摘要:研究了(le)雙(shuāng)柱(zhù)塞計(jì)量缸的流量計校準裝置(zhì),通過(guò)系統控制(zhì)與計算實現計量缸(gāng)計量(liàng)流量與被(bèi)校流(liú)量計測(cè)量(liàng)流量(liàng)的在(zài)線對比,以(yǐ)滿足(zú)寬量(liàng)程和(hé)精度(dù)佳的(de)校準(zhǔn)要(yào)求。分析(xī)了該(gāi)裝置的結(jié)構特(tè)點和設計(jì)方法(fǎ),通(tōng)過仿真分析(xī)對(duì)其性能(néng)進行初步(bù)評估(gū)。研究(jiū)了校(xiào)準計(jì)量柱塞(sāi)行(háng)程和移動(dòng)速度對 渦(wō)輪流量(liàng)計 儀表(biǎo)系數的影響,給(gěi)出了建議(yì)的校(xiào)準實(shí)驗(yàn)條件。結(jié)果表明,采用該校準裝置可滿(mǎn)足(zú)寬(kuān)量(liàng)程液體流量(liàng)計校準(zhǔn),燃(rán)油渦輪流(liú)量計(jì) 量穩(wěn)定性在0.2%内(nèi)。
1引言
　　燃油(yóu)及控制系統是以航(háng)空發動(dòng)機(jī)爲代(dài)表的動力(lì)裝置(zhì)的重要組成之一。随着fadec技(jì)術的(de)發(fā)展及新(xīn)一代(dài)發動(dòng)機(jī)性能方(fāng)案的逐步明确,對發動(dòng)機關鍵(jiàn)性能參數(shù)的測(cè)量精度(dù)等級也(yě)逐步提高。供油(yóu)量及(jí)燃(rán)油流量(liàng)是發(fā)動機(jī)典型控制(zhì)回路的參數,常爲(wèi)發動機(jī)控制(zhì)系統中的(de)控制量,其(qí)正确(què)檢測對提高發(fā)動機各類地面(miàn)試(shì)驗結(jié)果(guǒ)的置(zhì)信度具(jù)有(yǒu)重要(yào)的工(gōng)程意(yì)義。與(yǔ)其它流量(liàng)計相比,渦輪(lún)流(liú)量計測量精度(dù)高、量(liàng)程範圍寬(kuān)、重複(fú)性和(hé)動态(tài)特性(xìng)好。但長期使用(yòng)後,由于腐蝕和(hé)磨損等(děng)因素的(de)綜合(hé)影響,其儀表系數必(bì)然發(fā)生變化(huà),使(shǐ)測量(liàng)結果(guǒ)出(chū)現較大誤差。發(fā)動(dòng)機控(kòng)制系統的各類(lèi)地面試驗(yàn)長期缺乏(fá)一種正确(què)、簡易的實(shí)驗室(shì)用校準裝置對(duì)流量計進行定期校(xiào)準(zhǔn),一定程(chéng)度影響(xiǎng)了(le)試驗(yàn)結果的置(zhì)信度(dù)和試驗技(jì)術的(de)發展。
　　本(běn)文(wén)以渦(wō)輪流量(liàng)計爲對(duì)象,在(zài)自(zì)行(háng)設計(jì)的校(xiào)準實驗裝置(zhì)上,對渦輪流(liú)量計不同工(gōng)況下的特性(xìng)進行校準實驗(yàn),研究(jiū)主要(yào)試驗參數(shù)對(duì)校準結果的(de)影響。
2渦輪流量(liàng)計
　　容積式(shì)流量計、 差(chà)壓(yā)式流量(liàng)計 與 浮子流量計 在流量(liàng)測量(liàng)中應用最爲廣(guǎng)泛。渦輪(lún)流量計(jì)是速度(dù)式(shì)流量(liàng)計的(de)一(yī)種,與容(róng)積式流量計和(hé)科裏奧利質(zhì)量(liàng)流量(liàng)計是三類(lèi)重複性和精度(dù)最佳(jiā)的(de)産品。渦輪流量計因其(qí)轉動慣性小、測(cè)量精(jīng)度和重複(fú)性較好等(děng)優點(diǎn)在流(liú)量測量中(zhōng)得到應用(yòng)。渦輪(lún)流量(liàng)計可用(yòng)于(yú)測量氣體(tǐ)與液體的體(tǐ)積流量(liàng)，通過質量換算(suàn),可以求(qiú)出(chū)質量(liàng)流量(liàng)。二者結構存在差異(yì),主要是渦輪轉(zhuǎn)子葉(yè)片安(ān)裝角度不(bú)同(tóng),測(cè)量(liàng)氣體用(yòng)渦輪(lún)轉子葉(yè)片安裝角(jiǎo)度10°~15°,測量(liàng)液體(tǐ)用流(liú)量計(jì)葉片(piàn)安(ān)裝角度(dù)爲30°。渦輪(lún)流量計(jì)結構原理圖如(rú)圖1所(suǒ)示。

