摘要:渦街流量計(jì)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(biāo)定公式,正確測(cè)量氫/氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中的流量參數(shù)。研究了低溫渦街流量計(jì)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(hào)檢測(cè)、低溫渦街信號(hào)調(diào)理技術(shù)以及低溫渦街信號(hào)的DSP技術(shù)。最后推出低溫渦街流量計(jì)樣機(jī),對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了常溫水介質(zhì)的標(biāo)定，綜合精度達(dá)到0.5級(jí)。在某型號(hào)氫/氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)上,以分節(jié)式液面計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)低溫渦街流量計(jì)樣機(jī)進(jìn)行了液氮介質(zhì)的比對(duì)試驗(yàn),其偏差為0.65%,精度優(yōu)于渦輪流量計(jì)。
引言
在目前的氫/氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)中,低溫推進(jìn)劑的流量測(cè)量主要采用渦輪流量計(jì)測(cè)量瞬時(shí)流量,用分節(jié)式電容液面計(jì)測(cè)量穩(wěn)態(tài)流量。然而，渦輪流量計(jì)用水進(jìn)行標(biāo)定在液氫、液氧下使用時(shí)誤差較大,分節(jié)式電容液面計(jì)無法測(cè)量瞬時(shí)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(dòng)機(jī)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(shí)低溫流量測(cè)量裝置,而渦街流量計(jì)正是理想的選擇。
根據(jù)渦街流量計(jì)的工作原理,在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi),其輸出的頻率信號(hào)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(biāo)定即可適用于各種介質(zhì),即當(dāng)用于低溫測(cè)量時(shí),不進(jìn)行低溫介質(zhì)標(biāo)定而用常溫水標(biāo)定即可達(dá)到一-定的精度。
目前,常溫下的渦街流量計(jì)技術(shù)已相當(dāng)成熟,形成了系列產(chǎn)品,用于各種工業(yè)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外都有相當(dāng)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(cè)量的渦街流量計(jì)國(guó)內(nèi)尚無產(chǎn)品和文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo),國(guó)外已開展研究并有少量文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo),還沒有成熟的產(chǎn)品推向市場(chǎng)。
通過理論分析和試驗(yàn)研究表明,超低溫下渦街流量計(jì)的難點(diǎn)在于信號(hào)檢測(cè)器靈敏度低,信噪弱。通過對(duì)壓電材料低溫特性、檢測(cè)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、弱信號(hào)提取等技術(shù)的研究，用于超低溫流體測(cè)量的精度高渦街流量測(cè)量裝置樣機(jī),為運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)低溫流量測(cè)量提供性能好、可靠性高、而又價(jià)格便宜的測(cè)量手段。
2渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)和工作原理
一般的渦街流量計(jì)由流量計(jì)殼體、漩渦發(fā)生體、信號(hào)檢測(cè)器、信號(hào)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?yàn)槿侵鰷u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(yán)密的分離機(jī)制,減小了流.體的其他擾動(dòng)和噪聲,使渦街信號(hào)既強(qiáng)烈又穩(wěn)定,便于檢測(cè),合理設(shè)計(jì)尺寸可以得到高穩(wěn)定性的渦街和量程比。正是這個(gè)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(hào)檢測(cè)器放在漩渦發(fā)生體后檢測(cè)漩渦發(fā)生體尾流中的漩渦頻率。
渦街流量計(jì)流量信號(hào)檢測(cè)流程是:流量-→漩渦頻率→檢測(cè)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(cè)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(jì)的關(guān)鍵敏感元件,其低溫特性直接影響到流量計(jì)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(huì)發(fā)生一定的變化,并且由于制造方法和化學(xué)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(guó)外資料,對(duì)PZT-4、PZT-5.和PZT-8這幾種材料的低溫性能參數(shù)進(jìn)行分析,初步確定它們?cè)诘蜏叵履軌蚴褂?但實(shí)際情況下信號(hào)的強(qiáng)度和測(cè)量的靈敏度還需通過具體的試驗(yàn)來確定。
壓電陶瓷國(guó)內(nèi)沒有低溫產(chǎn)品,而且相關(guān)科研機(jī)構(gòu)也沒有進(jìn)行過相關(guān)研究,國(guó)外有低溫產(chǎn)品和相關(guān)實(shí)驗(yàn)資料,但價(jià)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(fù)升降溫試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)壓電陶瓷的機(jī)械強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度和絕緣性能沒有明顯變化,但通過表面電容的比較認(rèn)為L(zhǎng)BNN和PMS-5兩種較好比較穩(wěn)定。
