CN104236786B - 一种减压器放气试验超低温测量系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动力学试验与分析技术领域，具体公开了一种减压器放气试验超低温测量系统与方法。该系统中气瓶与减压器的进气口相连通，并在气瓶与减压器进气口的连接管路上设有电磁阀，减压器的进气口连接有引压管，并在与减压器进气口相连的引压管上设有进口静压测量点；减压器的出气口连接有引压管，并在与减压器出气口相连的引压管上设有两个出口压力测量点，即出口A处压力测量点和出口B处压力测量点，且引压管的长度L需满足采用本系统与方法可以获取减压器放气试验超低温力学环境参数，为减压器的设计和分析提供有力的支撑，可以节约研制经费，同时，该方法具有广泛的通用性，同样适合于其它超低温系统，具有较好的推广意义。

Description

一种减压器放气试验超低温测量系统与方法

技术领域

本发明属于动力学试验与分析技术领域，具体涉及一种减压器放气试验超低温测量系统与方法。

背景技术

减压器是一种能够根据上游气体的压力自动调节自身活门的开度，从而使下游出口的气体压力保持稳定的机械装置，被广泛用于航天飞行器燃料箱压力保持和地面试车台气源供气系统，起着重要的控制和调节作用。减压器放气试验是测试减压器性能的有效方法，随着冷氦增压技术、液氢液氧发动机技术的发展，减压器冷氦放气试验等减压器放气试验（超低温）应运而生。

国内关于超低温力学环境参数测量方面，低温压力传感器已经有研究、生产，但应用、校准比较复杂，工程应用试验方法、测试精度等方面还在不断研究、摸索。低温测试中压力的测量有用引压管来实现，但是对引压管的规格没有进行设计，只能保证静压测量的精度，无法保证试验中脉动压力测量的准确性。针对减压器放气试验超低温测量系统与方法，试验方法、测量系统、数据处理、分析等资料没有见到。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减压器放气试验超低温测量系统与方法，可以快速采集、分析获取超低温放气试验的力学环境参数，解决目前超低温动力学环境测量及分析难题。

本发明的技术方案如下：一种减压器放气试验超低温测量系统，包括气瓶和减压器，其中，气瓶与减压器的进气口相连通，并在气瓶与减压器进气口的连接管路上设有电磁阀，减压器的进气口连接有引压管，并在与减压器进气口相连的引压管上设有进口静压测量点；减压器的出气口连接有引压管，并在与减压器出气口相连的引压管上设有两个出口压力测量点，即出口A处压力测量点和出口B处压力测量点，其中，上述所涉及到的引压管的长度L需满足其中，f₀为试验分析频率；K为气体绝热，与气体的介质有关；R＝287.05，单位为m²/s²K；T为绝对温度。

该测量系统还包括压力信号转接及电源配送装置及动态信号采集仪，所述的减压器进气口所连接的引压管依次通过绝压传感器、低噪声电缆以及压力信号转接及电源配送装置连接至动态信号采集仪上；所述的减压器出气口所连接的引压管依次通过绝压传感器、低噪声电缆以及压力信号转接及电源配送装置连接至动态信号采集仪上。

所述的减压器上的阀门活动件通过支座块、振动传感器以及低噪声电缆直接与动态信号采集仪相连。

所述的减压器出口A处压力测量点为减压器出口100mm处压力测量点；所述的减压器出口B处压力测量点为减压器出口300mm处压力测量点。

一种减压器放气试验超低温测量方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤1、搭建减压器放气试验超低温测量系统，确立减压器出口的压力测点位置；

搭建减压器放气试验超低温测量系统，减压器的进气口和出气口通过引压管、绝压传感器连接至动态信号采集仪上，对减压器出口压力测量的关键数据设置两个测点，并利用一个绝压传感器测试减压器出口处的压力；通过与减压器进口相连接动态信号采集仪，直接采集获得减压器进口静压P₁；

