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專利名稱：：全彈性微小流量測量裝置的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種全彈性微小流量測量裝置，具體涉及無水肼推進劑微小流量測量
技術領域：
。
背景技術：
：小功率(0.1-3kW)電弧加熱發(fā)動機(Arcjet)具有比沖高、推力小、控制精度高、結構簡單等優(yōu)點，被廣泛用以承擔同步衛(wèi)星和中低軌道衛(wèi)星的位置保持、軌道控制等任務。Arqjet以肼(N2H4)為推進劑不僅能獲得較高的性能，同時由于與化學推進系統(tǒng)共用推進劑貯箱與閥門，可以使推進系統(tǒng)的結構更加簡單、質量更輕，因而更具有工程應用的優(yōu)越性。推進劑流量控制與測量是N2H4電弧加熱發(fā)動機研制與應用中的關鍵技術。小功率電弧加熱發(fā)動機N2H4工作流量非常小，一般僅為10mg/s60mg/s;同時，&114的腐蝕性、粘附性極強且極其容易揮發(fā)，常規(guī)流量控制測量裝置無法滿足N2H4電弧加熱發(fā)動機推進劑流量控制與測量的精度、可靠性和安全性要求，給以N2H4為推進劑的電弧加熱發(fā)動機的研制工作增加了難度。鑒于N2H4推進劑危險性和相應微小流量測量技術空白狀態(tài)，國外在N2H4電弧加熱發(fā)動機研制過程中，多以N2、H2混合模擬完全分解后的N2H4。少數(shù)電弧加熱發(fā)動機地面試驗以N2H4為推進劑并進行流量測量，但未就試驗中流量測量的重要細節(jié)進行公開報道。目前，國內(nèi)在微小流量測量方面的技術己經(jīng)具有較高水平，但尚未具有滿足N2H4電弧加熱發(fā)動機推進劑微小測量要求的流量測量裝置。工程應用中，在以往以N2H4為推進劑的單組元、雙組元發(fā)動機試驗過程中，發(fā)動機的推進劑質量流率相對比較大，一般采用稱重法獲得N2H4平均質量流率，而這些流量測量裝置中液氣路的管路均未采用彈性連接管路，對推進劑流量測量具有較大的影響。對于N2H4電弧加熱發(fā)動機，推進劑流量只有mg/s量級，采用非彈性連接管路的流量測量裝置，無法滿足Arcjet試驗研究中N2H4微小流量精確測量的要求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種全彈性微小流量測量裝置，根據(jù)以N2H4為推進劑低功率電弧加熱發(fā)動機試驗研究中微小流量測量實際需求，針對強腐蝕性、強揮發(fā)性N2H4微小流量測量的特殊要求，發(fā)明了適用于N2H4微小流量測量的全彈性穩(wěn)態(tài)微小流量測量系統(tǒng)。發(fā)明采用彈簧狀不銹鋼細管連接支撐組件與推進劑貯箱，成功避免供給管路剛性連接影響微小流量測量的問題；采用壓力補償方法進一步提高了流量測量的準確性。為低功率電弧加熱發(fā)動機試驗研究與工程應用提供了必要的前提基礎。本發(fā)明的技術方案如下一種全彈性微小流量測量裝置，包括支撐架組件、精密分析天平、推進劑貯箱、液氣路全彈性連接管路、控制閥門、單穩(wěn)電磁閥門和壓力補償單元。支撐架組件由支撐架底座和上支撐架組成，支撐架底座通過螺釘固定在地面上，上支撐架設有四根橫梁，上支撐架與支撐架底座之間采用可調節(jié)螺桿連接。精密分析天平水平安放在上支撐架的平臺上。