摘(zhai)要:研究了雙(shuāng)柱塞計量缸(gāng)的流量計校(xiao)準裝置,通過(guo)系統🐕控制與(yǔ)計算實現計(ji)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(yào)求。分析了該(gai)裝置的結🧡構(gòu)特點和設計(ji)方法,通🛀🏻過仿(páng)真分析對其(qi)性能進行初(chū)步評估。研究(jiū)了校準計量(liàng)柱塞行程和(hé)移動速度對(dui) 渦輪流量計(ji) 儀表系數的(de)影響,給出了(le)建議的校準(zhun)實驗條件。結(jié)果表明㊙️,采用(yong)該校準裝置(zhi)可滿足寬量(liàng)程液體流量(liang)計校準,燃油(yóu)渦輪流量計(ji) 量穩定性在(zai)0.2%内。
1引言
　　燃油(yóu)及控制系統(tǒng)是以航空發(fā)動機爲代表(biǎo)的動力裝㊙️置(zhì)的重要組成(chéng)之一。随着FADEC技(jì)術的發展及(ji)新一代發動(dòng)機性能方案(an)的逐步明确(que),對發動機關(guan)鍵性能參數(shù)的🐇測量精度(dù)等級也逐步(bu)提高。供油量(liang)及燃油流量(liang)是發動機典(diǎn)型🌈控制回路(lu)的參數,常爲(wèi)發動機控制(zhi)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(jié)果的置信度(dù)具有重要的(de)工程意‼️義。與(yǔ)其它流量計(jì)🏃‍♂️相比,渦輪流(liú)量計測量精(jing)度高、量程範(fàn)圍寬、重複性(xing)和🍉動态特性(xing)好。但長⛱️期✂️使(shǐ)用後,由🌈于腐(fu)蝕和磨損等(deng)因素📱的綜合(hé)影響,其儀表(biǎo)系數必然發(fa)生變化,使測(cè)👄量結果出現(xiàn)較大誤差。發(fa)動機控制系(xì)統的各類地(di)面試驗長期(qi)缺乏一種正(zheng)确、簡易的實(shí)🔞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(zhi)信度和試驗(yàn)技術的發展(zhan)。
　　本文以渦輪(lún)流量計爲對(duì)象,在自行設(she)計的校準實(shi)驗裝🥰置上,對(dui)✂️渦輪流量計(jì)不同工況下(xia)的特性進行(hang)校準實驗,研(yan)究主要試驗(yàn)參數對校準(zhun)結果的影響(xiang)🔴。
2渦輪流量計(jì)
　　容積式流量(liàng)計、 差壓式流(liu)量計 與 浮子(zi)流量計 在流(liu)量測量中應(ying)用最爲廣泛(fan)。渦輪流量計(jì)是速度式流(liú)量計的🚶‍♀️一種(zhǒng),與容積式流(liu)量計和科裏(li)奧利質量流(liú)量計是三類(lei)重複性和精(jīng)度最佳的産(chǎn)品。渦輪流量(liàng)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(ce)量中得到應(yīng)用。渦輪流✂️量(liàng)計可用于測(cè)量氣體與液(yè)體的體積流(liu)量，通過質量(liàng)換算,可以求(qiu)出質量流量(liang)。二者結構存(cun)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼在差異,主要(yao)是渦輪轉子(zi)葉片安裝角(jiao)度不同,測量(liàng)氣體用渦輪(lún)轉子葉片安(ān)裝角度10°~15°,測量(liang)液體用流量(liang)計葉片安裝(zhuang)角度爲30°。渦輪(lún)流量計結構(gòu)原理圖如圖(tú)1所示。

3渦輪流(liú)量計校準裝(zhuāng)置設計方案(àn)
　　液壓計量缸(gang)可采用柱塞(sai)式或活塞式(shì)2種設計方案(an)。二🛀🏻者原🆚理⛱️均(jun)🐪爲推油流量(liàng)值等于運動(dong)部件(柱塞或(huo)者活塞)單🎯位(wèi)時♍間内排開(kāi)的液體體積(ji)。假設液體不(bu)可壓縮🈲,則排(pai)開的液體體(ti)積與運動部(bù)件的運動體(ti)積相等。運動(dòng)部件的體積(jī)爲:
V=A?t
式中:A爲運(yun)動部件截面(mian)積;r爲運動速(su)度;t爲運動時(shí)間。.
