摘要:研(yan)究了雙柱(zhu)塞計量缸(gang)的流量計(ji)校準裝置(zhi),通⭐過系統(tong)控制與計(ji)算實現計(ji)量缸計量(liang)流量與被(bei)校流量計(ji)測量流量(liang)的在線對(dui)比,以滿足(zu)寬量程和(he)精度佳的(de)校準要求(qiu)。分析了該(gai)裝置的結(jie)構特點和(he)設計方法(fa),通過仿真(zhen)分✍️析對其(qi)性能進行(hang)初步評估(gu)。研❤️究了校(xiao)準計量柱(zhu)塞行程❓和(he)移動速度(du)對 渦輪流(liu)量計 儀表(biao)系數的影(ying)響,給出了(le)建議的校(xiao)準實驗條(tiao)件。結果表(biao)明,采用⭐該(gai)校準裝置(zhi)可滿足寬(kuan)量程液體(ti)流量計校(xiao)準,燃油渦(wo)輪流量計(ji) 量穩定性(xing)在0.2%内。
1引言(yan)
　　燃油及控(kong)制系統是(shi)以航空發(fa)動機爲代(dai)表的動力(li)🈲裝置的重(zhong)要組成之(zhi)一。随着FADEC技(ji)術的發展(zhan)及新一代(dai)發動機性(xing)能方案的(de)逐步明确(que),對發動機(ji)關鍵性能(neng)參數的測(ce)量精🔆度等(deng)級也逐步(bu)👅提高。供🌈油(you)量及燃油(you)流量是發(fa)動機典型(xing)控制回路(lu)的參數,常(chang)爲發動機(ji)💁控制系統(tong)中的控制(zhi)量,其正确(que)檢測對提(ti)高發動機(ji)🙇‍♀️各類地面(mian)試驗結果(guo)的置信度(du)具有重要(yao)的工程意(yi)義。與其它(ta)流量計相(xiang)比,渦輪流(liu)量計測量(liang)精度高、量(liang)程範圍寬(kuan)、重複性和(he)動态特性(xing)好。但長🎯期(qi)使用後,由(you)于腐蝕和(he)磨損等因(yin)素的綜合(he)影響,其儀(yi)表系㊙️數必(bi)⛹🏻‍♀️然發生變(bian)化,使測量(liang)結果出現(xian)較大誤差(cha)。發動機控(kong)制系統的(de)各類地面(mian)試驗長🥵期(qi)缺乏一種(zhong)正确、簡易(yi)的實驗室(shi)用校準裝(zhuang)置對流量(liang)計進行定(ding)期校準,一(yi)定程度影(ying)響了試驗(yan)結果的置(zhi)信🔞度和試(shi)驗技術的(de)發展。
　　本文(wen)以渦輪流(liu)量計爲對(dui)象,在自行(hang)設計的校(xiao)準實驗裝(zhuang)置上,對渦(wo)輪流量計(ji)不同工況(kuang)下的特性(xing)進行校準(zhun)實驗,研究(jiu)主要試驗(yan)參數對校(xiao)準結果的(de)影響。
2渦輪(lun)流量計
　　容(rong)積式流量(liang)計、 差壓式(shi)流量計 與(yu) 浮子流量(liang)計 在流量(liang)測量中應(ying)用最爲廣(guang)泛。渦輪流(liu)量計是速(su)度式流量(liang)計的🐆一種(zhong),與容積式(shi)流量計和(he)科裏奧利(li)質量流量(liang)計是三👉類(lei)重複性和(he)精度最佳(jia)的産品。渦(wo)輪流量計(ji)因其轉動(dong)慣性小、測(ce)量精度和(he)🍉重複性較(jiao)好等優點(dian)在流量測(ce)量中得到(dao)應🥵用。渦輪(lun)流🔴量計可(ke)用于測量(liang)氣體與液(ye)體的體積(ji)流量，通過(guo)質量換算(suan),可以求出(chu)質量流💔量(liang)。二者結構(gou)存在差異(yi),主要是渦(wo)輪轉子葉(ye)片安裝角(jiao)度不同,測(ce)量氣體🥵用(yong)渦輪轉子(zi)葉片安裝(zhuang)角度10°~15°,測量(liang)液體用流(liu)量計葉片(pian)😘安裝角度(du)爲30°。渦輪流(liu)量計結構(gou)原理圖如(ru)圖1所示。

