液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度评估装置及方法

摘要

本发明涉及一种液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度评估装置及方法，其目的是解决现有技术尚不能在获得了涡轮流量计原位真实介质校准系数后对煤油流量测量不确定度进行准确评估的技术问题。该装置包括包括测量单元、原位校准单元、试车台接线箱、测量间转接柜以及传输电缆网；测量单元包括涡轮流量计、第一流量转速前置放大器、第二流量转速前置放大器、第一采集处理装置和第二采集处理装置和标准频率源设备；第二流量转速前置放大器和第二采集处理装置作为备份设计；原位校准单元包括质量流量计、温度传感器、缓变信号转接器和恒流源校验设备。该方法通过确定了各不确定度分量，进而实现了评估煤油流量测量不确定度的准确评估。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤油流量不确定度评估装置，具体涉及一种液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度评估装置及方法。

背景技术

随着新一代无毒、无污染液氧煤油发动机研制的逐渐成熟，液氧煤油发动机已成为多种运载火箭的主动力液体火箭发动机，承担着探月以及深空探测等一系列运载发射任务，在航天技术的快速发展中起着不可替代的作用。

与常规推进剂液体火箭发动机不同，每一台液氧煤油发动机在交付飞行前均需进行地面工艺检定试验，获得每一台发动机在标准条件下的推力、比冲和混合比等性能数据，为火箭总体弹道计算和推进剂加注量设置提供依据。在发动机地面试验中，保证每种测量参数的测量准确性，获得真实、可信的性能数据是发动机试验的目的之一。

煤油流量是液氧煤油发动机试验必须准确测量的关键参数之一，它与发动机比冲和混合比数据密切相关。为了获得发动机试验过程，尤其是起动段的流量数据，基于涡轮流量计重复性好、滞后时间短、压力损失小和适用温度范围宽的特点，液氧煤油发动机采用多台涡轮流量计串联安装的方式，可以比较可靠地测量煤油流量。但是，在实际使用过程中，由于涡轮流量计的实验室校验环境与实际使用环境存在差异，导致煤油流量测量数据存在一定的偏差。在公开号为CN109781193A的中国发明专利“应用于试验现场的涡轮流量计原位校准方法”中，通过流量原位校准技术研究，获得了涡轮流量计原位真实介质校准系数，从而减小了煤油流量的测量误差，降低了煤油流量测量不确定度。但是，目前尚未有专门用于液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度进行评估的方法，以便能够进一步提高煤油流量测量的准确性，因此，亟需一种能够在此基础上，对煤油流量测量不确定度进行准确评估的装置及方法。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术尚不能在获得了涡轮流量计原位真实介质校准系数后，对煤油流量测量不确定度进行准确评估的技术问题，而提供一种液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度评估装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：

一种液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度评估装置，其特殊之处在于：

包括测量单元、原位校准单元、试车台接线箱、测量间转接柜以及传输电缆网；

所述传输电缆网包括活动电缆、传输电缆、转接电缆和采集电缆；

所述测量单元包括涡轮流量计、第一流量转速前置放大器、第二流量转速前置放大器、第一采集处理装置、第二采集处理装置和标准频率源设备；所述第二流量转速前置放大器和第二采集处理装置作为备份设计；

所述原位校准单元包括质量流量计、温度传感器、缓变信号转接器和恒流源校验设备；

所述涡轮流量计、质量流量计和温度传感器均通过活动电缆接试车台接线箱的相应输入端；试车台接线箱的相应输出端分别通过传输电缆接测量间转接柜的输入端，涡轮流量计对应的测量间转接柜输出端分为两路，分别通过转接电缆接第一流量转速前置放大器和第二流量转速前置放大器的输入端，第一流量转速前置放大器和第二流量转速前置放大器的输出端分别通过采集电缆接第一采集处理装置和第二采集处理装置的输入端；质量流量计和温度传感器对应的测量间转接柜输出端通过转接电缆均接缓变信号转接器的相应输入端，缓变信号转接器的输出端接第一采集处理装置和第二采集处理装置的相应输入端；标准频率源设备的输出端接第一流量转速前置放大器和第二流量转速前置放大器的相应输入端，恒流源校验设备的输出端接缓变信号转接器的输入端；

