摘要:涡街流量计具有仪表系数与介质无关的特性,可以使用常温水介质下的标定公式,正确测量氢/氧火箭发动机试验中的流量参数。研究了低温涡街流量计的关键技术，包括:低温压电陶瓷材料特性、低温涡街信号检测、低温涡街信号调理技术以及低温涡街信号的DSP技术。最后推出低温涡街流量计样机,对样机进行了常温水介质的标定，综合精度达到0.5级。在某型号氢/氧火箭发动机试验系统上,以分节式液面计为标准，对低温涡街流量计样机进行了液氮介质的比对试验,其偏差为0.65%,精度优于涡轮流量计。
引言
在目前的氢/氧火箭发动机和液氧/煤油火箭发动机试验系统中,低温推进剂的流量测量主要采用涡轮流量计测量瞬时流量,用分节式电容液面计测量稳态流量。然而，涡轮流量计用水进行标定在液氢、液氧下使用时误差较大,分节式电容液面计无法测量瞬时流量且成本昂贵。因此,随着航天技术的发展,特别是大推力氢氧(液氧/煤油)火箭发动机的发展,必.须寻找一种仪表系数与介质无关、成本低、精度高的瞬时低温流量测量装置,而涡街流量计正是理想的选择。
根据涡街流量计的工作原理,在一定雷诺数范围内,其输出的频率信号不受比如流体组分,密度、压力、温度的影响”，即仪其表系数只与漩涡发生体及管道的几何尺寸有关。因此,只需在一种典型介质中标定即可适用于各种介质,即当用于低温测量时,不进行低温介质标定而用常温水标定即可达到一-定的精度。
目前,常温下的涡街流量计技术已相当成熟,形成了系列产品,用于各种工业领域。国内外都有相当数量的公司生产此类产品。但用于低温特别是超低温流体测量的涡街流量计国内尚无产品和文献报导,国外已开展研究并有少量文献报导,还没有成熟的产品推向市场。
通过理论分析和试验研究表明,超低温下涡街流量计的难点在于信号检测器灵敏度低,信噪弱。通过对压电材料低温特性、检测器结构优化、弱信号提取等技术的研究，用于超低温流体测量的精度高涡街流量测量装置样机,为运载火箭发动机地面试验低温流量测量提供性能好、可靠性高、而又价格便宜的测量手段。
2涡街流量计的结构和工作原理
一般的涡街流量计由流量计壳体、漩涡发生体、信号检测器、信号变换器和二次仪表组成,如图1所示。
漩涡发生体用于产生稳定的漩涡,一般采用三角柱体,因为三角柱漩涡发生体是一种综合性能比较优良的旋涡发生体,均匀而严密的分离机制,减小了流.体的其他扰动和噪声,使涡街信号既强烈又稳定,便于检测,合理设计尺寸可以得到高稳定性的涡街和量程比。正是这个原因,三角柱漩涡发生体是目前应用最广泛的漩涡发生体形状。信号检测器放在漩涡发生体后检测漩涡发生体尾流中的漩涡频率。
涡街流量计流量信号检测流程是:流量-→漩涡频率→检测杆交变升力-+压电陶瓷应力→交变电荷→电荷放大器→滤波整形→TTL方波→测频→显示输出流量。
3压电陶瓷的材料研究
压电陶瓷作为涡街流量计的关键敏感元件,其低温特性直接影响到流量计的性能，因此必须研究和选择低温下工作稳定、灵敏度高的材料。
随着温度的降低,压电材料的性能特性会发生一定的变化,并且由于制造方法和化学成分的不同,不同材料性能随温度的改变也是不同的。根据国外资料,对PZT-4、PZT-5.和PZT-8这几种材料的低温性能参数进行分析,初步确定它们在低温下能够使用,但实际情况下信号的强度和测量的灵敏度还需通过具体的试验来确定。
压电陶瓷国内没有低温产品,而且相关科研机构也没有进行过相关研究,国外有低温产品和相关实验资料,但价格昂贵,一般购买不到。与中科院硅酸盐研究所合作,专门配制了4种材料的压电陶瓷,分别是:
以上4种压电陶瓷经过几十次的“常温→液氮→常温"的反复升降温试验后发现压电陶瓷的机械强度没有太大的变化,PZN的电容值变化较大(6:1),NB8的电容值变化较大(3:1),其它2种电容变化较小(2:1)。说明以上压电陶瓷均可在低温下使用,机械强度和绝缘性能没有明显变化,但通过表面电容的比较认为LBNN和PMS-5两种较好比较稳定。
4低温涡街信号检测技术研究
4.1低温信号检测器的传热学设计[4)