3渦輪流(liu)量計校準(zhun)裝置設計(ji)方案
　　液壓(ya)計量缸可(ke)采用柱塞(sai)式或活塞(sai)式2種設計(ji)方案。二者(zhe)原理♊均爲(wei)推油流量(liang)值等于運(yun)動部件(柱(zhu)塞或者活(huo)塞)單㊙️位時(shi)間内排開(kai)的液體體(ti)積。假設液(ye)體不可壓(ya)縮,則排開(kai)的液體體(ti)積與運動(dong)部👄件的運(yun)動體積相(xiang)等。運⛱️動部(bu)件的體積(ji)爲:
V=A?t
式中:A爲(wei)運動部件(jian)截面積;r爲(wei)運動速度(du);t爲運動時(shi)間🙇🏻。.
　　當柱塞(sai)和活塞面(mian)積相等時(shi),推油流量(liang)值僅取決(jue)于其運動(dong)速㊙️度。采用(yong)相同有效(xiao)作用面積(ji)的柱塞式(shi)和✊活塞式(shi)計量缸♈,運(yun)動🌐速度🐆相(xiang)同時推油(you)流量值相(xiang)等。但柱塞(sai)🌈式計量缸(gang)對于計量(liang)液壓缸缸(gang)簡内壁加(jia)工質量要(yao)求低,工藝(yi)性和經濟(ji)性好。活塞(sai)式計量缸(gang)因🛀運動活(huo)塞直接與(yu)缸簡内壁(bi)接觸,故而(er)✉️需精加工(gong)，同🔅時需考(kao)慮活🌏塞動(dong)密封,否則(ze)洩漏量會(hui)對實驗結(jie)果産生不(bu)可忽略的(de)💰影響。
　　通過(guo)上述比較(jiao)分析，本裝(zhuang)置确定采(cai)用雙柱塞(sai)式計量缸(gang)作爲渦輪(lun)流量計校(xiao)準的推油(you)計量标準(zhun),大柱塞推(tui)油流量範(fan)圍是50~3000L/h,小柱(zhu)塞單獨運(yun)動推油流(liu)量範圍爲(wei)2~60L/h,大小柱塞(sai)有重合測(ce)量範圍,從(cong)而🤟保證了(le)整體測量(liang)流量的連(lian)續性,可滿(man)足較大量(liang)程範圍的(de)使用🚶要求(qiu)。爲正确控(kong)制計量柱(zhu)塞的運動(dong)速度,裝置(zhi)采用伺服(fu)電機-滾🐪珠(zhu)絲杠驅動(dong),光栅尺一(yi)讀數頭實(shi)現位移測(ce)量的速度(du)一流量模(mo)式，滿足穩(wen)态及動态(tai)校準需求(qiu)。校準裝置(zhi)的構成原(yuan)理如圖2所(suo)示。

