摘要:研究(jiu)了雙柱塞(sai)計量缸的(de)流量計校(xiào)準裝置,通(tong)過系統🏃🏻‍♂️控(kòng)制與計算(suan)實現計量(liang)缸計量流(liu)量與被校(xiào)流量計測(ce)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量流量的(de)✊在線對比(bi),以滿足寬(kuan)量程和精(jīng)度佳的校(xiào)準要求。分(fèn)析了該裝(zhuang)置的結構(gou)特點和設(she)計方法,通(tong)🌈過仿真分(fèn)⛹🏻‍♀️析對其性(xìng)能進行初(chu)步評估。研(yán)究了校準(zhǔn)計❄️量柱塞(sāi)行程和移(yi)動速度對(duì) 渦輪流量(liang)計 儀表系(xi)數的影響(xiǎng),給出了建(jiàn)議的校準(zhǔn)實驗條件(jiàn)。結果表明(míng),采⛱️用該校(xiao)準裝置可(ke)滿足寬量(liàng)程液體流(liú)量計校準(zhun),燃油渦輪(lun)流量計 量(liàng)穩定性在(zài)0.2%内。
1引言
　　燃(ran)油及控制(zhi)系統是以(yǐ)航空發動(dong)機爲代表(biǎo)的動力裝(zhuāng)置的重🥰要(yao)組成之一(yī)。随着FADEC技術(shu)的發展及(jí)新一代發(fa)動機性能(neng)方案的逐(zhu)步明确,對(duì)發動機關(guān)鍵性能參(cān)數的🔞測量(liàng)精度等級(ji)也逐步♊提(ti)高。供油量(liàng)及燃油流(liu)量是發動(dong)機典型控(kòng)制回路的(de)參數,常爲(wèi)發動機控(kòng)制系統中(zhong)的控制量(liang),其⛱️正确檢(jian)測對提高(gao)發動機🛀🏻各(ge)類地面試(shi)驗結果的(de)置信度具(jù)有重要的(de)工🈲程意義(yi)。與其它流(liu)量計相比(bi),渦輪流量(liàng)計測量精(jīng)度高、量程(chéng)範圍寬、重(zhòng)複性和動(dòng)态特性好(hao)。但長💜期使(shi)用後,由于(yu)腐蝕和磨(mo)損等因素(su)的綜合影(yǐng)響,其儀表(biǎo)系數必然(rán)發生變化(hua),使測量結(jie)果出現較(jiào)大誤差。發(fa)動機控制(zhì)系統的各(ge)類地面試(shi)驗長期缺(quē)乏一種正(zhèng)确、簡易的(de)實驗室用(yòng)校準裝置(zhì)對流量計(jì)進行定期(qī)校準,一☁️定(dìng)程度影響(xiang)了試驗結(jié)果的置信(xin)📐度和試驗(yan)技術的發(fā)展。
　　本文以(yǐ)渦輪流量(liàng)計爲對象(xiàng),在自行設(shè)計的校準(zhǔn)實驗裝置(zhì)上,對渦輪(lún)流量計不(bú)同工況下(xia)的特性進(jin)行🌂校準實(shí)驗,研究主(zhǔ)要試驗🌂參(can)數對校準(zhun)結果的影(ying)響。
2渦輪流(liú)量計
　　容積(jī)式流量計(jì)、 差壓式流(liu)量計 與 浮(fú)子流量計(jì) 在流量測(ce)量中應用(yòng)最爲廣泛(fan)。渦輪流量(liang)計是速度(dù)式🈲流量計(ji)的❤️一種,與(yu)容積式流(liu)量計和科(ke)裏奧利質(zhi)量流量計(ji)🚶‍♀️是三類重(zhong)複性和精(jing)度最佳的(de)産品。渦輪(lun)流量計因(yin)其轉🐅動慣(guan)性小、測量(liàng)精度和♋重(zhong)複性較好(hǎo)等優點在(zài)流量測量(liang)中得到應(ying)用。渦輪流(liu)量計可用(yong)于測量氣(qì)體❌與液體(tǐ)的體積流(liu)量，通過質(zhì)量換算,可(ke)以求出質(zhì)量流量。二(er)者結構存(cun)在差異,主(zhu)要是渦輪(lún)轉子葉片(piàn)安裝角度(dù)不同,測量(liang)氣體用渦(wo)輪轉子葉(ye)片安裝角(jiao)度10°~15°,測量液(ye)體用流量(liang)計葉片安(an)裝角度爲(wèi)30°。渦輪流量(liàng)計結構原(yuan)理圖如圖(tu)1所示。

