本发明涉及一种低温液体推进剂流量测量标定系统及方法，特别涉及一种小口径微流量低温液体推进剂流量测量标定系统及方法。
背景技术：
1、低温液体航天推进发动机富氧或富燃燃烧部件以及小推力姿态控制发动机的推进剂供应为小口径微流量供应。在进行低温液体航天推进发动机富氧或富燃燃烧部件点火以及小推力姿态控制发动机点火试验过程中，需要对小口径微流量低温液体推进剂流量进行准确测量，其测量精度对低温液体航天推进发动机研制以及小推力姿态控制发动机研制具有重要意义。本专利申请文件中涉及的小口径微流量是指推进剂供应管路通径尺寸为4mm～10mm，推进剂供应流量为10ml/s～200ml/s，系统工作压力范围为5mpa～30mpa。
2、目前，一方面，采用速度式流量计(如涡轮流量计)和质量流量计可以满足大口径大流量低温液体推进剂供应系统对推进剂流量测量的精度要求，但对于小口径微流量的测量，速度式流量计和质量流量计设计、制造难度大；另一方面，由于小口径微流量低温液体推进剂供应管路相对于大口径大流量低温液体推进剂供应管路，在相同绝热包覆条件下，其正常流动过程中不稳定的两相流动更为严重，管道含气率更高，因而受绝热包覆条件的限制以及小口径微流量低温液体推进剂供应系统两相流动固有性质的影响，使得采用现有的常规速度式流量计和质量流量计直接进行推进剂流量测量，测量精度较低，难以满足小口径微流量低温液体推进剂供应系统对推进剂流量测量的精度要求。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种小口径微流量低温液体推进剂流量测量标定系统及方法，以解决常规测量方法下，小口径微流量低温液体推进剂供应系统推进剂流量测量精度较低的技术问题。
2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
3、一种小口径微流量低温液体推进剂流量测量标定系统，所述小口径微流量是指推进剂供应管路通径尺寸为4mm～10mm，推进剂供应流量为10ml/s～200ml/s，系统工作压力范围为5mpa～30mpa；其特殊之处在于：
4、包括液相流量测量段和流量校验段；
5、所述液相流量测量段包括测量段管路和设置在测量段管路上的液体流量测量装置；测量段管路的输入端用于与推进剂供应上游管路连通；
6、所述测量段管路上位于液体流量测量装置的输入端上游位置设置有第一压力测点和第一温度测点；所述测量段管路上位于液体流量测量装置的输出端下游位置设置有第二压力测点；液相流量测量段用于对推进剂供应时实际的小口径微流量低温液体推进剂供应管路环境进行还原，并对实际工作的液相流体的质量流量进行测量；
7、所述流量校验段包括按推进剂流向依次连通的汽化器、电加热段管路、缓冲器以及标准质量流量计量系统管路；所述汽化器的输入端与测量段管路的输出端连通；在所述缓冲器的输出端下游且靠近缓冲器的输出端端口位置设置有第二温度测点；所述标准质量流量计量系统管路的输出端用于排空；
8、所述标准质量流量计量系统管路的输出端端部设置标准音速喷嘴，并在位于标准音速喷嘴的上游且靠近标准音速喷嘴一侧位置，设置第四压力测点；
9、流量校验段用于将液相流量测量段输出的所述实际工作的液相流体完全汽化，并得到汽化后的气相流体的质量流量，该气相流体的质量流量将作为对所述实际工作的液相流体的质量流量原位校准的基准。
10、进一步地，为了能够更加准确的还原推进剂供应时实际的小口径微流量低温液体推进剂供应管路环境，以使标定精度更高，所述推进剂供应上游管路的通径尺寸为4mm～10mm，推进剂供应流量为10ml/s～200ml/s；并且为了方便温度测点热敏电阻或热电偶的设置，所述测量段管路的通径尺寸为10mm～15mm，且测量段管路的通径尺寸随着推进剂供应上游管路的通径尺寸增大而增大；
11、所述测量段管路的输入端通过第一管路变径后，与推进剂供应上游管路连通；所述测量段管路的输出端通过第二管路变径后，与汽化器的输入端连通，且所述第二管路与汽化器的输入端连接的一端的管路通径尺寸等于推进剂供应上游管路的通径尺寸。
12、进一步地，所述液体流量测量装置为计量孔板、文丘里汽蚀管或者涡轮流量计。
