摘要(yao):研究了雙柱塞(sāi)計量缸的流量(liàng)計校準裝置,通(tōng)過系統控制與(yu)計算實現計量(liang)缸計量流量與(yu)被校流量計測(ce)量流🙇🏻量的在線(xiàn)對比,以滿足寬(kuān)量程和精度佳(jia)的校準要求。分(fen)析了該裝置的(de)結構特點和設(she)計方法,通過仿(páng)真分析對其性(xìng)能進行初步評(ping)估。研究了校準(zhǔn)計量柱塞行程(chéng)和移動速度對(dui) 渦輪流量計 儀(yí)表系數的影響(xiǎng),給出了建議的(de)校準實驗條件(jiàn)。結果表明,采用(yong)💃🏻該校準裝置可(kě)滿足寬量程液(yè)體流量計校準(zhun),燃油渦輪流量(liàng)計 量穩定性在(zai)0.2%内。
1引言
　　燃油及(ji)控制系統是以(yi)航空發動機爲(wei)代表的動力裝(zhuāng)置的重要組成(chéng)之一。随着FADEC技術(shu)的發展及新一(yi)代發動機性能(neng)方案的逐步明(míng)确,對發動機關(guan)鍵性能參數的(de)測量精度等級(jí)也逐步㊙️提高。供(gong)油量及燃油流(liú)量是發🈲動機典(dian)型控制回路的(de)參數,常⁉️爲發動(dong)機🔴控制系統中(zhōng)✉️的控制量,其正(zhèng)确檢測對提高(gao)發動機各類地(dì)面試驗💚結果的(de)置信度🙇🏻具有重(zhong)要的工程意義(yì)。與其它🔆流量計(ji)相比,渦輪流量(liàng)計測量精度高(gāo)、量程範圍寬、重(zhong)複性和♈動态特(tè)性好。但長🈲期使(shi)用後,由于腐蝕(shi)和☎️磨損等因素(su)的綜合影響,其(qi)儀表系數必然(rán)發生變化,使測(ce)量結果出現較(jiao)大誤差。發動機(ji)控☀️制系統的各(gè)類地面試驗長(zhang)期缺乏一種正(zheng)确、簡易🛀🏻的實驗(yàn)室用校準裝置(zhi)對流量計✨進行(háng)定期校準,一定(dìng)程度影響了試(shì)驗結果的置信(xìn)度和試驗技術(shu)的發展。
　　本文以(yǐ)渦輪流量計爲(wèi)對象,在自行設(she)計的校準實驗(yàn)裝置上,對渦輪(lún)流量計不同工(gōng)況下的特性進(jin)行校準實驗,研(yán)究主要試驗參(can)數對校準結果(guo)的影響。
2渦輪流(liu)量計
　　容積式流(liu)量計、 差壓式流(liu)量計 與 浮子流(liu)量計 在流量測(ce)量中應用最爲(wei)廣泛。渦輪流量(liang)計是速度式流(liú)量計的一種,與(yu)容積式流量計(ji)和科裏奧利質(zhì)量流量計是三(san)類重複性和精(jing)度最佳的産品(pin)。渦輪流量計因(yīn)其轉動慣性小(xiao)、測量🈲精度和重(zhòng)複性較好☎️等優(yōu)點在流量測量(liàng)中得到應用。渦(wō)輪流量計可用(yong)于測量氣體與(yǔ)液體的體🐉積流(liu)量，通過♻️質量換(huàn)算,可✏️以求出質(zhì)量流量。二者結(jie)構存在差異,主(zhu)要是♈渦輪轉子(zǐ)葉片安裝角度(dù)不同,測量氣體(tǐ)用渦輪轉子葉(yè)片安裝角度10°~15°,測(cè)量液體用流量(liang)計葉片安裝角(jiǎo)度爲30°。渦輪流量(liàng)計結構原理圖(tu)如圖💋1所示。

