耿卫国

　　(中国航天科技集团公司一院101所　北京　100074)

　　摘　要　介绍一种高精度低温介质稳态质量流量、液位自动测量系统,该系统包括液面计、密度计、二次仪表、采集系统、微机系统等,可通过计算机对低温介质贮箱中的液位进行实时监测,并能计算低温介质的稳态质量流量。该系统对液氧液位实时监测的精度可达到3%,对液氧稳态质量流量测量的精度可达到0·473%。

　　主题词　低温　质量流量　液位　测量系统

　　1　前言

　　在低温试验研究中,经常要求能够精确地测量低温介质的稳态质量流量,并要求能够对贮箱液位进行实时的监测。在大多数试验中,对实时液位监测的测量精度要求并不高,而对稳态质量流量参数的测量精度则有较高的要求。电容式液面计的精度为1%~2%,若用它进行实时液位的监测,精度尚能满足要求,但若用它进行稳态质量流量的测量,精度就难以满足要求。并且,用低温介质对其进行标定也存在一定的困难。分节式电容液面计的精度可达到0.02%,用它测量低温介质的稳态质量流量精度较高,且可在常温下用水进行标定。但用它进行液位的实时监测,在实际工作中往往较难实现。本文对分节式电容液面计的使用作了进一步的研究,通过程控继电器开关矩阵对其分节进行组合,使其根据需要,既能用总电容法实时监测液位,又能用奇偶节电容比较法测量稳态质量流量,形成了一套高精度低温介质稳态质量流量、液位自动测量系统。

　　2　测量系统的原理和组成

　　测量系统的组成如图1所示。主要包括贮箱内的分节式电容液面计、电容式密度计、程控继电器开关矩阵、AH-2500A型电容测试仪、LLMA-1型液位测量变换仪、信号调理模块以及微机采集系统等。

　　在图1的系统中,程控继电器开关矩阵在微机系统的控制下,对分节式电容液面计的分节进行组合,使其具有两种工作模式;模式1———总电容模式,模式2———奇偶节电容比较

　　模式。模式1用于实时液位监测,在该工作模式下,将液面计的所有分节的电容进行并联,使其相当于一般的电容液面计,并通过开关矩阵连接到AH-2500A电容测试仪, AH-2500A对液面计的总电容进行测量并将数据送至微机系统,由软件计算出液位并进行存盘和显示。模式2用于稳态质量流量的测量,在该工作模式下,液面计的奇数节电容和偶数节电容通过开关矩阵分别送至LLMA-1的两个输入端, LLMA-1对其进行三端比较测量,并输出随液位变化的三角波,微机采集系统对该三角波进行采集和处理,从而计算出稳态体积流量,与密度相乘可得稳态质量流量。图1中的电容式密度计通过开关矩阵连接到AH-2500A, AH-2500A对其电容进行测量并将数据送至微机系统,由软件计算出密度。图1中的阶段信号Ts是指示试验开始和结束时刻的信号。

　　下面对本系统的主要设备进行详细说明。

　　2.1　分节式电容液面计[1,2]

　　分节式电容液面计是将一般的电容液面计的外管分割成高度相同、互相绝缘的若干节,然后将奇数节连接起来,成为一组,将偶数节连接起来,成为另一组,它们分别与内管构成奇数节电容C 1和偶数节电容 C 2。将这两个电容作为电桥的相邻两臂,进行比较测量。不难知道,当液面下降时,将获得如图2所示的三角波。其中,各拐点处(波峰、波谷)分别与各奇数节与偶数节的交界处相对应,进而与容器内液面的高度相对应,或与低温介质的体积相对应(标定后)。这样,通过对波形进行分析就可得到稳态体积流量,见式(1)。

　　式中　　　qV———低温介质的稳态体积流量;

　　n1———t1时刻的波峰对应的节号;

　　n2———t2时刻的波峰对应的节号;

　　V (n1)———n1对应的体积;

　　V (n2)———n2对应的体积。

　　由分节式电容液面计的测量原理可知,该液面计的使用和校验与介质无关,抗环境温度,压力变化干扰能力强

　　在实际使用中,通过三角波计算稳态体积流量容易实现,而通过三角波来实时监测液位则存在许多弊端,甚至不能实现。其主要表现在以下几个方面:第一,加注时由于贮箱还未冷透,液面波动较大,导致输出波形十分混乱,无法监测液位;第二,试验前的阀门动作导致波形中有较大幅度的抖动,无法分辨是否是由液面的变化所致;第三,由于每一节产生的三角波相同,所以只根据当前的波峰或波谷无法得知当前的液位,即使有参考节(高度与众不同的节)产生参考波(幅度与众不同的波),在参考波未出来之前,也无法得知当前的液位;第四,加注和卸除都产生三角波,在频繁的试验和补加时很难监测液位。

