摘(zhai)要:研究了雙(shuāng)柱塞計量缸(gang)的流量計校(xiào)準裝置,通過(guo)系統控制與(yǔ)計算實現計(jì)量缸計量流(liú)量與被校流(liú)量計測量流(liú)量的在線對(duì)比,以滿足寬(kuan)量程和精💋度(du)佳的校準要(yao)⁉️求。分析了該(gai)裝置的結構(gou)特點和設♋計(jì)方法,通過仿(pang)真分析對其(qi)性🛀能進行初(chu)步評估。研究(jiū)了校準計量(liang)柱塞行程和(hé)移動速度對(dui) 渦輪流量計(jì) 儀表系數的(de)影響,給出了(le)建議的校準(zhǔn)實驗條件。結(jié)果表明,采用(yòng)該校準裝置(zhi)可滿足寬量(liang)程液體流量(liang)計校準,燃油(you)渦輪流量計(jì) 量穩定性在(zài)0.2%内。
1引言
　　燃油(you)及控制系統(tong)是以航空發(fā)動機爲代表(biao)的動力裝✨置(zhi)的重要組成(chéng)之一。随着FADEC技(jì)術的發展及(ji)新一代🛀🏻發動(dong)機性能方㊙️案(àn)的逐步明确(que),對發動機關(guan)鍵性能參數(shu)的測量精度(du)等級也逐步(bù)提高。供油量(liang)及燃油☔流量(liàng)是發動機典(diǎn)型控制回路(lu)的參數,常🏃爲(wèi)發動機控制(zhì)系統中的控(kong)制量,其正确(què)檢測對👄提高(gāo)發動機各類(lei)地面試驗結(jie)果的置信度(du)具有重要的(de)工程意🌈義。與(yǔ)其它流量計(jì)相比,渦輪流(liu)量計🛀🏻測量精(jīng)度高、量🈲程範(fan)圍寬、重複性(xing)和動态特性(xìng)好。但長期使(shi)用後,由于腐(fǔ)蝕和磨損等(děng)因素的綜合(he)♻️影響,其儀表(biao)系數必🔴然發(fā)生變化,使測(ce)量結果出現(xian)較大誤差。發(fā)動機控✏️制系(xi)統的各😄類地(di)面試驗長期(qī)缺乏一種正(zheng)确、簡易的實(shi)驗室用校準(zhun)裝置對流量(liàng)計進行定期(qī)校準,一定程(cheng)度影響了試(shi)驗結果的置(zhì)信度和試驗(yàn)技術的🚩發展(zhan)。
　　本文以渦輪(lun)流量計爲對(dui)象,在自行設(shè)計的校準實(shí)驗🔞裝置💔上,對(dui)渦輪流量計(jì)不同工況下(xià)的特性進行(háng)校準實驗💘,研(yan)究主要試驗(yan)🏃參數對校準(zhun)結果的影響(xiǎng)👨‍❤️‍👨。
2渦輪流量計(jì)
　　容積式流量(liang)計、 差壓式流(liu)量計 與 浮子(zi)流量計 在流(liu)量測量中應(yīng)用最爲廣泛(fan)。渦輪流量計(ji)是速度🔞式❤️流(liu)量計的一種(zhǒng),與容積式流(liu)量計和科裏(li)奧利質量流(liu)量計是三類(lèi)重複性和精(jīng)度最佳的産(chan)品。渦輪流量(liang)計🍉因其轉動(dong)慣性小、測量(liang)精度和重複(fú)性較好等優(you)點在流量測(cè)量中得到應(ying)用。渦輪流量(liàng)計可用于測(cè)量氣體與液(ye)體的體積流(liú)量，通過質量(liang)換算,可以求(qiu)出質量⭐流量(liàng)。二者結構存(cún)在差異,主要(yào)是渦輪轉子(zǐ)葉片♻️安裝角(jiǎo)度不同,測量(liang)氣體用渦輪(lún)轉子葉片安(an)裝角度10°~15°,測量(liàng)液🤟體用流量(liang)計葉片✂️安🐅裝(zhuang)角度爲30°。渦輪(lún)流量計結構(gou)原理圖如圖(tú)㊙️1所示。