13、进一步地，为了确保计量孔板、文丘里汽蚀管或者涡轮流量计的测量效果，所述第一压力测点与测量段管路的输入端端面之间的距离l1＝15d～20d，其中：d为测量段管路的通径尺寸；
14、所述第一压力测点与液体流量测量装置的输入端端面之间的距离l2＝5d～10d；
15、所述第二压力测点与液体流量测量装置的输出端端面之间的距离l3＝10d～15d；
16、所述第二压力测点与测量段管路的输出端端面之间的距离l4＝15d～20d；
17、所述第一温度测点位于第一压力测点的上游或下游，且二者在测量段管路轴向上的投影点之间的距离l5＜5d。
18、进一步地，所述汽化器的输出端管路、电加热段管路以及标准质量流量计量系统管路的管路通径尺寸均相同，且选取的该管路通径尺寸应确保将所述气相流体的流速控制在5m/s～10m/s范围内。这样，气相流体流动更加稳定，后续流量测量的准确性更高。
19、进一步地，为了确保实际工作的液相流体被完全汽化，所述汽化器为空温式汽化器；
20、所述汽化器的换热面积应确保所述实际工作的液相流体到达汽化器的输出端端口时被完全汽化，且具有大于汽化器设计出口压力所对应的饱和蒸汽温度5℃～10℃的过热度。
21、进一步地，为了提高流量测量的稳定性和准确性，所述电加热段管路采用电热丝外敷于管道，对管道进行加热的结构形式；为所述电热丝加热的加热器功率应确保：所述第二温度测点测得的温度与环境温度的差值的绝对值不大于5℃；
22、同时为了避免流量大范围波动，所述缓冲器的容积为5倍～10倍的汽化器容积加上电加热段管路容积；所述缓冲器的设计压力为整个管路系统最高工作压力的1.1倍～1.2倍。
23、进一步地，为了提高测量精度，进而提高标定的精确性，选取所述标准音速喷嘴时，所选取的标准音速喷嘴中的标准音速孔板的流通面积以下式[1]计算得到的预设计的标准音速孔板的流通面积作为选取参考基准，式[1]为：
24、
25、式[1]中：a′p为预设计的标准音速孔板的流通面积；q′为所述流量测量标定系统预设计的质量流量；cp为标定后的标准音速喷嘴流量系数，为已知量；p4′为第四压力测点处的预设计压力，p4′＝p2′-∑△pi，其中：p2′为第二压力测点(14)处的预设计压力，∑△pi为由第二压力测点到第四压力测点之间所有管路及管路元件在所述流量测量标定系统预设计的质量流量q′下的流动阻力，可近似采用不可压缩流体计算公式和一般流体力学的计算方法计算获得；k为所述气相流体的等熵指数，k＝cp/cv，其中：cp为等压比热容，cv为等容比热容；m为所述气相流体的摩尔质量；tp′为标准质量流量计量系统管路上位于标准音速喷嘴的上游且靠近标准音速喷嘴一侧位置处的预设计温度。
26、同时，本发明还提供了一种小口径微流量低温液体推进剂流量测量标定方法，其特殊之处在于：基于上述小口径微流量低温液体推进剂流量测量标定系统，包括以下步骤：
27、步骤一：测量第一压力测点和第二压力测点的压力以及第一温度测点的温度；同时，测量第四压力测点的压力和第二温度测点的温度，通过下式[2]计算得到所述气相流体的质量流量，式[2]为：
28、
29、式[2]中：q为所述气相流体的质量流量；p4为测量得到的第四压力测点的压力；ap为实际选用的标准音速喷嘴中的标准音速孔板的流通面积，为已知量；tp为标准质量流量计量系统管路上位于标准音速喷嘴的上游且靠近标准音速喷嘴一侧位置处的实测温度，近似等于测量得到的第二温度测点的温度，计算时取tp等于t2，t2为测量得到的第二温度测点的温度；
30、步骤二：计算所述实际工作的液相流体在步骤一中测量得到的第一压力测点的压力和第一温度测点的温度条件下的密度；
31、步骤三：将步骤一中测量得到的第一压力测点和第二压力测点的压力、步骤一中得到的所述气相流体的质量流量，以及步骤二中计算得到的所述实际工作的液相流体在步骤一中测量得到的第一压力测点的压力和第一温度测点的温度条件下的密度，分别代入所述液体流量测量装置的流量计算式中，反算所述液体流量测量装置的流量系数；
32、步骤四：将步骤三中反算出的所述液体流量测量装置的流量系数应用于推进剂供应系统中的流量测量，流量测量标定完成。
33、进一步地，所述液体流量测量装置为计量孔板或文丘里汽蚀管；步骤三中所述液体流量测量装置的流量计算式为下式[3]：
34、
