Способ определения объема нерастворенного газа в жидкостной полости емкости, имеющей подвижный разделитель сред "газ - жидкость"
Владельцы патента RU 2400409:
Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" (RU)
Изобретение относится к обслуживанию изделий космической техники и может применяться при заправках жидкостных систем терморегулирования, а также двигательных установок космических аппаратов. В способе используется эталонная емкость (12), сообщенная трубопроводом (5) с газовой полостью (2) контролируемой емкости (3), имеющей подвижный разделитель (13) сред "газ-жидкость". В процессе измерения объема газовой полости (2) и эталонной емкости (12) дважды измеряют объем газа, прошедшего через газовый счетчик (11), при разных начальных базовых давлениях. В результате этих измерений определяют объем нерастворенного газа по соответствующей формуле. При этом начальные базовые давления в газовой полости (2) и эталонной емкости (12) устанавливают одинаковыми. При первом измерении они составляют не более 1 мм рт.ст., а при втором измерении - две атмосферы. Технический результат изобретения состоит в возможности определения объема нерастворенного газа в жидкостной полости (14) контролируемой емкости без разгерметизации этой полости и подключения ее к средствам заправки. 1 ил.
Изобретение относится преимущественно к космической технике для определения объема нерастворенного газа в баке двигательной установки, заправляемом жидким топливом и имеющем герметичный разделитель сред, а так же в магистрали системы терморегулирования, заправляемой жидким теплоносителем и имеющей двуполостной компенсатор объема.
Известен способ определения объема нерастворенного газа, изложенный в патенте №2300492, МПК: B64D 5/00, G01F 22/00, G01F 23/02, по которому в процессе заправки, после заполнения жидкостной магистрали системы терморегулирования космического аппарата жидким теплоносителем под избыточным давлением, отключают заправочный бак от жидкостной магистрали, изменяют величину давления в заправочном баке и измеряют объем теплоносителя в нем, подключают заправочный бак к жидкостной магистрали и повторно измеряют объем теплоносителя в измеряемом баке, а по величине разности объемов теплоносителя определяют объем нерастворенного газа в заправляемой магистрали.
Известен способ определения объема нерастворенного газа в магистрали системы терморегулирования космического аппарата методом «эталонной емкости», выбранный в качестве прототипа (патент №2308402, МПК: B64G 1/50, G01N 7/00, B64G 5/00), в котором в процессе заправки, до слива компенсационной дозы, локализуют объем заполненный жидким теплоносителем магистрали системы терморегулирования космического аппарата, изолируя ее от средств заправки. Измеряют давление в магистрали, затем в газовой полости компенсатора объема, дважды устанавливают атмосферное давление, а в эталонной емкости - поочередно разные начальные базовые давления. Дважды сообщают указанные полость и емкость между собой и измеряют установившиеся усредненные давления. На основе проведенных измерений определяют объем нерастворенного газа по соответствующей формуле.
После отстыковки средств заправки и герметизации заправочно-дренажных устройств заправленной емкости определить объем нерастворенного газа в жидкостной полости известными способами невозможно без сообщения ее со средствами заправки, что является недостатком известных способов.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка.
Поставленная задача достигается тем, что дважды выполняют измерение объема газовой полости контролируемой емкости и соединенной с ней трубопроводом эталонной емкости с помощью газового счетчика, например ГСБ-400 ТУ 25-04-2261-75, РГ-7000 ТУ 25-7550.0039-89 (производство - Россия), Shinagawa W-NK (производство - Япония). Эталонная емкость введена с целью повышения точности определения объемов, измеряемых газовым счетчиком.