3渦(wō)輪(lún)流(liú)量計(jì)校準裝置設計(jì)方案
　　液(yè)壓計量缸可采用柱塞式或活(huó)塞式2種設計方案。二者(zhě)原理均(jun1)爲推油(yóu)流量值(zhí)等(děng)于(yú)運(yùn)動部件(柱塞或(huò)者活塞)單位時間内排開的液(yè)體體積(jī)。假(jiǎ)設液(yè)體不(bú)可壓縮(suō),則(zé)排開的液體體積與運(yùn)動部件(jiàn)的運動體積相等(děng)。運(yùn)動部(bù)件的(de)體積(jī)爲:
v=a?t
式中:a爲(wèi)運動(dòng)部(bù)件截面(miàn)積;r爲運動(dòng)速度(dù);t爲運(yùn)動(dòng)時間。.
　　當(dāng)柱塞和(hé)活塞面(miàn)積相等時,推油(yóu)流量值僅取決(jué)于其運動速度(dù)。采用相同(tóng)有效作用(yòng)面積的柱(zhù)塞式和(hé)活(huó)塞式(shì)計量(liàng)缸,運動速(sù)度相(xiàng)同時(shí)推油流量(liàng)值(zhí)相等。但(dàn)柱塞式計(jì)量缸(gāng)對于計量液壓(yā)缸缸簡内(nèi)壁加(jiā)工質(zhì)量要求低(dī),工藝性和經濟(jì)性好。活塞式計(jì)量缸因運動活(huó)塞直(zhí)接與(yǔ)缸簡(jiǎn)内壁接觸(chù),故而(ér)需精(jīng)加工，同時(shí)需考慮活(huó)塞動(dòng)密封,否則洩(xiè)漏(lòu)量會對實驗結果産生不可忽(hū)略的影響(xiǎng)。
　　通過上(shàng)述比較分析(xī)，本裝置确定采(cǎi)用雙柱(zhù)塞式計量缸作爲(wèi)渦輪(lún)流量計校準的(de)推(tuī)油(yóu)計量(liàng)标準,大柱塞推油流(liú)量範圍是(shì)50~3000l/h,小柱(zhù)塞單(dān)獨(dú)運動推(tuī)油流量範(fàn)圍爲(wèi)2~60l/h,大小柱塞有重(zhòng)合測量(liàng)範(fàn)圍,從而保證了(le)整體(tǐ)測量流量(liàng)的連(lián)續性(xìng),可滿足較(jiào)大量程範(fàn)圍的(de)使用要(yào)求(qiú)。爲正(zhèng)确控制計量柱塞的運動速度(dù),裝置采用(yòng)伺服(fú)電機-滾珠絲杠(gàng)驅動,光栅尺一讀數頭(tóu)實現位(wèi)移測量(liàng)的(de)速度一流(liú)量模式，滿(mǎn)足穩态及動态(tài)校準需求。校準(zhǔn)裝置的構成原(yuán)理如圖(tú)2所示。