3渦輪流(liu)量計校準裝(zhuang)置設計方案(an)
　　液壓計量缸(gang)可采用柱塞(sāi)式或活塞式(shì)2種設計方案(àn)。二🧑🏾‍🤝‍🧑🏼者🤩原理😍均(jun)爲推油流量(liang)值等于運動(dòng)部件(柱塞或(huo)👄者活塞)單位(wèi)時間内排開(kāi)的液體體積(jī)。假設液體不(bu)可壓縮🛀,則排(pái)開的液體體(tǐ)積與運動部(bu)件的運動體(ti)積相等。運動(dòng)部件的體積(ji)爲:
V=A?t
式中:A爲運(yùn)動部件截面(miàn)積;r爲運動速(sù)度;t爲運動時(shí)間。.
　　當柱塞和(he)活塞面積相(xiang)等時,推油流(liú)量值僅取決(jué)于其🌈運動速(sù)度。采用相同(tóng)有效作用面(miàn)積的柱塞式(shi)和活塞式計(jì)量缸,運動速(su)度相同時推(tui)油流量值相(xiàng)等。但柱塞式(shi)計量缸對于(yú)計量液壓缸(gang)缸簡内壁加(jia)工質量要求(qiú)低,工藝性和(he)經濟性好。活(huo)塞式計量缸(gang)因運動活塞(sai)直接與缸簡(jian)内壁接觸,故(gù)而需精加工(gong)，同時需考慮(lü)活塞動密封(feng),否則洩漏量(liang)會對實驗結(jie)果産生不可(kě)忽略的影響(xiang)。
　　通過上述比(bi)較分析，本裝(zhuang)置确定采用(yòng)雙柱塞式計(ji)量缸⛷️作🌏爲渦(wō)輪流量計校(xiào)準的推油計(ji)量标準,大柱(zhù)塞推🌂油流量(liang)範🈲圍是50~3000L/h,小柱(zhu)⛱️塞單獨運動(dòng)推油流量範(fàn)圍爲2~60L/h,大小柱(zhù)塞有重合測(ce)量範圍,從而(er)保證了整體(tǐ)測量流量🌈的(de)連續性🤟,可滿(man)足較大量程(chéng)範圍的使用(yòng)要求。爲正确(que)控制計量柱(zhù)塞的運動速(sù)度,裝置采用(yòng)伺服電機-滾(gǔn)珠絲杠驅動(dòng),光栅尺一讀(du)數頭實現位(wèi)移測量的速(su)度一流量模(mó)🐪式，滿足穩态(tai)及動态校準(zhǔn)需求。校準裝(zhuāng)置的構成原(yuan)理如圖2所示(shi)。

