定方法通過標定軟體預先設定好一組被測音速噴嘴的入口壓力屍值，並設定屍允許的誤差」屍，軟體自動計算入口壓力屍的穩定區間(屍-zlP，屍+」屍)。標定開始後，標定軟體自動讀取第一個屍值，並採集當前的被測音速噴嘴8的入口壓力，如果入口壓力大於屍+」屍，則軟體輸出一個減壓指令，該指令通過閥門驅動裝置10放大後，控制定量供給式電控減壓器14的放氣閥開關一次，使得音速噴嘴8的入口壓力降低一定水平，軟體繼續採集音速噴嘴8的入口壓力，如果當前入口壓力還大於屍+ZiP,則軟體繼續控制定量供給式電控減壓器14降低出口壓力。相似的，如果當前壓力小於屍-zl屍，則軟體輸出一個增壓指令，該指令通過閥門驅動裝置IO放大後，控制定量供給式電控減壓器14的充氣閥開關一次，使得其出口壓力提高一定水平。如此往復，直到定量供給式電控減壓器14將音速噴嘴8的入口壓力調節到(屍-」屍,屍+」屍)範圍內。標定軟體發出指令打開系統閥門9,並讀取各傳感器的數據，待各傳感器採集到的數據穩定後，軟體自動記錄音速噴嘴8的入口壓力屍、流量A和標定氣體的溫度r,記錄完成後，標定軟體關閉系統閥門9並自動讀取第二個屍值，之後自動調節定量供給式電控減壓器14使音速噴嘴8的入口壓力穩定在第二個P值的穩定區間(屍-d屍,屍+J屍)內，打開系統閩門並記錄音速噴嘴入口壓力屍、流量A和標定氣體的溫度r,如此下去直到記錄最後一組數據，從而得到一組音速噴嘴入口壓力屍與流量A的值，即是被測減音速噴嘴的流量特性，標定完成後依據需要生成數據報表和流量特性曲線。整個標定過程全部由計算機控制系統自動運行，不需要任何手工操作，具有較高的自動化水平。
權利要求
1、音速噴嘴自動標定系統，包括高壓儲氣罐(1)、高壓手閥(2)、定量供給式電控減壓器(14)、被測音速噴嘴(8)、壓力傳感器(13、16)、溫度傳感器(15)、流量計(6)、電磁閥(9)、數據採集設備(12)、閥門驅動裝置(10)、計算機(11)以及自動標定軟體。其特徵在於在被測音速噴嘴(8)上遊設置有定量供給式電控減壓器(14)，被測音速噴嘴(8)的入口壓力由定量供給式電控減壓器(14)調節。
2、 根據權利要求l所述的音速噴嘴自動標定系統，其特徵還在於數據釆集設備(12)與 閥門驅動裝置(10)集成於一個儀器箱內。
3、 根據權利要求1所述的音速噴嘴自動標定系統，其特徵在於閥門驅動裝置(10)設置 有復位開關(36、 37)和旋鈕開關(38)。該系統即能通過標定軟體自動運行，也能通過復位開關 (36、 37)和旋鈕開關(38)手動操作運行。
4、 音速噴嘴自動標定方法，其特徵在於通過標定軟體預先設定好一組被測音速噴嘴 的入口壓力屍值；標定開始後，計算機自動讀取第一個戶值，通過閩門驅動裝置(10)調節定 量供給式電控減壓器(14),將其出口壓力調節到P值，並打開系統閥門(9),待傳感器檢測的 參數穩定後，記錄音速噴嘴入口壓力P與流量的值；計算機自動讀取第二個P值，繼續調節 定量供給式電控減壓器出口壓力至二個屍值，打開系統閥門(9)並記錄音速噴嘴入口壓力屍與 流量的值；如此下去直到記錄最後一個數據，從而得到一組入口壓力與流量的值，即是被測 音速噴嘴的流量特性，標定完成後根據需要生成數據報表和流量特性曲線。
全文摘要
一種音速噴嘴自動標定系統及自動標定方法，主要用於火箭發動機氣體推進劑輸送系統的流量控制器(音速噴嘴)的流量特性的標定，能夠將傳統標定過程的手動操作改進為由計算機控制的自動運行。將氧氣儲罐、定量供給式電控減壓器、壓力傳感器、溫度傳感器、被測音速噴嘴、流量計、控制閥、數據採集設備、閥門驅動裝置和計算機串聯組成音速噴嘴自動標定系統。自動標定軟體通過閥門驅動裝置來驅動定量供給式電控減壓器，由定量供給式電控減壓器調節被測音速噴嘴的入口壓力的大小。用傳感器和數據採集設備測量被測音速噴嘴入口壓力、流量等參數，並通過自動標定軟體實時顯示和記錄。
文檔編號G01M15/14GK101644627SQ20091009242
公開日2010年2月10日 申請日期2009年9月11日 優先權日2009年9月11日
發明者冰 孫, 佳 張, 鄭力銘 申請人:北京航空航天大學