3渦輪流量(liàng)計校準裝置設(shè)計方案
　　液壓計(ji)量缸可采用柱(zhù)塞式或活塞式(shì)2種設計方案。二(èr)者原理均爲推(tui)油流量值等于(yu)運動部件(柱塞(sāi)或者活塞)單位(wèi)時🔱間内排開的(de)液體體積。假設(shè)液體不可壓縮(suō),則排開的液體(ti)💰體積與運動部(bu)件的運動體積(jī)相等。運動部件(jian)的體積爲:
V=A?t
式中(zhōng):A爲運動部件截(jié)面積;r爲運動速(su)度;t爲運動時間(jiān)。.
　　當柱塞和活塞(sai)面積相等時,推(tuī)油流量值僅取(qǔ)決于其運動速(sù)度。采用相同有(you)效作用面積的(de)柱塞式和活塞(sai)🔞式計量缸,運動(dòng)🙇‍♀️速度相同時推(tuī)油流量值相等(deng)。但柱塞式計量(liang)缸對于計量液(yè)壓缸缸簡内壁(bì)加工質量要求(qiú)低,工藝性和經(jīng)濟性好。活塞式(shì)計量缸因運動(dong)活塞直接與缸(gang)簡内壁接觸,故(gu)而💋需精加工，同(tong)💃🏻時需考慮活💛塞(sai)動密封,否則洩(xie)漏量會對實驗(yàn)結果産生不可(ke)💔忽略的影響。
　　通(tōng)過上述比較分(fèn)析，本裝置确定(ding)采用雙柱塞式(shì)計🙇‍♀️量🌈缸作爲渦(wo)輪流量計校準(zhǔn)的推油計量标(biāo)準,大柱塞推油(yóu)流量範圍是50~3000L/h,小(xiǎo)柱✨塞單獨運動(dòng)推油流量範圍(wéi)爲2~60L/h,大小柱塞⭐有(you)重合🈲測量範圍(wei),從而保證了整(zheng)體🛀測量流量的(de)連續性,可滿足(zú)較大量程範圍(wéi)的使用🔞要求。爲(wei)正确控制計量(liàng)柱塞的運動速(sù)度,裝置采用伺(si)服電機-滾珠絲(sī)杠驅動,光栅尺(chi)一讀數頭實現(xian)位移測量的速(su)度一流量模式(shì)，滿足穩态及動(dong)态校準需求。校(xiào)準裝置的構成(cheng)原理如圖2所示(shì)。