低温信号检测器设计时,一方面需要考虑其对低温介质的引人热量,不能引起低温介质的显著气化,从而影响漩涡的稳定性和低温推进剂的品质,造成无法测量或无法试验;另一方面应尽量使压电陶瓷处的温度不要太低,从而降低对压电陶瓷性能的要求和提高压电陶瓷的使用寿命。
在设计时通过绝热套筒减少热量引人,通过加长杆使压电陶瓷处温度达到较为理想。通过传热计算进行了参数优化。传热计算程序用MicrosoftVisualC++6.0编写,用于估算检测杆温度分布。
基本方程采用二维稳态热传导方程:
数值计算中采用控制容积离散化方程,即认为在一个小的控制容积中,进出的净热流量为零。
该问题属于第三类边界条件,即给定周围流体的温度和换热系数。以流体和检测杆接触面为例，如图2,图中:P、S、E、N为网格点;T为流体温度,K。
控制体的方向符合常规X轴、Y轴和Z轴定义。
式中:k为控制容积间界面上的当量导热系数,W/(m.K);△y为一个单元控制体Y方向的长度，mm;△x为一个单元控制体X方向的长度,mm;1为Z方向的长度,mm。
qn、、qs则有差别,因为其控制容积侧面积变为内点的一半,即:
式(6)就是检测杆温度分布计算中第三类边界条件在流体与杆端面接触处的具体应用。
程序中的数值计算方法主要采用了ADI方法。ADI方法就是分别沿轴向和径向这两个方向对整个温度场做--次TDMA求解。TDMA即三对角矩阵算法,在温度场计算中用它来求解一维离散化方程。以上方法均是数值传热学中常用的方法,在此不再详细说明。
设计了6个检测器的结构方案,对其进行传热学计算,结果见表2。
从计算结果看,方案1.2.5可以为压电陶瓷提供较好的工作温度。
此外,在不采用绝热措施的情况下估算的由检测杆进入流体中的热流量小于100W,而液氢的燕发潜热约为453.6J/g,显然,由检测杆进人流体中的热量相对于液氢的蒸发潜热非常小，故这部分热量不会造成液氢的大量气化,因此不需要采用抽真空绝热,可以考虑设计绝热套简,以便更有效的阻止热量的流人。
4.2低温信号检测器的动力学设计
4.2.1漩涡发生体产生的漩涡升力估算
据流体力学知识:环流引起的流体对柱体的升力L可表示为:
式中ρ为流体密度,kg/m³;u为来流的速度,m/s;r为环量,m2/s;d为漩涡发生体迎面宽度,mm;D为表体通径,mm;b为漩涡发生体纵向尺寸,mm;CD为阻力系数,CL为横向升力力系数。
ITOH&S.OHKI通过大量实验,给出了3种截面形状(梯形、矩形、三角形)的发生体在不同Re数下的CL值,梯形(就是习惯上所称的三角柱)的CL≈
2.3,基本为一常量。
4.2.2信号检测器的受力计算
本研究的检测杆置于漩涡发生体下游一定距离的位置,其上端与流动管道固定,下端为自由端,因而在受力分析时,可以将系统简化为悬臂梁。如图3所示。
通过柱体的受力分析,可知柱体上受到的大多数都不是集中力而是局部分布力，下面就以这种情况来进行受力分析。
取x1、x2为坐标,凡使微段沿顺时针方向转动的剪力为正,使微段弯曲成凹形的弯矩为正,由材料力学的知识可以算得(如图3b所示):
式中:d31为极化方向与外力方向垂直的压电系数。
对6个设计方案的计算结果见表3。
从计算结果可以看出,方案2.3.5的电荷输出最大,结合传热学计算结果,方案2.5较为理想。从结构上看,方案5比方案2结构简单,易于加工,因此最终确定了检测器的设计方案为方案5。方案5特点为:(1)采用加长杆设计;(2)不采用抽真空绝热,但增加绝热套简;(3)对加长检测杆结构的固有频率进行估算,在500Hz以上，而涡街频率则在40-100Hz这个范围内,判断不会发生共振问题。
5低温涡街信号调理技术研究
由于压电式信号检测器输出电荷量的大小与流体流速近似成平方关系变化，因此输出电压信号的幅值变化范围也相当大[5],此外,要求研制的涡街流量计既能用于试车的极低温环境,又能用于水介质标定的常温环境,而涡街流量计检测探头在极低温下的输出信号是常温下的1/5以下,因此要求变送器的信号调理部分要能够适应大范围的信号幅值变化。在火箭发动机试车现场存在各种强振动的干扰,信噪比极差,因此还要求其滤波电路是锐截止的窄带滤波器。目前流行的涡街流量计信号调理电路无法满足要求。研制过程中,通过各种.方案的比较和多次实验改进,最后确定在研制的信号调理电路中应用ALC自动电平控制技术和高性能窄带滤波技术。与YDN80-1样品连接,在流量塔进行现场调试,比较试验证明,其性能优于国内其他型号涡街流量计。输人信号在8m-2000mV有效值范围内的情况下,该电路输出信号基本稳定在6000mV上。