推進劑貯箱為一圓球體，推進劑貯箱入口處采用球頭螺母連接密封，并通過推進劑貯箱供給管路接口分別連接兩路液氣路全彈性供給管路8，實現(xiàn)對貯箱進行加注、增壓、供給等功能；為保證在測量過程中貯箱平穩(wěn)放置在天平上，在推進劑貯箱底部設有一個圓盤形鋁制的貯箱固定托盤，固定在天平托盤上。液氣路彈性供給管路，一端與推進劑貯箱入口處連接，另一端被彈性固定塊固定在支撐架橫梁上，該液氣路彈性供給管路采用直徑2mm、內(nèi)徑為1.5mm的金屬細管，而且必需保證金屬管具有足夠彈性。控制閥門是指安裝在支撐架上、貯箱上游和下游管路中的控制閥門，這些閥門用于對貯箱進行加注、增壓、供給等功能的控制。具體包括貯箱增壓閥門、貯箱加注閥門、回吹閥門、液體閥門、和壓力傳感器接通手閥，這些閥門均采用寧波星箭航天機械廠生產(chǎn)的Y5708.1-91手動截止閥，閥門接口為標準DN4、37°接頭并與相應管路上球頭連接。單穩(wěn)電磁閥門安裝在貯箱推進劑出口管路上，用來精確控制推進劑的供給時間。壓力補償單元，包括壓力傳感器及壓力傳感器接通手閥，壓力傳感器安裝在貯箱增壓閥門與增壓氣體進入推進劑貯箱之前的管路上，在壓力傳感器之前還安裝有壓力傳感器接通手閥，可以控制壓力補償單元開關狀態(tài)。本發(fā)明的優(yōu)點及功效在于在N2H4電弧加熱發(fā)動機試驗臺上，采用新型的全彈性穩(wěn)態(tài)稱重法微小流量測量系統(tǒng)對以酒精為模擬推進劑進行了流量測量試驗，試驗測量流量與實際流量進行了比較。試驗證明，該套微小流量測量裝置測量誤差小于2%，滿足N2H4電弧加熱發(fā)動機試驗研究中微小流量測量的需求；同時，也驗證了該套微小流量測量系統(tǒng)具有較好適應性，可以用于其他液體微小流量的測量。試驗中，通過調節(jié)配氣臺減壓閥實現(xiàn)推進劑貯箱壓強從l.lMPa增加到1.8MPa，其中設有5個工況，每個工況持續(xù)時間為10s，這主要是考慮貯箱容積有限，同時降低由于工作時間過短推進劑在出口電磁閥門關閉一瞬間損失的質量對流量測量產(chǎn)生的影響。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集流量測量裝置的輸出信號，經(jīng)過壓力補償獲得10s內(nèi)穩(wěn)態(tài)質量流量。為驗證該流量測量精度，使用容器接收推進劑供給管路出口流出的酒精，每次稱量對應工況流出酒精的質量，將測量裝置測量獲得的流量與實際酒精總量/時間進行比較，獲得流量裝置的測量精度。表i流量驗證試驗結果<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>試驗結果表明，設計研制的全彈性穩(wěn)態(tài)稱重法微小流量測量系統(tǒng)能夠較為準確測得推進劑穩(wěn)態(tài)流量，測量相對誤差小于2%。圖1為全彈性微小流量測量裝置總裝示意圖。圖中具體標號如下-1——支撐架組件；2——IC箱增壓閥門；3——回吹閥門；4——貯箱加注閥門；5——液體閥門；6——液體閥門；7——推進劑彈性彎管固定塊；8——液氣路全彈性連接管路；9——壓力傳感器；10——壓力傳感器接通手閥；11——推進劑彈性彎管固定塊；12——推進劑JJC箱供給管路接口；13——推進劑貯箱堵頭；14——推進劑貯箱；15——JJC箱固定托盤；16——精密分析天平；17——四通。具體實施例方式本發(fā)明，一種全彈性微小流量測量裝置，包括支撐架組件l、精密分析天平16、推進劑貯箱14、液氣路全彈性連接管路8、控制閥門、單穩(wěn)電磁閥門和壓力補償單元等。