　　伺服電機是(shì)本裝置的動(dong)力元件,可以(yǐ)将電脈沖信(xin)号轉變爲角(jiǎo)位移。由上位(wei)機通過控制(zhi)器完成對伺(si)服電機的起(qi)停及轉速控(kòng)制。正常情況(kuàng)下，可以控制(zhì)脈沖信号的(de)頻率和脈沖(chòng)數正确控制(zhi)電機的轉速(sù)與停止的位(wèi)置。因此可以(yi)通過控制脈(mo)沖數來控制(zhi)電機的角位(wèi)移量,實現正(zhèng)确定位。本文(wen)設計的校準(zhun)裝置中采用(yong)電機的編碼(mǎ)器分🌈辨率爲(wèi)20bit,即每轉爲1048576個(gè)脈沖,由此經(jing)傳動✨比和滾(gun)珠絲杠導程(cheng)可計算出其(qi)位置控制精(jing)度滿足🏃流量(liang)計量要求;通(tōng)過⁉️控制脈沖(chong)頻率實現對(dui)電機轉動速(su)度和加速度(du)的控制,對電(diàn)♻️機進行調速(su)。
　　被檢渦輪流(liú)量計兩端安(ān)裝有調節閥(fá)門,調節管路(lù)的通💃🏻斷🧡,同時(shí)便于更換流(liú)量計,防止油(you)液流出。在柱(zhu)🤟塞式計量缸(gāng)的運動滑塊(kuai)連杆上安裝(zhuāng)有光栅尺,用(yòng)🍓來測量柱塞(sai)連杆的速度(du)與位移,并反(fǎn)饋給上位機(ji)。裝置整體由(yóu)上位機😄控制(zhi)，設定伺服電(dian)機轉速與柱(zhu)塞連杆位移(yi)值,通過光栅(shān)尺與讀數頭(tou)㊙️的配合反饋(kui)❓運動速度與(yu)🚶位☀️移,并可實(shí)現渦🎯輪流量(liàng)輸出信号與(yu)柱塞缸推油(you)流量信号的(de)在線比較⭐,實(shí)現直觀、可視(shi)的☎️結果輸出(chū)。同時布置于(yu)管路中的壓(yā)力傳感器與(yǔ)溫度傳感器(qì)實時采集信(xin)号,反饋給上(shàng)位機，便于比(bǐ)較分析不同(tóng)運動速度時(shi)的壓降及對(dui)渦輪流量計(jì)👄的影響。行程(cheng)開關起到限(xian)位保護的功(gōng)能，當光栅尺(chi)讀數頭運動(dòng)到極限位置(zhì)⁉️觸碰到♉行程(cheng)開關，使運動(dong)停止,同時在(zài)軟件中加人(ren)限位保護功(gong)能。
　　上位機27支(zhi)持多種信号(hao)采集且實時(shi)性強,便于實(shi)現高性能标(biāo)準化測試與(yu)正确的自動(dòng)過程控制。小(xiao).慣量伺服伺(sì)服電機1通過(guò)減速器2驅動(dòng)滾珠絲杠6,絲(si)杠6上的滑塊(kuai)推動柱塞式(shi)計量缸10的柱(zhù)塞連杆運動(dòng),推動計量缸(gāng)10内的油液流(liu)向被校流量(liàng)計19或20,不考慮(lü)缸🏃的洩漏和(he)油的壓縮性(xìng),流量正比于(yu)柱💔塞式計量(liàng)缸⭐10的移動速(su)度即伺服電(dian)機1的轉速(和(he)輸人電機的(de)脈沖頻率成(chéng)正比)。爲🚶獲得(dé)不同行程内(nèi)計量缸的平(píng)均⛱️速🔞度,用光(guang)栅尺配合讀(dú)數頭5來實時(shí)測量柱塞連(lian)杆的位移。
4校(xiao)準實驗
4.1實驗(yan)裝置
　　基于，上(shàng)述設計方案(àn)搭建的校準(zhǔn)裝置實物如(rú)圖3所示㊙️，可見(jian)柱塞式計量(liàng)缸的大柱塞(sai)伸出。爲了保(bao)證運動的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼直(zhi)線度以🔞及減(jiǎn)少因直線度(du)差以增加運(yùn)動阻力,安裝(zhuang)時滾珠絲杠(gang)與📱柱塞缸布(bu)置需保證較(jiao)好的直線度(dù)。因爲油箱高(gao)于計量缸,充(chong)油主要通過(guò)開關閥并借(jiè)助油液自重(zhòng)完成。

　　通過上(shang)位控制機設(shè)定計量缸柱(zhu)塞推油行程(cheng)600mm、運動速度20mm/s,觀(guān)察并記錄推(tui)油流量與運(yun)動位移量。根(gen)據光栅尺測(ce)量值,計算運(yùn)👌動速度,得到(dao)柱塞位移和(hé)推油流量曲(qǔ)線見圖4。

　　圖4表(biǎo)明,校準裝置(zhi)可達到設定(dìng)位移值,且運(yun)動平穩⛱️,由光(guāng)栅尺測得的(de)推油速度計(ji)算出推油流(liú)量爲13.11L/min。實💃際推(tuī)油流量值在(zài)13.1L/min小🍓範圍内波(bo)動,波動小于(yú)8%0。另外,裝置在(zai)初始運動時(shí)有約2s延遲,主(zhǔ)要由于🈲靜摩(mo)擦和機♋械間(jiān)隙引☔起的運(yun)動滞後。但柱(zhu)塞開始運🌈動(dong)後,推油流量(liàng)響應迅速，産(chan)生階躍後快(kuài)速到達穩态(tai)。實驗表✌️明，該(gai)校準裝置🏒可(kě)以達到設定(dìng)的位移值并(bing)輸出平穩正(zheng)确的❌流量值(zhí)。
4.2渦輪流計特(te)性
　　流量校準(zhǔn)裝置的主要(yao)技術指标有(you)流量範圍、不(bú)确🙇‍♀️定度⛹🏻‍♀️穩定(ding)性和溫度範(fàn)圍等,其中穩(wěn)定性爲基本(běn)性能指标，是(shi)必須滿足📱的(de)指标，否則校(xiào)準裝置無法(fǎ)正🏃‍♀️常使用㊙️。
　　流(liu)量穩定性分(fen)爲累積時間(jian)内流量穩定(ding)性和累積時(shi)間🍉之間的流(liu)量穩定性。累(lei)積時間内流(liú)量穩定性檢(jian)定,是指在一(yī)段連續的時(shí)間内,頻繁連(lián)續的測量n個(ge)信号,按照規(guī)定公式🆚進行(hang)計算;累積時(shi)間之間的流(liú)量穩定性檢(jian)定,是指在連(lián)續的n(n≥10)個周期(qi)💃中,測量每一(yi)個周期的平(ping)均流量值,據(jù)此計算流量(liang)穩定性。評估(gu)累計時間之(zhi)間的流量穩(wěn)定性,對檢驗(yàn)流量的長期(qī)穩定性及确(que)定系統中穩(wěn)定裝置的有(yǒu)效性意義重(zhong)😄大。其計算式(shi)爲[8]:

　　其中:t爲置(zhì)信度爲95%時的(de)置信因子,當(dang)n=10時,t=2.23;`q爲10次測量(liàng)的流量平均(jun1)值。
　　渦輪流量(liang)計的另一個(ge)重要特性就(jiù)是其儀表系(xì)，數,儀表系數(shù)K表示單位體(tǐ)積流體通過(guo)渦輪流量計(jì)時傳感器輸(shu)出的信号脈(mò)沖數”]。當流動(dong)介質處于一(yī)定的流量🏃範(fan)圍以及粘度(du)範圍内💋時,渦(wō)輪流量計轉(zhuǎn)子⛱️穩定運轉(zhuan)輸出的脈沖(chòng)數值與流經(jīng)流量計的流(liu)量值存在如(rú)下關系:

　　式中(zhong):f爲渦輪流量(liang)計輸出脈沖(chong)頻率;K爲渦輪(lun)流量計的儀(yi)表系數;q,爲通(tong)過渦輪流量(liang)計的流量。
　　儀(yi)表系數在穩(wen)定流動的情(qing)況下爲-常值(zhi),但實際流動(dong)中💛,渦輪流量(liàng)計本身的機(ji)械摩擦力矩(jǔ)、流體粘性♈阻(zu)力矩等都在(zài)不斷變化,考(kao)慮到這些因(yīn)素,儀表系數(shu)是變化的,它(ta)的特性曲線(xian)見圖5[1]。

　　由圖5可(kě)見,在初始某(mǒu)範圍内,流量(liang)計無輸出信(xìn)号,此時圖5中(zhong)的最小流量(liàng)值爲渦輪流(liú)量計的始動(dòng)流量。始動流(liu)量主要受渦(wō)✂️輪轉🈲子與支(zhi)承軸承軸間(jian)機械摩擦阻(zu)力矩的影響(xiang),阻力矩越大(dà)則始動流量(liang)越大,從而使(shǐ)流量有效測(cè)量範圍減小(xiao)。當流量超過(guo)始動流量,渦(wō)輪流量計開(kai)始輸出信号(hao),但此時處于(yu)非線👉性區,并(bing)不适合作穩(wen)态測量。當流(liú)量繼續增大(dà)，進入儀表的(de)線性測量範(fan)圍時,儀表可(kě)用來測量穩(wěn)态流動。當流(liú)量值繼續增(zeng)大,超過最大(dà)流量♊時,出現(xiàn)氣蝕現象,此(cǐ)時會對儀表(biao)造成損壞,不(bú)再适合測量(liàng)。由圖5可以看(kàn)出,在儀表的(de)線性測量範(fàn)圍内,儀表系(xì)數K值是在一(yī)定範圍内波(bo)動的。
　　實驗中(zhōng)流量計有效(xiao)測量範圍是(shì)1.9~19L/min,依據實驗檢(jian)定規程,流量(liang)檢定實驗點(diǎn)應包括:qmax、0.7qmax、0.4qmax、0.25qmax、0.15qmax、0.07qmax和q9min，這(zhe)7個流量點,但(dan)因爲實驗🚶‍♀️重(zhong)在對渦🏃‍♂️輪流(liu)量計特性的(de)研究,而不是(shì)校準流量計(ji)，因此結🏃‍♂️合校(xiao)準裝置的實(shi)際情況,将流(liú)量檢定點确(què)定爲:18.31,13.56,8.14,5.43,3.39,1.36,0.20,L/min。之後根(gen)🌈據實驗數據(jù),計算渦輪平(píng)均儀表系數(shu),線性度以及(jí)重複性等參(cān)數。
4.3實驗數據(jù)及分析
　　根據(ju)校準實驗中(zhōng)流量穩定性(xìng)要求，對最大(da)及最小流量(liang)兩種狀态進(jìn)行測量,每種(zhong)狀态測量10次(ci),按照式(1)處理(lǐ)⭐。表1是🌈通過整(zhěng)理⛷️而得到的(de)實驗數據。