3渦輪流量(liang)計校準裝(zhuang)置設計方(fang)案
　　液壓計(ji)量缸可采(cai)用柱塞式(shì)或活塞式(shi)2種設計方(fāng)案。二者原(yuán)理♌均爲推(tui)油流量值(zhí)等于運動(dòng)部件(柱塞(sai)或者活塞(sai))單位時間(jiān)内排開的(de)液體體積(ji)。假設液體(tǐ)不可壓縮(suo),則排開的(de)液體💘體積(ji)與運動部(bu)件的運動(dòng)體積相等(děng)。運動部件(jian)的體積爲(wèi):
V=A?t
式中:A爲運(yun)動部件截(jie)面積;r爲運(yùn)動速度;t爲(wei)運動時間(jian)。.
　　當柱塞和(he)活塞面積(jī)相等時,推(tuī)油流量值(zhí)僅取決于(yú)其運動速(sù)度🐉。采用相(xiang)同有效作(zuo)用面積的(de)柱塞式和(hé)活塞式計(ji)量缸,運動(dòng)速度相同(tóng)時推油流(liú)量值相等(deng)💞。但柱塞式(shì)計量缸對(dui)于⛷️計量液(ye)壓缸缸簡(jian)内壁加工(gong)質量要求(qiu)低,工藝性(xìng)和經濟性(xìng)💁好。活塞式(shì)計量缸因(yīn)運動活塞(sāi)直🤟接與缸(gāng)簡内壁接(jie)觸,故而需(xu)精加工，同(tong)時需考慮(lü)活♋塞動密(mi)封,否則洩(xiè)漏量會對(duì)實驗結果(guo)産生不可(kě)㊙️忽略的影(ying)響。
　　通過上(shàng)述比較分(fèn)析，本裝置(zhì)确定采用(yong)雙柱塞式(shì)計量缸作(zuo)爲🍓渦輪流(liu)量計校準(zhǔn)的推油計(ji)量标準,大(da)柱🎯塞推油(you)流量範圍(wéi)是50~3000L/h,小柱塞(sāi)單獨運動(dòng)推油流量(liàng)範圍爲2~60L/h,大(dà)小柱塞有(yǒu)重合🔅測量(liàng)範圍,從而(ér)保證了整(zhěng)體🛀🏻測量流(liu)量的連續(xù)性,可滿足(zú)較大量程(chéng)範圍的使(shǐ)用要求。爲(wèi)正确控制(zhi)計量柱塞(sāi)的運動速(sù)度,裝置采(cǎi)用♋伺服電(diàn)機-滾珠絲(si)杠驅動,光(guang)栅尺一讀(dú)數頭實現(xiàn)位移測量(liàng)的速度一(yi)🥵流量模式(shi)，滿足穩态(tai)及動态校(xiào)準需求。校(xiào)準裝置的(de)構成原理(lǐ)如圖2所示(shì)。