所述涡轮流量计为体积流量测量传感器；

所述第一流量转速前置放大器和第二流量转速前置放大器用于对涡轮流量计输出频率信号进行整形、放大、滤波、信号转接和信号测试；

所述标准频率源设备用于现场加载试验中模拟涡轮流量计输出信号的频率信号，根据涡轮流量计试车额定工况条件下的频率输出值，为当前通道单独施加频率标准，并以此标准计算流量值；

所述质量流量计作为原位校准基准，用于提供准确的煤油质量流量数据；

所述温度传感器作为校准辅助，用于测量液氧煤油发动机主管路中推进剂的温度，以便获取推进剂密度；

所述缓变信号转接器用于对质量流量计和温度传感器的输出信号进行转接；

所述恒流源校验设备模拟质量流量计输出4mA、20mA电流信号，对质量流量测量通道进行校验和加载试验；

所述第一采集处理装置和第二采集处理装置分别用于对第一流量转速前置放大器、第二流量转速前置放大器和缓变信号转接器输出的信号进行采集和处理，利用质量流量计和温度传感器所测数据对涡轮流量计所测数据进行现场校准，获得试验条件下的性能方程，提供准确的流量数据。

进一步地，所述标准频率源设备利用以下公式计算流量值：

q

式中，q

同时，本发明还提供一种液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度评估方法，其特殊之处在于，基于上述液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度评估装置，包括以下步骤：

1)校验质量流量测量通道

1.1)使用恒流源校验设备对质量流量测量通道进行电流替代法校验，加载电流值分别为4mA、20mA，其中，4mA对应0kg/s，20mA对应质量流量计满量程，利用端点法获得质量流量测量通道校验方程，校验方程如下：

q

式中，q

b

a

U为采集处理装置采集值，单位为mV；

1.2)恒流源加载试验

通过恒流源校验设备，分别对1200kN和180kN液氧煤油发动机进行多次加载试验，根据步骤1.1)中的校验方程，计算恒流源校验设备加载试验时，采集处理装置测量的流量值；