　　當柱塞和(hé)活塞面積相(xiang)等時,推油流(liu)量值僅取決(jué)于✍️其🏃‍♀️運😍動速(sù)度。采用相同(tong)有效作用面(miàn)積的柱塞式(shì)和活塞式計(ji)量缸,運動速(sù)度相同時推(tuī)油流量值相(xiang)等☁️。但柱塞式(shì)計量缸對于(yú)計量液壓缸(gāng)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(gāng)因運動活塞(sai)直接與缸簡(jiǎn)内⭐壁接觸,故(gu)而需精加工(gōng)，同💁時需考慮(lǜ)活塞✊動密封(feng),否則洩漏量(liang)會對實驗結(jié)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(jì)👨‍❤️‍👨量缸作爲渦(wo)🌈輪流量計校(xiào)準的推油計(jì)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(dong)推油流量範(fàn)🥵圍爲2~60L/h,大小柱(zhù)塞有重合測(cè)量範圍,從而(er)保證了整體(tǐ)測量流量的(de)連續性,可滿(mǎn)足較大量程(chéng)範圍的使用(yong)♍要求。爲正确(que)控制計量柱(zhu)塞的運動速(su)💁度,裝置采用(yong)😍伺服電機-滾(gǔn)珠絲杠驅動(dong),光栅尺一讀(dú)數頭實現位(wèi)移測量的速(su)度一流量模(mo)式，滿足穩态(tài)及動态校準(zhun)🎯需🚩求。校準裝(zhuang)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(xìn)号轉變💜爲角(jiao)🏒位移。由上位(wei)機通過控制(zhì)器完成對伺(sì)服電機的起(qǐ)停及轉速控(kong)🥰制。正常情況(kuàng)下，可以控制(zhi)💰脈沖信号的(de)頻率和脈💜沖(chòng)數正确控制(zhi)電機的轉速(su)與停止的位(wèi)置。因此可以(yi)通過㊙️控制脈(mo)沖數來控制(zhì)電機的角位(wei)☀️移量,實現正(zhèng)确定位。本文(wen)設計的校準(zhun)🚶裝置中采用(yòng)電機的編碼(mǎ)器分辨率爲(wèi)20bit,即每轉爲1048576個(ge)脈沖,由此經(jīng)傳動比和滾(gun)珠絲杠導㊙️程(cheng)可計算出其(qi)位置控制精(jīng)度滿足流量(liàng)計量要求;通(tong)過控制脈沖(chòng)頻率實現♋對(duì)電機轉動速(su)度和加速度(du)的控制,對電(dian)機進行調速(sù)。
　　被檢渦輪流(liu)量計兩端安(ān)裝有調節閥(fa)門,調節管路(lù)的通斷,同時(shí)便于更換流(liu)量計,防止油(yóu)液流出。在柱(zhù)⛹🏻‍♀️塞式計量缸(gang)的運動滑塊(kuai)🙇‍♀️連杆上安裝(zhuang)有光栅尺,用(yòng)來測量柱塞(sāi)連杆的速🔞度(du)與位移,并反(fan)饋給上位機(jī)🐉。裝置整體由(yóu)上位機控制(zhi)，設定伺服電(diàn)機轉速與柱(zhù)📱塞連杆位移(yi)值,通過光栅(shan)尺與讀數頭(tou)的配合反饋(kuì)🔞運動速度與(yǔ)位♻️移,并可實(shi)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(shì)的🏃結果輸出(chu)。同時布🈲置于(yú)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(shang)位機，便于比(bǐ)✊較分析不同(tóng)運動速度時(shi)的壓降及對(duì)渦⛷️輪流量計(jì)的影響。行程(cheng)📱開關起到限(xiàn)位保護的功(gong)能，當光栅尺(chi)😍讀數頭運動(dong)到極限位置(zhì)觸碰到行程(chéng)開關，使運動(dòng)停止,同時在(zài)軟件中加人(rén)限位保護功(gong)能👌。
　　上位機27支(zhī)持多種信号(hao)采集且實時(shí)性強,便于實(shi)現高性能标(biao)準化測試與(yu)正确的自動(dòng)過程控制。小(xiao).慣量伺服伺(si)服電機1通☁️過(guo)減速器2驅動(dong)滾珠絲杠6,絲(sī)杠6上的滑塊(kuai)推動柱塞式(shì)🛀計量缸10的柱(zhù)塞💃連杆運動(dong),推動計量缸(gang)❓10内的油液流(liú)向被校🏃‍♂️流量(liang)計19或20,不考慮(lǜ)缸㊙️的洩漏和(hé)油的壓縮性(xing),流量正比于(yu)柱🔅塞式計量(liàng)缸10的移動速(sù)度即伺服電(dian)機1的轉速(和(hé)輸人電機的(de)脈沖頻率成(cheng)正比)。爲獲得(dé)不同行程内(nei)計量缸的平(ping)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(yàn)裝置