支撐架組件1由支撐架底座和上支撐架組成，均采用角鐵焊接而成，支撐架底座尺寸600mmx600mmx250mm，材料為45"鋼，表面進行噴漆處理防止生銹。支撐架底座下端角鐵上打有直徑為10mm的圓孔，用螺釘可以將支撐架底座固定在地面上。上支撐架采用45#鋼角鐵焊接而成，尺寸為600mmx600mmx800mm，表面經(jīng)過鍍鋅防銹處理。上支撐架與支撐架底座之間采用可調節(jié)螺桿連接，起到固定上支撐架與支撐架底座，同時通過調節(jié)螺桿還可以調整上支撐架上安防天平平臺的水平。由于上支撐架需要承擔安放天平、固定供給管路閥門、壓力傳感器等部件的原因，上支撐架設有四根橫梁用于固定上述部件，并在相應位置打有通孔。安裝各個部件時，采用固定件將閥門等部件牢固地固定在上支撐架上，保證工作過程中各部件不會因外界干擾而產(chǎn)生移動，進而影響流量測量。精密分析天平16是該套微小流量測量系統(tǒng)的另一關鍵組成部分，要求選用的產(chǎn)品必須具有良好的測量準確性與重復性。精密分析天平被水平安放在支撐架上的平臺上，天平四個可調支座平穩(wěn)放置在平臺上保證天平不會移動。天平擺放盡量擺放在平臺的中央，并保證系統(tǒng)中彈性連接管路在此天平擺放位置狀態(tài)下處于自由狀態(tài)。本發(fā)明選用了瑞士梅特勒-托利多生產(chǎn)的PL4002-IC精密電子天平，天平具有內(nèi)置砝碼實現(xiàn)自動校準，確保稱量結果的準確性。天平設有清晰的液晶顯示以供顯示讀數(shù)，同時配有內(nèi)置RS232通訊接口，可以連接打印機、電腦等外圍設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。天平外殼材料為具有良好耐腐蝕、抗沖擊性能的ABS工程塑料，確保天平輕便、堅固，可以承受推進劑輕度腐蝕。PL4002-IC精密分析電子天平具有簡單稱量、百分比稱量、計件稱量、動態(tài)稱量、加減稱量等功能，具體參數(shù)如下可讀性O.Olg最大稱量值4100g重復性(S):O.Olg線性土0.02g秤盤尺寸O180mm外形尺寸238X335Xlll(WXDXH)(mm)推進劑貯箱14為一圓球體，容積為2L、設計壓強為4MPa，箱體采用鈦合金焊接而成，具有可靠的結構強度與耐腐蝕性。同時，由于鈦合金密度小，進而保證了測量過程中由于貯箱質量過大而對微小流量測量產(chǎn)生較大誤差的情況。推進劑貯箱14入口處采用球頭螺母連接密封，并通過推進劑貯箱供給管路接口12分別連接液兩路氣路全彈性連接管路8，實現(xiàn)對貯箱進行加注、增壓、供給等功能。為保證在測量過程中推進劑貯箱平穩(wěn)放置在天平上，在推進劑貯箱底部設有一個圓盤形鋁制的貯箱固定托盤15，天平托盤上粘結了一個有凸臺的圓環(huán)型鋁圈，用于固定貯箱固定托盤15的同時保證推進劑貯箱拆裝的靈活性。液氣路全彈性連接管路8是本發(fā)明的關鍵部件，它的合理設計與應用，解決了常規(guī)流量測量過程中非彈性供給管路對于流量測量的誤差影響。為了保證增壓氣進入貯箱、推進劑流出ie箱的管路具有良好的彈性，特別選用了彈性好的不銹鋼細管，直徑2mm、內(nèi)徑為L5mm，并將細管加工成彈簧狀。安裝過程中，液氣路全彈性連接管路8—端通過彈性彎管固定塊7、ll固定在上支撐架上，另一端通過焊接固定在推進劑貯箱供給管路接口12上，保證兩端良好的固定性；同時，在安裝過程中，通過調整推進劑貯箱的位置，盡量保證液氣路全彈性連接管路8處于較為自由的狀態(tài)。