　　伺服電(dian)機是本裝(zhuang)置的動力(li)元件,可以(yi)将電脈沖(chong)信号轉變(bian)爲角位移(yi)。由上位機(ji)通過控制(zhi)器完成對(dui)伺🔞服電機(ji)的起停及(ji)轉速控制(zhi)。正常情況(kuang)下，可以控(kong)制脈沖信(xin)号的頻率(lü)和脈沖數(shu)正🧡确控制(zhi)㊙️電機的轉(zhuan)速與停止(zhi)的位置。因(yin)此💯可以通(tong)過✍️控制脈(mo)沖數來控(kong)制👌電機的(de)角位🔴移量(liang),實現正确(que)定位。本文(wen)💜設計的校(xiao)準裝置中(zhong)采用電機(ji)的編碼器(qi)分辨率爲(wei)20bit,即每轉爲(wei)1048576個脈沖,由(you)此🍓經傳動(dong)比和滾珠(zhu)絲杠導程(cheng)可計算出(chu)其位置控(kong)制精度滿(man)足流量計(ji)量要求;通(tong)過控制脈(mo)沖頻率實(shi)現對電機(ji)轉動速度(du)和加速度(du)的控制,對(dui)電機進行(hang)調速。
　　被檢(jian)渦輪流量(liang)計兩端安(an)裝有調節(jie)閥門,調節(jie)管路🏃‍♀️的🔴通(tong)斷,同時便(bian)于更換流(liu)量計,防止(zhi)油液流出(chu)。在柱塞式(shi)計量♍缸的(de)運動滑塊(kuai)🈲連杆上安(an)裝有光栅(shan)尺,用來測(ce)量柱塞連(lian)🧡杆的速⭕度(du)與位移,并(bing)反饋給上(shang)位機📱。裝置(zhi)整體由上(shang)位機👅控制(zhi)，設定伺服(fu)電機轉速(su)與柱🔱塞連(lian)杆位移值(zhi),通過光栅(shan)🏃尺與讀數(shu)頭的配合(he)反饋運動(dong)速度與👣位(wei)移,并可實(shi)現渦輪流(liu)量輸出信(xin)号與柱塞(sai)缸推油流(liu)量信号的(de)在線比較(jiao),實現直觀(guan)、可視的結(jie)果輸出。同(tong)時布置于(yu)管路中的(de)壓力🌍傳感(gan)器與♊溫度(du)傳感💰器實(shi)時采集💃🏻信(xin)号,反饋給(gei)上位機，便(bian)于比較分(fen)析不同運(yun)動速度時(shi)的壓降及(ji)對渦輪流(liu)量計的影(ying)響。行程開(kai)關起到限(xian)位保護的(de)功能，當光(guang)栅尺✏️讀數(shu)頭運動到(dao)極限位置(zhi)觸碰到🤟行(hang)程開關，使(shi)運動🌈停止(zhi),同時在軟(ruan)件中加人(ren)限位保護(hu)功能🔞。
　　上位(wei)機27支持多(duo)種信号采(cai)集且實時(shi)性強,便于(yu)實現高性(xing)能标準化(hua)測試與正(zheng)确的自動(dong)過程控制(zhi)。小.慣量伺(si)服伺服電(dian)✨機1通過減(jian)速器2驅動(dong)滾珠絲杠(gang)6,絲杠♊6上的(de)滑塊推動(dong)柱塞式‼️計(ji)量缸10的柱(zhu)塞連杆運(yun)動,推動計(ji)量缸10内的(de)油液流向(xiang)被校✌️流量(liang)計19或🐅20,不考(kao)慮缸❌的洩(xie)漏和油的(de)壓縮性,流(liu)量正比于(yu)柱塞式計(ji)量缸10的移(yi)動速度即(ji)伺服電機(ji)1的轉速(和(he)輸人電機(ji)㊙️的脈沖頻(pin)率成正比(bi))。爲獲得不(bu)同行程内(nei)計量缸的(de)平均速💰度(du),用光栅尺(chi)配合讀數(shu)頭5來實時(shi)測量柱塞(sai)連杆♌的位(wei)移。
4校準實(shi)驗
4.1實驗裝(zhuang)置
　　基于，上(shang)述設計方(fang)案搭建的(de)校準裝置(zhi)實物如圖(tu)3所示，可見(jian)柱塞✔️式計(ji)量缸的大(da)柱塞伸出(chu)。爲了保證(zheng)運動的直(zhi)線度以及(ji)減少因🧑🏾‍🤝‍🧑🏼直(zhi)線度差以(yi)增加運動(dong)阻力,安裝(zhuang)時滾珠絲(si)杠與柱塞(sai)缸☀️布置需(xu)保證較好(hao)的🍉直線度(du)。因爲油箱(xiang)高🧡于計量(liang)缸,充油主(zhu)要通過開(kai)關👈閥并借(jie)助油液自(zi)重完成。