　　基于，上(shang)述設計方案(an)搭建的校準(zhun)裝置實物如(ru)圖3所示，可見(jiàn)柱塞式計量(liang)缸的大柱塞(sāi)伸出。爲了保(bǎo)證運動的直(zhi)線度以及減(jian)✉️少因直線度(du)差以增加運(yun)動阻力,安裝(zhuang)時滾珠絲杠(gàng)與柱塞缸布(bu)置需保證較(jiào)好的❗直線度(du)。因爲油箱高(gāo)于計量缸,充(chōng)油主要通過(guò)開關閥并借(jie)助油液自重(zhong)完成。

　　通過上(shàng)位控制機設(shè)定計量缸柱(zhu)塞推油行程(chéng)600mm、運動速度20mm/s,觀(guan)察♈并💰記錄推(tuī)油流量與運(yun)動位移量。根(gēn)據光栅尺測(cè)量值,計算運(yun)動速🐆度,得到(dào)柱塞位移和(he)推油流量曲(qu)線見圖4。

　　圖4表(biǎo)明,校準裝置(zhì)可達到設定(ding)位移值,且運(yùn)動平穩,由光(guāng)栅尺測㊙️得的(de)推油速度計(jì)算出推油流(liu)量爲13.11L/min。實際推(tui)油流量值在(zai)13.1L/min小範圍内波(bō)動,波動小于(yú)8%0。另外,裝置在(zài)初始運動時(shí)有約2s延遲,主(zhu)要由于靜摩(mó)擦和機🌍械間(jiān)隙引起的運(yun)動滞後。但柱(zhu)塞開始運動(dòng)後,推油流量(liang)響應迅速，産(chǎn)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(zhi)🐉。
4.2渦輪流計特(tè)性
　　流量校準(zhun)裝置的主要(yào)技術指标有(yǒu)流量範圍、不(bú)确定度穩⛹🏻‍♀️定(ding)性和溫度範(fan)圍等,其中穩(wěn)定性爲基本(ben)性能指标，是(shi)必須滿足⭕的(de)指标，否則校(xiao)準裝置無法(fa)正💰常使用。
　　流(liú)量穩定性分(fen)爲累積時間(jian)内流量穩定(dìng)性和累積🍓時(shi)間之間的流(liú)量穩定性。累(lèi)積時間内流(liu)量穩定性檢(jian)定,是指在一(yī)段連續的時(shi)間内,頻繁連(lian)續的測量n個(ge)信号,按照規(gui)定公式進行(hang)計算;累積🐕時(shi)間之間的流(liú)量穩定性檢(jiǎn)定,是指在連(lian)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(liàng)穩定性。評😍估(gū)累計時間之(zhī)間的流量穩(wen)定🌈性,對檢驗(yàn)流量的長期(qī)穩定性及确(què)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(zhi)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(jun)值。
　　渦輪流量(liang)計的另一個(ge)重要特性就(jiu)是其儀表系(xi)，數,儀表系🌈數(shu)K表示單位體(tǐ)積流體通過(guo)渦輪流量計(ji)時♉傳感器輸(shu)出的⛹🏻‍♀️信号♊脈(mò)沖數”]。當流動(dòng)介質處于一(yī)定的流量🌐範(fàn)圍以及粘度(du)範圍内時,渦(wo)輪流量計轉(zhuǎn)子穩定運轉(zhuǎn)🏃輸出的脈沖(chong)數值與流經(jīng)流量計的流(liu)量值存在如(ru)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(tōng)過渦輪流量(liang)計的流量。
　　儀(yí)表系數在穩(wen)定流動的情(qing)況下爲-常值(zhi),但實際流動(dòng)中,渦輪流量(liang)計本身的機(ji)械摩擦力矩(ju)、流體粘性阻(zu)力矩等都在(zài)不斷變化,考(kǎo)慮到這些因(yin)素,儀表系數(shù)是變化的,它(tā)的特性曲線(xiàn)見圖5[1]。

　　由圖5可(kě)見,在初始某(mou)範圍内,流量(liàng)計無輸出信(xìn)号,此時圖5中(zhōng)的最小流量(liang)值爲渦輪流(liú)量計的始動(dòng)流量🌈。始動流(liú)量主要㊙️受渦(wō)輪轉子與支(zhī)承軸承軸間(jian)機械摩擦阻(zǔ)力矩的影響(xiang),阻力矩越大(da)則始🐇動流量(liang)越大,從而使(shǐ)流🙇‍♀️量有效測(ce)⛹🏻‍♀️量範圍減小(xiǎo)。當流量超過(guò)始動😘流量,渦(wo)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(liu)量繼續增大(dà)，進入儀表的(de)線性測量範(fàn)圍時,儀表可(kě)用來測量穩(wen)态流動。當流(liú)量值繼續增(zēng)🔞大,超過最大(dà)流量時❄️,出現(xian)氣蝕現象,此(ci)時🧑🏽‍🤝‍🧑🏻會對儀表(biao)造成損壞㊙️,不(bu)再适合測量(liàng)。由圖🥰5可以看(kàn)出,在儀表的(de)線性💛測量範(fan)圍内,儀表系(xì)數K值是在一(yi)定範圍内波(bo)動的💁。