　　伺服電機是本(ben)裝置的動力元(yuán)件,可以将電脈(mo)沖信号♈轉變爲(wei)角位移。由上位(wei)機通過控制器(qì)完成對伺服電(dian)機的起停及轉(zhuǎn)速控制。正常情(qíng)況下，可以控制(zhi)脈沖信号的頻(pin)🈚率和脈沖數正(zhèng)确控制🙇‍♀️電機的(de)轉速與停止的(de)位置。因此可以(yǐ)通過控制脈沖(chòng)數來控制🌍電機(jī)的角位移量,實(shi)現正确定位。本(běn)文設計的校準(zhun)裝置中采用電(dian)機的編碼器分(fèn)辨率爲20bit,即每轉(zhuan)爲1048576個脈沖,由此(ci)經傳動比和滾(gǔn)珠絲杠導程可(ke)計算出其位置(zhì)控制精度滿足(zu)⭕流量計量要求(qiú);通過控制脈沖(chòng)頻率實現對電(diàn)機轉動速度和(hé)加速度的控制(zhi),對電機進行調(diao)速。
　　被檢渦輪流(liú)量計兩端安裝(zhuang)有調節閥門,調(diao)節管路⛱️的通🧑🏾‍🤝‍🧑🏼斷(duàn),同時便于更換(huàn)流量計,防止油(yóu)液流出。在柱塞(sāi)式計量❓缸的運(yun)動滑塊連杆上(shàng)安裝有光栅尺(chǐ),用🥰來測量🛀柱塞(sai)連杆的速度與(yǔ)位移,并反饋給(gei)上位機。裝置整(zhěng)體由上位機控(kong)制，設定伺服電(diàn)機轉速與柱🏃塞(sai)連杆位移值,通(tong)過光栅尺與讀(du)數頭的配合反(fan)饋運動速度與(yǔ)位移,并可實現(xiàn)渦輪流量輸出(chū)信🤞号與柱塞缸(gāng)推油流量信号(hào)的在線比較,實(shi)現直觀、可視的(de)結果輸出。同時(shi)布置于管路中(zhōng)的壓力✍️傳感器(qi)與溫度傳感器(qì)實時采集信号(hao),反饋給上位機(ji)，便于比較分析(xī)不同運動速度(dù)時的壓降及對(dui)渦輪流量計🌈的(de)影響。行程開關(guan)起到限🌏位保護(hù)的功能，當光栅(shan)尺讀數頭運動(dong)到極限位置觸(chù)碰到行程開關(guan)，使運動停止,同(tóng)時✨在軟件中加(jiā)人限位保護功(gong)能。
　　上位機27支持(chí)多種信号采集(ji)且實時性強,便(biàn)于實現高性📐能(neng)标準化測試與(yu)正确的自動過(guò)程控制。小.慣量(liàng)伺服伺服電機(ji)1通過減速器2驅(qū)動滾珠絲杠6,絲(sī)杠6上的滑塊推(tuī)動柱塞式計量(liàng)缸10的柱塞連杆(gǎn)運動,推♈動計量(liang)缸10内的油液流(liú)向被校流量計(jì)19或20,不考慮缸的(de)洩漏和油㊙️的壓(yā)縮性,流量正比(bǐ)于柱塞式計量(liang)缸✌️10的移動速度(dù)即伺服電機1的(de)轉速(和輸人電(dian)機的脈沖頻率(lü)成正比)。爲獲得(dé)不同行程内計(jì)量缸的平均速(sù)度,用光栅尺配(pèi)合讀數頭5來實(shi)時測量柱塞連(lián)杆的位移。
4校準(zhǔn)實驗
4.1實驗裝置(zhì)
　　基于，上述設計(ji)方案搭建的校(xiao)準裝置實物如(rú)圖3所示，可見♉柱(zhù)塞♌式計量缸的(de)大柱塞伸出。爲(wèi)了保證運動的(de)直線💛度以及減(jian)少因🚶直線度差(cha)以增加運動阻(zǔ)🥰力,安裝時滾珠(zhū)絲杠與柱塞缸(gang)布置需🥵保證較(jiào)好的直線度。因(yīn)⚽爲油箱高✉️于計(jì)量缸💜,充油主要(yào)通過開關閥并(bìng)借助油液自重(zhòng)完成。

　　通過上位(wei)控制機設定計(ji)量缸柱塞推油(yóu)行程600mm、運動速👉度(dù)🙇‍♀️20mm/s,觀察并記錄推(tuī)油流量與運動(dong)位移量。根據光(guāng)栅尺測量值,計(ji)算運動速度,得(de)到柱塞位移和(hé)推油🔴流量曲線(xiàn)見圖4。

　　圖4表明,校(xiao)準裝置可達到(dào)設定位移值,且(qiě)運動平穩,由光(guang)栅尺測✏️得的推(tui)油速度計算出(chu)推油流量爲13.11L/min。實(shi)際推油流👣量值(zhí)在13.1L/min小範圍内波(bo)動,波動小于8%0。另(ling)外,裝👅置在初始(shi)運動時有約🐪2s延(yán)遲,主📧要由于靜(jìng)摩擦和機🐆械間(jiān)隙引起的運動(dong)滞後。但柱塞開(kai)始運動後,推油(you)✔️流量響應迅速(su)，産生階躍後快(kuài)速到達⭐穩态。實(shí)驗表⛱️明，該校準(zhǔn)裝置可以達到(dào)設定的位移值(zhi)并輸出平💚穩正(zheng)确的流量值。
4.2渦(wō)輪流計特性
　　流(liú)量校準裝置的(de)主要技術指标(biao)有流量範圍、不(bu)确定度穩定性(xing)和溫度範圍等(deng),其中穩定性爲(wei)基本性能指🧡标(biao)，是必須♻️滿足的(de)指标，否則校準(zhun)裝置無法正常(cháng)使用💘。
　　流量穩定(dìng)性分爲累積時(shi)間内流量穩定(ding)性和累積時間(jian)🚶之間的流量穩(wěn)定性。累積時間(jian)内流量穩定性(xing)檢定,是指在一(yi)段連續的時間(jian)内,頻繁連續的(de)測量n個信号,按(àn)照規定公式進(jin)行計算;累積時(shí)間之間的流量(liàng)穩定性檢定,是(shi)指在連續的n(n≥10)個(gè)周期🔱中,測量每(mei)一個周期的平(píng)均流量值,據此(ci)計算流♈量穩定(dìng)性。評估累計時(shi)間之間的流量(liàng)穩定性,對檢驗(yàn)流量🌏的長期穩(wen)定性👨‍❤️‍👨及确定系(xì)統中穩定裝置(zhì)的有效性意義(yi)重大。其計算式(shi)爲[8]:

　　其中:t爲置信(xìn)度爲95%時的置信(xin)因子,當n=10時,t=2.23;`q爲10次(cì)測量的流量平(ping)㊙️均值。
　　渦輪流量(liang)計的另一個重(zhòng)要特性就是其(qi)儀表系，數,儀表(biǎo)系數K表示單位(wèi)體積流體通過(guo)渦輪流量計時(shi)傳感器輸出的(de)😍信号脈沖🌏數”]。當(dāng)流動介質處于(yú)一定的流量範(fàn)圍以及粘度範(fan)圍内時,渦輪流(liú)量計轉子穩定(ding)運轉輸出的脈(mo)沖數值與🔅流經(jīng)流量計的流量(liàng)值存在如下🐕關(guān)系:

　　式中:f爲渦輪(lún)流量計輸出脈(mò)沖頻率;K爲渦輪(lún)流量計的儀表(biǎo)系數;q,爲通過渦(wo)輪流量計的流(liu)量。
　　儀表系數在(zài)穩定流動的情(qing)況下爲-常值,但(dan)實際流動中⭐,渦(wō)輪流量計本身(shen)的機械摩擦力(lì)矩、流體粘性💋阻(zǔ)力矩等都在㊙️不(bu)斷變化,考慮到(dao)這些因素,儀表(biao)系數是變❓化的(de),它⚽的特性曲線(xiàn)見圖5[1]。

　　由圖5可見,在初(chū)始某範圍内,流(liu)量計無輸出信(xin)号,此時圖5中的(de)🏃‍♀️最小流量值爲(wei)渦輪流量計的(de)始動流量。始動(dòng)🈲流量主要受渦(wo)輪轉子與支承(cheng)軸承軸間機械(xiè)摩擦阻㊙️力矩的(de)影響,阻👌力矩越(yue)大則始動流量(liàng)越大,從而使流(liu)量有效測量範(fan)圍減小。當流量(liang)超過始動流量(liàng),渦輪流量計開(kāi)始輸出信号,但(dàn)此時處于非線(xian)性區,并不适合(hé)作穩态測量。當(dang)流量繼續增大(da)，進入儀表的線(xian)性測量範圍時(shí),儀表可用來測(ce)量穩态流動。當(dang)流量值繼續增(zēng)👉大,超過最大流(liu)量時,出現氣蝕(shí)現象,此時會對(dui)儀表造成損壞(huai),不再适合測量(liang)。由圖5可以看出(chū),在儀表💞的線性(xìng)測量範圍内,儀(yí)💰表系數K值是在(zai)一定範圍内波(bo)動的。
　　實驗中流(liu)量計有效測量(liàng)範圍是1.9~19L/min,依據實(shí)驗檢定規程,流(liú)量檢😍定實驗點(dian)應包括:qmax、0.7qmax、0.4qmax、0.25qmax、0.15qmax、0.07qmax和q9min，這7個(gè)流量點,但因爲(wèi)🌈實驗重在對渦(wō)💁輪流❗量計特性(xìng)的研究,而不是(shì)校準流量計，因(yin)此結合校準裝(zhuang)置的💃實際情況(kuàng),将流量檢定點(diǎn)确定爲: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,計(ji)算渦輪平均儀(yí)表系數,線性度(du)以及重複性等(deng)參數。
4.3實驗數據(ju)及分析
　　根據校(xiao)準實驗中流量(liang)穩定性要求，對(duì)最大及最小流(liú)量兩種狀态進(jìn)行測量,每種狀(zhuang)态測量10次,按照(zhào)式(1)處理✂️。表1是🙇🏻通(tong)過整理而得到(dao)的實驗數據。