35、式[3]中：q为所述气相流体的质量流量；cy为计量孔板或文丘里汽蚀管的流量系数；ay为单级孔板流通面积，为已知量；ρ为步骤二中计算得到的所述实际工作的液相流体在步骤一中测量得到的第一压力测点的压力和第一温度测点的温度条件下的密度；p1、p2分别为步骤一中测量得到的第一压力测点、第二压力测点的压力；步骤三中反算所述液体流量测量装置的流量系数即为反算所述cy；
36、或者：所述液体流量测量装置为涡轮流量计；步骤三中所述液体流量测量装置的流量计算式为下式[4]：
37、q＝ρcwn[4]；
38、式[4]中：cw为涡轮流量计的流量系数；n为涡轮流量计的转速；步骤三中反算所述液体流量测量装置的流量系数即为反算所述cw。
39、本发明的有益效果是：
40、(1)本发明的小口径微流量低温液体推进剂流量测量标定系统，通过液相流量测量段对推进剂供应时实际的小口径微流量低温液体推进剂供应管路环境进行还原，并且通过在液相流量测量段设置的第一压力测点和第一温度测点对实际工作的液相流体的密度进行校准；然后在流量校验段，采用换热相变流量还原的方法，通过汽化器和电加热段管路使实际工作的液相流体完全汽化，转化为特定温度、压力的气体；接着通过缓冲器稳压的方法，获得相同工况下与实际工作的液相流体的质量流量相同且处于稳态的气相流体；再接着通过在流量校验段输出端端部设置标准音速喷嘴、在位于标准音速喷嘴的上游且靠近标准音速喷嘴一侧位置设置第四压力测点，以及在缓冲器的输出端下游且靠近缓冲器的输出端端口位置设置第二温度测点，计算获得高精度、稳态的气相流体的质量流量；并且由于在本发明中的流量校验段测量后计算得到气相流体的质量流量时，不存在气、液两相共存的情况，进而也可以确保得到的气相流体的质量流量更加稳定、精度更高；进而将该稳定的、高精度的气相流体的质量流量作为对实际工作的液相流体的质量流量原位校准的基准，与校准后的实际工作的液相流体的密度共同完成对液相流量测量段串联的液体流量测量装置的流量系数的标定，进而后续使用标定后的流量系数，计算得到的小口径微流量低温液体推进剂的流量精度也更高；因此，本发明解决了常规测量方法下，小口径微流量低温液体推进剂供应系统推进剂流量测量精度较低的技术问题。
41、(2)本发明的小口径微流量低温液体推进剂流量测量标定系统及方法，在不改变推进剂供应管路主要结构的前提下，可有效解决小口径微流量低温液体推进剂流量测量困难、测量精度不高的问题，能够实现低温液体航天推进发动机富氧或富燃燃烧部件点火以及小推力姿态控制发动机点火试验过程中对小口径微流量低温液体推进剂流量的准确、可靠测量。
1.一种小口径微流量低温液体推进剂流量测量标定系统，所述小口径微流量是指推进剂供应管路通径尺寸为4mm～10mm，推进剂供应流量为10ml/s～200ml/s，系统工作压力范围为5mpa～30mpa；其特征在于：
2.根据权利要求1所述的小口径微流量低温液体推进剂流量测量标定系统，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的小口径微流量低温液体推进剂流量测量标定系统，其特征在于：所述液体流量测量装置(12)为计量孔板、文丘里汽蚀管或者涡轮流量计。
4.根据权利要求3所述的小口径微流量低温液体推进剂流量测量标定系统，其特征在于：
5.根据权利要求1所述的小口径微流量低温液体推进剂流量测量标定系统，其特征在于：所述汽化器(21)的输出端管路、电加热段管路(22)以及标准质量流量计量系统管路(24)的管路通径尺寸均相同，且选取的该管路通径尺寸应确保将所述气相流体的流速控制在5m/s～10m/s范围内。
6.根据权利要求1所述的小口径微流量低温液体推进剂流量测量标定系统，其特征在于：
7.根据权利要求1所述的小口径微流量低温液体推进剂流量测量标定系统，其特征在于：
8.根据权利要求1所述的小口径微流量低温液体推进剂流量测量标定系统，其特征在于：
9.一种小口径微流量低温液体推进剂流量测量标定方法，其特征在于：基于权利要求1至8任一所述的小口径微流量低温液体推进剂流量测量标定系统，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的小口径微流量低温液体推进剂流量测量标定方法，其特征在于：
