научная статья по теме ФАЗОВЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ТОПЛИВА ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ФАЗОВЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ТОПЛИВА ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТ»

Теория и принципы построения датчиков, приборов и систем

УДК 681.2.08

ФАЗОВЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ТОПЛИВА ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТ

С. В. Балакин, А. Н. Дывак, В. М. Филин

Рассмотрена проблема соз дания уровнемера системы управления расхо дованием топлива, работоспособно го в условиях изменения в широком диапазоне скорости движения уровня топлива. Описан разработанный в РКК "Энергия" им. С.П. Королева способ точного измерения комплексно го сопротивления мостовой схемы, основанный на измерении фазы несущей частоты сигнала мостовой схемы с тесной ин дуктивной связью. Представлен вариант функциональной схемы исполнения уровнемера.

В жидкостных ракетах присутствует система управления расходованием топлива (СУРТ), относящаяся к классу терминальных систем управления и позволяющая существенно уменьшить количество гарантийных запасов топлива. Следовательно, принципиальным требованием, предъявляемым к уровнемерам СУРТ, является обеспечение высокой точности измерения уровня топлива в баках летящей ракеты. Однако высокая точность измерения уровня ограничивается наличием существующего уровня помех и возмущений, а также влиянием на процесс измерения перегрузок, действующих на жидкое топливо, и скорости движений уровня топлива в баках. Вместе с высокими требованиями по точности измерения уровня, уровнемер СУРТ должен удовлетворять жестким требованиям по надежности функционирования во всех условиях эксплуатации, характерных для ракетной техники. При этом требуемые значения точностных и эксплуатационных характеристик должны быть близки к метрологически предельным показателям.

Уровнемер СУРТ предназначен для сигнализации прохождения уровнем неэлектропроводной жидкости (углеводородными и крио генными компонентами топлива) заданных высот при опорожнении топливных баков во время работы двигательной установки ракеты. Заданные высоты назначают расположением измерительных точек, в частности, емкостных дискретных датчиков (ДД) по высоте топливного бака. Учитывая, что скорость прохождения уровнем жидкости заданных высот может составлять до 150 мм в секунду при высоте ДД в 20 мм и требуемой точности сигнализации в ±1 мм, уровнемер СУРТ как измерительная система должна быть высокодинамичной.

Иными словами, время фиксации прохождения уровнем заданной высоты является неотъемлемой составной частью точностной характеристики работы уровнемера СУРТ.

Структурно уровнемер СУРТ представляет собой двухканальное инвариантное измерительное устройство, построенное по трансформаторной мостовой схеме с тесной индуктивной связью. В одно плечо (канал) уровнемера включается совокупность параллельно соединенных нечетных емкостных ДД, в другое — совокупность параллельно соединенных четных емкостных ДД. При таком решении обеспечивается симметрия воздействия дестабилизирующих факторов на каналы уровнемера, а, следовательно, их самокомпенсация при формировании полезного сигнала. Кроме того, эти мостовые схемы позволяют сравнивать плечевые токи, значения которых могут _1 2

составлять 10 12 А, что свидетельствует о возможности реализации высокой точности измерения значения комплексного сопротивления мостовой схемы.

Условия, в которых работает уровнемер первой, второй и третьей ступеней ракеты существенным образом различаются. Различия заключаются в следующем.

Во-первых, в разных скоростях движения уровня жидкого топлива. Например, для первой и второй ступеней перспективных ракет, создаваемых на принципе глубокой модернизации ракеты Р-7, скорость прохождения уровнем заданных высот может составлять от 100 до 160 мм в секунду. Для третьей ступени — значение скорости прохождения уровня может составлять уже от 20 до 60 мм в секунду. Для разных скоростей прохождения уровня через точки заданных высот, и со-

ответственно, для разных ступеней с целью обеспечения высокой точности измерения разрабатываются различные методы работы уровнемера СУРТ. Поэтому проблема поиска унифицированных методов измерения уровня является задачей актуальной не только с точки зрения обеспечения работоспособности и повышения точности измерения, но и с точки зрения снижения стоимости создания уровнемерных систем.

Во-вторых, в разных значениях перегрузки, действующей на жидкое топливо. Для первой и второй ступеней значение перегрузки превышает единицу, а для третьей ступени перегрузка может достигать значения, много меньшего единицы (0,4—0,6). Данный параметр, являющийся следствием динамики полета ракеты, определяет конструкцию емкостного ДД, следовательно, габаритно-массовые характеристики уровнемера.

В-третьих, различие в скорости движения уровня топлива и в перегрузках для отдельных ступеней ракеты по-разному влияют на формирование систематической погрешности измерений, обусловленной наличием налипшего на стенках емкостного ДД слоя вязкого углеводородного топлива.