步骤2、根据减压器阀门活动件反映减压器结构的特征，将减压器阀门的活动件作为减压器的振动测点位置；

减压器阀门活动件的振动测点通过支座块以及振动传感器连接至动态信号采集仪，且动态信号采集仪采集到振动测点的减压器振动Z即为减压器的结构振动数据；

步骤3、利用与减压器相连接的引压管来测量减压器放气试验超低温力学环境参数；

步骤4、利用数据处理技术，获得减压器出口静压和脉动压力；

采集获得减压器出口两测点的出口压力P₂、P₃，利用小波分解方法将减压器出口压力P₂、P₃分解为静压和动压信号，分别获得减压器出口两测点的静压和脉动压力。

所述的步骤3具体包括如下步骤：

在高压气体通过的管路选取认为是刚性的；不考虑引压管壁面的影响，假设引压管为刚性壁面，附加的引压管空腔的共振频率为

f_rigid＝c[S/（Vl_e）]^1/2 （1）

式（1）中，c为声速，S和V分别为小孔面积和腔体体积，l_e是小孔的有效长度；

c＝(KRT)^1/2 （2）

式（2）中，K为气体绝热，与气体的介质有关；T为绝对温度；

l_e＝l+1.7r （3）

式（3）中，l是小孔的长度，r是小孔的半径；

减压器放气试验压力测量设计的引压管，气体直接从减压器到引压管，中间不存在小孔；小孔长度即为引压管的长度；小孔面积即为腔体柱面的横截面积；引压管的长度远大于小孔的直径。则附加的引压管空腔的共振频率可简化为

f_rigid＝c[S/（Vl_e）]^1/2≈c[S/（SL×L）]^1/2＝c/L （4）

其中，L为引压管的长度；超低温压力的测量用引压管来实现，须使附加的引压管空腔的共振频率f_rigid大于试验分析频率f₀的两倍，保证试验中压力的动态测量，即

f_rigid＞2f₀ （5）

把式（2）、式（4）代入式（5），得

$\frac{{\left(\mathrm{KRT}\right)}^{1/2}}{L}>{2f}_0---\left(6\right)$

即

$L<\frac{{\left(\mathrm{KRT}\right)}^{1/2}}{{2f}_0}---\left(7\right)$

对于减压器放气试验，采用引压管来测量超低温压力，引压管直接焊接在放气试验系统的管路上，要保证试验中压力动态测量的准确性，引压管的长度须满足式（7）要求。

所述的步骤1中减压器出口压力测量的两个测点分别为100mm处压力测点和300mm处压力测点。

本发明的显著效果在于：本发明所述的减压器放气试验的超低温测量系统，实现了超低温放气试验环境参数的获取，包括静压、动压、振动等，为测试减压器性能、改进结构设计提供有效支撑；该超低温动态压力测量方法，以及超低温压力测量中的引压管，解决了试验中超低温压力动态测量的准确性难题；同时，给出了压力数据的脉动特征提取方法，该环境参数处理方法可应用推广到其它超低温系统下的动力学环境参数的数据处理。采用本系统与方法可以获取减压器放气试验超低温力学环境参数，为减压器的设计和分析提供有力的支撑，可以节约研制经费。该方法具有广泛的通用性，同样适合于其它超低温系统，具有较好的推广意义。

附图说明

图1为本发明所述的一种减压器放气试验超低温测量系统示意图；

图中：1、气瓶；2、电磁阀；3、减压器；4、进口静压；5、出口A处压力；6、出口B处压力；7、阀门活动件；8、压力信号转接及电源配送装置；9、动态信号采集仪。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种减压器放气试验超低温测量系统，包括气瓶1、减压器3、压力信号转接及电源配送装置8及动态信号采集仪9，其中，气瓶1与减压器3的进气口相连通，并在气瓶1与减压器3进气口的连接管路上设有电磁阀2，减压器3的进气口依次通过引压管、绝压传感器、低噪声电缆以及压力信号转接及电源配送装置8连接至动态信号采集仪9上，并在与减压器3进气口相连的引压管上设有进口静压4测量点；减压器3的出气口依次通过引压管、绝压传感器、低噪声电缆以及压力信号转接及电源配送装置8连接至动态信号采集仪9上，并在与减压器3出气口相连的引压管上设有两个出口压力测量点，即出口A处压力5测量点和出口B处压力6测量点，例如，减压器3出口100mm处压力测量点和出口300mm处压力测量点；减压器3上的阀门活动件7通过支座块、振动传感器以及低噪声电缆直接与动态信号采集仪9相连；为保证试验中压力动态测量的准确性，上述所涉及到的引压管的长度L需满足其中，f₀为试验分析频率；K为气体绝热，与气体的介质有关；R＝287.05，单位为m²/s²K；T为绝对温度。

