摘要:研究(jiū)了雙柱塞計量缸(gang)的流量計校準裝(zhuāng)置,通🏃過系統控制(zhi)❗與計算實現計量(liàng)缸計量流量與被(bei)校♌流量計測🥵量流(liú)量的在線對比,以(yi)滿足寬量程和精(jīng)度佳的校準要求(qiu)。分析了該裝置的(de)結構特點和設計(ji)方法,通過仿真分(fen)析對其性❌能進行(hang)初步評估。研究了(le)校準計🙇‍♀️量柱塞行(hang)程和移動速度對(dui) 渦輪流量計 儀表(biǎo)系數的影響,給出(chū)了建議的校準實(shi)驗條件。結果🛀表明(míng),采用該校準裝置(zhì)可滿足寬量程液(ye)體流量計校準,燃(rán)油渦輪流量計 量(liàng)穩定性在0.2%内。
1引言(yan)
　　燃油及控制系統(tong)是以航空發動機(ji)爲代表的動力㊙️裝(zhuang)置👅的🈲重‼️要組成之(zhī)一。随着FADEC技術的發(fa)展及新一代發動(dòng)機性能方案的逐(zhu)步明确,對發動機(jī)關鍵性能參數的(de)測量精🧑🏽‍🤝‍🧑🏻度等級🏃‍♀️也(ye)逐步提高。供㊙️油量(liàng)及燃油流量是發(fa)動機典型控制回(hui)路的參數,常爲發(fa)動機控制系統中(zhong)的控制量,其正确(que)檢測對🏃🏻‍♂️提高發動(dòng)機👄各類地面試驗(yàn)結果的置信度具(ju)有重要的工程意(yì)義。與其它流量計(jì)相比,渦輪流量計(jì)測量精度高、量程(cheng)範圍寬、重複性和(hé)動态特性好。但長(zhǎng)期使用後,由于腐(fǔ)蝕和磨損等因素(sù)的綜合📱影響,其儀(yi)表系❗數必㊙️然發生(sheng)變化,使測量結果(guǒ)出現較大誤差。發(fa)動機控💰制系統的(de)各🆚類地面試驗長(zhǎng)期缺乏一種正确(que)、簡易🥰的實♌驗室用(yòng)校準裝置對流量(liang)計進行定期校準(zhǔn),一定程度影響了(le)試驗結果的置信(xin)度和試驗技術的(de)發展。
　　本文以渦輪(lún)流量計爲對象,在(zai)自行設計的校準(zhun)實驗裝置上,對渦(wo)輪流量計不同工(gōng)況下的特性進行(háng)校準實驗,研究主(zhu)要試驗參數對校(xiào)準結果的影響。
2渦(wo)輪流量計
　　容積式(shì)流量計、 差壓式流(liú)量計 與 浮子流量(liang)計 在流量測量中(zhong)應用最爲廣泛。渦(wō)輪流量計是速度(du)式流量👌計的🙇‍♀️一種(zhǒng),與容積式流量計(jì)和科裏奧利質🔱量(liàng)流量計是三類重(zhong)複性和精度最佳(jia)的産品。渦輪流量(liàng)計因其轉動慣性(xing)小、測量精度和重(zhong)複性較好等優點(dian)在流量測量⛹🏻‍♀️中得(dé)到應用。渦輪流量(liàng)計可用于測量氣(qi)體與液體的體💃積(jī)流量，通過質量換(huàn)算,可🏃以求出質量(liàng)流量。二者結構存(cún)在差異,主要是渦(wō)輪轉子葉片安裝(zhuāng)角度不同,測量氣(qi)體用渦輪轉子葉(ye)片安裝角度10°~15°,測量(liàng)液體用流量計葉(yè)片安裝角度爲30°。渦(wō)輪流量🚶‍♀️計結構原(yuan)理🌂圖如圖1所示。