　　伺(sì)服電機是(shì)本裝(zhuāng)置(zhì)的(de)動力元件(jiàn),可以(yǐ)将電(diàn)脈(mò)沖信号(hào)轉(zhuǎn)變爲角(jiǎo)位移(yí)。由上位機(jī)通過(guò)控制器完(wán)成對伺服(fú)電機(jī)的起停及轉速(sù)控制。正常(cháng)情況下，可(kě)以(yǐ)控(kòng)制脈(mò)沖信(xìn)号的(de)頻率(lǜ)和脈(mò)沖(chòng)數正确(què)控制(zhì)電(diàn)機的(de)轉速與停止的位(wèi)置。因此(cǐ)可以通(tōng)過控(kòng)制脈沖數(shù)來(lái)控制電(diàn)機的(de)角位移量,實現(xiàn)正确定位(wèi)。本文設計的校準裝置中采(cǎi)用電機的編碼器(qì)分辨(biàn)率爲20bit,即(jí)每轉爲(wèi)1048576個脈沖,由此經(jīng)傳動比(bǐ)和滾珠(zhū)絲杠導(dǎo)程可計(jì)算出其位(wèi)置控(kòng)制精度滿足流(liú)量計量(liàng)要(yào)求;通過控(kòng)制脈沖頻(pín)率實現對電機轉動速度和加(jiā)速度(dù)的控制,對電機進行(háng)調速(sù)。
　　被檢渦輪流量(liàng)計兩(liǎng)端安裝有調節(jiē)閥門,調節(jiē)管路(lù)的通斷,同(tóng)時便于(yú)更換流(liú)量計,防(fáng)止油液(yè)流出。在柱塞式(shì)計量缸的運動(dòng)滑塊(kuài)連杆(gǎn)上(shàng)安(ān)裝有光栅尺,用(yòng)來測(cè)量(liàng)柱(zhù)塞連(lián)杆的(de)速度與位移,并反饋給上(shàng)位機。裝(zhuāng)置整體(tǐ)由上位機(jī)控制(zhì)，設定(dìng)伺服電機(jī)轉速與柱塞連(lián)杆位移值,通過(guò)光栅尺與(yǔ)讀數頭的配(pèi)合(hé)反饋(kuì)運動速(sù)度與位(wèi)移,并(bìng)可實(shí)現渦(wō)輪流量輸(shū)出信(xìn)号與(yǔ)柱塞缸(gāng)推(tuī)油流量信号的(de)在線比較,實現直觀、可視(shì)的結(jié)果輸(shū)出。同時布(bù)置于管路中的壓力傳感器與(yǔ)溫度傳感器實時采集信号,反(fǎn)饋給上位機，便(biàn)于比較分析不(bú)同運動速(sù)度時(shí)的壓降及對渦(wō)輪流(liú)量計的影響。行(háng)程開(kāi)關起(qǐ)到限位保(bǎo)護的功能(néng)，當光栅尺(chǐ)讀數頭(tóu)運(yùn)動到(dào)極限(xiàn)位置觸碰(pèng)到行程開關，使運動(dòng)停止,同時(shí)在軟件(jiàn)中(zhōng)加人限位保護功能(néng)。
　　上位(wèi)機27支持多種信(xìn)号(hào)采集且(qiě)實時性(xìng)強,便(biàn)于實現高性(xìng)能标(biāo)準化測試與正确的(de)自動過程(chéng)控制。小.慣量伺(sì)服伺服(fú)電機1通(tōng)過減速器2驅動(dòng)滾珠(zhū)絲杠6,絲杠(gàng)6上的滑塊推動柱塞(sāi)式計量缸(gāng)10的柱塞連杆(gǎn)運(yùn)動,推動計量缸(gāng)10内的油(yóu)液流向(xiàng)被校(xiào)流(liú)量計19或(huò)20,不考慮(lǜ)缸(gāng)的洩(xiè)漏和(hé)油的(de)壓縮(suō)性,流量正(zhèng)比于(yú)柱塞(sāi)式(shì)計量缸(gāng)10的移(yí)動速度即伺服(fú)電機1的轉(zhuǎn)速(和輸人電機的脈(mò)沖(chòng)頻率成正比)。爲獲(huò)得不同行程内計量(liàng)缸的(de)平均(jun1)速度(dù),用光栅尺(chǐ)配合(hé)讀數頭5來(lái)實時測量(liàng)柱塞連杆(gǎn)的位移(yí)。
4校準實驗
4.1實(shí)驗裝置
　　基(jī)于，上述設計方案搭建的(de)校準(zhǔn)裝置實(shí)物(wù)如圖3所示(shì)，可見柱塞(sāi)式計量缸(gāng)的大(dà)柱塞伸出。爲(wèi)了(le)保證運(yùn)動的直線度(dù)以及減少因直線度差以(yǐ)增加運(yùn)動阻力(lì),安裝時滾珠絲(sī)杠與柱塞缸布(bù)置需保(bǎo)證(zhèng)較好(hǎo)的直線度。因爲(wèi)油箱高于(yú)計量(liàng)缸,充油主要通過開關閥并借助油液自重完(wán)成。

