应用于试验现场的涡轮流量计原位校准方法与流程

本发明涉及涡轮流量计校准方法，具体涉及一种应用于试验现场的涡轮流量计原位校准方法。

背景技术：

液体火箭发动机试验中，流量是一种必须准确测量的关键参数，它与发动机的比冲、混合比等性能参数密切相关。为了获得发动机试验全程的流量数据，同时提高试验数据获得可靠性，一般采用多台流量计串联安装的方式进行流量测量。流量计使用前，需在实验室进行水介质校验，但是在实际使用过程中，实验室校验环境、管路安装与实际使用环境存在一定差异，此外校验介质与试验用介质的密度、黏度、温度等物理性能参数存在差异，采用水校验系数处理试验流量数据，会存在一定的偏差。例如，大型液氧煤油发动机试验中，采用三台大口径常温涡轮流量计进行煤油流量测量，从多次试验测量数据看，三台涡轮流量计之间的差值最大差值3kg/s左右，严重影响了试验数据的准确提供以及后续产品研制进度。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有流量计校验方法存在偏差、严重影响试验数据的准确性的问题，提供一种应用于试验现场环境的流量原位校准方法。

本发明的技术方案是：

一种应用于试验现场的涡轮流量计原位校准方法，包括以下步骤：

步骤一、建立校准系统；

所述校准系统包括串联设置在管路上的质量流量计和至少一台涡轮流量计；

步骤二、质量流量计输出信号的转换；

采用外加标准电阻的方法，将质量流量计输出的电流信号转换为电压信号；

步骤三、计算质量流量计的测量通道斜率k；

分别在标准电阻两端施加i1、i2电流信号，分别获得i1、i2对应的质量流量计测量通道采集值u1、u2，u1、u2对应的标准值分别为质量流量计零点以及最大量程m，利用端点法获得质量流量计的测量通道斜率k，计算公式如下；

步骤四、放液试验校准点的确定；

根据发动机试验额定段流量设计值以及降工况段流量设计值确定多个放液试验校准点；

步骤五、进行放液试验；

根据步骤四确定的多个放液试验校准点，选取最小放液试验校准点进行放液试验，获得放液过程中质量流量计测量通道的采集电压值u和涡轮流量计输出频率f；

步骤六、现场放液数据处理；

放液试验结束后，根据质量流量计测量通道的采集电压值u计算质量流量计的测量数据qz；

qz＝ku

步骤七、异常点剔除；

质量流量计的流量值qz与涡轮流量计输出频率f为线性对应关系，剔除不符合线性关系的异常点；

步骤八、三遍六档放液试验；

根据步骤四确定的多个放液试验校准点，进行其它放液试验校准点的放液试验，并参照步骤六和步骤七处理现场放液数据；

步骤九、计算涡轮流量计现场原位校准系数；

通过公式计算现场原位校验斜率b、现场原位校验截距a；其中，ρ—液体密度，kg/dm³；

根据获得的现场原位校验斜率b、现场原位校验截距a计算涡轮流量计的测量理论值qm；

qm＝ρ(bf+a)(2)

计算涡轮流量计的测量理论值qm与质量流量计的测量数据qz的差值δq；

步骤十、计算质量流量计最大量程的不确定度

根据质量流量计已知的不确定度u％和最大量程m，计算质量流量计最大量程的不确定度

步骤十一、计算涡轮流量计的测量不确定度uq；

根据质量流量计最大量程的不确定度涡轮流量计的测量理论值qm与质量流量计的测量数据qz的最大差值δqmax，计算涡轮流量计的测量不确定度uq，从而涡轮流量计校准完成；

进一步地，步骤四中的校准点分别为发动机试验额定段流量的50％、60％、70％、80％、100％、110％。

本发明的优点为：

1.本发明采用高准质量流量计作为校准基准，通过测量质量流量计流量、密度，可以准确获得管路安装的多台涡轮流量计相等的体积流量，获得多台涡轮流量计现场真实介质校准斜率、截距，在同一基准条件下，解决了涡轮流量计数据偏差问题。

2.本发明方法在试验现场环境，采用真实介质对涡轮流量计进行现场校准，消除了安装环境、校验介质差异对流量测量的不利影响。此外，采用真实介质，实现了校准介质的重复循环使用，节约了财力、成本。

3.通过本发明校准方法，三台流量计之间的差值由原来的3kg/s减小至0.5kg/s以内，均与设计值非常接近，且每一台流量计测量测量不确定度均优于0.5％。

4.发动机试验中，通过本发明方法对涡轮流量计进行校准，可以使用任何一台流量计的测量值提供试验数据，极大提高了流量测量精度。

附图说明

图1为本发明应用于试验现场的涡轮流量计原位校准系统示意图。

附图标记：1-涡轮流量计，2-质量流量计。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

为了提高发动机性能参数测量精度，在发动机试验现场环境，建立了以质量流量计为校准基准的煤油流量原位校准系统，使用真实介质对涡轮流量计进行校准，提高了煤油流量测量精度。