3渦輪流量計(ji)校準裝置設計方(fāng)案
　　液壓計量缸可(kě)采用柱塞式或活(huo)塞式2種設計方案(an)。二者原理均爲推(tui)油流量值等于運(yùn)動部件(柱塞或者(zhě)活塞)單位時間内(nèi)排開的液體體積(jī)。假設液體不可壓(yā)縮⚽,則排開的液體(ti)💔體積與運動部件(jiàn)的運動體積相等(děng)。運動部件的💞體積(jī)爲:
V=A?t
式中:A爲運動部(bu)件截面積;r爲運動(dòng)速度;t爲運動時間(jiān)🈲。.
　　當柱塞和活塞面(mian)積相等時,推油流(liu)量值僅取決于🤩其(qi)運動速度。采用相(xiang)同有效作用面積(jī)的柱塞式和活塞(sai)❤️式計量缸,運動速(su)度相同時推油流(liu)量值相等。但柱塞(sāi)式計量缸對于計(jì)量液壓缸缸簡内(nei)壁加工質量要求(qiu)低,工藝性和經濟(ji)性好。活塞式計量(liàng)缸因運動活塞直(zhi)⁉️接與缸簡内壁接(jie)觸,故而🔴需精加工(gōng)，同時需考慮活塞(sai)動密封,否則洩漏(lou)量會對實驗結果(guo)産生不可♌忽略的(de)影響。
　　通過上述比(bǐ)較分析，本裝置确(que)定采用雙柱塞式(shì)計量缸作爲☂️渦輪(lún)流量計校準的推(tui)油計量标準,大柱(zhù)塞推油流量範圍(wéi)是50~3000L/h,小柱塞單獨運(yùn)動推油流量範🈚圍(wei)爲2~60L/h,大小柱塞有重(zhong)合測量範圍,從而(ér)保證了整體✌️測量(liang)流量🙇🏻的連續性♋,可(ke)滿足較大量程範(fàn)圍的使用要求。爲(wèi)正确控制計量柱(zhu)塞的運動速度,裝(zhuāng)置采用伺服電機(ji)-滾珠絲杠驅動,光(guāng)栅尺一讀數頭實(shí)現位😍移測量的速(sù)度一流量模式，滿(man)足穩态及動态校(xiao)準需求。校準裝置(zhi)的構成原理如圖(tú)2所示。

