超声波流量计在航天器推进系统中的应用分析

超声波流量计是利用流体流动对超声波脉冲或超声波束的信号起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.超声波流量计和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比,具有计量精度高、对管径的适应性强、不接触流体、使用方便等特点,近年来,随着电子器件的发展,超声波流量计开始普及.

目前,国内外航天器在轨推进剂的剩余量的计量都是通过基于气体状态方程的间接方法进行估算,对航天器寿命末期的推进剂剩余量的估算误差较大,难以满足现在工程应用提出的航天器寿命估算误差±3个月的要求.推进剂剩余量计量的误差对航天器的寿命计算及其离轨操作都有很大的影响.超声波流量计可以在轨对推进剂消耗量直接测量,能够填补这一计量领域的空白.超声波流量计的超声波特性还可以作为航天器推进系统在轨故障诊断和检测的有效手段.

本文首先介绍时差法超声波流量测量方法,其次结合目前航天器推进系统需要解决的一些问题,分析其在航天器推进系统中应用的可行性,最后针对这种测量方法在航天器推进系统中应用所面临的问题及解决方案提出具体建议.

1　超声波流量计原理与应用发展

根据对信号检测的原理,可将目前的超声波流量计检测方法大致分为多普勒法、相关法、波束偏移法、噪声法(见图1)和传播速度差法(见图2).多普勒法利用声学多普勒原理,通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量,适用于含悬浮颗粒、气泡等流体的流量测量.波束偏移法利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来测量流体流速,此方法在被测流体流速低时,灵敏度很低,适用性不大.相关法是利用相关技术测量流量,原理上,此法的测量准确度与流体中的声速无关,因而与流体温度,浓度无关,所以流量准确度高,适用范围广.但相关法仪器价格昂贵,线路比较复杂.噪声法(又称听音法)是利用通道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理,通过检测噪声表示流速或流量值,此方法简单,成本低,但准确度低,适用于对流量测量精度要求不高的场合.

传播速度差法包括时差法、频差法和相位差法,它们的基本原理都是通过测量超声波脉冲在顺流和逆流传播时的速度之差来反映流体的流速,故统称传播速度差法.其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差,精度较高,所以被广泛应用.按照换能器的配置方法的不同,传播速度差法又分为:Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等.对超声波传感器的安装方法的选择原则一般是:当流体沿管轴平行流动时,选用Z法;当流动方向与管轴不平行或管路安装地点使超声波传感器的安装间隔受到限制时,采用V法或X法.