摘要:研究了雙柱塞計(jì)量缸的流量計(jì)校準(zhǔn)裝置,通過(guò)系統(tǒng)控制與計(jì)算實(shí)現(xiàn)計(jì)量缸計(jì)量流量與被校流量計(jì)測(cè)量流量的在線對(duì)比,以滿足寬量程和精度佳的校準(zhǔn)要求。分析了該裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法,通過(guò)仿真分析對(duì)其性能進(jìn)行初步評(píng)估。研究了校準(zhǔn)計(jì)量柱塞行程和移動(dòng)速度對(duì)渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)的影響,給出了建議的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件。結(jié)果表明,采用該校準(zhǔn)裝置可滿足寬量程液體流量計(jì)校準(zhǔn),燃油渦輪流量計(jì)量穩(wěn)定性在0.2%內(nèi)。
1引言
燃油及控制系統(tǒng)是以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的動(dòng)力裝置的重要組成之一。隨著FADEC技術(shù)的發(fā)展及新一代發(fā)動(dòng)機(jī)性能方案的逐步明確,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵性能參數(shù)的測(cè)量精度等級(jí)也逐步提高。供油量及燃油流量是發(fā)動(dòng)機(jī)典型控制回路的參數(shù),常為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的控制量,其正確檢測(cè)對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)各類地面試驗(yàn)結(jié)果的置信度具有重要的工程意義。與其它流量計(jì)相比,渦輪流量計(jì)測(cè)量精度高、量程范圍寬、重復(fù)性和動(dòng)態(tài)特性好。但長(zhǎng)期使用后,由于腐蝕和磨損等因素的綜合影響,其儀表系數(shù)必然發(fā)生變化,使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的各類地面試驗(yàn)長(zhǎng)期缺乏一種正確、簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)室用校準(zhǔn)裝置對(duì)流量計(jì)進(jìn)行定期校準(zhǔn),一定程度影響了試驗(yàn)結(jié)果的置信度和試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。
本文以渦輪流量計(jì)為對(duì)象,在自行設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置上,對(duì)渦輪流量計(jì)不同工況下的特性進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn),研究主要試驗(yàn)參數(shù)對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響。
2渦輪流量計(jì)
容積式流量計(jì)、差壓式流量計(jì)與浮子流量計(jì)在流量測(cè)量中應(yīng)用最為廣泛。渦輪流量計(jì)是速度式流量計(jì)的一種,與容積式流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是三類重復(fù)性和精度最佳的產(chǎn)品。渦輪流量計(jì)因其轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小、測(cè)量精度和重復(fù)性較好等優(yōu)點(diǎn)在流量測(cè)量中得到應(yīng)用。渦輪流量計(jì)可用于測(cè)量氣體與液體的體積流量，通過(guò)質(zhì)量換算,可以求出質(zhì)量流量。二者結(jié)構(gòu)存在差異,主要是渦輪轉(zhuǎn)子葉片安裝角度不同,測(cè)量氣體用渦輪轉(zhuǎn)子葉片安裝角度10°~15°,測(cè)量液體用流量計(jì)葉片安裝角度為30°。渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。
3渦輪流量計(jì)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)方案
液壓計(jì)量缸可采用柱塞式或活塞式2種設(shè)計(jì)方案。二者原理均為推油流量值等于運(yùn)動(dòng)部件(柱塞或者活塞)單位時(shí)間內(nèi)排開的液體體積。假設(shè)液體不可壓縮,則排開的液體體積與運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)體積相等。運(yùn)動(dòng)部件的體積為:
V=A?t
式中:A為運(yùn)動(dòng)部件截面積;r為運(yùn)動(dòng)速度;t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間。.