　　伺服電機(ji)是本裝置(zhì)的動力元(yuan)件,可以将(jiang)電脈沖信(xin)🏃‍♂️号轉變爲(wei)角位移。由(yóu)上位機通(tōng)過控制器(qi)完成對伺(si)🔱服電🍓機的(de)起停💯及轉(zhuǎn)速控制。正(zheng)常情況下(xià)，可以控制(zhì)🆚脈沖信号(hao)的頻♋率和(he)脈沖數正(zheng)确控制電(diàn)機的轉速(su)與停止的(de)位置。因此(cǐ)可以通過(guo)🏃控制脈沖(chòng)數來控制(zhì)🈲電機的角(jiao)位🙇🏻移量,實(shí)現正🔴确定(dìng)位。本文設(shè)計的校準(zhun)裝置中采(cǎi)用電♍機的(de)編碼器分(fen)辨率爲20bit,即(ji)每轉爲1048576個(gè)脈沖,由此(ci)經傳動👈比(bi)和滾珠絲(si)杠導㊙️程可(kě)計算出其(qi)位置控制(zhi)精度滿足(zú)🐅流量計量(liàng)要求;通過(guò)🈚控制脈沖(chòng)頻率實現(xiàn)對電機轉(zhuan)動速度和(he)加速度的(de)控制,對電(dian)機進行調(diào)速。
　　被檢渦(wo)輪流量計(jì)兩端安裝(zhuang)有調節閥(fa)門,調節管(guǎn)路❤️的通斷(duan),同時便于(yú)更換流量(liang)計,防止油(you)液流出。在(zai)柱塞式計(jì)量🆚缸的運(yùn)動滑塊連(lián)杆上安裝(zhuāng)有光栅尺(chi),用☁️來測量(liang)💃柱塞連📧杆(gǎn)的速度與(yu)位移,并反(fan)饋給上位(wei)機👉。裝置整(zhěng)體由上位(wèi)機🔞控制，設(she)定⭐伺服電(diàn)機轉速與(yu)柱塞連杆(gan)位移值,通(tong)過光栅尺(chǐ)與讀數頭(tou)的配合反(fǎn)饋㊙️運動速(su)度與位移(yí),并可實現(xiàn)渦輪流量(liang)輸出信🐪号(hào)與柱塞缸(gāng)推㊙️油流量(liang)信号的在(zai)線比較,實(shi)現直觀、可(kě)視的♋結果(guǒ)輸出。同時(shi)布置于管(guan)路中的壓(yā)🤟力傳感器(qì)與溫度傳(chuán)感器實時(shí)采集信号(hào),反饋給上(shàng)位機，便于(yu)比♋較分析(xī)不同運動(dòng)🈲速度時的(de)壓降及對(dui)渦輪流量(liang)計✨的影響(xiǎng)。行程開關(guān)起到限位(wèi)保護的功(gong)能，當光栅(shan)尺☂️讀數頭(tóu)運動到極(ji)限位置觸(chù)碰🐪到行程(chéng)開關，使運(yùn)動停止,同(tóng)時在軟件(jiàn)中加人限(xiàn)位保護功(gong)能。
　　上位機(jī)27支持多種(zhǒng)信号采集(jí)且實時性(xìng)強,便于實(shí)現高性能(neng)标準👉化測(cè)試與正确(que)的自動過(guo)程控制。小(xiǎo).慣量伺服(fú)伺服電✏️機(ji)1通🥵過減🔴速(sù)器2驅動滾(gǔn)珠絲杠6,絲(sī)杠6上的滑(huá)塊推動柱(zhù)塞式計量(liang)缸🧑🏽‍🤝‍🧑🏻10的柱塞(sai)連杆運動(dòng),推動計量(liang)缸10内的油(yóu)液流向被(bèi)校🐪流量計(ji)19或20,不考慮(lǜ)缸的洩漏(lòu)和油的壓(yā)縮性,流🍉量(liàng)正比于柱(zhù)塞式計量(liang)缸10的移動(dong)速度即伺(si)服電機1的(de)轉速(和輸(shū)人電機的(de)脈沖頻率(lǜ)成正比)。爲(wèi)獲得不同(tong)行程内計(ji)量缸的平(píng)均速度,用(yong)光栅尺配(pèi)合🍓讀數頭(tou)5來實時測(cè)量✂️柱塞連(lian)杆的位移(yí)。
4校準實驗(yan)
4.1實驗裝置(zhi)
　　基于，上述(shu)設計方案(an)搭建的校(xiào)準裝置實(shi)物如圖3所(suo)示，可見柱(zhù)🚩塞式計量(liàng)缸的大柱(zhu)塞伸出。爲(wei)了保證運(yun)動的直線(xiàn)度以及減(jiǎn)少因⭐直線(xian)度差以增(zeng)加運動阻(zǔ)力,安裝時(shi)滾珠絲杠(gàng)與柱塞缸(gāng)布置需保(bao)證較好的(de)🍉直線度。因(yīn)爲油箱高(gāo)🐪于計量缸(gang),充油主要(yao)通過開關(guan)閥并借助(zhu)油液自重(zhong)完成。

