小管径高精度超声波流量计设计

　　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(BK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, PVT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φ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tA-B和测量超声换能器B发射A接收时超声波的传播时间tB-A,可计算出超声传播时间差Δt,从而根据流体流量公式换算成流体的流量.

　　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Dcosφ,故超声波传播时间差Δt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φ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“π”型超声波流量计.