Первое измерение производят напусканием газа через газовый счетчик в предварительно отвакуумированные до остаточного давления не более 1 мм рт.ст. газовую полость контролируемой и эталонной емкостей до создания в них атмосферного давления (1 ата). Нерастворенный газ объемом Vг, находящийся в жидкостной полости контролируемой емкости под атмосферным давлением, первоначально расширяется при вакуумировании газовой полости, подвижный разделитель сред перемещается в сторону уменьшения газовой полости. Затем при напуске газа в газовую полость контролируемой емкости до атмосферного давления нерастворенный газ в жидкостной полости занимает свой прежний объем (Vг) и подвижный разделитель сред возвращается в первоначальное положение, а при напуске газа через газовый счетчик в эталонную емкость известного объема (Vэ) получают объем (V'эи). Объем газа, прошедший через газовый счетчик из газовой полости контролируемой емкости (V1), равен объему газовой полости (Vгп) при атмосферном давлении газа в газовой полости, т.е. V1=Vгп.
Зная известный объем (Vэ) и измеренный газовым счетчиком объем эталонной емкости (V'эи), уточненный объем газовой полости контролируемой емкости (V' 1) равен произведению объема газа при его напуске в отвакуумированную до давления не более 1 мм рт.ст. газовую полость контролируемой емкости (V1) на поправочный коэффициент K1, определяемый отношением известного объема эталонной емкости (Vэ) к измеренному газовым счетчиком объему эталонной емкости (V'эи).
где V/ 1 - уточненный (расчетный) объем газовой полости контролируемой емкости при напускании газа в газовую полость этой емкости от давления 1 мм рт.ст. до атмосферного;
V1 - объем газа при его напуске в отвакуумированную до давления не более 1 мм рт.ст. газовую полость контролируемой емкости;
Vэ - известный объем эталонной емкости;
V/ эи - объем газа, натекающего в эталонную емкость при напускании газа в нее от давления 1 мм рт.ст. до атмосферного.
Второе измерение производят пропусканием газа через газовый счетчик до остаточного давления в газовой полости контролируемой и эталонной емкостях, равного атмосферному (1 ата) из предварительно заправленных газом, до давления, равного двум атмосферным (2 ата), газовой полости контролируемой и эталонной емкостях. При этом измерении нерастворенный газ (Vг) в жидкостной полости, первоначально находящийся под давлением 1 ата, при повышении давления с 1 ата до 2 ата уменьшает свой объем наполовину 
, подвижный разделитель сред перемещается в сторону увеличения объема газовой полости на такую же величину (V''), т.е. на величину половины объема газа, находящегося в газовой полости 
Затем, при сбросе избыточного давления газа из газовой полости контролируемой емкости через газовый счетчик с 2 ата до 1 ата подвижный разделитель сред займет первоначальное положение, а через газовый счетчик пройдет объем газа (V2), состоящий из объема газовой полости контролируемой емкости при атмосферном давлении в ней (Vгп) и двойного объема нерастворенного газа (Vг''), а через газовый счетчик из эталонной емкости пройдет объем газа (V''эи).
Так как Vгп=V1, a Vг=2V'',то формула [2] примет вид:
а отсюда величина объема нерастворенного газа в жидкостной полости контролируемой емкости при его давлении 1 ата вычисляется по формуле:
Зная известный объем (Vэ) и измеренный газовым счетчиком объем эталонной емкости (V''эи), уточненный объем газовой полости контролируемой емкости (V'2) равен произведению объема газа, при его пропускании через газовый счетчик до остаточного давления в эталонной емкости, равного атмосферному (1 ата), из предварительно заправленной газом давлением 2 ата эталонной емкости (V2), на поправочный коэффициент К2, определяемый отношением известного объема эталонной емкости (Vэ) к измеренному газовым счетчиком объему эталонной емкости (V''эи).
где 
- уточненный (расчетный) объем газовой полости контролируемой емкости, при сбросе газа из газовой полости этой емкости от давления, равного двум атмосферным, до давления, равного атмосферному;
V2 - объем газа, прошедший через газовый счетчик, при его сбросе из заправленной газовой полости контролируемой емкости от давления, равного двум атмосферным, до давления, равного атмосферному;
Vэ - известный объем эталонной емкости;
- объем газа, прошедший через газовый счетчик из эталонной емкости при изменении давления в ней от двух атмосферных давлений до одного.