1.3)再将步骤1.1)和1.2)重复多次；

2)测量额定流量条件下，每一台涡轮流量计的测量不确定度，所述测量不确定度为该台涡轮流量计的煤油流量测量合成标准不确定度u

u

式中：

u(fs)为标准频率源设备引入的标准不确定度分量，按B类评定，利用下式按均匀分布计算：

u(ft)为现场加载试验引入的标准不确定度，按A类评定，根据步骤1.2)和步骤1.3)中现场加载试验数据进行计算，利用下式按均匀分布计算：

其中：

x

n为加载次数，n≥9；

s(x)为实验标准偏差，按贝塞尔公式计算；

u(fm)为频率量测量引入的标准不确定度，按B类评定，利用下式按均匀分布计算：

u(ρ)为密度测量引入的标准不确定度，按B类评定，利用下式按均匀分布计算：

u(ct)为原位校准试验引入的标准不确定度，按A类评定，根据现场原位校准试验数据，利用下式进行计算：

其中：

q

m为原位校准次数，m≥8；m的具体数值根据原位校准试验的校准点个数以及校准次数的乘积决定，校准点个数≥4，每个校准点校准次数≥2；

u(cs)为煤油流量原位校准基准标准不确定度，通过下式计算得到：

式中：

u

对于1200kN液氧煤油发动机试验，q

对于180kN液氧煤油发动机试验，q

u

对于1200kN液氧煤油发动机试验，利用恒流源校验设备校验计算质量流量的公式如下：

式中，I为加载电流值，单位为mA；

对于180kN液氧煤油发动机试验，利用恒流源校验设备校验计算质量流量的公式如下：

式中，I为加载电流值，单位为mA；

u

u

3)计算多台串联涡轮流量计中每台涡轮流量计的测量不确定度，并换算为相对标准不确定度u

4)选取多台涡轮流量计对应的相对标准不确定度中的最大值，作为最终的煤油流量测量不确定度。

进一步地，步骤1.1)具体为，所述校验的具体方式下：

根据质量流量计的满量程，使用恒流源进行电流替代法校验，1200kN液氧煤油发动机，校验值为4mA、20mA，标准值为0kg/s、150kg/s，采用端点法获得校验系数b

进一步地，步骤1.3)具体为，再将步骤1.1)和1.2)重复两次。

本发明相比现有技术具有的有益效果如下：

1、本发明提供的液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度评估装置及方法，通过现场原位校准技术，获得了煤油流量测量用涡轮流量计原位真实介质校准系数，减小了煤油流量测量误差，降低了煤油流量测量不确定度；之后，通过对原位校准单元和测量单元的组成进行分析，确定了各不确定度分量，进而实现了评估煤油流量测量不确定度的准确评估。

2、本发明提供的液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度评估装置及方法中，采用同一个校准基准进行现场校准，多台涡轮流量计煤油流量测量值，都可以用于试验数据的提供，保证了试验数据获取的准确和可靠性。

3、本发明提供的液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度评估装置及方法，实现了流量测量不确定度的准确评估，为火箭弹道计算和推进剂加注奠定了基础。

附图说明

图1为本发明液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度评估装置的结构示意图；

图2为本发明根据系统组成以及煤油流量现场原位校准原理确定量值传递的示意图；

图3为本发明液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度评估方法的示意图；

图4为本发明实施例中1200kN发动机试验数据曲线，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为质量流量，单位为kg/s，qmf1、qmf2、qmf3分别对应煤油主管路位置一、位置二、煤油泵前管路安装的涡轮流量计；

图5为本发明实施例中180kN发动机试验数据曲线，横坐标为时间，单位为s，纵坐标为质量流量，单位为kg/s，qmfz对应煤油主管路位置一安装的质量流量计，qmf2和qmf3分别对应煤油主管路位置二、煤油泵前管路安装的涡轮流量计，测得体积流量换算为质量流量。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。

本发明的液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度评估装置，如图1所示，包括测量单元、原位校准单元、试车台接线箱、测量间转接柜以及传输电缆网(包括活动电缆、传输电缆、转接电缆、采集电缆)；所述测量单元包括涡轮流量计、第一流量转速前置放大器、第二流量转速前置放大器、第一采集处理装置、第二采集处理装置和标准频率源设备；所述第二流量转速前置放大器和第二采集处理装置作为备份设计；所述原位校准单元包括质量流量计、温度传感器、缓变信号转接器和恒流源校验设备；所述涡轮流量计、质量流量计和温度传感器均通过活动电缆接试车台接线箱的相应输入端；试车台接线箱的相应输出端分别通过传输电缆接测量间转接柜的输入端，涡轮流量计对应的测量间转接柜输出端分为两路，分别通过转接电缆接第一流量转速前置放大器和第二流量转速前置放大器的输入端，第一流量转速前置放大器和第二流量转速前置放大器的输出端分别通过采集电缆接第一采集处理装置和第二采集处理装置的输入端；质量流量计和温度传感器对应的测量间转接柜输出端通过转接电缆均接缓变信号转接器的相应输入端，缓变信号转接器的输出端接第一采集处理装置和第二采集处理装置的相应输入端；标准频率源设备的输出端接第一流量转速前置放大器和第二流量转速前置放大器的相应输入端，恒流源校验设备的输出端接缓变信号转接器的输入端；所述涡轮流量计为体积流量测量传感器；所述第一流量转速前置放大器和第二流量转速前置放大器用于对涡轮流量计输出频率信号进行整形、放大、滤波、信号转接和信号测试；所述标准频率源设备用于现场加载试验中模拟涡轮流量计输出信号的频率信号，现场加载试验，根据涡轮流量计试车额定工况条件下的频率输出值，为当前通道单独施加频率标准，并以此标准计算流量值；所述质量流量计作为原位校准基准，用于提供准确的煤油质量流量数据；所述温度传感器作为校准辅助，用于测量液氧煤油发动机主管路中推进剂的温度，以便获取推进剂密度；所述缓变信号转接器用于对质量流量计和温度传感器的输出信号进行转接；所述恒流源校验设备的输出为可以调节的电流信号，电流设置完成后，输出值恒定，用于模拟质量流量计输出4mA、20mA电流信号，对质量流量测量通道进行校验和加载试验；所述第一采集处理装置和第二采集处理装置分别用于对第一流量转速前置放大器、第二流量转速前置放大器和缓变信号转接器输出的信号进行采集和处理，利用质量流量计和温度传感器所测数据对涡轮流量计所测数据进行现场校准，获得试验条件下的性能方程，提供准确的流量数据。

