本发明涉及一种液氧煤油发动机试验液氧质量流量测量方法。
背景技术：
液体火箭发动机地面试验的目的之一是对发动机的性能做出评价，评价的主要依据是发动机试验中测量的大量数据，这些数据必须准确可信。由于低温液氧流量测量涉及因素多，不能像常温介质那样直接使用质量流量计准确获得。因此，对液氧流量进行准确测量成为液氧煤油发动机研制的一个关键环节，直接关系到液体火箭的成本与性能。
目前液氧质量流量通过涡轮流量计测量体积流量与测量温度计算的密度相乘来获得，液氧煤油发动机试验液氧流量测量误差大，主要原因是：
(1)涡轮流量计是体积型传感器，发动机试验时管路上串联三只涡轮流量计进行瞬时和平均流量测量。虽然三只涡轮流量计均是计量水校准精度0.5％的合格产品，但现场安装环境条件和计量条件不同，使用介质不同，特别是流量计低温结构变形的影响，导致涡轮流量计测量值出现较大系统误差。
(2)由于液氧不像常温介质那样稳定，目前液氧温度的测量误差为0.8℃～1.2℃，不能满足±0.4℃的精度要求。
上述液氧流量测量误差大的因素中，使用计量水校准系数产生的系统误差是主要因素。产生的原因是没有低温大流量现场原位计量校准系统，无法获得真实介质和现场特定条件下的流量计校准系数。
技术实现要素：
为了解决目前液氧煤油发动机试验液氧流量测量误差大的技术问题，本发明提供了一种测量误差小的液氧煤油发动机试验液氧质量流量测量方法。
本发明的技术方案是：
液氧煤油发动机试验液氧质量流量测量方法，包括以下步骤：
1)对涡轮流量计进行现场原位校准，获取涡轮流量计的现场原位校准系数x：
1.1)采用容量比较法标定不同液面高度所对应的液氧容器的容积，以此编制液氧容器的液位高度-容积对照表；
1.2)将分节式液位计固定安装在液氧容器内，打开液氧容器的放液阀门，放液一段时间t后关闭放液阀门，对分节式液位计返回的三角波进行处理获取放液时间t内从液氧容器流出的液氧的平均体积流量
1.2.1)根据发动机试验平稳时间段数据处理要求查找并标记出所述三角波的波峰顶点和波谷顶点；
1.2.2)确定发动机试验平稳时间段的起始时刻t1对应的分节式液位计上的起始节号和结束时刻t2对应的分节式液位计上的结束节号；
1.2.3)在所述三角波中找出距离所述起始节号最近的前后拐点和距离所述结束节号最近的前后拐点；
1.2.4)对距离所述起始节号最近的前后拐点附近曲线进行直线拟合，得到第一波峰和第一波谷，对距离所述结束节号最近的前后拐点附近曲线进行直线拟合，得到第二波峰和第二波谷；
1.2.5)根据所述第一波峰、第一波谷、第二波峰和第二波谷的位置，确定出第一波峰、第一波谷、第二波峰和第二波谷所对应的液位高度，然后在步骤1.1)编制好的液位高度-容积对照表中查找出第一波峰对应的容积v11、第一波谷对应的容积v22、第二波峰对应的容积v33、第二波谷对应的容积v44；
1.2.6)利用下述内插公式计算出起始时刻t1对应的容器容积v1:
式中，t11为距起始时刻t1最近的前拐点对应时间，s；t22为距起始时刻t1最近的后拐点对应时间，s；
1.2.7)利用下述内插公式计算出结束时刻t2对应的容器容积v2:
式中，t33为距结束时刻t2最近的前拐点对应时间，s；t44为距结束时刻t2最近的后拐点对应时间，s；
1.2.8)放液时间t内从液氧容器流出的液氧的平均体积流量
1.3)在步骤1.2)放液过程中，测量液氧容器内的液氧温度t和液氧压力p，涡轮流量计入口处管道内的液氧温度tw和液氧压力pw；放液结束后，记录涡轮流量计的体积流量示数s；