　　伺服電機是(shi)本裝置的動力元(yuán)件,可以将電脈沖(chòng)信号轉變爲角位(wei)移。由上位機通過(guò)控制器完成對伺(si)服電機的☎️起停及(ji)轉速控制。正常情(qíng)況下，可以控制脈(mo)沖信号的頻率和(he)脈沖數正确控制(zhì)電機的轉速與停(ting)止的💰位置。因此可(ke)以通過控制脈沖(chong)數來控制電機的(de)角位移量,實現正(zheng)确定位。本文❤️設計(jì)的校準♍裝置中采(cǎi)用電機的編碼器(qi)分辨率爲20bit,即每轉(zhuan)🏃‍♂️爲1048576個脈沖,由此經(jing)傳動比和滾珠絲(si)杠導程可計算出(chu)其💋位置控制精度(dù)滿足流量計量要(yao)求;通過控制脈沖(chòng)🚩頻率實現對電機(ji)轉動速度和加速(sù)度的控制,對電🌈機(ji)進行調速。
　　被檢渦(wō)輪流量計兩端安(an)裝有調節閥門,調(diào)節管路的通💋斷⛷️,同(tong)時便于更換流量(liàng)計,防止油液流出(chū)。在柱塞式計量缸(gāng)的運動滑塊💃🏻連杆(gan)上安裝有光栅尺(chi),用來測量柱塞連(lian)📧杆的速度與位移(yi),并反饋給上位機(jī)。裝置整體由上位(wèi)機🈲控制，設定伺服(fu)電機轉速與柱🐉塞(sāi)連杆位移值,通過(guò)光栅尺與讀數頭(tóu)的配合反饋運動(dong)速度與位移,并可(kě)實現渦輪流量輸(shū)出信💯号與柱塞缸(gāng)推油流量信号的(de)☔在線比較,實現直(zhi)觀、可視的結果輸(shū)出。同時布👉置于管(guan)路中的壓力傳感(gǎn)器與溫度傳感器(qi)實時采集信号,反(fǎn)饋給上位機，便于(yú)比較分析不同運(yun)動速度時的壓降(jiang)及對渦輪流量計(jì)的影響。行程開關(guān)起到限♻️位保護的(de)功能，當光栅尺讀(dú)數頭運動到極限(xian)位置觸碰到行程(chéng)開關，使運動停止(zhi),同時在軟件中加(jia)人限位保護功能(néng)。
　　上位機27支持多種(zhong)信号采集且實時(shi)性強,便于實現高(gao)性能标準化測試(shi)與正确的自動過(guò)程控制。小.慣量伺(sì)服伺服電機1通過(guo)減速器2驅動滾珠(zhu)絲杠6,絲杠6上的滑(hua)塊推動柱塞式計(ji)量缸🏃🏻‍♂️10的柱塞連杆(gan)運動,推動計量缸(gang)10内的油液🙇🏻流向被(bei)校流量計19或20,不考(kǎo)慮缸㊙️的洩漏和油(yóu)的壓縮性,流量正(zhèng)比于柱塞式計量(liàng)缸10的移動速度🎯即(ji)伺服電機1的轉速(sù)(和輸人電機的脈(mò)沖頻率成🏒正比)。爲(wèi)獲得不同行程内(nèi)計量缸的平均速(sù)度,用光栅尺配合(he)😘讀數頭5來實時測(cè)量🍓柱塞連杆的位(wèi)移。
4校準實驗
4.1實驗(yan)裝置
　　基于，上述設(shè)計方案搭建的校(xiào)準裝置實物如圖(tu)3所🛀示，可見柱塞式(shi)計量缸的大柱塞(sai)伸出。爲了保證運(yùn)動的直線度以及(ji)減少因☀️直線度差(chà)以增加運動阻力(lì),安裝✂️時滾珠絲杠(gang)與柱塞缸布置需(xū)保證較好的直線(xiàn)度。因爲油箱高于(yú)計量缸🔴,充油主要(yao)通過開關閥并借(jie)助油液自重完成(chéng)。

　　通過上位控制機(jī)設定計量缸柱塞(sāi)推油行程600mm、運動速(su)度20mm/s,觀察并記錄推(tui)油流量與運動位(wèi)移量。根據光栅尺(chi)測量值,計☎️算運動(dòng)速度,得到柱塞位(wèi)移和推油流量曲(qǔ)線見圖4。

　　圖4表明,校(xiao)準裝置可達到設(she)定位移值,且運動(dòng)平穩,由光⛱️栅尺測(cè)得的推油速度計(jì)算出推油流量爲(wei)13.11L/min。實🏃際推油流量值(zhí)在13.1L/min小範圍内波動(dòng),波動小于8%0。另外,裝(zhuāng)置在初始運動時(shi)有約2s延遲,主㊙️要由(yóu)于靜摩擦和機械(xie)間隙引起的運動(dòng)滞後。但柱🐇塞開始(shǐ)運動後,推油流量(liang)響應迅速，産生階(jiē)躍🏃後快速到達♉穩(wěn)态。實驗表明，該校(xiào)準裝置可以達到(dao)設定的位移值并(bìng)輸出平穩正确的(de)流量值。
4.2渦輪流計(jì)特性
　　流量校準裝(zhuang)置的主要技術指(zhi)标有流量範圍、不(bú)确定❤️度穩定性和(he)溫度範圍等,其中(zhōng)穩定性爲基本性(xing)能指标，是㊙️必須滿(man)足🈲的指♈标，否則校(xiào)準裝置無法正常(chang)使用。
　　流量穩定性(xing)分爲累積時間内(nèi)流量穩定性和累(lèi)積時間之間的✔️流(liú)量穩定性。累積時(shí)間内流量穩定性(xing)檢定🙇‍♀️,是指在一段(duàn)連續的時間内,頻(pin)繁連續的測量n個(gè)信号🥵,按照規🥰定公(gong)式進行計算;累積(jī)時間之間的流量(liang)穩定性檢定,是指(zhi)在連續的n(n≥10)個周期(qi)中,測量每一個周(zhou)期的💛平均流量值(zhi),據此計算流🈚量穩(wen)定性。評⭐估累計時(shi)間之間的流量穩(wen)定性,對檢驗流量(liang)㊙️的長期穩定性及(ji)确定系統中穩定(ding)裝置的有效性意(yi)義重❌大。其計算式(shi)爲[8]:

　　其中:t爲置信度(dù)爲95%時的置信因子(zi),當n=10時,t=2.23;`q爲10次測量的(de)🐇流量🏃‍♂️平均值。
　　渦輪(lun)流量計的另一個(ge)重要特性就是其(qí)儀表系，數,儀表系(xi)👣數K表示單位體積(ji)流體通過渦輪流(liú)量計時傳感器輸(shu)出的信号脈沖數(shu)”]。當流動介質處于(yú)一定💘的流量範圍(wei)以及粘度範圍内(nei)時,渦輪流量計轉(zhuǎn)子穩定運轉輸出(chu)的脈☁️沖數值與流(liu)經流量⛹🏻‍♀️計的流量(liàng)值存在如下關系(xi):

　　式中:f爲渦輪流量(liàng)計輸出脈沖頻率(lü);K爲渦輪流量計的(de)儀表系數;q,爲通過(guo)渦輪流量計的流(liú)量。
　　儀表系數在穩(wěn)定流動的情況下(xià)爲-常值,但實際流(liú)動中,渦輪流量計(ji)本身的機械摩擦(cā)力矩、流體粘性阻(zu)力矩等都在不斷(duàn)變化,考慮到這些(xiē)因素,儀表系數是(shi)變化的,它的特性(xing)🔞曲線見圖5[1]。

　　由圖5可見,在初始(shǐ)某範圍内,流量計(jì)無輸出信号,此時(shí)圖5中的🤞最小流量(liàng)值爲渦輪流量計(ji)的始動流量。始動(dòng)流量🍓主要受渦輪(lun)轉💛子與支承軸承(chéng)軸間機械🙇‍♀️摩擦阻(zǔ)力矩的影響,阻力(li)矩越大則始🌍動流(liú)量越大,從而使流(liú)量有效測量範圍(wei)減🔞小。當流量超過(guo)始動流量,渦輪流(liú)量計開始輸出信(xìn)号,但此時處于非(fei)線性區,并不适合(hé)作穩态測量。當流(liu)量繼續增大，進入(rù)儀表的線性測量(liang)📧範圍時,儀表可用(yòng)來測量穩态流動(dòng)。當流量值繼續增(zēng)大,超過最大流量(liàng)時,出現氣蝕現象(xiang),此時會對儀表造(zào)成損壞,不再适合(hé)測量。由圖5可以看(kàn)出,在儀表的線性(xìng)測量範圍内,儀表(biǎo)系數K值💋是在一定(ding)範圍内波動的。
　　實(shi)驗中流量計有效(xiào)測量範圍是1.9~19L/min,依據(jù)實驗檢定規🔞程💛,流(liu)量檢定實驗點應(ying)包括:qmax、0.7qmax、0.4qmax、0.25qmax、0.15qmax、0.07qmax和q9min，這7個流量(liang)點,但因爲🌈實驗重(zhong)在對渦輪流量計(ji)特性的研究,而不(bu)是校準♻️流量計，因(yin)此結⛷️合校準裝置(zhi)的實際情況,将流(liu)量檢定點确定爲(wèi):18.31,13.56,8.14,5.43,3.39,1.36,0.20,L/min。之後根據實驗數(shù)據,計算渦輪平均(jun1)儀表系數,線性度(dù)以及重複😍性等參(can)數。
4.3實驗數據及分(fèn)析
　　根據校準實驗(yan)中流量穩定性要(yào)求，對最大及最小(xiǎo)流量兩種狀态進(jìn)行測量,每種狀态(tai)測量10次,按照式(1)處(chu)理。表1是通過整理(li)♈而得到的實驗數(shù)據。

