Канал регулирования соотношения компонентов топлива и суммарного расхода. Метод измерения комплексного сопротивления мостовой измерительной схемы датчика расхода топлива. Разработка схемы электрической принципиальной, ее описание. Расчет усилителей.
Аннотация к работе
Проблема точного измерения уровней компонентов топлива на борту жидкостных ракет впервые выявилась в начале 1950-х годов в связи с созданием С.П. Расчетные значения количества топлива гарантируют безопасность экипажа корабля при любых обстоятельствах. Принцип действия датчика основывается на измерении изменения комплексного сопротивления мостовой схемы при внесении потерь в магнитный чувствительный элемент металлическим шариком, который вращается в полости магистрали подачи топлива. Датчик расхода топлива, основанный на методе амплитудной модуляции полезного сигнала, создает трудности в точном определении количества топлива, т.к. могут возникать нарушения работы датчика изза воздействия механических нагружений на чувствительный элемент. Устранение указанных недостатков может быть достигнуто за счет разработки метода измерения комплексного сопротивления мостовой схемы датчика расхода топлива, который исключает воздействие механических нагружений на чувствительный элемент и, как следствие, повышает точность измерения расхода топлива.С целью исследования характеристик систем определения количества топлива был проанализирован широкий класс данных систем.Система регулирования соотношения компонентов предназначена для автоматического поддержания заданного соотношения массовых расходов компонентов топлива. Для реализации алгоритма используются: - датчики объемного расхода жидкого кислорода и жидкого водорода; Сигналы с датчиков расхода и температуры компонентов поступают в соответствующие преобразователи, где преобразуются в вид, требуемый для использования в счетно-решающей части системы. В счетно-решающей части реализуется алгоритм вычисления управляющей команды, подаваемой на привод, который перемещает регулирующий орган системы - дроссель. Ввиду значительного влияния работы системы РСК на коэффициент соотношения расходов в алгоритме учитывается информация о режиме работы двигателя (приращение угла поворота вала привода РТ (Db), среднее за цикл РСК).Соотношение массовых расходов может быть выражено через соотношение объемных расходов и соотношение плотностей компонентов следующим образом: где Км - соотношение массовых расходов компонентов, - массовый расход окислителя, - массовый расход горючего, - объемный расход окислителя, - объемный расход горючего, go - плотность окислителя, gг - плотность горючего. Зависимость плотности окислителя (горючего) от его температуры в рабочем диапазоне с достаточно высокой точностью определяется линейным соотношением: где - текущее значение плотности окислителя (горючего) при текущем значении температуры окислителя (горючего), - номинальная плотность окислителя (горючего), - относительный температурный коэффициент плотности окислителя (горючего). С учетом (1.2.2) выражение (1.2.1) запишется в виде: Соотношение (1.2.3) является основным выражением, определяющим принцип регулирования соотношения массовых расходов компонентов топлива через двигатель, реализуемый в системе СУМД. Сигналы датчиков расхода в цифровом виде, преобразованные преобразователями, поступают в вычислительное устройство. Включение регулирования соотношения расходов (выдача управляющих команд на привод дросселя) производится системой СУМД через (2±0,5) с после поступления команды запуска двигателя, выключение - одновременно со снятием этой команды.В канале используются те же преобразованные сигналы датчиков расходов и температур, которые используются в канале регулирования соотношения компонентов. Управляющая команда "Форсирование" или "Дросселирование" выдается устройством отработки УО РСР канала в виде временного интервала, длительность которого пропорциональна величине отклонения суммарного расхода.Комплексные сопротивления сравниваемых плеч изменяются в заданных пределах и попеременно переводят мостовую схему из одного неравновесного состояния в другое неравновесное состояние, переходя каждый раз состояние равновесия моста. Путем подключения параллельно одному из плечевых комплексных сопротивлений мостовой схемы дополнительного комплексного сопротивления эталонной величины задается эталонное значение измеряемого параметра и по отношению к сигналу генератора постоянной частоты производится сдвиг по фазе на 90° сигналов, сформированных в плечах мостовой схемы. Следовательно, параметры, характеризующие сравнение фазы сигнала разности с фазой сигнала постоянной частоты, обеспечивают максимальное быстродействие измерения комплексных сопротивлений мостовой схемы. По отношению к сигналу генератора постоянной частоты сдвиг по фазе на 90° сигналов, сформированных в плечах мостовой схемы, осуществляется на дискретном датчике как на реактивном элементе. 1) содержит генератор 1 постоянной частоты, подключенный к диагонали мостовой 2 схемы между сопротивлениями, которые включены дифференциально (к средней точке обмоток трансформатора с тесной индуктивной связью и между плечами сравниваемых сопротивлений).К недостаткам существующих систем измерения расхода топлива относится недостаточность функциональ
План
Оглавление
Введение
Глава 1. Анализ методов измерения расхода топлива
1.1 Система регулирования соотношения компонентов топлива
1.2 Канал регулирования соотношения компонентов топлива
1.3 Канал регулирования суммарного расхода
1.4 Система управления расходованием топлива
1.5 Анализ недостатков существующих систем измерения расхода топлива
Глава 2. Метод измерения комплексного сопротивления мостовой измерительной схемы датчика расхода топлива
2.1 Метод измерения комплексного сопротивления мостовой измерительной схемы датчика расхода топлива
2.2 Функциональная схема, ее описание
2.3 Разработка схемы электрической принципиальной, ее описание
2.4 Расчет усилителей
2.5 Чувствительный элемент (тахометрический датчик), его расчет
2.6 Выбор среды разработки математической модели ДР. Обоснование выбора
Глава 3. Экспериментальные исследования датчика СИРТ
3.1 Экспериментальные исследования математической модели ДР
Заключение
Список принятых сокращений
Список использованных источников
Введение
Проблема точного измерения уровней компонентов топлива на борту жидкостных ракет впервые выявилась в начале 1950-х годов в связи с созданием С.П. Королевым первой межконтинентальной ракеты Р-7. На этой двухступенчатой составной ракете возникла необходимость синхронизации опорожнения баков с жидкими компонентами топлива. [1]
Важной задачей современной космонавтики является точное измерение количества топлива, расходуемого двигателями транспортного пилотируемого корабля (ТПК). Высокоточное измерение окислителя и горючего, например, в космических кораблях «Союз», имеет огромную значимость. Количество заправляемого топлива определяется перед запуском ТПК исходя из расчетов. Компоненты топлива расходуются двигателями коррекции и ориентации космического корабля при динамических операциях до стыковки с Международной космической станцией (МКС), при штатном спуске, при аварийном спуске в случае возникновения нештатных ситуаций. Расчетные значения количества топлива гарантируют безопасность экипажа корабля при любых обстоятельствах.
