液氧密度标准计量装置的研制

　　1　引　言

　　液氧是氢/氧发动机、烃/氧发动机氧化剂,一直受到各国火箭液体推进剂界的极大关注。液氧氧化剂对燃料的混和比常常大于1,因而在火箭推进剂的质量中,液氧占了主要地位。液氧密度的测量不确定度,直接影响推进剂的质量流量的不确定度,因此也直接影响发动机的比冲准确性和混合比的确定;同时,液氧密度的准确测量,对于计算发动机比冲、飞行试验时加注量和储箱内推进剂利用、控制具有重要意义。

　　在液体火箭发动机研制试验中,通常采用测量体积流量与密度来获取质量流量参数。液氧密度数据采用两种方法获得:一种是采用电容式密度传感器测量,另一种以测温和测压来计算密度。两种方法都需直接或间接地引用美国纯液氧的p,ρ,T数据。国内使用的液氧技术条件规定的纯度为≥99·4%(GJB2040-94),并非纯液氧。液氧纯度不同,密度值也会相应地在一个不小的范围内变动,测出的密度数据缺乏科学性和可靠性,液氧密度的准确测量一直是个未能解决的问题。

　　研制液氧密度标准计量装置,除能满足准确测量不同纯度液氧密度的要求外,还可以对电容式液氧密度传感器进行标定。只要稍加修正还能用于其它低温流体如液氮、液化天然气(甲烷)等的密度测量。

　　2　测量原理及其装置简介

　　2. 1　密度测量原理

　　测量物质的密度有间接测量和直接测量两种方法。

　　液氧是一种低温介质,低温介质密度测量可以采用射线法、声学法、介电常数法、振动法等间接法,间接测量的准确性差,而且测量仪器需要定期校正。液氧密度标准计量装置采用流体静力称量法。

　　这种直接测量法根据阿基米德定律“浸在液体里的物体所受浮力的大小等于该物体所排开的液体体积所受的重力”。将具有一定质量(M)和体积(V)的物体(浮子),吊挂于待测密度的液氧中,由电子天平测出浮力就可以求出液氧的密度。

　　假如浮子的质量和体积已知,则在被测液氧中称量浮子时的平衡方程为

　　式中ρ为被测液氧在温度为T时的密度;M为浮子质量;m为在密度为ρG的氧气中称量浮子时的质量读数;δ为电子天平校正砝码材料密度;VT为浮子在温度为T时的体积。

　　从式(2)可见,只要通过电子天平测得m,便可直接求出液氧的密度。

　　2. 2　装置简介

　　液氧密度标准计量装置如图1。装置主要由100L液氧贮存容器、实验恒温器、恒温器压力控制系统、温度调节系统、真空系统、单片机测控系统、质量测量系统、PC机等组成。

　　100 L液氧贮存容器用来提供实验恒温器所需的液氧,具有自增压结构。真空泵抽走恒温器中的气,以保证灌注液氧后氧蒸气的纯度不受影响;通过抽真空系统还可以对恒温器减压,改变液氧的温度,在低于沸点温度条件下进行密度的测量。压力控制系统用来控制恒温器内的压力,同时作为单片机测控系统精确温度控制的辅助手段。