一种减压器放气试验超低温测量方法，具体包括如下步骤：

步骤1、搭建减压器放气试验超低温测量系统，确立减压器出口的压力测点位置；

搭建减压器放气试验超低温测量系统，减压器的进气口和出气口通过引压管、绝压传感器连接至动态信号采集仪上；针对减压器放气试验过程中温度低、成本高、危险大、技术难点高的特点，对减压器出口压力测量的关键数据设置两个测点，并利用一个绝压传感器测试减压器出口处的压力，例如出口100mm处压力和出口300mm处压力；

通过与减压器进口相连接动态信号采集仪，直接采集获得减压器进口静压P₁。

步骤2、根据减压器阀门活动件反映减压器结构的特征，将减压器阀门的活动件作为减压器的振动测点位置；

减压器阀门活动件的振动测点通过支座块以及振动传感器连接至动态信号采集仪，且动态信号采集仪采集到振动测点的减压器振动Z即为减压器的结构振动数据；

步骤3、利用与减压器相连接的引压管来测量减压器放气试验超低温力学环境参数；

在高压气体通过的管路选取认为是刚性的。不考虑引压管壁面的影响，假设引压管为刚性壁面，附加的引压管空腔的共振频率为

f_rigid＝c[S/（Vl_e）]^1/2 （1）

式（1）中，c为声速，S和V分别为小孔面积和腔体体积，l_e是小孔的有效长度；

c＝(KRT)^1/2 （2）

式（2）中，K为气体绝热，与气体的介质有关；T为绝对温度；

l_e＝l+1.7r （3）

式（3）中，l是小孔的长度，r是小孔的半径。

减压器放气试验压力测量设计的引压管，气体直接从减压器到引压管，中间不存在小孔；小孔长度即为引压管的长度；小孔面积即为腔体柱面的横截面积；引压管的长度远大于小孔的直径。则附加的引压管空腔的共振频率可简化为

f_rigid＝c[S/（Vl_e）]^1/2≈c[S/（SL×L）]^1/2＝c/L （4）

其中，L为引压管的长度；超低温压力的测量用引压管来实现，须使附加的引压管空腔的共振频率f_rigid大于试验分析频率f₀的两倍，保证试验中压力的动态测量，即

f_rigid＞2f₀ （5）

把式（2）、式（4）代入式（5），得

$\frac{{\left(\mathrm{KRT}\right)}^{1/2}}{L}>{2f}_0---\left(6\right)$

即

$L<\frac{{\left(\mathrm{KRT}\right)}^{1/2}}{{2f}_0}---\left(7\right)$

对于减压器放气试验，采用引压管来测量超低温压力（静压和脉动压力的叠加），引压管直接焊接在放气试验系统的管路上，要保证试验中压力动态测量的准确性，引压管的长度须满足式（7）要求。

步骤4、利用数据处理技术，获得减压器出口静压和脉动压力；

采集获得减压器出口两测点的出口压力P₂、P₃，利用小波分解方法将减压器出口压力P₂、P₃分解为静压和动压信号，分别获得减压器出口两测点的静压和脉动压力。

Claims (7)

1.一种减压器放气试验超低温测量系统，包括气瓶(1)和减压器(3)，其中，气瓶(1)与减压器(3)的进气口相连通，并在气瓶(1)与减压器(3)进气口的连接管路上设有电磁阀(2)，其特征在于：减压器(3)的进气口连接有引压管，并在与减压器(3)进气口相连的引压管上设有进口静压(4)测量点；减压器(3)的出气口连接有引压管，并在与减压器(3)出气口相连的引压管上设有两个出口压力测量点，即出口A处压力(5)测量点和出口B处压力(6)测量点，其中，上述所涉及到的引压管的长度L需满足其中，f₀为试验分析频率；K为气体绝热，与气体的介质有关；R＝287.05，单位为m²/s²K；T为绝对温度。