　　通(tong)過上位控(kong)制機設定(ding)計量缸柱(zhu)塞推油行(hang)程600mm、運動速(su)度20mm/s,觀察并(bing)記錄推油(you)流量與運(yun)動位移量(liang)。根據光栅(shan)尺測量值(zhi),計算運動(dong)速度,得到(dao)柱塞位移(yi)和推油流(liu)量曲線見(jian)圖4。

　　圖4表明(ming),校準裝置(zhi)可達到設(she)定位移值(zhi),且運動平(ping)穩🌂,由光栅(shan)尺🔞測得的(de)推油速度(du)計算出推(tui)油流量爲(wei)13.11L/min。實際推👨‍❤️‍👨油(you)流⛹🏻‍♀️量值💞在(zai)13.1L/min小範圍内(nei)波動,波動(dong)小于8%0。另外(wai),裝置在初(chu)始運動時(shi)有約2s延遲(chi),主要由于(yu)靜摩擦和(he)機械間隙(xi)引🈲起的運(yun)動滞後。但(dan)柱塞開始(shi)運動後,推(tui)油♻️流量響(xiang)應迅速，産(chan)生階躍後(hou)快速到達(da)💞穩态。實驗(yan)表明，該校(xiao)準裝💔置可(ke)以達到設(she)定的位移(yi)值并輸出(chu)平穩正确(que)的流量值(zhi)。
4.2渦輪流計(ji)特性
　　流量(liang)校準裝置(zhi)的主要技(ji)術指标有(you)流量範圍(wei)、不确定🈲度(du)穩定性和(he)溫度範圍(wei)等,其中穩(wen)定性爲基(ji)本性能指(zhi)标，是必須(xu)滿足的指(zhi)标，否則校(xiao)準裝置無(wu)法正常使(shi)用👣。
　　流量穩(wen)定性分爲(wei)累積時間(jian)内流量穩(wen)定性和累(lei)積時間之(zhi)🥰間的流量(liang)穩定性。累(lei)積時間内(nei)流量穩定(ding)性🎯檢定,是(shi)指在一段(duan)連續的時(shi)間内,頻繁(fan)連續的測(ce)量n個信号(hao),按照規🔞定(ding)公式進行(hang)計算;累積(ji)時間之間(jian)的❄️流量穩(wen)定性檢定(ding),是指在連(lian)續的n(n≥10)個周(zhou)期中,測量(liang)每一個周(zhou)期的平均(jun)流量值,據(ju)此計算流(liu)量穩定性(xing)。評估累計(ji)時間❌之間(jian)的流量穩(wen)定性,對檢(jian)驗流量的(de)長期穩定(ding)性及确定(ding)💛系統中穩(wen)定裝置的(de)有效性意(yi)義🤟重🚶‍♀️大。其(qi)計算式爲(wei)[8]:

　　其中:t爲置(zhi)信度爲95%時(shi)的置信因(yin)子,當n=10時,t=2.23;`q爲(wei)10次測量的(de)流✌️量🌈平均(jun)值。
　　渦輪流(liu)量計的另(ling)一個重要(yao)特性就是(shi)其儀表系(xi)，數,儀表系(xi)數K表示單(dan)位體積流(liu)體通過渦(wo)輪流量計(ji)時傳感器(qi)輸出的信(xin)号🚶脈沖數(shu)”]。當流動介(jie)質處于一(yi)定的流量(liang)🚶‍♀️範圍以及(ji)粘度😄範圍(wei)内📞時,渦輪(lun)流量計轉(zhuan)子🏃‍♂️穩定運(yun)轉⭐輸出的(de)脈👣沖數值(zhi)與流經流(liu)量計的流(liu)量🚶‍♀️值存在(zai)如下♻️關系(xi):