Принципиальная схема измерения объема нерастворенного газа в жидкостной полости контролируемой и эталонной емкостях с использованием газового счетчика приведена на чертеже.
Позиционно эта схема включает в себя:
1 - заправочно-дренажное устройство жидкостной полости 14 контролируемой емкости 3;
2 - газовая полость контролируемой емкости 3;
3 - контролируемая емкость;
4 - регистратор давления;
5 - соединительные трубопроводы;
6, 7, 8 - вентили перекрывные;
9 - вентиль газового клапана 10;
10 - газовый клапан;
11 - газовый счетчик;
12 - эталонная емкость;
13 - подвижный разделитель сред «газ - жидкость» контролируемой емкости 3;
14 - жидкостная полость контролируемой емкости 3.
Практически способ осуществляется в следующей последовательности. Выполняют первое измерение:
- закрывают вентиль 8;
- открывают вентили 6, 7 и вентилем 9 - газовый клапан 10;
- вакуумируют одновременно через соединительные трубопроводы 5 газовую полость 2 контролируемой емкости 3 и эталонную емкость 12 до остаточного давления не более 1 мм рт.ст. (контроль по регистратору давления 4);
- закрывают вентили 6, 7 и вентилем 9 - газовый клапан 10;
- открывают вентиль 8, напускают через газовый счетчик 11 в соединительные магистрали 5 воздух до атмосферного давления (1 ата) и фиксируют показание газового счетчика 11;
- открывают вентиль 7, напускают в эталонную емкость 12 воздух через газовый счетчик 11 до атмосферного давления (1 ата) и фиксируют показание газового счетчика 11;
- по показаниям газового счетчика 11 определяют объем эталонной емкости 12 (
), измеренный газовым счетчиком 11;
- открывают вентилем 9 газовый клапан 10, напускают через газовый счетчик 11 в газовую полость контролируемой емкости 3 воздух до атмосферного давления (1 ата) и фиксируют показания газового счетчика 11;
- по показаниям газового счетчика 11 определяют объем газовой полости 2 (V1) контролируемой емкости 3;
- уточненный (расчетный) объем газовой полости 2 (
) контролируемой емкости 3 определяют как произведение объема (V1), измеренного газовым счетчиком 11, на поправочный коэффициент (К1), определенный отношением известного объема эталонной емкости (Vэ) к измеренному газовым счетчиком 11 объему эталонной емкости 12 (
):
где 
- уточненный (расчетный) объем газовой полости 2 контролируемой емкости 3 при напускании газа в газовую полость 2 контролируемой емкости 3 от давления 1 мм рт.ст. до атмосферного;
V1 - объем газа при его напуске в отвакуумированную до давления не более 1 мм рт.ст. газовую полость 2 контролируемой емкости 3;
Vэ - известный объем эталонной емкости 12;
- объем газа, натекающего в эталонную емкость при напускании газа в нее от давления 1 мм рт.ст. до атмосферного.