一种液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度评估方法，基于液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度评估装置，包括以下步骤：

1)校验测量通道

1.1)使用恒流源校验设备对质量流量测量通道进行电流替代法校验，加载电流值分别为4mA、20mA，其中，4mA对应0kg/s，20mA对应质量流量计满量程，利用端点法获得质量流量测量通道校验方程，校验方程如下：

q

式中，q

b

a

U为采集处理装置采集值，mV；

1.2)恒流源加载试验

通过恒流源校验设备，分别对1200kN和180kN液氧煤油发动机进行多次加载试验，根据步骤1.1)中的校验方程，计算恒流源校验设备加载试验时，采集处理装置测量的流量值；

1.3)再将步骤1.1)和1.2)重复多次；

2)测量额定流量条件下，每一台涡轮流量计的测量不确定度，所述测量不确定度为该台涡轮流量计的煤油流量测量合成标准不确定度u

u

式中，

u(fs)为标准频率源设备引入的标准不确定度分量，按B类评定(与A类评定方法不同)，利用下式按均匀分布计算：

u(ft)为现场加载试验引入的标准不确定度，按A类评定(即对在规定测量条件下测得的量值用统计分析的方法进行的测量不确定度分量的评定)，根据步骤1.2)和步骤1.3)中现场加载试验数据进行计算，利用下式按均匀分布计算：

式中：

x

n为加载次数，n≥9；

s(x)为实验标准偏差，按贝塞尔公式计算；

u(fm)为频率量测量引入的标准不确定度，按B类评定，利用下式按均匀分布计算：

u(ρ)为密度测量引入的标准不确定度，按B类评定，利用下式按均匀分布计算：

u(ct)为原位校准试验引入的标准不确定度，按A类评定，根据现场原位校准试验数据，利用下式进行计算：

其中：

q

m为原位校准次数，m≥8；m的具体数值根据原位校准试验的校准点个数以及校准次数的乘积决定，校准点个数不少于4个，每个校准点校准次数不少于2次；

u(cs)为煤油流量原位校准基准标准不确定度，通过下式计算得到：

式中：

u

对于1200kN液氧煤油发动机试验，q

对于180kN液氧煤油发动机试验，q

u

对于1200kN液氧煤油发动机试验，利用恒流源校验设备校验计算质量流量的公式如下：

式中，I为加载电流值，单位为mA；

对于180kN液氧煤油发动机试验，利用恒流源校验设备校验计算质量流量的公式如下：

式中，I为加载电流值，单位为mA。

u

u

3)计算多台串联涡轮流量计中每台涡轮流量计的测量不确定度，并换算为相对标准不确定度u

4)选取多台涡轮流量计对应的相对标准不确定度中的最大值，作为最终的煤油流量测量不确定度。

步骤1.1)中，所述校验的具体方式下：

根据质量流量计的满量程，使用恒流源进行电流替代法校验，1200kN液氧煤油发动机，校验值为4mA、20mA，标准值为0kg/s、150kg/s，采用端点法获得校验系数b