　　式中:f爲渦(wo)輪流量計(ji)輸出脈沖(chong)頻率;K爲渦(wo)輪流量計(ji)的儀🌈表系(xi)數🌏;q,爲通過(guo)渦輪流量(liang)計的流量(liang)。
　　儀表系數(shu)在穩定流(liu)動的情況(kuang)下爲-常值(zhi),但實際流(liu)⚽動中,渦輪(lun)流量計本(ben)身的機械(xie)摩擦力矩(ju)、流體粘性(xing)阻力💔矩等(deng)都在不斷(duan)變化,考慮(lü)到這些因(yin)素,儀表系(xi)數是變化(hua)的,它的特(te)性💰曲線見(jian)圖5[1]。

　　由(you)圖5可見,在(zai)初始某範(fan)圍内,流量(liang)計無輸出(chu)信号,此時(shi)圖5中的🔆最(zui)小流量值(zhi)爲渦輪流(liu)量計的始(shi)動流量。始(shi)動流量❄️主(zhu)要受渦🚩輪(lun)轉✉️子與支(zhi)承軸承軸(zhou)間機械摩(mo)擦阻力矩(ju)的影響,阻(zu)力矩越大(da)則始📞動流(liu)量越大,從(cong)而使流量(liang)有效測量(liang)範圍減小(xiao)。當流量超(chao)過始動流(liu)量,渦輪流(liu)量計開始(shi)輸出信号(hao),但此♻️時處(chu)于非線❄️性(xing)區,并不适(shi)合作穩态(tai)測量。當流(liu)量繼續增(zeng)大🌏，進入儀(yi)表的線性(xing)測量範圍(wei)時,儀表可(ke)用來測量(liang)穩态流動(dong)。當流量值(zhi)繼續增大(da),超過最大(da)流量時,出(chu)現氣蝕現(xian)象,此時會(hui)對儀表造(zao)成損壞,不(bu)再适合測(ce)量。由圖5可(ke)以看出,在(zai)儀表的線(xian)性測量範(fan)圍内,儀表(biao)系數K值💞是(shi)在一定範(fan)圍内波動(dong)的。
　　實驗中(zhong)流量計有(you)效測量範(fan)圍是1.9~19L/min,依據(ju)實驗檢定(ding)規☂️程,流量(liang)㊙️檢定💞實驗(yan)點應包括(kuo):qmax、0.7qmax、0.4qmax、0.25qmax、0.15qmax、0.07qmax和q9min，這7個流(liu)量點,但因(yin)爲實驗重(zhong)在對渦輪(lun)流量計特(te)性的研究(jiu),而不是校(xiao)準流量計(ji)🙇🏻，因此結合(he)校準🐕裝置(zhi)的實際情(qing)況,将流量(liang)檢定點确(que)定爲:18.31,13.56,8.14,5.43,3.39,1.36,0.20,L/min。之後(hou)根據實驗(yan)數據,計算(suan)渦輪平均(jun)儀表系數(shu),線性度以(yi)及重複🐅性(xing)等參數。
4.3實(shi)驗數據及(ji)分析
　　根據(ju)校準實驗(yan)中流量穩(wen)定性要求(qiu)，對最大及(ji)最小流🔴量(liang)兩🥰種狀态(tai)進行測量(liang),每種狀态(tai)測量10次,按(an)照式(1)處理(li)。表1是通過(guo)整理🐆而得(de)到的實驗(yan)數據。

　　根據(ju)式(1)計算得(de)到:Eqmin=0.03%o,Eqmax=0.2%o,校準裝(zhuang)置的流量(liang)穩定性爲(wei)0.2%0。本裝置具(ju)有較低的(de)測量不确(que)定度,很大(da)程度上是(shi)因爲🈲伺服(fu)電機💚擁有(you)😄極高的位(wei)👨‍❤️‍👨置控制精(jing)度(考慮10:1的(de)減速比,10mm的(de)滾🔞珠絲杠(gang)導程及自(zi)身傳🏃‍♀️動誤(wu)差,推油活(huo)塞位置精(jing)度理論上(shang)可達✔️0.01μm),可以(yi)正确🔞控制(zhi)活塞的行(hang)程,從而保(bao)證推油量(liang)的穩定。
　　根(gen)據流量檢(jian)定點進行(hang)實驗,得到(dao)的渦輪流(liu)量計儀表(biao)系數👅特性(xing)曲線如圖(tu)6所示。圖6顯(xian)示,渦輪流(liu)量計儀表(biao)系🧑🏾‍🤝‍🧑🏼數在👉流(liu)量計有效(xiao)量♈程範圍(wei)内基本恒(heng)定，上下有(you)小範圍波(bo)動,在小于(yu)最小量程(cheng)時誤☁️差較(jiao)大,不适宜(yi)測量。