2.根据权利要求1所述的一种减压器放气试验超低温测量系统，其特征在于：该测量系统还包括压力信号转接及电源配送装置(8)及动态信号采集仪(9)，所述的减压器(3)进气口所连接的引压管依次通过绝压传感器、低噪声电缆以及压力信号转接及电源配送装置(8)连接至动态信号采集仪(9)上；所述的减压器(3)出气口所连接的引压管依次通过绝压传感器、低噪声电缆以及压力信号转接及电源配送装置(8)连接至动态信号采集仪(9)上。

3.根据权利要求2所述的一种减压器放气试验超低温测量系统，其特征在于：所述的减压器(3)上的阀门活动件(7)通过支座块、振动传感器以及低噪声电缆直接与动态信号采集仪(9)相连。

4.根据权利要求1所述的一种减压器放气试验超低温测量系统，其特征在于：所述的减压器(3)出口A处压力(5)测量点为减压器(3)出口100mm处压力测量点；所述的减压器(3)出口B处压力(6)测量点为减压器(3)出口300mm处压力测量点。

5.一种减压器放气试验超低温测量方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：

步骤1、搭建减压器放气试验超低温测量系统，确立减压器出口的压力测点位置；

搭建减压器放气试验超低温测量系统，减压器的进气口和出气口通过引压管、绝压传感器连接至动态信号采集仪上，对减压器出口压力测量的关键数据设置两个测点，并利用一个绝压传感器测试减压器出口处的压力；通过与减压器进口相连接动态信号采集仪，直接采集获得减压器进口静压P₁；

步骤2、根据减压器阀门活动件反映减压器结构的特征，将减压器阀门的活动件作为减压器的振动测点位置；

减压器阀门活动件的振动测点通过支座块以及振动传感器连接至动态信号采集仪，且动态信号采集仪采集到振动测点的减压器振动Z即为减压器的结构振动数据；

步骤3、利用与减压器相连接的引压管来测量减压器放气试验超低温力学环境参数；

步骤4、利用数据处理技术，获得减压器出口静压和脉动压力；

采集获得减压器出口两测点的出口压力P₂、P₃，利用小波分解方法将减压器出口压力P₂、P₃分解为静压和动压信号，分别获得减压器出口两测点的静压和脉动压力。

6.根据权利要求5所述的一种减压器放气试验超低温测量方法，其特征在于：所述的步骤3具体包括如下步骤：

在高压气体通过的管路选取认为是刚性的；不考虑引压管壁面的影响，假设引压管为刚性壁面，附加的引压管空腔的共振频率为

f_rigid＝c[S/(Vl_e)]^1/2 (1)

式(1)中，c为声速，S和V分别为小孔面积和腔体体积，l_e是小孔的有效长度；

c＝(KRT)^1/2 (2)

式(2)中，K为气体绝热，与气体的介质有关；R＝287.05，单位为m²/s²K；T为绝对温度；

l_e＝l+1.7r (3)

式(3)中，l是小孔的长度，r是小孔的半径；

减压器放气试验压力测量设计的引压管，气体直接从减压器到引压管，中间不存在小孔；小孔长度即为引压管的长度；小孔面积即为腔体柱面的横截面积；引压管的长度远大于小孔的直径；则附加的引压管空腔的共振频率可简化为

f_rigid＝c[S/(Vl_e)]^1/2≈c[S/(SL×L)]^1/2＝c/L (4)

其中，L为引压管的长度；超低温压力的测量用引压管来实现，须使附加的引压管空腔的共振频率f_rigid大于试验分析频率f₀的两倍，保证试验中压力的动态测量，即

f_rigid＞2f₀ (5)

把式(2)、式(4)代入式(5)，得

$\frac{{\left(KRT\right)}^{1/2}}{L}>2f_0---\left(6\right)$

即

$L<\frac{{\left(KRT\right)}^{1/2}}{2f_0}---\left(7\right)$

对于减压器放气试验，采用引压管来测量超低温压力，引压管直接焊接在放气试验系统的管路上，要保证试验中压力动态测量的准确性，引压管的长度须满足式(7)要求。

7.根据权利要求5所述的一种减压器放气试验超低温测量方法，其特征在于：所述的步骤1中减压器出口压力测量的两个测点分别为100mm处压力测点和300mm处压力测点。