　　實驗中(zhong)流量計有效(xiào)測量範圍是(shì)1.9~19L/min,依據實驗檢(jiǎn)定規程🔅,流量(liàng)檢🏒定實驗點(diǎn)應包括:qmax、0.7qmax、0.4qmax、0.25qmax、0.15qmax、0.07qmax和q9min，這(zhè)7個流量點,但(dan)因爲實驗重(zhòng)在對渦輪流(liú)量計特性的(de)研究,而不是(shi)校準流量計(jì)，因此結合校(xiào)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(gēn)💁據實驗數據(jù),計算渦輪平(ping)均儀🐅表系數(shù),線性👈度以及(ji)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(zhong)流量穩定性(xìng)要求，對最大(dà)及最小流量(liàng)兩種狀态進(jin)行測量,每種(zhǒng)狀态測量10次(ci),按照式(1)處理(li)。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(ding)性爲0.2%0。本裝置(zhi)具有較低的(de)測量不确定(ding)度,很大程度(dù)上是因爲⁉️伺(si)服電機擁有(yǒu)❌極高的位置(zhì)控制精度(考(kǎo)慮10:1的減速🔞比(bǐ),10mm的滾⭐珠絲杠(gàng)🏃🏻‍♂️導程及自身(shen)傳動誤差,推(tui)油活塞位置(zhì)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(er)保證推油量(liàng)的穩定。
　　根據(jù)流量檢定點(diǎn)進行實驗,得(de)到的渦輪流(liú)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(xi)數在流量計(ji)有😄效量程範(fàn)圍内基本恒(heng)定，上下有小(xiao)範⚽圍波動,在(zài)小于最小量(liang)🥵程時誤差較(jiao)大,不适宜測(ce)量。

　　爲研(yan)究校準實驗(yan)參數對渦輪(lún)流量計标定(ding)儀表系數的(de)影♉響🈲規律,在(zai)相同行程時(shí)研究不同柱(zhu)塞推油速度(du)對儀表系數(shu)的📞影響。
圖7爲(wei)100mm和400mm行程時不(bu)同柱塞推油(yóu)速度時流量(liang)計儀表系✨數(shù)實☂️驗曲線。由(yóu)圖7可見，在渦(wō)輪流量計的(de)有效量程範(fàn)圍内,100mm;和400mm行程(cheng)在不同速度(dù)時,渦輪流量(liàng)計儀表系數(shu)基本穩定㊙️保(bao)持在🐕6500L-T附近,存(cún)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(ji)特性曲⁉️線🌂圖(tú)可以看出,2條(tiáo)曲線儀表系(xi)數分别爲6492.699L-1和(he)6492.613L-1,數值接近,偏(pian)差很小。線性(xìng)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(liu)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(cè)得的渦輪流(liu)量計的平均(jun1)儀表系數爲(wèi)6493.247L-1,與出廠♊資料(liào)給定值6495.988L-1,二者(zhe)偏差爲0.04%，由此(ci)驗證了裝置(zhì)的有效性。相(xiang)同計量柱塞(sai)推油行程和(hé)不同推油速(sù)度的實驗結(jie)果表明在渦(wo)輪流量計有(yǒu)效量🈲程範圍(wéi)内,校準實驗(yàn)中的計量缸(gang)推油速度🔅對(duì)流量計儀表(biǎo)系數㊙️影響很(hen)小。
5結論
　　開展(zhan)了基于柱塞(sai)式計量缸的(de)渦輪流量計(jì)校準裝置的(de)設計及相關(guān)實驗,主要完(wán)成了以下工(gong)作:(1)根據計量(liang)航空動力裝(zhuāng)置燃滑油流(liu)量的渦輪流(liu)量計流量範(fàn)圍及實際✉️需(xu)求,電機-減速(su)器-滾珠♻️絲杠(gang)-計量缸的流(liu)量計校準裝(zhuang)置;(2)在研制的(de)校準系統上(shàng)開展了探究(jiū)，不同柱塞行(háng)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(xing)。當推油流量(liang)在渦輪流量(liang)計有效量程(cheng)内時,計量缸(gang)柱塞運動速(su)度對儀表系(xì)數❌的影響較(jiao)小。

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