當(dāng)柱塞和活塞面積相等時(shí),推油流量值僅取決于其運(yùn)動(dòng)速度。采用相同有效作用面積的柱塞式和活塞式計(jì)量缸,運(yùn)動(dòng)速度相同時(shí)推油流量值相等。但柱塞式計(jì)量缸對(duì)于計(jì)量液壓缸缸簡(jiǎn)內(nèi)壁加工質(zhì)量要求低,工藝性和經(jīng)濟(jì)性好。活塞式計(jì)量缸因運(yùn)動(dòng)活塞直接與缸簡(jiǎn)內(nèi)壁接觸,故而需精加工，同時(shí)需考慮活塞動(dòng)密封,否則泄漏量會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不可忽略的影響。
通過(guò)上述比較分析，本裝置確定采用雙柱塞式計(jì)量缸作為渦輪流量計(jì)校準(zhǔn)的推油計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),大柱塞推油流量范圍是50~3000L/h,小柱塞單獨(dú)運(yùn)動(dòng)推油流量范圍為2~60L/h,大小柱塞有重合測(cè)量范圍,從而保證了整體測(cè)量流量的連續(xù)性,可滿足較大量程范圍的使用要求。為正確控制計(jì)量柱塞的運(yùn)動(dòng)速度,裝置采用伺服電機(jī)-滾珠絲杠驅(qū)動(dòng),光柵尺一讀數(shù)頭實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量的速度一流量模式，滿足穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)需求。校準(zhǔn)裝置的構(gòu)成原理如圖2所示。
伺服電機(jī)是本裝置的動(dòng)力元件,可以將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰啤Ｓ缮衔粰C(jī)通過(guò)控制器完成對(duì)伺服電機(jī)的起停及轉(zhuǎn)速控制。正常情況下，可以控制脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)正確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與停止的位置。因此可以通過(guò)控制脈沖數(shù)來(lái)控制電機(jī)的角位移量,實(shí)現(xiàn)正確定位。本文設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)裝置中采用電機(jī)的編碼器分辨率為20bit,即每轉(zhuǎn)為1048576個(gè)脈沖,由此經(jīng)傳動(dòng)比和滾珠絲杠導(dǎo)程可計(jì)算出其位置控制精度滿足流量計(jì)量要求;通過(guò)控制脈沖頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度的控制,對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。
被檢渦輪流量計(jì)兩端安裝有調(diào)節(jié)閥門,調(diào)節(jié)管路的通斷,同時(shí)便于更換流量計(jì),防止油液流出。在柱塞式計(jì)量缸的運(yùn)動(dòng)滑塊連桿上安裝有光柵尺,用來(lái)測(cè)量柱塞連桿的速度與位移,并反饋給上位機(jī)。裝置整體由上位機(jī)控制，設(shè)定伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速與柱塞連桿位移值,通過(guò)光柵尺與讀數(shù)頭的配合反饋運(yùn)動(dòng)速度與位移,并可實(shí)現(xiàn)渦輪流量輸出信號(hào)與柱塞缸推油流量信號(hào)的在線比較,實(shí)現(xiàn)直觀、可視的結(jié)果輸出。同時(shí)布置于管路中的壓力傳感器與溫度傳感器實(shí)時(shí)采集信號(hào),反饋給上位機(jī)，便于比較分析不同運(yùn)動(dòng)速度時(shí)的壓降及對(duì)渦輪流量計(jì)的影響。行程開關(guān)起到限位保護(hù)的功能，當(dāng)光柵尺讀數(shù)頭運(yùn)動(dòng)到極限位置觸碰到行程開關(guān)，使運(yùn)動(dòng)停止,同時(shí)在軟件中加人限位保護(hù)功能。
上位機(jī)27支持多種信號(hào)采集且實(shí)時(shí)性強(qiáng),便于實(shí)現(xiàn)高性能標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試與正確的自動(dòng)過(guò)程控制。小.慣量伺服伺服電機(jī)1通過(guò)減速器2驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠6,絲杠6上的滑塊推動(dòng)柱塞式計(jì)量缸10的柱塞連桿運(yùn)動(dòng),推動(dòng)計(jì)量缸10內(nèi)的油液流向被校流量計(jì)19或20,不考慮缸的泄漏和油的壓縮性,流量正比于柱塞式計(jì)量缸10的移動(dòng)速度即伺服電機(jī)1的轉(zhuǎn)速(和輸人電機(jī)的脈沖頻率成正比)。為獲得不同行程內(nèi)計(jì)量缸的平均速度,用光柵尺配合讀數(shù)頭5來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量柱塞連桿的位移。
4校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)
4.1實(shí)驗(yàn)裝置