质量流量计输出值为质量流量，其流量测量可以近似地认为不受被测介质的物理参数和管内流动状态的影响，加之精度高，适用于做常温涡轮流量计的校准基准。通过真实介质放液，利用质量流量计对安装于常规推进剂供应管路上的多台涡轮流量计进行现场原位校准，获得试验环境条件下，涡轮流量计原位真实介质校验系数，从而获得试验过程中的推进剂质量流量。

本发明应用于试验现场的涡轮流量计原位校准系统如图1所示，试验系统采用了三台涡轮流量计串联测量的方法，进行现场原位校准时，涡轮流量计安装位置保持不变。现场真实介质原位校准根据质量守恒原理，流经涡轮流量计与流经质量流量计的推进剂质量流量相等，通过放液数据，对涡轮流量计进行现场原位真实介质校准，获得校验系数，采用此系数对试车数据进行处理，如公式(2)和公式(3)所示；

qz＝qm＝ρ(bf+a)(2)

式中：qz—质量流量计的测量数据，kg/s；

qm—涡轮流量计的测量理论值，kg/s；

b—现场原位校验斜率，l/hz；

a—现场原位校验截距，l；

ρ—液体密度，kg/dm³；

f—涡轮流量计输出频率值，hz。

本发明提供的应用于试验现场的涡轮流量计原位校准方法，包括以下步骤：

步骤一、建立校准系统；

校准系统包括串联设置在管路上的质量流量计2和三台涡轮流量计1；

步骤二、质量流量计输出信号的转换；

质量流量计输出为4ma～20ma电流信号，采集设备只能对电压信号进行采集，采用外加200欧姆标准电阻的方法，将质量流量计输出电流信号i转换为适合采集系统采集的电压信号u；具体如下：在质量流量计变换器端连接四芯电缆，其中两根为正、负电源线，两根为正、负信号线，通过正、负电源线为质量流量计提供+30v工作电源，通过信正、负号线将质量流量计输出电流信号经过传输环节传输至采集设备输入端，在采集设备信号输入正端、负端外加200欧姆标准电阻；

步骤三、获得质量流量计的测量通道斜率k；

使用标准电压源，分别在标准电阻上施加i1＝4ma、i2＝20ma电流信号，分别获得i1、i2对应的质量流量计测量通道采集值u1、u2，u1、u2对应的标准值分别为0kg/s以及质量流量计最大量程150kg/s，利用端点法获得质量流量计的流量测量通道斜率k，计算方法见公式(4)；

步骤四、放液试验校准点的确定；

根据发动机试验额定段煤油流量值(110kg/s)以及降工况段煤油流量设计值(65kg/s)确定放液试验校准点，分别为55kg/s(50％)、65kg/s(60％)、75kg/s(70％)、90kg/s(80％)、110kg/s(100％)以及120kg/s(110％)，合计六个点，多个校准点测量可以提高整个测量范围内流量计校验方程的线性及测量数据的准确性；

步骤五、进行煤油放液试验；

根据步骤四确定的多个放液试验校准点，选取最小放液试验校准点55kg/s进行放液试验，放液过程中，记录质量流量计测量通道的采集电压值u和涡轮流量计输出频率f；

步骤六、现场放液数据处理；

放液试验结束后，处理放液数据；根据质量流量计测量通道的采集电压值u计算质量流量计的测量数据qz；

qz＝ku

步骤七、异常点剔除；

按照公式(3)进行数据处理过程中，对比流量值qz与流量计输出频率f的对应关系，涡轮流量计为体积型传感器，流量qz大则输出频率f高，若流量、频率对应关系异常，剔除异常点；

步骤八、三遍六档放液试验；

根据步骤四确定的多个放液试验校准点，从流量55kg/s开始，至最大流量120kg/s为一个六档的完整循环，每次试验结束后，按照步骤六和步骤七对数据进行处理；

步骤九、计算涡轮流量计现场原位校准系数；

通过公式

计算现场原位校验斜率b、现场原位校验截距a；其中，ρ—液体密度，kg/dm³；

根据获得的现场原位校验斜率b、现场原位校验截距a计算涡轮流量计的测量理论值qm；

qm＝ρ(bf+a)(2)

计算涡轮流量计的测量理论值qm与质量流量计的测量数据qz的差值δq；

步骤十、评估质量流量计测量不确定度

根据质量流量计不确定度0.15％和最大量程150kg/s，计算质量流量计最大量程的不确定度

步骤十一、计算涡轮流量计的测量不确定度uq；

根据质量流量计流量测量不确定度涡轮流量计的测量理论值qm与质量流量计的测量数据qz的最大差值δqmax，按照公式(6)分别计算涡轮流量计流量测量不确定度uq，从而涡轮流量计校准完成；

本发明利用质量流量计，通过试验现场环境涡轮流量计现场校准，获得了涡轮流量计试验条件下的真实性能数据，进而获得了准确的推进剂流量。从多次发动机试验数据来看，试验过程煤油流量测量值与设计值保持一致。在试验现场环境，采用质量流量计作为校准基准，可以广泛应用于采用常规推进剂的液体火箭发动机试验。