　　根(gēn)據式(1)計算得到(dào):Eqmin=0.03%o,Eqmax=0.2%o,校準裝置的流(liu)量穩定性爲0.2%0。本(běn)裝🈲置具有較低(dī)💔的測量不确定(dìng)度,很大程度上(shang)是因爲☎️伺服電(dian)機擁有極高的(de)位置控制精度(dù)(考慮10:1的減速比(bǐ),10mm的滾珠絲杠🙇‍♀️導(dǎo)程及♉自身傳動(dong)誤差,推油活塞(sāi)位🧑🏾‍🤝‍🧑🏼置精度理論(lùn)上可達0.01μm),可以正(zhèng)确控制活塞的(de)行程,從而保證(zhèng)推油🐆量的穩定(dìng)。
　　根據流量檢定(dìng)點進行實驗,得(dé)到的渦輪流量(liang)計儀♌表系數特(te)性曲線如圖6所(suǒ)示。圖6顯示,渦輪(lún)流量計儀表系(xì)數在🏃‍♀️流量計有(yǒu)效量程範圍内(nèi)基本恒定，上下(xia)♌有小範圍波動(dòng)🌈,在小于最小量(liàng)程時誤差較大(dà),不适宜測量。

　　爲研(yan)究校準實驗參(can)數對渦輪流量(liang)計标定儀表系(xì)🈲數的影響規律(lǜ),在相同行程時(shi)研究不同柱塞(sāi)推油速度🌏對儀(yí)表系數的影響(xiǎng)。
圖7爲100mm和400mm行程時(shi)不同柱塞推油(you)速度時流量計(jì)儀表㊙️系數實驗(yàn)曲線。由圖7可見(jiàn)，在渦輪流量計(jì)的有效量程範(fan)圍内,100mm;和400mm行💋程在(zai)不同速度時,渦(wo)輪流量計儀表(biao)系數基㊙️本穩定(dìng)保持在6500L-T附近,存(cun)在小範📱圍波動(dong)。

　　具體分析.上述(shù)2種行程、不同推(tui)油速度的流量(liàng)計特性曲線圖(tu)可以看出,2條曲(qǔ)線儀表系數分(fèn)别爲6492.699L-1和6492.613L-1,數值接(jiē)近,偏差很小。線(xian)性度分别爲0.127%和(hé)0.167%,重複性爲0.0903%和0.0871%，這(zhe)表明在流量計(ji)有效量✏️程範圍(wei)内,固定行程時(shí),運動速度對儀(yi)🐉表系數K影響很(hěn)小。
　　實驗測得的(de)渦輪流量計的(de)平均儀表系數(shu)爲6493.247L-1,與出廠資料(liao)給🧡定值6495.988L-1,二者偏(piān)差爲0.04%，由此驗證(zheng)了裝置的有🙇‍♀️效(xiào)性。相同📱計量柱(zhu)塞推油行程和(he)不同推油速度(dù)的實驗結果表(biǎo)明在渦輪流量(liang)計有效量💋程範(fan)圍内,校準實驗(yan)中的計量缸推(tui)油速度對流量(liàng)計儀表系數影(ying)響很小。
5結論
　　開(kai)展了基于柱塞(sāi)式計量缸的渦(wo)輪流量計校準(zhun)裝置的設計及(jí)相關實驗,主要(yao)完成了以下工(gong)作:(1)根據🐉計量航(háng)空動力裝置燃(ran)滑油流量的渦(wō)輪流量計流量(liang)範圍及實際需(xu)求,電♊機-減速器(qì)-滾珠絲杠-計量(liang)缸👄的流量計校(xiào)準裝置;(2)在研制(zhi)的㊙️校準系統上(shàng)開展了探究，不(bu)同柱塞行程和(hé)推油速度對渦(wō)♋輪流量計儀表(biǎo)系數的影📱響，驗(yan)證了校準裝置(zhì)的有效性。當🏃🏻推(tui)油流量在渦輪(lun)流量計有效量(liàng)程内時,計量缸(gang)柱塞運動速度(du)對儀表系數✂️的(de)影響較小。

以上(shàng)内容源于網絡(luo)，如有侵權聯系(xì)即删除!