1.4)根据步骤1.3)中测得的液氧温度t和液氧压力p查取专业手册得到液氧容器内的液氧密度ρ，根据液氧温度tw和液氧压力pw查取专业手册得到涡轮流量计入口处管道内的液氧密度ρw；
1.5)利用步骤1.4)得到的液氧密度ρ乘以所述平均体积流量
1.6)用步骤1.5)得到的液氧的质量流量qm除以所述液氧密度ρw，得到放液时间t时涡轮流量计入口处的实际液氧体积流量s实；
1.7)将所述实际液氧体积流量s实与涡轮流量计的体积流量示数s相比较，得到涡轮流量计的现场原位校准系数x；
2)向液氧容器中加注一定量的液氧，停止加注后读取涡轮流量计的体积流量示数s′；
3)测量涡轮流量计入口处管道内液氧的温度tw′和液氧压力pw′，查取此时涡轮流量计入口处管道内的液氧密度ρ′w；
4)利用步骤1)获取的涡轮流量计的现场原位校准系数x修正步骤2)中涡轮流量计的体积流量示数s′；
5)用步骤3)得到的液氧密度ρ′w乘以经步骤4)修正后的涡轮流量计的体积流量示数，得到涡轮流量计入口处管道内准确的液氧质量流量。
进一步地,上述步骤1.1)具体为：
1.1.1)将标准容器放置在液氧容器的下方平台，并对标准容器进行固定与调平；
1.1.2)将液氧容器的放液口与标准容器相连，并保证连接处无渗漏；
1.1.3)向液氧容器注水直至溢过液氧容器直管段；
1.1.4)打开液氧容器放液口处的放液阀，使液氧容器中的水流入标准容器中，在标准容器内的水达到标准容器标称容量刻线位置附近时关闭所述放液阀，记录此次标准容器内水的容积v标1、测量并记录标准容器内的水温t水1、测量并记录液氧容器内的水温t′水1、测量并记录标定现场的环境温度t环1、记录此次放液后液氧容器内的液位下降值h降1；
1.1.5)将标准容器中的水排空；
1.1.6)再次打开所述放液阀，使液氧容器中的水流入标准容器中，在标准容器内的水达到标准容器标称容量刻线位置时关闭所述放液阀，记录此次标准容器内水的容积v标2、测量并记录标准容器内的水温t水2、测量并记录液氧容器内的水温t′水2、测量并记录标定现场的环境温度t环2、记录此次放液后液氧容器的液位下降值h降2；
1.1.7)重复步骤1.1.5)～1.1.6)，直至液氧容器中的水被放空，此过程中获得v标3、t水3、t′水3、t环3、h降3，……，v标m、t水m、t′水m、t环m、h降m；
1.1.8)利用上述步骤1.1.4)～1.1.7)中获取的t水1、t′水1和t环1修正v标1，t水2、t′水2和t环2修正v标2，……，t水m、t′水m和t环m修正v标m，得到v′标1、v′标2……v′标m；
1.1.9)测量标定现场的环境气压p环，利用环境气压p环对步骤1.1.8)得到的v′标1、v′标2……v′标m分别进行修正，得到液氧容器的液位下降值为h降1、h降2、……、h降m时所排放的液氧在液氧煤油容器中实际占据的容积v″标1、v″标2……v″标m；
1.1.10)沿液氧容器直管段处向底部方向依次按h降1、h降2，……，h降m将液氧容器的高度划分为m个区间，用v″标1除以h降1，用v″标2除以h降2，……，用v″标m除以h降m，分别得到所述m个区间内每毫米高度所对应的容器容积；
1.1.11)根据步骤1.1.10)得到的m个区间内每毫米高度所对应的容器容积编制不同液位高度所对应的容器容积，即得液氧容器的液位高度-容积对照表。