基于，上述設(shè)計(jì)方案搭建的校準(zhǔn)裝置實(shí)物如圖3所示，可見柱塞式計(jì)量缸的大柱塞伸出。為了保證運(yùn)動(dòng)的直線度以及減少因直線度差以增加運(yùn)動(dòng)阻力,安裝時(shí)滾珠絲杠與柱塞缸布置需保證較好的直線度。因?yàn)橛拖涓哂谟?jì)量缸,充油主要通過(guò)開關(guān)閥并借助油液自重完成。
通過(guò)上位控制機(jī)設(shè)定計(jì)量缸柱塞推油行程600mm、運(yùn)動(dòng)速度20mm/s,觀察并記錄推油流量與運(yùn)動(dòng)位移量。根據(jù)光柵尺測(cè)量值,計(jì)算運(yùn)動(dòng)速度,得到柱塞位移和推油流量曲線見圖4。
圖4表明,校準(zhǔn)裝置可達(dá)到設(shè)定位移值,且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),由光柵尺測(cè)得的推油速度計(jì)算出推油流量為13.11L/min。實(shí)際推油流量值在13.1L/min小范圍內(nèi)波動(dòng),波動(dòng)小于8%0。另外,裝置在初始運(yùn)動(dòng)時(shí)有約2s延遲,主要由于靜摩擦和機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)滯后。但柱塞開始運(yùn)動(dòng)后,推油流量響應(yīng)迅速，產(chǎn)生階躍后快速到達(dá)穩(wěn)態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明，該校準(zhǔn)裝置可以達(dá)到設(shè)定的位移值并輸出平穩(wěn)正確的流量值。
4.2渦輪流計(jì)特性
流量校準(zhǔn)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)有流量范圍、不確定度穩(wěn)定性和溫度范圍等,其中穩(wěn)定性為基本性能指標(biāo)，是必須滿足的指標(biāo)，否則校準(zhǔn)裝置無(wú)法正常使用。
流量穩(wěn)定性分為累積時(shí)間內(nèi)流量穩(wěn)定性和累積時(shí)間之間的流量穩(wěn)定性。累積時(shí)間內(nèi)流量穩(wěn)定性檢定,是指在一段連續(xù)的時(shí)間內(nèi),頻繁連續(xù)的測(cè)量n個(gè)信號(hào),按照規(guī)定公式進(jìn)行計(jì)算;累積時(shí)間之間的流量穩(wěn)定性檢定,是指在連續(xù)的n(n≥10)個(gè)周期中,測(cè)量每一個(gè)周期的平均流量值,據(jù)此計(jì)算流量穩(wěn)定性。評(píng)估累計(jì)時(shí)間之間的流量穩(wěn)定性,對(duì)檢驗(yàn)流量的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及確定系統(tǒng)中穩(wěn)定裝置的有效性意義重大。其計(jì)算式為[8]:
其中:t為置信度為95%時(shí)的置信因子,當(dāng)n=10時(shí),t=2.23;`q為10次測(cè)量的流量平均值。
渦輪流量計(jì)的另一個(gè)重要特性就是其儀表系，數(shù),儀表系數(shù)K表示單位體積流體通過(guò)渦輪流量計(jì)時(shí)傳感器輸出的信號(hào)脈沖數(shù)”]。當(dāng)流動(dòng)介質(zhì)處于一定的流量范圍以及粘度范圍內(nèi)時(shí),渦輪流量計(jì)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)值與流經(jīng)流量計(jì)的流量值存在如下關(guān)系:
式中:f為渦輪流量計(jì)輸出脈沖頻率;K為渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù);q,為通過(guò)渦輪流量計(jì)的流量。
儀表系數(shù)在穩(wěn)定流動(dòng)的情況下為-常值,但實(shí)際流動(dòng)中,渦輪流量計(jì)本身的機(jī)械摩擦力矩、流體粘性阻力矩等都在不斷變化,考慮到這些因素,儀表系數(shù)是變化的,它的特性曲線見圖5[1]。
由圖5可見,在初始某范圍內(nèi),流量計(jì)無(wú)輸出信號(hào),此時(shí)圖5中的最小流量值為渦輪流量計(jì)的始動(dòng)流量。始動(dòng)流量主要受渦輪轉(zhuǎn)子與支承軸承軸間機(jī)械摩擦阻力矩的影響,阻力矩越大則始動(dòng)流量越大,從而使流量有效測(cè)量范圍減小。當(dāng)流量超過(guò)始動(dòng)流量,渦輪流量計(jì)開始輸出信號(hào),但此時(shí)處于非線性區(qū),并不適合作穩(wěn)態(tài)測(cè)量。當(dāng)流量繼續(xù)增大，進(jìn)入儀表的線性測(cè)量范圍時(shí),儀表可用來(lái)測(cè)量穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。當(dāng)流量值繼續(xù)增大,超過(guò)最大流量時(shí),出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象,此時(shí)會(huì)對(duì)儀表造成損壞,不再適合測(cè)量。由圖5可以看出,在儀表的線性測(cè)量范圍內(nèi),儀表系數(shù)K值是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的。