其中，A类评定和B类评定的具体方法按照《JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示》进行。

具体而言：

一、煤油流量测量系统(即本发明的液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度评估装置)由安装于推进剂供应管路的多台涡轮流量计串联安装的涡轮流量计、试车台接线箱、测量间转接柜、流量转速前置放大器、数据采集处理装置等组成。因系统上安装有质量流量计，故还需增加缓变信号转接器。

质量流量计：原位校准基准，用于提供准确的煤油质量流量数据。

涡轮流量计：煤油体积流量测量传感器。

采用质量流量计进行现场校准，可以获得试验条件下涡轮流量计的性能方程，提供准确的流量数据。

温度传感器：用于测量主管路中推进剂温度，计算推进剂密度。

缓变信号转接器：具备对温度传感器、质量流量计输出信号进行转接，实现外加标准测试、系统校验功能。

流量前置放大器：用于实现对涡轮流量计输出频率信号进行整形、放大、滤波、信号转接、信号测试等功能。第一流量前置放大器、第二流量前置放大器分别和第一采集处理装置和第二采集处理装置配套。

活动电缆：将涡轮流量计、温度传感器、质量流量计输出信号传输至试车台接线箱。

传输电缆：将质量流量计、涡轮流量计、温度传感器的输出信号由试车台接线箱传输至测量间转接柜。

转接电缆：将质量流量计、涡轮流量计、温度传感器的输出信号由测量间转接柜传输至缓变信号转接器、流量前置放大器输入端。

采集电缆：将缓变信号转接器、流量前置放大器的输出信号传输至采集处理装置。

采集处理装置：对缓冲信号转接器输出信号进行采集和处理，获得试验过程中的质量流量、体积流量以及温度数据。第一采集处理装置和第二采集处理装置为不同的采集设备。

二、量值传递图

如图2所示，根据系统组成以及煤油流量现场原位校准原理，确定量值传递图。

三、确定煤油流量不确定度评估分量

如图3所示，根据液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度评估装置和液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度评估方法(煤油流量测量系统组成以及煤油流量计算方法)，确定和评估煤油流量测量不确定度分量：

1、煤油流量原位校准基准标准不确定度评估

对质量流量计输出电流信号进行测量时，将电流信号转换为电压信号，为了获得质量流量，采用恒流源校验设备对测量系统进行校验，采集单元进行采集。比如：质量流量计、恒流源校验设备、采集通道的校验方法、数据采集处理装置等都是校准基准的不确定度评估分量。

1.1质量流量计引入的标准不确定度u

根据质量流量计不确定度0.15％，对额定工况条件下煤油流量测量不确定度分量进行评估。1200kN液氧煤油发动机试验，q

1.2恒流源引入的标准不确定度u

使用恒流源校验设备对质量流量测量通道进行加载，加载值分别为4mA、20mA，其中，4mA对应0kg/s，20mA对应质量流量计满量程。利用端点法获得恒流源校验设备质量流量校验方程。1200kN液氧煤油发动机试验为150kg/s；180kN液氧煤油发动机试验为25kg/s；

校验方程分别为公式(2)和(3)：

根据计量单位提供的恒流源校准证书，施加20mA电流标准时，其不确定度为0.005％(20mA×0.005％＝0.001mA)。将恒流源不确定度数据分别代入公式(2)和(3)，得到煤油流量变化量Δq

表1恒流源引入的标准不确定度分量

恒流源引入的标准不确定度分量按B类评定，均匀分布计算，见公式(4)：

1.3采集系统引入的标准不确定度u

采集处理装置的线性和稳定性指标均影响参数测量不确定度。根据计量单位检定结果，采集系统的不确定度为0.1％，引入的标准不确定度按B类评定，均匀分布计算，见公式(5)：