进一步地，在步骤2)之前，可多次重复步骤1.2)-1.7)，得到多个现场原位校准系数；将所述多个现场原位校准系数取平均值，得到现场原位平均校准系数；在步骤4)中采用所述现场原位平均校准系数修正涡轮流量计体积示数。
进一步地，步骤1.2.1)查找并标记三角波的波峰顶点和波谷顶点的方法为：
1.2.1.1)对三角波数据进行连续算术平均值滤波；
1.2.1.2)查找发动机试验平稳时间段内所有的波峰和波谷对应的三角波顶点；
1.2.1.3)剔除相邻两次放液时间间隔内过近的三角波顶点；
1.2.1.4)剔除远大于算术平均值或者远小于算术平均值的异常三角波顶点；
1.2.1.5)根据峰谷相间原则剔除多余的三角波顶点。
本发明的有益效果：
本发明通过对液氧流量测量过程中使用的涡轮流量计进行低温现场原位校准以减小涡轮流量计所带来的系统误差，从而有效减小液氧流量的测量误差，测量结果准确可信。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
参加图1，本发明所提供的液氧煤油发动机试验液氧流量测量方法包括以下步骤：
步骤1对涡轮流量计进行现场原位校准：
1.1)采用容量比较法标定不同液面高度所对应的液氧容器的容积，以此编制液氧容器的液位高度-容积对照表，具体方法为：
1.1.1)将标准容器放置在液氧容器的下方平台，并对标准容器进行固定与调平；
1.1.2)将液氧容器的放液口与标准容器相连，并保证连接处无渗漏；
1.1.3)向液氧容器注水直至溢过液氧容器直管段；
1.1.4)打开液氧容器放液口处的放液阀，使液氧容器中的水流入标准容器中，在标准容器内的水达到标准容器标称容量刻线位置附近时关闭所述放液阀，记录此次标准容器内水的容积v标1、测量并记录标准容器内的水温t水1、测量并记录液氧容器内的水温t′水1、测量并记录标定现场的环境温度t环1、记录此次放液后液氧容器内的液位下降值h降1；
1.1.5)将标准容器中的水排空；
1.1.6)再次打开所述放液阀，使液氧容器中的水流入标准容器中，在标准容器内的水达到标准容器标称容量刻线位置时关闭所述放液阀，记录此次标准容器内水的容积v标2、测量并记录标准容器内的水温t水2、测量并记录液氧容器内的水温t′水2、测量并记录标定现场的环境温度t环2记录此次放液后液氧容器的液位下降值h降2；
1.1.7)重复步骤1.1.5)～1.1.6)，直至液氧容器中的水被放空，此过程中获得v标3、t水3、t′水3、t环3、h降3，……，v标m、t水m、t′水m、t环m、h降m；
1.1.8)利用上述步骤1.1.4)～1.1.7)中获取的t水1、t′水1和t环1修正v标1，t水2、t′水2和t环2修正v标2，……，t水m、t′水m和t环m修正v标m，得到v′标1、v′标2……v′标m；
1.1.9)测量标定现场的环境气压p环，利用环境气压p环对步骤1.1.8)得到的v′标1、v′标2……v′标m分别进行修正，得到液氧容器的液位下降值为h降1、h降2、……、h降m时所排放的液氧在液氧煤油容器中实际占据的容积v″标1、v″标2……v″标m；
1.1.10)沿液氧容器直管段处向底部方向依次按h降1、h降2，……，h降m将液氧容器的高度划分为m个区间，用v″标1除以h降1，用v″标2除以h降2，……，用v″标m除以h降m，分别得到所述m个区间内每毫米高度所对应的容器容积；
1.1.11)根据步骤1.1.10)得到的m个区间内每毫米高度所对应的容器容积编制不同液位高度所对应的容器容积，即得液氧容器的液位高度-容积对照表。