實(shí)驗(yàn)中流量計(jì)有效測(cè)量范圍是1.9~19L/min,依據(jù)實(shí)驗(yàn)檢定規(guī)程,流量檢定實(shí)驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)包括:qmax、0.7qmax、0.4qmax、0.25qmax、0.15qmax、0.07qmax和q9min，這7個(gè)流量點(diǎn),但因?yàn)閷?shí)驗(yàn)重在對(duì)渦輪流量計(jì)特性的研究,而不是校準(zhǔn)流量計(jì)，因此結(jié)合校準(zhǔn)裝置的實(shí)際情況,將流量檢定點(diǎn)確定為:18.31,13.56,8.14,5.43,3.39,1.36,0.20,L/min。之后根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算渦輪平均儀表系數(shù),線性度以及重復(fù)性等參數(shù)。
4.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
根據(jù)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中流量穩(wěn)定性要求，對(duì)最大及最小流量?jī)煞N狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量,每種狀態(tài)測(cè)量10次,按照式(1)處理。表1是通過(guò)整理而得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
根據(jù)式(1)計(jì)算得到:Eqmin=0.03%o,Eqmax=0.2%o,校準(zhǔn)裝置的流量穩(wěn)定性為0.2%0。本裝置具有較低的測(cè)量不確定度,很大程度上是因?yàn)樗欧姍C(jī)擁有極高的位置控制精度(考慮10:1的減速比,10mm的滾珠絲杠導(dǎo)程及自身傳動(dòng)誤差,推油活塞位置精度理論上可達(dá)0.01μm),可以正確控制活塞的行程,從而保證推油量的穩(wěn)定。
根據(jù)流量檢定點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到的渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)特性曲線如圖6所示。圖6顯示,渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)在流量計(jì)有效量程范圍內(nèi)基本恒定，上下有小范圍波動(dòng),在小于最小量程時(shí)誤差較大,不適宜測(cè)量。
為研究校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)渦輪流量計(jì)標(biāo)定儀表系數(shù)的影響規(guī)律,在相同行程時(shí)研究不同柱塞推油速度對(duì)儀表系數(shù)的影響。
圖7為100mm和400mm行程時(shí)不同柱塞推油速度時(shí)流量計(jì)儀表系數(shù)實(shí)驗(yàn)曲線。由圖7可見，在渦輪流量計(jì)的有效量程范圍內(nèi),100mm;和400mm行程在不同速度時(shí),渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)基本穩(wěn)定保持在6500L-T附近,存在小范圍波動(dòng)。
具體分析.上述2種行程、不同推油速度的流量計(jì)特性曲線圖可以看出,2條曲線儀表系數(shù)分別為6492.699L-1和6492.613L-1,數(shù)值接近,偏差很小。線性度分別為0.127%和0.167%,重復(fù)性為0.0903%和0.0871%，這表明在流量計(jì)有效量程范圍內(nèi),固定行程時(shí),運(yùn)動(dòng)速度對(duì)儀表系數(shù)K影響很小。
實(shí)驗(yàn)測(cè)得的渦輪流量計(jì)的平均儀表系數(shù)為6493.247L-1,與出廠資料給定值6495.988L-1,二者偏差為0.04%，由此驗(yàn)證了裝置的有效性。相同計(jì)量柱塞推油行程和不同推油速度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在渦輪流量計(jì)有效量程范圍內(nèi),校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中的計(jì)量缸推油速度對(duì)流量計(jì)儀表系數(shù)影響很小。
5結(jié)論
開展了基于柱塞式計(jì)量缸的渦輪流量計(jì)校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)及相關(guān)實(shí)驗(yàn),主要完成了以下工作:(1)根據(jù)計(jì)量航空動(dòng)力裝置燃滑油流量的渦輪流量計(jì)流量范圍及實(shí)際需求,電機(jī)-減速器-滾珠絲杠-計(jì)量缸的流量計(jì)校準(zhǔn)裝置;(2)在研制的校準(zhǔn)系統(tǒng)上開展了探究，不同柱塞行程和推油速度對(duì)渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)的影響，驗(yàn)證了校準(zhǔn)裝置的有效性。當(dāng)推油流量在渦輪流量計(jì)有效量程內(nèi)時(shí),計(jì)量缸柱塞運(yùn)動(dòng)速度對(duì)儀表系數(shù)的影響較小。
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