1.4质量流量现场加载试验引入的标准不确定度u

对1200kN、180kN液氧煤油发动机试验分别进行此项试验。加载试验前，使用恒流源校验设备对质量流量测量通道进行校验，获得校验系数b

现场加载试验引入的标准不确定度u

式中：x

1200kN试车台对应150kg/s，180kN试车台对应25kg/s；

n—加载次数，n＝9。

煤油流量原位校准基准标准不确定度u(cs)；

得到校准基准不确定度分量，可以获得煤油流量原位校准基准标准不确定度分量u(cs)，按公式(7)计算：

1.2原位校准试验引入的标准不确定度u(ct)

校准试验流量点根据发动机试验试验额定工况下的煤油流量q

原位校准试验引入的标准不确定度u(ct)按A类评定，根据现场原位校准试验数据进行计算，计算方法见公式(8)：

其中：

q

m为原位校准次数，m≥8；m的具体数值根据原位校准试验的6个校准点(60％q

每一台涡轮流量计的个体性能存在差异，试验系统安装的多台涡轮流量计，分别按公式(8)计算每台涡轮流量计原位校准试验引入的不确定度分量u(ct)；

1.2密度测量引入的标准不确定度u(ρ)

煤油温度采用铠装式铂电阻温度传感器进行测量，通过测量煤油温度，根据经验公式计算煤油密度。温度测量不确定度u

1.3频率量测量系统引入的标准不确定度u(fm)

涡轮流量计输出的频率信号由频率量采集装置(即采集处理装置)进行测量。采集处理装置的线性、稳定性对频率量测量产生影响，影响流量测量不确定度。

频率量采集装置不确定度u(fm)为0.1％，频率量测量系统引入的标准不确定度按B类评定，均匀分布计算，见公式(10)：

1.4频率现场加载试验引入的标准不确定度u(ft)

使用标准频率源设备进行现场加载试验，根据单台涡轮流量计试车额定工况条件下的频率输出值，每通道单独施加频率标准，以此标准计算流量值，试验进行9次。

现场加载试验引入的标准不确定度u(ft)按A类评定，根据现场加载试验数据进行计算，计算方法见公式(11)：

式中：x

n—加载次数，n＝9；

1.5频率源引入的标准不确定度u(fs)

根据检定单位计量结果，频率源不确定度为0.05％。频率源引入的标准不确定度分量u(fs)按B类评定，均匀分布计算，见公式(12)：

1.6煤油流量测量不确定度评估

根据公式(13)，计算得到额定流量条件下，安装于试验系统的每一台涡轮流量计煤油流量测量合成标准不确定度：

u

采用相对标准不确定度表示煤油流量测量不确定度，计算方法见公式(14)：

安装于试验系统的多台涡轮流量计，每一台涡轮流量计测量不确定度不同，选取多台流量计评估结果中的最大值表示煤油流量测量不确定度。

将上述液氧煤油发动机试验用煤油流量不确定度评估方法(即用于液氧煤油发动机试验的煤油流量测量不确定度评估方法)应用于1200kN和180kN液氧煤油发动机试验煤油流量测量系统，通过质量流量计，获得了煤油涡轮流量计的原位校准系数，通过对煤油流量测量系统的组成结构进行分析，获得不确定度分量，准确获得了煤油流量测量不确定度，满足不确定度低于0.7％的设计指标要求。

在某次试验中，质量流量计与涡轮流量计测量数据对比见图4和图5。对图4数据进行分析，由于涡轮流量计的个体性能差异，三台涡轮流量计波动量存在差异，但是从主管路安装的三台涡轮流量计数据曲线看，数据变化趋势一致，测量平均值一致，均满足不确定度低于0.7％的指标要求。对图5数据进行分析，主管路安装的质量流量计和涡轮流量计数据曲线变化趋势一致，测量平均值一致，满足设计技术指标要求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。