Изменение в широком диапазоне скорости прохождения уровнем заданных высот, на которых расположены емкостные ДД, диктует необходимость разработки методов измерения импеданса, способных работать как при высоких, так и при низких скоростях движения уровня. Отсутствие в настоящий момент таких способов измерения параметров импеданса двухполюсника, в свою очередь, порождает научную проблему создания универсального способа измерения параметров емкостных ДД, работоспособного в условиях высоких и низких скоростей движения уровня в баках жидкостных ракет.

Целью статьи является обоснование принципов проектирования уровнемера СУРТ, работоспособного в условиях изменения скорости движения уровня в широком диапазоне. Создание такого уровнемера рассматривается в качестве шага решения проблемы создания унифицированного метода измерения уровня.

В основу функционирования уровнемера СУРТ жидкостной ракеты, в реализации которого используется новый способ измерения, положен следующий принцип. При работе двигательной установки ракеты уровень жидкости в топливных баках последовательно проходит нечетный, четный, нечетный и т.д. емкостной ДД. Как следствие, происходит изменение комплексных сопротивлений в сравниваемых плечах мостовой схемы вследствие уменьшения электрической емкости плеча, вносимого диэлектрической проницаемостью е неэлектропроводной жидкости для каждого опорожняемого ДД. Комплексные сопротивления сравниваемых плеч, изменяясь в заданных

пределах, попеременно переводят мостовую схему из одного неравновесного состояния в другое, проходя всякий раз состояние равновесия моста. При этом состояние равновесия мостовой схемы должно быть зафиксировано. Сигнал фиксации формируется путем сравнения фазы несущей частоты источника питания переменного тока для мостовой схемы и фазы сигнала мостовой схемы. Этот сигнал сравнения фаз в дальнейшем будем называть сигналом разности.

Высокая скорость измерения комплексного сопротивления мостовой схемы обеспечивается следующей последовательностью действий. Задается эталонное значение измеряемого параметра мостовой схемы путем подключения параллельно одному из плечевых комплексных сопротивлений мостовой схемы дополнительного конденсатора, значение электрической емкости которого является эталонной величиной, определенной ниже. При питании мостовой схемы переменным током в её плечах формируются сигналы, значения которых пропорциональны плечевым сопротивлениям и осуществляется сдвиг этих сигналов по фазе на 90° по отношению к сигналу генератора частот ГЧ. Это делается для обеспечения устойчивого сравнения фазы сигнала разности с фазой сигнала ГЧ. Далее плечевые сигналы сравниваются на дифференциальном трансформаторе с тесной индуктивной связью (ТТИС), формируя сигнал разности. Следующим шагом является измерение фазы сигнала разности моста и её сравнение с фазой сигнала ГЧ. При переходе мостовой схемы через состояние равновесия фаза сигнала разности меняет значение на 180°. Момент сдвига фазы сигнала разности на 180° фиксируется, свидетельствуя о равенстве комплексных сопротивлений мостовой схемы.

Для увеличения динамической точности работы уровнемера СУРТ время фиксации должно быть минимальным. Для этого фиксация сдвига фазы на 180° сигнала разности производится в сопоставлении с частотой ГЧ. Следовательно, временная задержка фиксации равенства плечевых сопротивлений соизмерима с длительностью периода частоты генератора, чем и обеспечивается измерение уровня в реальном масштабе времени.

Уровнемер конструктивно включает в свой состав блок датчиков уровня (БДУ), блок усилителей преобразователей (БУП) и соединяющую эти блоки бортовую кабельную сеть. Первый из блоков — БДУ представляет собой конструкцию, устанавливаемую внутри топливного бака и охватывающую всю его высоту, на которой размещены на строго определенной высоте емкостные датчики. Блок БУП — это электронный прибор, который измеряет комплексное сопротивление мостовой схемы и выдает сигналы фиксации равновесного состояния мостовой схемы в систему

управления ракеты для решения задачи управления расходованием топлива.

Функциональная схема фазового уровнемера СУРТ представлена на рисунке. Выход мостовой схемы через дифференциальный трансформатор ТТИС и последовательно соединенные усилитель У, фильтр Ф и первый амплитудный компаратор АК1 подключен к первому входу фазочувствитель-ного фиксатора ФФ. Указанная цепь образует канал формирования фазы сигнала разности мостовой схемы. С другой стороны, выход генератора частоты ГЧ через фазосдвигающее устройство ФСУ и второй амплитудный компаратор АК2 подключен ко второму входу ФФ. Эта цепь составляет канал формирования фазы опорного сигнала. Мостовая измерительная схема включает блок датчиков уровня (ДД1, ..., ДД2П) и трансформатор с тесной индуктивной связью.

Следует заметить, что число N датчиков в составе БДУ жидкостной ракеты составляет, как правило, от 4 до 16 шт. Значение электрической емкости ДД составляет 20—100 пФ, при этом значение паразитной электрической емкости линии связи БКС составляет 2500—7000 пФ (на рисунке паразитные емкости показаны пунктиром). Так как ТТИС является трансформатором тока, имеющим низкое входное сопротивление, то эта паразитная емкость шунтируется низким входным сопроти

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»