　　通過(guo)上位控制(zhì)機設定計(ji)量缸柱塞(sai)推油行程(chéng)600mm、運動速度(dù)20mm/s,觀察并記(jì)錄推油流(liu)量與運動(dong)位移量。根(gēn)據光栅尺(chi)👈測量值,計(jì)算運動速(su)🔞度,得到柱(zhù)塞位移和(hé)推油🐆流量(liang)曲線見圖(tú)4。

　　圖4表明,校(xiào)準裝置可(kě)達到設定(dìng)位移值,且(qiě)運動平穩(wěn),由🐆光栅尺(chǐ)測得的推(tui)油速度計(ji)算出推油(yóu)流量爲13.11L/min。實(shí)際推油流(liú)量值在13.1L/min小(xiao)範圍内波(bō)動,波動小(xiǎo)于8%0。另外,裝(zhuāng)置在初🚶始(shǐ)運動👨‍❤️‍👨時有(yǒu)約2s延遲,主(zhu)✍️要由于靜(jìng)摩擦和機(ji)械間隙引(yin)㊙️起的運動(dong)滞後。但柱(zhù)塞開始運(yun)動後,推油(you)流量響應(ying)迅速，産生(sheng)階躍後快(kuai)速到達穩(wen)态。實驗表(biao)🈲明，該校準(zhun)裝置可以(yǐ)達到設定(dìng)的位移值(zhí)并輸出平(ping)穩正确的(de)流量值。
4.2渦(wo)輪流計特(te)性
　　流量校(xiao)準裝置的(de)主要技術(shu)指标有流(liu)量範圍、不(bu)确定度🏃🏻‍♂️穩(wen)🚩定㊙️性和溫(wen)度範圍等(děng),其中穩定(ding)性爲基本(ben)性能指标(biao)，是必須滿(mǎn)足的指标(biao)，否則校準(zhǔn)裝置無法(fa)正常使用(yòng)。
　　流量穩定(dìng)性分爲累(lèi)積時間内(nèi)流量穩定(ding)性和累積(jī)時間之間(jian)的👅流量穩(wen)定性。累積(ji)時間内流(liú)量穩定性(xing)檢定☎️,是指(zhi)在一段連(lian)續的時間(jian)内,頻繁連(lian)續的測量(liàng)n個信号♊,按(an)照規定公(gong)式進行計(ji)算;累積時(shí)間之間的(de)👈流量穩定(dìng)性檢定,是(shi)指在連續(xù)的n(n≥10)個周期(qi)中,測量每(mei)一個周期(qī)的🏃‍♀️平均流(liú)量值,據此(cǐ)計算流量(liàng)穩定性。評(ping)🔴估累計時(shi)間👌之間的(de)流量穩定(dìng)性,對檢驗(yàn)流量🆚的長(zhang)期穩定性(xing)及确定❓系(xi)統中穩定(dìng)裝置的有(yǒu)效性意義(yì)重✉️大。其計(ji)算式爲[8]:

　　其(qi)中:t爲置信(xìn)度爲95%時的(de)置信因子(zi),當n=10時,t=2.23;`q爲10次(ci)測量的流(liú)量平均‼️值(zhí)。
　　渦輪流量(liang)計的另一(yi)個重要特(tè)性就是其(qi)儀表系，數(shù),儀表系數(shu)K表🌈示單位(wei)體積流體(ti)通過渦輪(lun)流量計時(shí)傳感🌈器輸(shū)出的👅信号(hào)✍️脈沖數”]。當(dang)流動介質(zhi)處于一定(dìng)的流量🙇🏻範(fan)圍以及粘(zhan)度範圍内(nei)時,渦輪流(liu)量計轉子(zi)穩定運轉(zhuǎn)㊙️輸出的脈(mo)👈沖數值與(yǔ)✂️流經流量(liang)計的流量(liang)值存在如(ru)下關系:

　　式(shì)中:f爲渦輪(lun)流量計輸(shū)出脈沖頻(pín)率;K爲渦輪(lun)流量計的(de)儀表系數(shù);q,爲通過渦(wo)輪流量計(jì)的流量。
　　儀(yí)表系數在(zai)穩定流動(dòng)的情況下(xià)爲-常值,但(dàn)實際流♻️動(dòng)中,渦輪流(liu)量計本身(shēn)的機械摩(mó)擦力矩、流(liú)體粘性阻(zu)力矩等🌍都(dōu)在不斷🔱變(biàn)化🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,考慮到(dào)這些因素(sù),儀表系數(shù)是變化的(de),它🏃🏻的特性(xing)曲線見圖(tú)5[1]。

　　由圖(tu)5可見,在初(chū)始某範圍(wei)内,流量計(ji)無輸出信(xìn)号,此時圖(tu)5中的最小(xiao)流量值爲(wei)渦輪流量(liang)計的始動(dòng)流量。始動(dòng)流量主要(yào)⭐受渦輪轉(zhuǎn)子與支承(chéng)軸承軸間(jiān)機械🔱摩擦(cā)阻❤️力矩的(de)影響,阻力(lì)矩越大則(ze)始動流量(liàng)越大,從而(er)使流量有(yǒu)效測量範(fàn)圍減小。當(dāng)流量超過(guo)始動流量(liang),渦輪流量(liang)計開始輸(shū)出信号,但(dan)此時處于(yu)非線👨‍❤️‍👨性區(qu),并不适合(hé)作穩态測(ce)量。當🌈流量(liàng)繼續增大(da)，進入儀表(biao)的線性測(cè)量範圍時(shí),儀表可用(yòng)來測量穩(wen)态流動🤞。當(dang)流量值繼(jì)續增🈲大,超(chāo)過最大流(liú)量時,出現(xian)氣蝕現象(xiang),此時會對(dui)儀表造成(chéng)損壞,不再(zài)适合測量(liang)。由圖🙇‍♀️5可以(yǐ)看出,在儀(yí)表的線性(xìng)測量範圍(wéi)内,儀表系(xì)數K值是在(zài)一定範圍(wei)内波動的(de)。
　　實驗中流(liu)量計有效(xiao)測量範圍(wei)是1.9~19L/min,依據實(shí)驗檢定規(guī)程,流量檢(jiǎn)定實驗點(diǎn)應包括:qmax、0.7qmax、0.4qmax、0.25qmax、0.15qmax、0.07qmax和(hé)q9min，這7個流量(liang)點,但因爲(wei)實驗重在(zai)對渦輪流(liú)量計特性(xing)的研究,而(ér)不是校準(zhǔn)流量計，因(yīn)此結合校(xiao)準裝置的(de)實際情況(kuang),将流量檢(jian)定點确定(dìng)爲:18.31,13.56,8.14,5.43,3.39,1.36,0.20,L/min。之後根(gen)據實驗數(shu)據,計算渦(wō)🌍輪平均儀(yí)表系數,線(xiàn)性度以及(ji)重複性等(deng)參數。
4.3實驗(yàn)數據及分(fèn)析
　　根據校(xiao)準實驗中(zhong)流量穩定(dìng)性要求，對(dui)最大及最(zuì)小流量兩(liang)種狀态進(jin)行測量,每(mei)種狀态測(cè)量10次,按照(zhao)式(1)處理。表(biǎo)1是通過整(zhěng)理而得到(dao)的實驗數(shù)據。