1.2)将分节式液位计固定安装在液氧容器内，打开液氧容器的放液阀门，放液一段时间t后关闭放液阀门，对分节式液位计返回的三角波进行处理获取放液时间t内从液氧容器流出的液氧的平均体积流量
1.2.1)根据发动机试验平稳时间段数据处理要求查找并标记出所述三角波的波峰顶点和波谷顶点，具体为：
1.2.1.1)对三角波数据进行连续算术平均值滤波；
1.2.1.2)查找发动机试验平稳时间段内所有的波峰和波谷对应的三角波顶点；
1.2.1.3)剔除相邻两次放液时间间隔内过近的三角波顶点；
1.2.1.4)剔除远大于算术平均值或者远小于算术平均值的异常三角波顶点；
1.2.1.5)根据峰谷相间原则剔除多余的三角波顶点。
1.2.2)确定发动机试验平稳时间段的起始时刻t1对应的分节式液位计上的起始节号和结束时刻t2对应的分节式液位计上的结束节号；
1.2.3)在所述三角波中找出距离所述起始节号最近的前后拐点和距离所述结束节号最近的前后拐点；
1.2.4)对距离所述起始节号最近的前后拐点附近曲线进行直线拟合，得到第一波峰和第一波谷，对距离所述结束节号最近的前后拐点附近曲线进行直线拟合，得到第二波峰和第二波谷；
1.2.5)根据所述第一波峰、第一波谷、第二波峰和第二波谷的位置，确定出第一波峰、第一波谷、第二波峰和第二波谷所对应的液位高度，然后在步骤1.1)编制好的液位高度-容积对照表中查找出第一波峰对应的容积v11、第一波谷对应的容积v22、第二波峰对应的容积v33、第二波谷对应的容积v44；
1.2.6)利用下述内插公式计算出起始时刻t1对应的容器容积v1:
式中，t11为距起始时刻t1最近的前拐点对应时间，s；t22为距起始时刻t1最近的后拐点对应时间，s；
1.2.7)利用下述内插公式计算出结束时刻t2对应的容器容积v2:
式中，t33为距结束时刻t2最近的前拐点对应时间，s；t44为距结束时刻t2最近的后拐点对应时间，s；
1.2.8)放液时间t内从液氧容器流出的液氧的平均体积流量
1.3)在步骤1.2)放液过程中，测量液氧容器内的液氧温度t和液氧压力p，涡轮流量计入口处管道内的液氧温度tw和液氧压力pw；放液结束后，记录涡轮流量计的体积流量示数s；
1.4)根据步骤1.3)中测得的液氧温度t和液氧压力p查取专业手册得到液氧容器内的液氧密度ρ，根据液氧温度tw和液氧压力pw查取专业手册得到涡轮流量计入口处管道内的液氧密度ρw；
1.5)利用步骤1.4)得到的液氧密度ρ乘以所述平均体积流量
1.6)用步骤1.5)得到的液氧的质量流量qm除以所述液氧密度ρw，得到放液时间t时涡轮流量计入口处的实际液氧体积流量s实；
1.7)将所述实际液氧体积流量s实与涡轮流量计的体积流量示数s相比较，得到涡轮流量计的现场原位校准系数x；
步骤2向液氧容器中加注一定量的液氧，停止加注后读取涡轮流量计的体积流量示数s′。
步骤3测量涡轮流量计入口处管道内液氧的温度tw′和液氧压力pw′，查取此时涡轮流量计入口处管道内的液氧密度ρ′w。
步骤4利用步骤1获取的涡轮流量计的现场原位校准系数x修正步骤2)中涡轮流量计的体积流量示数s′。
步骤5用步骤3得到的液氧密度ρ′w乘以经步骤4修正后的涡轮流量计的体积流量示数，得到涡轮流量计入口处管道内准确的液氧质量流量。
为了提高涡轮流量计的现场原位校准精度，可多次重复步骤1中的步骤1.2)-1.7)，分别得到多个现场原位校准系数，将这些现场原位校准系数取平均值，得到现场原位平均校准系数；相应的，在后续步骤4中采用该现场原位平均校准系数修正涡轮流量计体积示数。