　　爲(wei)研究校準(zhun)實驗參數(shu)對渦輪流(liu)量計标定(ding)儀表系數(shu)的影響規(gui)律,在相同(tong)行程時研(yan)究不同柱(zhu)塞推油速(su)度對儀表(biao)系數的影(ying)響。
圖7爲100mm和(he)400mm行程時不(bu)同柱塞推(tui)油速度時(shi)流量計儀(yi)表系數❤️實(shi)驗⭐曲🌐線。由(you)圖7可見，在(zai)渦輪流量(liang)計的有效(xiao)量程範圍(wei)内,100mm;和400mm行程(cheng)在不同☔速(su)度時,渦輪(lun)流量計儀(yi)表系數基(ji)本穩定保(bao)持在6500L-T附近(jin),存🚩在小範(fan)圍波動。

　　具(ju)體分析.上(shang)述2種行程(cheng)、不同推油(you)速度的流(liu)量計特性(xing)曲線圖可(ke)🏃‍♂️以看出,2條(tiao)曲線儀表(biao)系數分别(bie)爲6492.699L-1和6492.613L-1,數值(zhi)接近,偏差(cha)很💋小。線性(xing)度分别爲(wei)0.127%和0.167%,重複性(xing)爲0.0903%和0.0871%，這🧑🏾‍🤝‍🧑🏼表(biao)明在🚩流量(liang)計有效量(liang)程範圍内(nei),固定行程(cheng)時,運動速(su)度對儀表(biao)系數K影✍️響(xiang)很小。
　　實驗(yan)測得的渦(wo)輪流量計(ji)的平均儀(yi)表系數爲(wei)6493.247L-1,與出👈廠資(zi)料給定值(zhi)6495.988L-1,二者偏差(cha)爲0.04%，由此驗(yan)證了裝置(zhi)的有效性(xing)。相同計量(liang)柱塞推油(you)行程和不(bu)同推油速(su)度的實驗(yan)結果表明(ming)在渦輪流(liu)量計有效(xiao)量程範圍(wei)内,校準實(shi)驗中的計(ji)量缸💞推油(you)速度對流(liu)量計儀表(biao)系數影響(xiang)很小。
5結論(lun)
　　開展了基(ji)于柱塞式(shi)計量缸的(de)渦輪流量(liang)計校準裝(zhuang)置的🔴設計(ji)及相關實(shi)驗,主要完(wan)成了以下(xia)工作:(1)根據(ju)計量航空(kong)動力🐉裝置(zhi)燃滑油流(liu)量的渦輪(lun)流量計流(liu)量範圍及(ji)實際需求(qiu),電機-減速(su)器-滾珠♋絲(si)杠-計量缸(gang)的流量計(ji)校準裝置(zhi);(2)在研制的(de)校準系統(tong)上開展了(le)探究，不同(tong)柱塞行程(cheng)和推油速(su)度對渦輪(lun)流量計儀(yi)㊙️表系數的(de)影響📧，驗證(zheng)了校準裝(zhuang)置的有效(xiao)性。當推油(you)💔流量在渦(wo)㊙️輪流量計(ji)有效量程(cheng)内時,計量(liang)缸柱塞運(yun)動速度對(dui)儀表系數(shu)的影響較(jiao)小。

以上内(nei)容源于網(wang)絡，如有侵(qin)權聯系即(ji)删除!