危險氣體監測系統設計及特性

2020-12-08 電子產品世界

1 引 言

長徵三號運載火箭三子級推進劑箱體是具有共底的低溫貯箱，共底將貯箱分成液氧箱和液氫箱兩個獨立部分。共底在結構上既要承受液氫、液氧箱同時工作的載荷，又要承受可能出現的各自獨立工作的載荷。此外，共底還需提供有效的絕熱，使兩箱之間的熱傳導最小。由於氫、氧在一定條件下有爆燃危險，因此共底又是兩個箱體的安全屏障。

共底的絕熱功能主要是通過維持共底腔的真空來實現的。在真空條件下，空氣的熱傳導數值可以忽略。在常溫條件下，共底的真空度可達到133Pa。低溫燃料加注時，在液氫溫度下，共底的真空度可達到1×10-2 Pa。但如果共底出現洩漏，可能造成危險氣體在共底腔內混合而引起爆燃。為了確保火箭的安全，在低溫燃料加注過程中對共底的壓力和氫濃度應進行實時監測。

2 系統設計及結構

2.1 系統結構及原理

危險氣體監測系統的主要功能包括：a) 共底抽空、檢漏和真空性能測試；b) 燃料加注時對共底壓力和氫濃度實時監測和報警。系統結構見圖1。


圖1 危險氣體監測系統結構示意圖
1-β規；2-共底；3-抽空泵；4-前級泵；5-擴散泵；6-閘板閥；7-真空室； 8-質譜計探頭；9-質譜計；
10-計算機；11-壓力控制儀；12-β計；13-高真空閥； 14-電離真空規；15-壓電晶體閥

抽空泵通過20 m管道對共底抽空，在常溫條件下共底真空度可維持133 Pa。共底壓力測量採用β型真空計，用30 m電纜和β規連接，壓力測量範圍0.1 Pa～5 kPa。採用四極質譜計進行氫濃度測量，壓電晶體閥將共底氣體引入真空室，質譜計按氣體分子不同質荷比進行分離，以質譜形式傳給計算機，計算機根據掃描電壓確定氣體成份，根據譜峰強度計算氣體濃度。由於高真空系統為質譜計提供了必要的工作條件，因此真空室極限壓力達到1×10-5Pa，工作壓力維持在1×10-3 Pa，壓力穩定度10%。

2.2 設計和計算

2.2.1主要技術指標

a) 系統抽空泵和共底之間距離約為18 m，抽氣管道長度不小於20 m，從大氣壓條件下開始，抽氣時間累計12 h後，共底壓力小於266 Pa；
b) 共底壓力測量範圍1×10-1Pa～1×103Pa，測量誤差小於15%；
c) 高真空系統真空室的極限壓力為1×10-5Pa，工作壓力可自動控制，維持在1×10-3 Pa，壓力穩定度為10%；
d) 質譜計測量的質量範圍為1.66×10-27kg～8.3×10-26kg，分辨本領按10%谷計算為單位分辨，對氫檢測的濃度靈敏度小於1×10-4，測量誤差小於10%。

2.2.2 系統主要部件設計

共底極限壓力P可按下式計算

P=Q/S

式中Q--共底漏放氣率，Pa·m3/s；
S--對共底的抽速，m3/s。

通常，共底漏放氣率是由低溫貯箱的設計和製造工藝決定的，抽空泵對共底的抽速受抽空管道流導的限制。管道長度由火箭的抽空距離所決定，因此在設計中只能利用改變管道直徑方法來改變流導。在分子流狀態下長管道流導可根據文獻［1］ 的公式計算。長度為20 m、直徑1 cm管道的流導約為6×10-6m3/s。如果設定共底的漏放氣率為1×10-3Pa·m3/s，可以計算出共底的極限壓力為166 Pa。

質譜計選用QMS064小型四極質譜計，儀器的質量範圍1.66×10-27kg～1.06×10-25kg。採用法拉第筒為離子收集極，儀器的檢測濃度靈敏度為10-5。採用計算機控制和數據處理，儀器可對共底中幾種氣體的濃度進行同時檢測，各種氣體濃度的變化趨勢可動態地顯示出來。從而實現對全過程的實時監測。

高真空系統的設計應考慮系統的極限真空的獲得、進樣和工作壓力的穩定和減小系統對質譜計的汙染。為了獲得對氫氣高的有效抽速，採用擴散泵作為主抽泵，泵的抽速大於0.1 m3/s，極限壓力小於1×10-6Pa。液氮冷阱可以提高系統的真空度和減小油的汙染。在真空室和質譜計探頭之間安裝高真空閥，合理選擇操作規程可以有效地防止油對質譜計探頭的汙染。

氣體進樣是利用自動壓力控制迴路進行的。自動壓力控制儀、電離真空規和壓電晶體閥構成閉合的壓力控制迴路。電離真空規為壓力傳感元件，真空室壓力變化可使規產生變化的離子流信號，壓力控制儀將變化離子流信號和設定值比較並給出信號控制壓電晶體閥，改變閥的流導，從而實現氣體進樣量的控制。

共底的壓力測量首先考慮測量的安全性，為在原位置測量，壓力規和共底箱直接連接。在氫、氧危險氣體混合的條件下，壓力規不能有任何熱源而引起混合氣體爆燃。本設計選用β型放射電離規作為壓力規，微量的放射氚源發射電子將氣體電離產生1×10-10A弱離子流信號，確保了測量的安全。信號通過30　m電纜傳輸給測量儀器，測量儀器進行信號放大和數據處理，壓力值及變化趨勢可同時顯示，實現對共底壓力的實時監測。

3 試驗及性能測試

3.1 試驗系統


1-4＃閥；2-機械泵；3-3＃閥；4-2＃閥；5-1＃閥；6-β規；7-HLP-03規

監測系統性能試驗和一些指標測試是在模擬共底的輔助系統上進行的，有些特殊指標是在火箭上實測的。輔助系統的結構如圖2所示。共底模擬室為低真空室，體積為V，機械泵抽氣可使模擬室真空度達到0.1 Pa，氫氣和氧氣分別裝在樣品瓶內，通過1#閥和2#閥向模擬室引入氣體，壓力可用副標準規(HLP-3規)測量，混合氣體濃度可根據測量的分壓力之比計算。β規和HLP-3規置於模擬室相同位置。模擬室混合氣體通過3#閥和監測系統相連。

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