Затем выполняют второе измерение:
- закрывают вентиль 8;
- открывают вентили 6, 7 и вентилем 9 - газовый клапан 10;
- устанавливают в соединительных магистралях 5, газовой полости 2 контролируемой емкости 3, эталонной емкости 12 давление, равное двум атмосферным (2 ата), контроль по регистратору давления 4;
- закрываю вентили 6, 7 и вентилем 9 - газовый клапан 10;
- открывают вентиль 8, пропускают воздух через газовый счетчик 11 из соединительных магистралей 5 до атмосферного давления (1 ата) и фиксируют показания газового счетчика 11;
- открывают вентиль 7, сбрасывают воздух из эталонной емкости 12 через газовый счетчик 11 до атмосферного давления (1 ата) и фиксируют показания газового счетчика 11;
- по показанию газового счетчика 11 определяют объем эталонной емкости 12 (
);
- открывают вентилем 9 газовый клапан 10, пропускают через газовый счетчик 11 воздух из газовой полости 2 контролируемой емкости 3 до атмосферного давления (1 ата) и фиксируют показания газового счетчика 11;
- по показаниям газового счетчика 11 определяют объем газа (V2), прошедший через газовый счетчик 11;
- уточненный (расчетный) объем газовой полости 2 (
) контролируемой емкости 3 определяют как произведение объема (V2), измеренного газовым счетчиком 11, на поправочный коэффициент (К2), определяемый отношением известного объема эталонной емкости 12 (Vэ) к измеренному газовым счетчиком 11 объему эталонной емкости 12 (
):
где - уточненный (расчетный) объем газовой полости 2 контролируемой емкости 3, при сбросе газа из газовой полости 2 контролируемой емкости 3 от давления, равного двум атмосферным, до давления, равного атмосферному;
V2 - объем газа, прошедший через газовый счетчик, при его сбросе из заправленной газовой полости 2 контролируемой емкости 3 от давления, равного двум атмосферным, до давления, равного атмосферному;
Vэ - известный объем эталонной емкости 12;
- объем газа, выпущенный из эталонной емкости при изменении давления от двух атмосферных давлений до одного.
Зная уточненные объемы 
и , определяют объем нерастворенного газа (Vг) в жидкостной полости контролируемой емкости 3, приведенный к атмосферному давлению (1 ата), по формуле:
где Vг - объем нерастворенного газа в жидкостной полости 14 контролируемой емкости 3;
V1 - объем газа при его напуске в отвакуумированную до давления не более 1 мм рт.ст. газовую полость 2 контролируемой емкости 3;
V2 - объем газа, прошедший через газовый счетчик 11, при сбросе давления из заправленной газовой полости 2 контролируемой емкости 3 от давления, равного двум атмосферным, до давления, равного атмосферному;
Vэ - известный объем эталонной емкости 12;
- объем газа, натекающего в эталонную емкость 12 при напускании газа в нее от давления 1 мм рт.ст. до атмосферного;
- объем газа, выпущенный из эталонной емкости 12 при изменении
давления от двух атмосферных давлений до одного.
Время измерения объемов в газовом счетчике составляет минуты, температура газа и барометрическое давление не изменяются (или изменяются незначительно), т.е. практически, для инженерных расчетов, можно принять процесс измерения объемов как изотермический и изобарный.
Заключение о допуске к дальнейшим работам (например, к запуску космического аппарата) выдается в случае, если вычисленный по формуле [7] объем нерастворенного газа меньше или равен допустимому, наперед заданному (Vг.д), т.е. при выполнении соотношения:
Использование предлагаемого способа позволяет определить и оценить величину объема нерастворенного газа в жидкостной полости заправленной емкости, имеющей подвижный разделитель сред «газ - жидкость», без разгерметизации жидкостной полости емкости, например, во время регламентных работ при хранении космического аппарата или непосредственно при подготовке его к запуску.
Способ определения объема нерастворенного газа в жидкостной полости емкости, имеющей подвижный разделитель сред «газ - жидкость», включающий операции измерения объема газовой полости и сравнения его с требуемым значением, отличающийся тем, что соединяют газовую полость трубопроводом с эталонной емкостью, а измерение объема газовой полости проводят дважды, при этом перед его измерением вакуумируют газовую полость и эталонную емкость до давления не более 1 мм рт.ст., напускают в них газ до атмосферного давления и замеряют объемы газа, натекающего в газовую полость (V1) и эталонную емкость 
, затем повышают давление в газовой полости и эталонной емкости до величины, равной двум атмосферным давлениям, выпускают газ из эталонной емкости при изменении его давления от двух атмосферных давлений до одного и измеряют объем 
выпущенного газа, после чего выпускают газ из газовой полости при том же изменении его давления и измеряют объем (V2) выпущенного газа, а объем нерастворенного газа в жидкостной полости определяют по формуле
где VЭ - объем эталонной емкости.