6低温涡街信号的DSP(DigitalSignalProcessing)技术
6.1低温涡街流量计噪声分析
管道内介质流动紊流、脉动、流场的不稳定及不均匀性对旋涡发生体施加不规则的附加作用力。附.加作用力引起的噪声的幅度.频率均不规则，带有很大的随机性。其结果相当于在涡街频率信号中叠加了一个随机噪声。当噪声频率落人工作频段时,其影响难以消除。
有些动力源，如水泵、风机、压缩机等工作时都会引起管道振动。若管道安装不当,流体流动时管道有时会自振。这些振动传递到传感器上可造成漩涡发生体上产生附加的惯性应力,形成振动噪声。这些振动往往持续时间长或强度大,对涡街流量计的影响大。
压电晶体输出的电荷信号很弱.容易引人电磁串模或共模干扰。
除上述外界产生的噪声外,涡街本身还会产生低频摆动和信号衰减,如图5所示。
综上所述,涡街传感器输出信号可由下式表示:
y(t)=S(t)+n(t)
其中S(t)涡街频率信号,n(t)为随机干扰信号,由于其成分复杂,频谱宽广，处理是可假定为零均值的高斯分布。图6是微机采集到的经模拟滤波电路处理后的涡街传感器信号。由图看出,用普通的模拟滤波和整形电路很难提取准确可靠稳定的流量信号。
6.2DSP算法研究
深人分析发现涡街传感器输出信号中的噪声信号n(1)为随机干扰信号,处理时高于流量计量程范围的频率成分,可以通过前置模拟低通滤波电路加以消除,效果很好。但n(t)中处于量程范围内的频率成分不可能通过模拟滤波器或常规数字滤波器(如窄带滤波器)加以消除。
解决这个问题的途径有两条:-是改进漩涡发生体和信号检测器,也就是改进传感器,使其输出信号的信噪比尽可能高;二是采用数字信号处理方法,将涡街频率信号从有噪声的传感器输出信号中提取出来。
之前的研究基本上集中在第一条途径上,取得了一定效果,但这毕竟是局部的,没有完全解决问题,传感器输出信号依然不可避免地带有大量噪声，在有干扰的环境下,涡街流量计仍然工作不稳定,因此必须研究第二条途径,目前数字信号的处理方法归纳起来主要包括:小波变换、自适应陷波滤波和频谱分析方法。
小波变换可以看成是一.组带通滤波器,在低频段有很高的分辨率,而在高频段分辨率低，其实时性和功耗也都存在一定的缺陷。自适应陷波针对不同频率的信号建立不同参数的模型,在非整周期采样、谐波和噪声干扰情况下频率测量都能达到很好的精度，但是如果流量信号发生突变，而采样频率没有及时跟踪,就会造成较大的测量误差。谱分析方法是近年来的研究热点之一,经典谱分析算法对属于正态分布的噪声有很好的抑制作用,而且易于编程实现,但是在非整数周期采样时误差比较大,需要更多的计算和操作来进行频谱校正。而现代谱分析方法，也就是最大熵谱分析法更适合处理短序列的谱分析，对噪声的抑制能力更强,精度也更高[6]。
本研究采用了现代功率谱估计中的最大熵谱估计法提取噪声中的涡街频率。对设计的算法进行计算机仿真计算,结果如图7所示。
由计算结果可以看出,当信噪比为1:0.5时普通变送器的输出就会产生数据不稳，当信噪比为1:1时,其输出数据已基本不可用。而采用研究的DSP算法,即使在信噪比为1:10时仍能从频域获取有用的涡街信号,从而获得较为准确的流量数据。
7试验验证及效果
推出低温涡街流量计样机DW-80,在流量塔对该样机进行了常温水介质的标定.综合精度达到0.5级。
采用某型号氢氧火箭发动机试验系统,以分节液面计测得的流量为标准,分别对低温涡街流量计和低温涡轮流量计进行比对试验，结果如下:
从表中可见涡街流量计所测流量比液面计测的流量数据平均偏大0.65%,而涡轮流量数据比液面计测的流量数据平均偏大1.3%。若以液面计为标准，则可以认为涡街流量计的测量精度优于涡轮流量计。
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