小管径高精度超声波流量计设计

空间控制技术与应用

Aerospace Con tro l and Applicati o n 第37卷 第1期2011年2月

小管径高精度超声波流量计设计

丁凤林1

,李宗良1

,魏延明1

,宗光华

2

(1.北京控制工程研究所,北京100190; 2.北京航空航天大学机器人研究所,北京100191)

摘 要:航天器推进剂在轨剩余量测量一直是航天器在轨管理所面临的一个难题.提出采用超声波流量计测量推进剂在轨剩余量的方法,并给出了超声波流量

计的设计方案.设计的新型超声波流量计结构,通过改变超声换能器的安装方式,从而延长了超声波传播路径,减少了传播过程中超声波的衰减.通过以单片机和FPGA 为主控制器、以高精度时间测量芯片作为数据采集模块的流量计软硬件系统实现了超声波流量计对液体流量的高精度测量.通过恒速测试、交变流速测试和总量测试表明,该系统测量精度达到了0.5%,可满足目前航天器推进系统推进剂剩余量的在轨测量要求.

关键词:超声波流量计;流量测量;时间差法中图分类号:V448 文献标识码:A 文章编号:1674 1579(2011)01 0028 05DOI :10.3969/.j i s sn .1674 1579.2011.01.006

D esign of H igh Accuracy U ltrasonic F l owm eter

DI N G Feng lin 1

,LI Zong liang 1

,W E I Yanm ing 1

,ZONG Guanghua 2

(1.B eiji n g Institute o f Con trol Eng i n eeri n g,B eijing 100190,China;

2.Robotics Institute,B eihang Un i v ersit y ,B eijing 100191,China)

Abst ract :I n or der to so lve the proble m s of sho rt propagation path and diffic u lties in m easuring the transit

ti m e when a trad itional Z ultrason ic flo wm eter is used for s m a ll cali b erm easure m en,t a ne w u ltrasonic fl o wm eter is desi g ned .Propagation path is ex tended and the attenuation o f ultrason ic i n tensity is reduced by alteri n g the transducer s installati o n.The high precisi o n flo wm eter contro l syste m is desi g ned by usi n g FPGA as the m ain contr o ller and h i g h accuracy ti m er as t h e ti m e i n ter va lm easure m ent contro ller .The experi m en ts o f constant speed tes,t alter nate flo w rate test and gross fl o w rate test to ultrasonic flo wm eter are i m ple m en ted .The m easure accuracy o f u ltrasonic flo wm eter is about 0.5%.K eyw ords :ultrasonic flo wm eter ;flo w rate m easure ;transit ti m e m et h od 收稿日期:2010 10 14

作者简介:丁凤林(1980 ),男,内蒙古人,工程师,研究方向为航天器推进技术(e ma i:l cast_di ng @yahoo .co ).

对在轨卫星的液体推进剂剩余量进行准确可靠的监测,是对卫星寿命进行预估的重要因素,也是航天技术发展的必然要求,更是确保卫星有效使用和航天任务全面完成的重要条件.目前普遍使用的推进剂在轨剩余量测量技术为气体状态方程法(PVT 法)和记帐法(B K 法),这两种方法的测量设备简单,对卫星推进系统硬件没有特殊要求

[1]

.由于贮箱形变、气体压缩因子和气体在液体中的溶解度、星上贮箱温度和压力采样不精确等因素的影响,P VT 法的测量误差大于2%;BK 法在实际应用时,需要引用推进系统的地面实验数据并有赖于星上推力器

性能稳定,再加上空间环境、推力器性能变化等诸多因素的影响,BK 法误差大于4%

[2]

.

超声波流量计是利用液体流动对超声波脉冲或

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第1期丁凤林等:小管径高精度超声波流量计设计

者超声波束的信号调制作用并通过检测信号的变化来获得体积流量的一种计量仪表,具有结构简单,响应速度快,测量范围大,稳定性好,精度高等特点

[3]

.超声波流量计按测量原理分类有时差法、多

普勒效应法、相关法、噪声法和波束偏移法等.其中,时差法应用最为普遍.

超声波流量计所具有的高精度、受环境因素影响小等优点为航天器在轨推进剂消耗计量带来了新的思路,具有重要的实际意义.针对目前中国卫星推进系统的现状,本文设计了适用于在轨推进剂测量的超声波流量计,并在地面完成了精度测量实验.从实验结果来看,超声波流量计达到了预定的测量精度,为其在卫星上的应用提供了前提条件.

1 超声波流量计的小管径化设计

传统 Z 型流量计如图1所示.在充满液体的管路壁外侧有2个成 夹角的收发一体式超声换能器,通过测量超声换能器A 发射B 接收时超声波的传播时间t A B 和测量超声换能器B 发射A 接收时超声波的传播时间t B A ,可计算出超声传播时间差 t ,从而根据流体流量公式换算成流体的流量

.

图1 超声波流量计原理图

对于小管径流体流量测量,若使用 Z 型流量计结构则存在明显不足:

1)图1中,若小管径直径D 小于10mm ,因超声波传播路径L 为D cos ,故超声波传播时间差 t 就非常小,为ns 级以下.以测量精度为1%测算,则流量计系统的时间分辨率必须为几百ps ,这样对超声波流量计测量系统的设计要求就非常高,不易实现.

2)超声波在液体和管壁界面传播时,夹角 对其折射波强度衰减影响很大[4 6]

.在液体流速过大时,超声波信号存在波束偏移现象,相应接收换能器所接收

的超声信号衰减明显,不利于高精度测量[5]

.针对以上两点不足,本文以小管径高精度测量为目标,设计新型的管路结构并优化计算方法.如图2

所示,新型流量计管路由4部分组成:左右弯管、

中直管、连接头和超声换能器.其中:弯管和直管成135 安装,超声换能器安装在连接头的外侧,将其命名为 型超声波流量计.

图2 型流量计配置示意图

该结构的优点是能有效避免流量计接入测试管路时对被测液体流动状态的影响;将两个超声换能器放置在管路的两端,延长了超声波的传播路径,有利于测量超声传播时间差,同时由于夹角 为零,避免了超声波在传播过程中的折射衰减和波束偏移的问题.

2 流量测量数学模型分析

如图2所示,设流体流向为A B ,则超声波顺流传播的传播时间为

t A B =

L

c 0+v +t d

(1)

超声波逆流传播的传播时间为

t B A =

L

c 0-v

+t d

(2)

其中:

L 为两个超声换能器端面之间的直线距离;c 0为超声波在静止液体中的传播速度;v 为超声波在被测流体传播方向上的平均线速度;t d 为超声波在管壁和换能器的传播时间以及电路延时时间的总和.

为了消除t d 对计算流量带来的不确定性影响,使用公式

t =t B A -t A B =

2L v

c 0

-v

(3)

由于超声波在液体中传播速度远大于液体的流速,公式中c 2

0 v 2

,所以可以近似为

v

tc 2

2L

(4)

这是超声波传播路径上的平均线速度,而流量计算

时需采用管路截面的平均流速,必须进行流体动力学修正

[6 7]

.

流量q 为

q = k 4D

2 tc 2

2L

(5)

式中, 为流体密度.定义k 为速度转换参数,其值

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