● 摘要
目前，世界各国发射的卫星多采用液体推进剂，而推进剂中出现两相流会影响推进剂流量测量的准确性。推进剂中的气泡检测技术和推进剂流量测量技术对于提高卫星安全性、延长卫星寿命、提高卫星经济效益等方面具有重要的意义。超声波测量方法具有非接触的特点，而且结构简单、测量精准，作为一种主流的检测方法，在气泡检测和流量测量有着广泛的应用。但是在航天工程中，除了欧洲、美国等大国的一些前沿性研究中有所涉猎以外，在我国还处于起步阶段。
本文在航天五院北京控制工程研究所的资助下，开展了超声波两相流测量系统关键技术的研究，围绕着两相流中的气泡检测、推进剂在单相流、两相流状态下的流量测量等关键技术，展开了深入的研究。
本文主要的研究内容如下：
1．推进剂管道中气泡的检测方法研究
本文分别从超声波探头、探测信号类型、超声波传播路径、两相流流型等方面，详细分析了影响气泡检测精度的因素。对于垂直管道中的泡状两相流，当流速较高时，会导致气泡在管道中运动轨迹比较复杂，而超声波声场在管道中的不均匀分布，会使得对气泡大小的检测产生误差。本文专门设计了一种螺旋两相流的产生装置，将管道内的垂直向上流动的两相流转变为螺旋流。螺旋流能够限制气泡的运动，使得气泡始终沿着管道轴线上升，这样就提高了对气泡直径的检测精度。
2．两相流流速测量方法研究
本文采用超声波时域相关法测量两相流的流速，解决了时差法超声波流量计无法用于两相流的缺点。文中分析了时域相关法的测量流速的理论模型、影响时域相关法测量精度的因素，并指出了时域相关法测量两相流流量的优点和不足。针对本文所测量的两相流的特点，对时域相关法进行了改进：采用连续波激励超声波探头，提高了相关时间的测量精度；为了克服时域相关法运算量大的缺点，对原始信号进行了二次采样，在不丢失流体域声学特征的前提下，大大减小了计算量。
3．气泡检测和两相流测量实验研究
本文进行了单个气泡检测实验、气泡半径标定实验和气泡体积测量实验，通过实验来评估气泡检测系统的性能。
单个气泡检测实验结果表明，气泡检测系统能够对管道中有无气泡进行判断。对气泡半径的检测精度能够达到0.1mm，最大能够检测到以5m/s速度运动的气泡。气泡半径标定实验给出气泡半径和探头接收信号电压衰减值之间的关系曲线。利用这一曲线，根据测得的电压衰减值，就可以估算出气泡的大小并计算气泡的总体积。在气泡体积测量实验中，对多个气泡总体积的测量误差小于10%。
在两相流流量测量实验中，通过设置不同实验条件，对不同流速、不同气体体积分数、管道垂直、水平放置时的两相流流速进行了测量。实验结果证明，在课题要求的流速（1m/s）和气体体积分数(1%)条件下，采用超声波时域相关法测出的两相流流速值与真实的液体流速值非常接近，误差小于10%。
4．超声波流量计工程样机的研制
本文研制出了用于单相流流量测量的小管径超声波流量计的工程样机。利用高性能的FPGA芯片实现了时序控制、数字信号滤波运算和流量计算功能。针对小管径超声波流量计中存在噪声的特点，从保证测量系统实时性的角度出发，提出了一种直接对测量出的传播时间差数据进行两级滤波去噪的方法。通过流量测量实验，验证了这种去噪方法的有效性。对流量计进行了标定，使得流量计的瞬时误差小于0.6%。同时进行了高低温实验，获得了流量计在不同温度范围内的零点漂移，并给出了零点修正值。