　　根據式(shi)(1)計算得到(dào):Eqmin=0.03%o,Eqmax=0.2%o,校準裝置(zhi)的流量穩(wen)定性爲0.2%0。本(ben)裝置具有(yǒu)較低的測(ce)量不确定(dìng)度,很大程(cheng)度上是因(yin)爲伺服電(dian)機擁有👉極(ji)高的位置(zhi)控制精度(du)(考慮10:1的減(jiǎn)速比,10mm的滾(gǔn)珠絲杠導(dǎo)程及自身(shēn)傳動誤差(cha),推油活塞(sai)位置精度(dù)理⛷️論上可(kě)達0.01μm),可以正(zhèng)确控制活(huó)塞的行程(chéng),從而保證(zheng)推油量的(de)穩定。
　　根據(jù)流量檢定(dìng)點進行實(shí)驗,得到的(de)渦輪流量(liang)計儀表系(xì)數特性曲(qu)線如圖6所(suo)示。圖6顯示(shi),渦輪流量(liang)計儀表系(xì)數在㊙️流量(liang)計有效量(liàng)程範圍内(nei)基本恒定(dìng)，上下🌈有小(xiǎo)範👉圍波動(dong)☂️,在小于🍓最(zuì)小量🌈程時(shi)誤差較大(dà),不适宜測(cè)量。

　　爲研(yán)究校準實(shí)驗參數對(dui)渦輪流量(liang)計标定儀(yi)表系數的(de)影響規律(lǜ),在相同行(háng)程時研究(jiū)不同柱塞(sai)推油速度(dù)對儀表系(xi)數的🚶影響(xiǎng)。
圖7爲100mm和400mm行(hang)程時不同(tóng)柱塞推油(you)速度時流(liú)量計儀表(biǎo)🎯系數🌈實驗(yàn)曲線。由圖(tú)7可見，在渦(wō)輪流量計(jì)的有效量(liang)程範🐇圍内(nèi),100mm;和400mm行程在(zai)不同速度(dù)時,渦輪流(liú)量計儀表(biǎo)系數基本(ben)穩定保持(chí)在6500L-T附近,存(cún)🤟在小範圍(wéi)波動。

　　具體(ti)分析.上述(shù)2種行程、不(bú)同推油速(su)度的流量(liàng)計特性曲(qu)☂️線圖可以(yǐ)看出,2條曲(qu)線儀表系(xi)數分别爲(wei)6492.699L-1和6492.613L-1,數值接(jiē)近,偏差很(hěn)小。線性度(dù)分别爲0.127%和(hé)0.167%,重複性爲(wèi)0.0903%和0.0871%，這表明(ming)在流量計(ji)有效量程(cheng)範圍内,固(gù)定行程時(shi),運動速度(dù)對儀表系(xi)數K影響很(hěn)小。
　　實驗測(cè)得的渦輪(lún)流量計的(de)平均儀表(biǎo)系數爲6493.247L-1,與(yǔ)出廠😄資料(liào)給定🏒值6495.988L-1,二(èr)者偏差爲(wèi)0.04%，由此驗證(zhèng)了裝置的(de)有效性。相(xiàng)同計量柱(zhù)塞推油行(hang)程和不同(tóng)推油速度(du)的實驗結(jie)📐果表明在(zài)渦輪流量(liang)計有效量(liàng)程範圍内(nei),校🤟準實驗(yàn)中的計量(liàng)缸推油速(su)度對流量(liang)計儀表系(xì)數影響很(hen)小。
5結論
　　開(kāi)展了基于(yú)柱塞式計(jì)量缸的渦(wō)輪流量計(ji)校準裝置(zhi)的設計及(ji)相關實驗(yan),主要完成(chéng)了以下工(gong)作:(1)根據計(jì)量航空動(dong)力裝置燃(rán)滑油流量(liàng)的渦輪流(liu)量計流量(liang)範圍及實(shi)際需求,電(dian)機-減速器(qi)-滾珠絲杠(gàng)-計量缸的(de)流量計校(xiao)準裝置;(2)在(zài)研制的♋校(xiao)準系統上(shàng)開展了探(tàn)究，不同柱(zhu)塞行程和(he)推油速度(dù)對渦輪流(liú)量計儀💘表(biǎo)系數的影(ying)⚽響⁉️，驗證了(le)校準裝置(zhì)的有效性(xìng)。當推油流(liú)量在渦輪(lun)流量計有(yǒu)效量程内(nèi)時🔴,計量缸(gang)柱塞運動(dòng)♻️速度對儀(yí)表系數的(de)影響較小(xiao)。

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