В период с 1980 г. по настоящее время в процессе подготовки на КИС, техническом комплексе (ТК) и при летных испытаниях (ЛИ) кораблей было выявлено большое количество несоответствий по СИРТ: всего - 42 (из них 13 при ЛИ), в том числе, 5 несоответствий за последние два года. Основными причинами несоответствий являются: - отказы датчиков расхода магистралей ДПО, выявляемые в ходе испытаний кораблей на КИС, ТК;
- сбои, отказы прибора «ЭФИР», возникающие при наземных испытаниях (НИ).
Проведенные в период с 2007 по 2010 гг. работы, направленные на повышение надежности СИРТ за счет доработки имеющихся датчиков расхода не дали существенных положительных результатов.
Опыт эксплуатации СИРТ показал, что датчики расхода перестают функционировать при проведении испытаний космического корабля на заводе-изготовителе. Причем установлено, что нарушение функционирования ДР вызвано механическими воздействиями на трубопровод, куда вмонтирован ДР. Отказавшие ДР по решению главного конструктора снимаются с контроля с соответствующей корректировкой полетной документации. Это, в свою очередь, приводит к увеличению гарантийного запаса топлива изза снижения точности измерения расхода. В невесомости в процессе ЛИ космического корабля в основном все отказавшие датчики расхода, снятые главным конструктором с контроля, восстанавливают свою работоспособность по причине снятия с трубопроводов механических нагружений. Это привело к необходимости поиска другого более устойчивого к механическим нагружениям метода преобразования сигнала с датчика расхода.
В работе рассматривается метод фазовой модуляции полезного сигнала датчика системы расхода топлива. Принцип действия датчика основывается на измерении изменения комплексного сопротивления мостовой схемы при внесении потерь в магнитный чувствительный элемент металлическим шариком, который вращается в полости магистрали подачи топлива. Датчик расхода топлива, основанный на методе амплитудной модуляции полезного сигнала, создает трудности в точном определении количества топлива, т.к. могут возникать нарушения работы датчика изза воздействия механических нагружений на чувствительный элемент. Устранение указанных недостатков может быть достигнуто за счет разработки метода измерения комплексного сопротивления мостовой схемы датчика расхода топлива, который исключает воздействие механических нагружений на чувствительный элемент и, как следствие, повышает точность измерения расхода топлива. Разрабатывается математическая модель датчика расхода топлива. Проводятся экспериментальные исследования указанной математической модели.
Целью работы является снижение гарантийных запасов топлива путем повышения точности измерения расхода.
Объектом исследования являются системы измерения расхода топлива.
Предметом исследования являются методы измерения комплексного сопротивления мостовой измерительной схемы.
Новизна данного исследования заключается в разработке нового метода измерения комплексного сопротивления мостовой измерительной схемы, основанного на измерении фазы несущей частоты фазомодулированного разностного сигнала. Данный метод позволит осуществлять измерения малых расходов топлива двигательными установками ТПК "Союз" и, в результате, позволит снизить гарантийные запасы топлива путем сверхточного измерения расхода. Это обеспечит выведение большего количества полезного груза на орбиту. Новизна подтверждается отсутствием подобных датчиков, способных осуществлять измерения столь малых расходов топлива (0,004-0,18 л/с), и подачей заявки на предполагаемое изобретение. [2]
Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие основные задачи: 1. Разработать метод измерения комплексного сопротивления мостовой схемы датчика расхода топлива.
2. Разработать математическую модель датчика расхода топлива.
3. Провести расчетные и экспериментальные исследования с целью экспериментального подтверждения разработанных метода и математической модели.
Работа состоит из введения, трех глав с выводами, заключения, списка принятых сокращений и списка литературы.
В первой главе выполнено исследование существующих методов измерения расхода топлива, исследованы проблемы, возникающие при определении точного количества топлива.
Во второй главе разработан метод измерения комплексного сопротивления мостовой измерительной схемы датчика расхода топлива, основанный на измерении фазы несущей частоты полезного сигнала.
В третьей главе представлена математическая модель, в основу обеспечения которой положен разработанный метод.