　　通(tōng)過上位控制(zhì)機(jī)設定計量(liàng)缸柱塞推油行(háng)程600mm、運動速(sù)度20mm/s,觀(guān)察并(bìng)記(jì)錄推油(yóu)流量與運(yùn)動位(wèi)移(yí)量。根據光栅尺測(cè)量值,計算(suàn)運動速(sù)度,得到柱塞位(wèi)移和推(tuī)油流(liú)量曲(qǔ)線見圖4。

　　圖4表明,校準(zhǔn)裝置可達(dá)到設(shè)定位(wèi)移值,且運(yùn)動平穩(wěn),由光栅尺測(cè)得的推油(yóu)速度計算出推(tuī)油流(liú)量爲13.11l/min。實際(jì)推油流量(liàng)值在(zài)13.1l/min小範圍内波動(dòng),波動(dòng)小于8%0。另外,裝置(zhì)在初始運(yùn)動時有約2s延遲(chí),主要由于(yú)靜摩(mó)擦和機械間隙引起的運動滞(zhì)後。但柱塞開始運動後,推(tuī)油流量響應迅速，産(chǎn)生階(jiē)躍後快速(sù)到達穩态。實驗(yàn)表明，該校(xiào)準裝(zhuāng)置可(kě)以達到設(shè)定的位移值并(bìng)輸出平穩(wěn)正确(què)的流(liú)量值。
4.2渦輪(lún)流(liú)計特性
　　流量(liàng)校準裝置的主(zhǔ)要技術(shù)指(zhǐ)标有流量範圍、不确(què)定度穩(wěn)定(dìng)性和溫度範圍等,其(qí)中穩定性爲基(jī)本性(xìng)能指(zhǐ)标，是(shì)必須滿(mǎn)足(zú)的指标，否(fǒu)則校準裝(zhuāng)置無法正(zhèng)常使用。
　　流量(liàng)穩(wěn)定性(xìng)分爲累積(jī)時間(jiān)内流量(liàng)穩定性(xìng)和累積(jī)時間之(zhī)間的(de)流(liú)量穩定(dìng)性。累積時間内流量(liàng)穩定性檢(jiǎn)定,是(shì)指(zhǐ)在(zài)一段連續的時(shí)間内(nèi),頻繁連續(xù)的測(cè)量n個信(xìn)号,按(àn)照(zhào)規定公式(shì)進行計算(suàn);累(lèi)積時間(jiān)之間的(de)流(liú)量穩定(dìng)性(xìng)檢(jiǎn)定,是指(zhǐ)在連(lián)續的n(n≥10)個周(zhōu)期中,測量每一(yī)個周(zhōu)期的平均(jun1)流量(liàng)值,據此計(jì)算流量穩(wěn)定性(xìng)。評估累計時間(jiān)之間的(de)流(liú)量穩(wěn)定性,對檢(jiǎn)驗流量的長期穩定(dìng)性及确定系統(tǒng)中穩(wěn)定裝置的(de)有效性意(yì)義重(zhòng)大。其計(jì)算(suàn)式爲[8]:

　　其中(zhōng):t爲置信度(dù)爲95%時的置(zhì)信因(yīn)子,當(dāng)n=10時,t=2.23;`q爲10次(cì)測(cè)量的流量平均值。
　　渦(wō)輪流(liú)量計(jì)的另(lìng)一個(gè)重要(yào)特性就是其儀(yí)表系(xì)，數(shù),儀(yí)表系(xì)數k表示單位體(tǐ)積流體通(tōng)過渦輪流量(liàng)計時傳(chuán)感(gǎn)器輸出(chū)的信号脈沖數”]。當流(liú)動介質處(chù)于一(yī)定的流量範圍以及粘度(dù)範圍(wéi)内時,渦輪(lún)流量(liàng)計轉子穩(wěn)定運(yùn)轉輸出的脈沖(chòng)數值與流(liú)經流量計(jì)的流量值(zhí)存在(zài)如下關系(xì):