測量過程中，由于彈性管路只承受內(nèi)壓作用，而且在給定流量供給要求情況下，彈性管路在前后稱重時所承受壓強相同，產(chǎn)生的影響可以通過數(shù)據(jù)處理進行消除，保證了質量測量的準確性。控制閥門是指安裝在支撐架上、貯箱上游和下游管路中的控制閥門，這些閥門用于對貯箱進行加注、增壓、供給等功能的控制。具體包括貯箱增壓闊門2、貯箱加注閥門4、回吹閥門3、液體閥門5、液體閥門6和壓力傳感器接通手閥10，這些閥門均采用寧波星箭航天機械廠生產(chǎn)的Y5708.1-91手動截止閥，閥門接口為標準DN4、37°接頭并與相應管路上球頭連接。C箱增壓閥門2用來控制增壓氣體進入推進劑貯箱，閥門的入口是上游的增壓氣體管路，經(jīng)過5C箱增壓閥門2的增壓氣體進入推進劑貯箱14。在貯箱增壓閥門2與推進劑貯箱14之間的增壓氣體管路上裝有一個四通17，四通的四個連接口分別連接從貯箱增壓閥門2出來的增壓氣體管路、四通通向推進劑貯箱的增壓氣體管路、通向壓力傳感器9的管路和用于推進劑忙箱放氣的管路。在四通與壓力傳感器9之間安裝有用于控制壓力傳感器管路開關的壓力傳感器接通手閥10。回吹閥門3安裝在貯箱回吹管路上，用于控制氣體實現(xiàn)對管路中推進劑的回吹。回吹閥門3入口連接回吹氣管路，出口端通過三通連接到貯箱加注閥門4和液體閥門6、液體閥門5靠近推進劑貯箱的管路上。在對貯箱進行推進劑加注完成后，打開回吹閥門3對貯箱加注管路中的推進劑進行回吹，加注管路中的一部分推進劑被吹入推進劑貯箱14，另一部分被反向吹回用于運輸推進劑的中轉!ie箱，得以保證加注管路中沒有殘余推進劑進而避免意外事故。貯箱加注閥門4安裝在貯箱加注管路上，在試驗前不需要將貯箱拆除即可對貯箱進行加注，這樣還能夠避免由于經(jīng)常拆卸而造成液氣路全彈性連接管路8損壞。貯箱加注閥門4入口為連接推進劑中轉箱的管路，出口連接到液體閥門6的一個連接口，加注過程中推進劑經(jīng)過打開的C箱加注閥門4經(jīng)過管路流向液體閥門6，而液體閥門6的另一端接口直接接到液氣路液氣路全彈性連接管路8中的液體全彈性連接管路，液氣路全彈性連接管路8中的液體全彈性連接管路采用焊接連接方式連接在推進劑貯箱供給管路接口12、再經(jīng)過推進劑貯箱堵頭13進入推進劑貯箱14。當加注完畢后，便可以將貯箱加注閥門4關閉。當需要進行推進劑供給的時候，增壓氣體通過貯箱增壓閥門2進入推進劑貯箱14，此時同時打開液體閥門6和液體閥門5，推進劑由貯箱經(jīng)過液氣路全彈性連接管路8中的液體全彈性連接管路、通過液體閥門6和液體閥門5，流向發(fā)動機，通過設置在推進劑出口遠端的單穩(wěn)電磁閥門可以精確控制推進劑的供給，單穩(wěn)式電磁閥管路接口為DN4，激勵電壓為±12V直流電源。單穩(wěn)電磁閥門(圖中未示)安裝在貯箱推進劑出口管路上，用來精確控制推進劑的供給時間。系統(tǒng)中采用開關反應時間快的單穩(wěn)式電磁閥，電磁閥的開關由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)出的時鐘信號進行控制，避免了手動操作供給開關反應時間慢的問題，避免由于推進劑供給開關反應時間長而造成的流量測量誤差。壓力補償單元，包括壓力傳感器9及壓力傳感器接通手閥10，壓力傳感器安裝在貯箱增壓閥門2與增壓氣體進入推進劑貯箱之前的管路上，在壓力傳感器之前還安裝有壓力傳感器接通手閥10，可以控制壓力補償單元開關狀態(tài)。壓力補償單元的設計是為了修正流量測量中增壓氣體密度隨壓強變化而產(chǎn)生的誤差影響。