　　根(gen)據式(1)計算得(dé)到:Eqmin=0.03%o,Eqmax=0.2%o,校準裝置(zhi)的流量穩定(dìng)性爲0.2%0。本裝置(zhì)具有較低的(de)測量不确定(dìng)度,很大程度(du)上是因爲伺(si)服電機📐擁有(you)極高的位置(zhì)控制精度(考(kao)慮10:1的減速比(bǐ),10mm的滾珠絲杠(gàng)導程及💜自身(shēn)傳動誤差,推(tui)油活塞位置(zhi)精度理論上(shang)可達♊0.01μm),可以正(zhèng)确⭐控制活塞(sāi)的行程,從而(ér)保證推油量(liàng)的穩定。
　　根據(jù)流量檢定點(dian)進行實驗,得(de)到的渦輪流(liu)量計儀表系(xi)數特性曲線(xian)如圖6所示。圖(tú)6顯示,渦輪流(liu)量計儀表系(xì)數在流量計(ji)有效量程範(fan)圍内基本恒(héng)定，上下有小(xiǎo)範圍波動,在(zai)小于最小量(liàng)🍓程時誤差較(jiao)大,不适宜測(cè)量。

　　爲研(yan)究校準實驗(yàn)參數對渦輪(lun)流量計标定(ding)儀表系數的(de)影響規律,在(zai)相同行程時(shi)研究不同柱(zhù)塞推油速度(dù)對儀表系數(shù)的影響✂️。
圖7爲(wei)100mm和400mm行程時不(bú)同柱塞推油(yóu)速度時流量(liàng)計儀表系數(shù)實驗🆚曲🔅線。由(yóu)圖7可見，在渦(wo)輪流量計的(de)有效量程範(fàn)圍内🐕,100mm;和400mm行程(chéng)在♌不同速度(du)時,渦輪流量(liàng)計儀表系數(shu)基本穩定保(bǎo)持在⭐6500L-T附近,存(cun)🔴在小範圍波(bō)動。

　　具體分析(xi).上述2種行程(cheng)、不同推油速(sù)度的流量計(jì)特性曲線圖(tu)可以看出,2條(tiao)曲線儀表系(xi)數分别爲6492.699L-1和(he)6492.613L-1,數值接近,偏(piān)差很小。線性(xing)度分别爲0.127%和(he)0.167%,重複性爲0.0903%和(hé)0.0871%，這表明在流(liú)量計🌈有效量(liang)程範圍内,固(gu)定行程時,運(yùn)動速度對儀(yí)表系數K影響(xiang)很小。
　　實驗測(ce)得的渦輪流(liu)量計的平均(jun1)儀表系數爲(wei)6493.247L-1,與出廠資料(liao)給定值6495.988L-1,二者(zhe)偏差爲0.04%，由此(ci)驗證了裝置(zhi)的有效性。相(xiang)同☎️計量柱塞(sāi)推油行程和(he)不同推油速(sù)度的實驗結(jié)果表明在渦(wo)輪流量計有(yǒu)效量程範圍(wei)内,校準實驗(yàn)中🌈的計量缸(gāng)推油速度對(dui)流量計儀表(biǎo)系數影響很(hěn)小。
5結論
　　開展(zhǎn)了基于柱塞(sai)式計量缸的(de)渦輪流量計(ji)校準裝置的(de)💃🏻設計及相關(guan)實驗,主要完(wan)成了以下工(gong)作:(1)根據👈計量(liang)航空動力裝(zhuang)置燃滑油流(liú)量的渦輪流(liu)量計流量範(fàn)圍及實際需(xū)求,電機-減速(sù)器-滾珠絲杠(gang)-計量缸的流(liú)量計校準裝(zhuāng)置;(2)在研制的(de)校準系統上(shàng)開展了✊探究(jiu)，不同柱塞行(hang)程和推油速(sù)度對渦♈輪流(liu)量計儀表系(xì)數的影響🎯，驗(yan)證了校準裝(zhuāng)置的有效性(xìng)。當推油流量(liàng)在渦輪流量(liàng)🔞計有效🔆量程(cheng)内時,計量缸(gāng)柱塞運動⛹🏻‍♀️速(su)度對儀表系(xì)數的影響較(jiao)小。

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