　　式中:f爲渦(wō)輪(lún)流(liú)量計輸出(chū)脈沖(chòng)頻率(lǜ);k爲渦(wō)輪流(liú)量計(jì)的儀(yí)表系(xì)數(shù);q,爲通(tōng)過渦輪(lún)流量計的流(liú)量(liàng)。
　　儀表系數在穩(wěn)定流(liú)動的(de)情況(kuàng)下爲-常值,但實(shí)際流(liú)動(dòng)中,渦輪(lún)流量(liàng)計本身的機械摩擦力矩、流體粘性阻力(lì)矩等都在不斷(duàn)變化(huà),考(kǎo)慮到這(zhè)些因素,儀表(biǎo)系(xì)數是變化的,它(tā)的特性(xìng)曲(qǔ)線見圖5[1]。

　　由(yóu)圖5可(kě)見,在初始(shǐ)某範圍内,流量(liàng)計無輸出信号(hào),此時圖5中(zhōng)的最(zuì)小(xiǎo)流量值爲渦(wō)輪流量計的始動流量。始動流(liú)量主(zhǔ)要(yào)受渦輪(lún)轉子與支承軸(zhóu)承(chéng)軸(zhóu)間機械摩(mó)擦阻力矩(jǔ)的影響,阻力矩(jǔ)越大(dà)則始動(dòng)流量越(yuè)大,從而使流量有效測量範圍(wéi)減小。當流量超(chāo)過始(shǐ)動流量,渦(wō)輪流量(liàng)計(jì)開始(shǐ)輸出信号(hào),但此(cǐ)時處于(yú)非(fēi)線性(xìng)區,并(bìng)不适合作(zuò)穩态測量。當流(liú)量繼續增大，進(jìn)入儀表的線性(xìng)測量(liàng)範圍時,儀(yí)表可用來測(cè)量(liàng)穩态(tài)流(liú)動。當流量值繼續增大,超過(guò)最大流量(liàng)時,出現氣(qì)蝕現(xiàn)象,此(cǐ)時會對儀表造成損壞,不(bú)再适(shì)合(hé)測量。由圖5可以(yǐ)看(kàn)出,在(zài)儀表的線性測(cè)量範圍(wéi)内(nèi),儀表(biǎo)系數(shù)k值是(shì)在一(yī)定範圍内(nèi)波動(dòng)的。
　　實驗中(zhōng)流量(liàng)計有效(xiào)測量範(fàn)圍是(shì)1.9~19l/min,依據(jù)實驗(yàn)檢定規(guī)程(chéng),流量(liàng)檢定實驗(yàn)點應(yīng)包括:qmax、0.7qmax、0.4qmax、0.25qmax、0.15qmax、0.07qmax和q9min，這(zhè)7個流量(liàng)點(diǎn),但因爲實(shí)驗重在對(duì)渦(wō)輪(lún)流量計特性的(de)研究,而不是校準流量(liàng)計，因此(cǐ)結合(hé)校準(zhǔn)裝置(zhì)的實際(jì)情況,将(jiāng)流量檢定(dìng)點确定爲:18.31,13.56,8.14,5.43,3.39,1.36,0.20,l/min。之(zhī)後根據(jù)實驗數據,計算(suàn)渦(wō)輪平均儀表(biǎo)系數(shù),線性度以及重複(fú)性等參(cān)數。
4.3實(shí)驗(yàn)數據及分析(xī)
　　根據校準(zhǔn)實驗中流(liú)量穩(wěn)定性要求，對(duì)最(zuì)大及最小(xiǎo)流量(liàng)兩種狀(zhuàng)态進行(háng)測量,每種(zhǒng)狀态測量(liàng)10次,按照式(shì)(1)處理。表1是通過整理而得到的(de)實驗數(shù)據(jù)。