4低溫渦街信號(hào)檢測(cè)技術(shù)研究
4.1低溫信號(hào)檢測(cè)器的傳熱學(xué)設(shè)計(jì)[4)
低溫信號(hào)檢測(cè)器設(shè)計(jì)時(shí),一方面需要考慮其對(duì)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(jìn)劑的品質(zhì),造成無法測(cè)量或無法試驗(yàn);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(duì)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(jì)時(shí)通過絕熱套筒減少熱量引人,通過加長(zhǎng)桿使壓電陶瓷處溫度達(dá)到較為理想。通過傳熱計(jì)算進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。傳熱計(jì)算程序用MicrosoftVisualC++6.0編寫,用于估算檢測(cè)桿溫度分布。
基本方程采用二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程:
數(shù)值計(jì)算中采用控制容積離散化方程,即認(rèn)為在一個(gè)小的控制容積中,進(jìn)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(cè)桿接觸面為例，如圖2,圖中:P、S、E、N為網(wǎng)格點(diǎn);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(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù),W/(m.K);△y為一個(gè)單元控制體Y方向的長(zhǎng)度，mm;△x為一個(gè)單元控制體X方向的長(zhǎng)度,mm;1為Z方向的長(zhǎng)度,mm。
qn、、qs則有差別,因?yàn)槠淇刂迫莘e側(cè)面積變?yōu)閮?nèi)點(diǎn)的一半,即:
式(6)就是檢測(cè)桿溫度分布計(jì)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(jì)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(gè)方向?qū)φ麄�(gè)溫度場(chǎng)做--次TDMA求解。TDMA即三對(duì)角矩陣算法,在溫度場(chǎng)計(jì)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(xué)中常用的方法,在此不再詳細(xì)說明。
設(shè)計(jì)了6個(gè)檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)方案,對(duì)其進(jìn)行傳熱學(xué)計(jì)算,結(jié)果見表2。
從計(jì)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(cè)桿進(jìn)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(cè)桿進(jìn)人流體中的熱量相對(duì)于液氫的蒸發(fā)潛熱非常小，故這部分熱量不會(huì)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(jì)絕熱套簡(jiǎn),以便更有效的阻止熱量的流人。
4.2低溫信號(hào)檢測(cè)器的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)
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(xué)知識(shí):環(huán)流引起的流體對(duì)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(shí)驗(yàn),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(xí)慣上所稱的三角柱)的CL≈
2.3,基本為一常量。
4.2.2信號(hào)檢測(cè)器的受力計(jì)算
本研究的檢測(cè)桿置于漩渦發(fā)生體下游一定距離的位置,其上端與流動(dòng)管道固定,下端為自由端,因而在受力分析時(shí),可以將系統(tǒng)簡(jiǎn)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(jìn)行受力分析。
取x1、x2為坐標(biāo),凡使微段沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的剪力為正,使微段彎曲成凹形的彎矩為正,由材料力學(xué)的知識(shí)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(duì)6個(gè)設(shè)計(jì)方案的計(jì)算結(jié)果見表3。
從計(jì)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(xué)計(jì)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(jiǎn)單,易于加工,因此最終確定了檢測(cè)器的設(shè)計(jì)方案為方案5。方案5特點(diǎn)為:(1)采用加長(zhǎng)桿設(shè)計(jì);(2)不采用抽真空絕熱,但增加絕熱套簡(jiǎn);(3)對(duì)加長(zhǎng)檢測(cè)桿結(jié)構(gòu)的固有頻率進(jìn)行估算,在500Hz以上，而渦街頻率則在40-100Hz這個(gè)范圍內(nèi),判斷不會(huì)發(fā)生共振問題。
5低溫渦街信號(hào)調(diào)理技術(shù)研究
由于壓電式信號(hào)檢測(cè)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(hào)的幅值變化范圍也相當(dāng)大[5],此外,要求研制的渦街流量計(jì)既能用于試車的極低溫環(huán)境,又能用于水介質(zhì)標(biāo)定的常溫環(huán)境,而渦街流量計(jì)檢測(cè)探頭在極低溫下的輸出信號(hào)是常溫下的1/5以下,因此要求變送器的信號(hào)調(diào)理部分要能夠適應(yīng)大范圍的信號(hào)幅值變化。在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車現(xiàn)場(chǎng)存在各種強(qiáng)振動(dòng)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(jì)信號(hào)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(shí)驗(yàn)改進(jìn),最后確定在研制的信號(hào)調(diào)理電路中應(yīng)用ALC自動(dòng)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,比較試驗(yàn)證明,其性能優(yōu)于國(guó)內(nèi)其他型號(hào)渦街流量計(jì)。輸人信號(hào)在8m-2000mV有效值范圍內(nèi)的情況下,該電路輸出信號(hào)基本穩(wěn)定在6000mV上。