　　通过分析发现,在试验开始至试验结束期间,三角波较为理想,通过参考波容易计算试验开始至结束期间的稳态体积流量。因此,在本系统中使分节式电容液面计可工作于前述的两种模式,使得该系统即能实时监测试验前后的液位,又能测量试验开始至结束期间的稳态体积流量。

　　2.2　电容式密度计[3]

　　电容式密度计由多个同心的不锈钢圆管组成。通过对其电容的测量可计算出电介质的介电常数,两者满足式(2):

　　式中　　ε———电介质的介电常数;

　　C———所测的传感器的电容值;

　　Co———真空中传感器的电容值;

　　ATC———传感器的结构系数。

　　计算出ε后再根据克劳修斯———莫索谛方程(式(3))或查表可计算出密度。

　　式中　P———比极化率(常数)。

　　2.3　二次仪表及微机采集系统

　　图1中的程控继电器开关矩阵为自行研制开发; AH-2500A电容测试仪为美国“ANDEENHAGERLING”公司的产品; LLMA-1是对CO-11电容测试仪进行改造而成;信号调理模块及微机采集系统采用基于PC的高精度采集板系列。

　　2.4　软件

　　该系统所用软件全部自行研制开发,其内容应包括传感器检查、数据采集和显示以及数据处理三个模块。我所使用的该系统的软件开发环境为

　　·Windows NT4·0中文版

　　·Visual Basic 6.0

　　3　测量系统的不确定度分析

　　本系统的不确定度估计采用非中心t分布方法表示,其表达式为式(4):

　　式中　　　　U———测量不确定度;

　　B———系统误差;

　　t′0.90(Φ,λ)———根据自由度Φ查非中心t′分布表。

　　由于本文的系统主要用于低温介质稳态质量流量测量和实时液位监测,因此其不确定度

　　分析应分别进行分析计算。

　　3.1　稳态质量流量测量的不确定度分析

　　稳态质量流量测量不确定度分析中要考虑的因素包括:

　　·贮箱截面积标定误差SF,BF;

　　·液面高度测量误差Sh,Bh;

　　·时间测量误差St,Bt;

　　·密度测量误差Sρ,Bρ。

　　将上述误差因素合成后代入公式(4)中,可得出本系统用于稳态质量流量测量的不确定度估计。

　　3.2　实时液位监测不确定度分析

　　实时液位监测不确定度分析应考虑的因素包括:

　　·用总电容法测液位时液面计的校验误差SL,BL;

　　·AH-2500A的测量误差SC,BC。

　　将上述误差因素合成后代入公式(4)中,可得出本系统用于实时液位监测的不确定度估计。

　　在我所的低温试验中使用了一套该系统,用上述方法计算出其对液氧稳态质量流量测量的不确定度达到了0.473%,对液氧液位实时监测的不确定度达到了3%。

　　4　结论

　　本文介绍的高精度低温介质稳态质量流量、液位自动测量系统弥补了一般电容式液面计测量稳态质量流量精度低、分节式电容液面计实时监测难以实现的缺点,在低温试验研究中,该系统既能精确地测量低温介质的稳态质量流量,又能对低温介质的液位进行实时的监测,并实现了微机自动化测量。从上述说明不难看出,该系统也存在两个缺点: (1)液位监测和密度测量复用一套AH-2500A,因此不可能同时对这两个参数进行测量; (2)液面计不可能同时工作于两个工作模式,因此,稳态质量流量的测量和实时液位监测也不可能同时进行。上述缺点的存在只是出于成本的考虑,因为这样的系统已能满足大部分试验的要求。在必要时上述缺点也可通过下述方法进行解决,对于第一个缺点,只需再增加一台AH-2500A即可;对于第二个缺点,采用复合式液面计,它具有三层结构,集合了一般电容式液面计和分节式电容液面计的特性。

　　参考文献

　　1　马礼耀,汤维维·高精度分节式电容液面计·制冷学报,试刊, 1978·

　　2　马礼耀,汤维维,张玉清·低温流量测量系统·低温工程, 1983, (3)

　　3　张玉清·液氢、液氧密度测量·低温工程,第三届全国低温工程学术会议论文集专刊, 1993·