　　根據(jù)式(1)計(jì)算得到:eqmin=0.03%o,eqmax=0.2%o,校(xiào)準裝置(zhì)的(de)流量(liàng)穩定(dìng)性爲0.2%0。本裝置具有較低的測量(liàng)不确(què)定度(dù),很大程度(dù)上是因爲(wèi)伺服電機(jī)擁有極高的位置控制精度(考(kǎo)慮10:1的減速比,10mm的(de)滾珠(zhū)絲(sī)杠導程(chéng)及自身傳(chuán)動誤(wù)差,推油活塞位(wèi)置精度(dù)理論上(shàng)可達0.01μm),可(kě)以(yǐ)正确控制(zhì)活塞(sāi)的行程,從而保(bǎo)證推(tuī)油量的穩定(dìng)。
　　根(gēn)據流(liú)量(liàng)檢(jiǎn)定點(diǎn)進行實驗,得到的渦輪(lún)流(liú)量計(jì)儀表系數(shù)特性(xìng)曲線如圖6所示。圖6顯示(shì),渦輪流(liú)量計儀(yí)表系數(shù)在流(liú)量計有效量程範圍(wéi)内基(jī)本恒定(dìng)，上下有(yǒu)小範(fàn)圍波動,在小于最(zuì)小量程時誤(wù)差較(jiào)大,不(bú)适宜(yí)測量。

　　爲研究(jiū)校準(zhǔn)實驗參數(shù)對(duì)渦(wō)輪流量計(jì)标定儀表系(xì)數的影響規(guī)律,在(zài)相同行程(chéng)時研(yán)究不同柱塞推(tuī)油(yóu)速度對儀表(biǎo)系數的影(yǐng)響。
圖(tú)7爲100mm和400mm行(háng)程(chéng)時不(bú)同柱塞推油速(sù)度時流量(liàng)計儀(yí)表系數實驗曲(qǔ)線。由(yóu)圖7可見，在(zài)渦輪流量計的(de)有效量(liàng)程範圍内,100mm;和400mm行(háng)程在不同速度時,渦輪流量計儀表(biǎo)系數基本穩定保持在6500l-t附近,存在(zài)小範(fàn)圍波動。

　　具(jù)體分析(xī).上述2種(zhǒng)行程、不同(tóng)推油速度的流量計(jì)特性曲(qǔ)線圖可以看(kàn)出,2條曲線儀表系數分别(bié)爲6492.699l-1和(hé)6492.613l-1,數值接近(jìn),偏差很小(xiǎo)。線性(xìng)度分别(bié)爲0.127%和0.167%,重複性爲0.0903%和0.0871%，這表(biǎo)明在流量計有(yǒu)效量程範圍内,固定行程時,運(yùn)動速度(dù)對(duì)儀表(biǎo)系數(shù)k影響很小。
　　實(shí)驗測得的渦(wō)輪流量計的(de)平(píng)均儀表(biǎo)系數爲(wèi)6493.247l-1,與出(chū)廠(chǎng)資料給(gěi)定值6495.988l-1,二者偏差爲0.04%，由(yóu)此驗證了(le)裝置的(de)有效性(xìng)。相同(tóng)計量柱塞(sāi)推油行程(chéng)和不(bú)同推(tuī)油速度的實驗(yàn)結(jié)果(guǒ)表明(míng)在渦輪流量計(jì)有效量(liàng)程範圍内,校準(zhǔn)實(shí)驗中(zhōng)的計量缸推油(yóu)速度(dù)對流量計(jì)儀表系(xì)數影響很小(xiǎo)。
5結論(lùn)
　　開展(zhǎn)了基于柱(zhù)塞式(shì)計量(liàng)缸的渦輪(lún)流(liú)量計(jì)校準裝置的(de)設計及相關實(shí)驗,主(zhǔ)要完成了(le)以下工作(zuò):(1)根據計(jì)量航空動力(lì)裝置燃滑(huá)油流量的渦輪(lún)流量(liàng)計(jì)流量範(fàn)圍及實際(jì)需求,電機(jī)-減速器-滾珠絲杠(gàng)-計(jì)量缸(gāng)的流(liú)量(liàng)計校準裝置(zhì);(2)在(zài)研制的(de)校準(zhǔn)系(xì)統上開展了(le)探究，不同柱塞行(háng)程和推(tuī)油速度對渦輪流量計儀(yí)表系(xì)數的影響(xiǎng)，驗證(zhèng)了校準裝置的(de)有效性(xìng)。當推油(yóu)流量(liàng)在渦(wō)輪(lún)流量計有效量程(chéng)内時,計量缸柱(zhù)塞運動速度對儀表系數的影(yǐng)響較(jiào)小。

以(yǐ)上内(nèi)容源(yuán)于網(wǎng)絡，如(rú)有侵權聯系即删除(chú)!