6低溫渦街信號(hào)的DSP(DigitalSignalProcessing)技術(shù)
6.1低溫渦街流量計(jì)噪聲分析
管道內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)紊流、脈動(dòng)、流場(chǎng)的不穩(wěn)定及不均勻性對(duì)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(jī)性。其結(jié)果相當(dāng)于在渦街頻率信號(hào)中疊加了一個(gè)隨機(jī)噪聲。當(dāng)噪聲頻率落人工作頻段時(shí),其影響難以消除。
有些動(dòng)力源，如水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等工作時(shí)都會(huì)引起管道振動(dòng)。若管道安裝不當(dāng),流體流動(dòng)時(shí)管道有時(shí)會(huì)自振。這些振動(dòng)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(dòng)噪聲。這些振動(dòng)往往持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)或強(qiáng)度大,對(duì)渦街流量計(jì)的影響大。
壓電晶體輸出的電荷信號(hào)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(huì)產(chǎn)生低頻擺動(dòng)和信號(hào)衰減,如圖5所示。
綜上所述,渦街傳感器輸出信號(hào)可由下式表示:
y(t)=S(t)+n(t)
其中S(t)渦街頻率信號(hào),n(t)為隨機(jī)干擾信號(hào),由于其成分復(fù)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(jī)采集到的經(jīng)模擬濾波電路處理后的渦街傳感器信號(hào)。由圖看出,用普通的模擬濾波和整形電路很難提取準(zhǔn)確可靠穩(wěn)定的流量信號(hào)。
6.2DSP算法研究
深人分析發(fā)現(xiàn)渦街傳感器輸出信號(hào)中的噪聲信號(hào)n(1)為隨機(jī)干擾信號(hào),處理時(shí)高于流量計(jì)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(gè)問題的途徑有兩條:-是改進(jìn)漩渦發(fā)生體和信號(hào)檢測(cè)器,也就是改進(jìn)傳感器,使其輸出信號(hào)的信噪比盡可能高;二是采用數(shù)字信號(hào)處理方法,將渦街頻率信號(hào)從有噪聲的傳感器輸出信號(hào)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(hào)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(jì)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(hào)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(shí)時(shí)性和功耗也都存在一定的缺陷。自適應(yīng)陷波針對(duì)不同頻率的信號(hào)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(cè)量都能達(dá)到很好的精度，但是如果流量信號(hào)發(fā)生突變，而采樣頻率沒有及時(shí)跟蹤,就會(huì)造成較大的測(cè)量誤差。譜分析方法是近年來的研究熱點(diǎn)之一,經(jīng)典譜分析算法對(duì)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(shí)現(xiàn),但是在非整數(shù)周期采樣時(shí)誤差比較大,需要更多的計(jì)算和操作來進(jìn)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(duì)噪聲的抑制能力更強(qiáng),精度也更高[6]。
本研究采用了現(xiàn)代功率譜估計(jì)中的最大熵譜估計(jì)法提取噪聲中的渦街頻率。對(duì)設(shè)計(jì)的算法進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算,結(jié)果如圖7所示。
由計(jì)算結(jié)果可以看出,當(dāng)信噪比為1:0.5時(shí)普通變送器的輸出就會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)不穩(wěn)，當(dāng)信噪比為1:1時(shí),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(shí)仍能從頻域獲取有用的渦街信號(hào),從而獲得較為準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)。
7試驗(yàn)驗(yàn)證及效果
推出低溫渦街流量計(jì)樣機(jī)DW-80,在流量塔對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行了常溫水介質(zhì)的標(biāo)定.綜合精度達(dá)到0.5級(jí)。
采用某型號(hào)氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng),以分節(jié)液面計(jì)測(cè)得的流量為標(biāo)準(zhǔn),分別對(duì)低溫渦街流量計(jì)和低溫渦輪流量計(jì)進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，結(jié)果如下:
從表中可見渦街流量計(jì)所測(cè)流量比液面計(jì)測(cè)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(jì)測(cè)的流量數(shù)據(jù)平均偏大1.3%。若以液面計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)，則可以認(rèn)為渦街流量計(jì)的測(cè)量精度優(yōu)于渦輪流量計(jì)。
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