　　根據式(1)計算得(dé)到:Eqmin=0.03%o,Eqmax=0.2%o,校準裝置的流(liú)量穩定性爲0.2%0。本裝(zhuang)置具有較低💔的測(ce)量不确定度,很大(dà)程度上是因爲伺(sì)服電機擁有極高(gāo)的位置控制精度(du)(考慮10:1的減速💔比,10mm的(de)滾🆚珠絲杠導程及(ji)自身傳🔞動誤差,推(tui)油活塞位置精度(dù)理論上可達0.01μm),可以(yǐ)正确控制活塞的(de)行程,從📱而保證推(tuī)油㊙️量的穩定。
　　根據(ju)流量檢定點進行(háng)實驗,得到的渦輪(lun)流量計儀表系數(shù)特性曲線如圖6所(suo)示。圖6顯示,渦輪流(liu)量計儀表系數在(zài)流量♍計有效量程(cheng)範圍内基本恒定(dìng)，上下有小範圍波(bo)動,在小于最小量(liang)程時誤差較大,不(bú)适宜測量。

　　爲研究校準實驗(yan)參數對渦輪流量(liang)計标定儀表系數(shu)⁉️的影響規律,在相(xiang)同行程時研究不(bu)同柱塞推油速度(du)對儀表系🔱數的☀️影(yǐng)響。
圖7爲100mm和400mm行程時(shí)不同柱塞推油速(su)度時流量計儀表(biao)系數實驗曲線。由(yóu)圖7可見，在渦輪流(liú)量計的有效量程(chéng)範圍内,100mm;和400mm行程在(zai)不同速度時,渦輪(lún)流量計儀表系數(shù)基本穩定保持在(zài)6500L-T附近,存🙇🏻在小範圍(wei)波動。

　　具體分析.上(shàng)述2種行程、不同推(tuī)油速度的流量計(ji)特性曲線❄️圖可以(yi)看出,2條曲線儀表(biǎo)系數分别爲6492.699L-1和6492.613L-1,數(shu)值接近,偏差很小(xiao)。線性度分别爲0.127%和(hé)0.167%,重複性爲0.0903%和0.0871%，這表(biao)明在流量計有效(xiao)量程範圍内,固定(dìng)行程時,運動速度(dù)對儀表系數K影響(xiǎng)很小。
　　實驗測得的(de)渦輪流量計的平(píng)均儀表系數爲6493.247L-1,與(yu)出廠🌐資☂️料給定值(zhi)6495.988L-1,二者偏差爲0.04%，由此(ci)驗證了裝置的有(yǒu)效性。相同☎️計量柱(zhù)塞💋推油行程和不(bú)同推油速度的🚶實(shi)驗結果表明在渦(wo)輪流量計有效量(liàng)程範圍内,校準實(shi)驗中的計量缸推(tuī)油速度對流量計(jì)儀表系數影響很(hěn)小。
5結論
　　開展了基(jī)于柱塞式計量缸(gāng)的渦輪流量計校(xiào)準裝置的設計及(jí)相關實驗,主要完(wan)成了以下工作:(1)根(gen)據👉計量航空動力(lì)裝置🔴燃滑油流量(liàng)的渦輪流量計流(liu)量範圍🔱及實際🌍需(xu)求,電⚽機-減速📱器-滾(gǔn)珠絲杠-計量缸的(de)流量計校準裝置(zhì);(2)在研制的校準系(xi)統上開展了📧探究(jiu)，不同柱🈲塞行程和(he)推油速度對渦輪(lún)流量計儀表系數(shù)的影🌐響，驗證了校(xiào)準裝置的有效性(xìng)。當推油流量在渦(wo)💛輪流量計有效量(liàng)程内時,計量缸柱(zhù)塞運動速度對儀(yi)表系數的影響較(jiào)小。

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