試驗過程中通過壓力傳感器測得推進劑貯箱內(nèi)壓力，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集壓力傳感器信號，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析軟件對測得的推進劑流量進行壓力補償修正，使測量具有更高的準確性。壓力傳感器選用YZD-1型擴散硅壓力傳感器。該壓力傳感器選用進口擴散硅壓力芯片作為敏感元件，性能穩(wěn)定可靠，抗過載能力強。壓力傳感器主要性能參數(shù)如下測壓范圍05MPa輸出信號420mA準確度等級0.2基本誤差±0.2%F.S工作溫度-10+70激勵電壓24VDC推進劑C箱堵頭13起到將連有液氣路全彈性連接管路8的推進劑貯箱供給管路接口12固定在)t箱上的作用，同時必須保證良好的密封性，嚴禁推進劑的揮發(fā)、泄露。權利要求1、全彈性微小流量測量裝置，其特征在于該系統(tǒng)包括支撐架組件、精密分析天平、推進劑貯箱、液氣路全彈性連接管路、控制閥門、單穩(wěn)電磁閥門和壓力補償單元支撐架組件由支撐架底座和上支撐架組成，支撐架底座通過螺釘固定在地面上，上支撐架設有四根橫梁，上支撐架與支撐架底座之間采用可調節(jié)螺桿連接；精密分析天平水平安放在上支撐架的平臺上；推進劑貯箱為一圓球體，推進劑貯箱入口處采用球頭螺母連接密封，并通過推進劑貯箱供給管路接口分別連接兩路液氣路全彈性連接管路，實現(xiàn)對貯箱進行加注、增壓、供給等功能；為保證在測量過程中貯箱平穩(wěn)放置在天平上，在貯箱底部設有一個圓盤形鋁制的貯箱固定托盤，固定在天平托盤上；液氣路全彈性連接管路，一端與推進劑貯箱入口處連接，另一端被彈性固定塊固定在支撐架橫梁上；控制閥門是指安裝在支撐架上、貯箱上游和下游管路中的控制閥門，這些閥門用于對貯箱進行加注、增壓、供給等功能的控制；具體包括貯箱增壓閥門、貯箱加注閥門、回吹閥門、液體閥門、和壓力傳感器接通手閥，這些閥門通過閥門接口與相應管路上球頭連接；單穩(wěn)電磁閥門安裝在貯箱推進劑出口管路上，用來精確控制推進劑的供給時間；壓力補償單元，包括壓力傳感器及壓力傳感器接通手閥，壓力傳感器安裝在貯箱增壓閥門與增壓氣體進入推進劑貯箱之前的管路上，在壓力傳感器之前還安裝有壓力傳感器接通手閥，控制壓力補償單元開關狀態(tài)。2、根據(jù)權利要求1所述的全彈性微小流量測量裝置，其特征在于所述的液氣路全彈性連接管路采用直徑2mm、內(nèi)徑為1.5mm的金屬細管，且該金屬管具有彈性。全文摘要本發(fā)明涉及一種全彈性微小流量測量裝置，包括支撐架組件，由支撐架底座和上支撐架組成，二者之間采用可調節(jié)螺桿連接；精密分析天平，水平安放在上支撐架的平臺上；推進劑貯箱為一圓球體，通過推進劑貯箱供給管路接口分別連接兩路液氣路全彈性連接管路，底部設有貯箱固定托盤，固定在天平托盤上；液氣路全彈性連接管路，一端與推進劑貯箱入口處連接，另一端固定在支撐架橫梁上；控制閥門包括貯箱增壓閥門、貯箱加注閥門、回吹閥門、液體閥門、和壓力傳感器接通手閥，這些閥門通過閥門接口與相應管路上球頭連接；單穩(wěn)電磁閥門安裝在貯箱推進劑出口管路上；壓力補償單元，包括壓力傳感器及壓力傳感器接通手閥。文檔編號G01F1/76GK101509797SQ200910080550公開日2009年8月19日申請日期2009年3月20日優(yōu)先權日2009年3月20日發(fā)明者張莘艾,施陳波,欣李,湯海濱,王海興申請人:北京航空航天大學