摘要:研究(jiu)了雙柱塞(sāi)計量缸的(de)流量計校(xiao)準裝置,通(tong)🌐過系統控(kong)制與計算(suàn)實現計量(liang)缸計量流(liu)量與被校(xiao)流量計測(cè)量流量的(de)🤞在線對比(bǐ),以滿足寬(kuan)量程和精(jīng)度佳的校(xiao)準要求。分(fen)析了該裝(zhuang)⛱️置的結🈲構(gòu)特點和設(she)計方法,通(tōng)過仿真分(fèn)析對其性(xìng)能進行初(chū)步評估。研(yan)😄究了校準(zhun)計量柱塞(sai)行程和移(yí)動速度對(dui) 渦輪流量(liàng)計 儀表系(xi)數的影響(xiang),給出了建(jian)議的校準(zhǔn)實驗條件(jiàn)。結果表明(ming),采用該校(xiào)準裝置可(kě)滿足寬量(liàng)程液體流(liu)量計校🌍準(zhun),燃油渦輪(lún)流量計 量(liàng)穩定性在(zai)0.2%内。
1引言
　　燃(rán)油及控制(zhi)系統是以(yi)航空發動(dong)機爲代表(biao)的動力裝(zhuang)置🌈的重要(yào)組成之一(yī)。随着FADEC技術(shu)的發展及(jí)新一代👣發(fā)動機性能(néng)方案的逐(zhu)步明确,對(duì)發動機關(guan)鍵性能參(cān)數的測量(liàng)精度等級(ji)也逐步提(tí)高。供🏃🏻油量(liàng)及燃油流(liú)量是發動(dòng)機典型控(kòng)制回路的(de)參數,常爲(wei)發動機控(kòng)制系統中(zhōng)⁉️的控制量(liang),其正确檢(jiǎn)測對提高(gao)發動機各(ge)類地面試(shi)驗結果的(de)置信度具(jù)有重要的(de)工程意義(yi)。與其它流(liu)量計相比(bi),渦輪流量(liang)計測量精(jing)度高、量程(chéng)範圍寬、重(zhòng)複性和💚動(dòng)态特性好(hǎo)。但長期使(shǐ)用後,由🌈于(yu)腐蝕和磨(mo)損等因素(sù)的綜合影(ying)響,其儀表(biǎo)系數必✂️然(rán)發生變化(huà),使測量結(jié)果出現較(jiao)大誤差。發(fa)動機控‼️制(zhi)系統的各(gè)類地面試(shi)驗長🌍期缺(que)乏一種正(zheng)确、簡易的(de)實🌈驗室用(yòng)校準裝置(zhi)對✏️流量計(ji)進行定期(qī)校準,一定(ding)程度影🐕響(xiǎng)了試驗結(jié)果的置信(xìn)度和試驗(yàn)技術的發(fā)展。
　　本文以(yǐ)渦輪流量(liang)計爲對象(xiàng),在自行設(she)計的校準(zhǔn)實驗裝置(zhì)上,對渦輪(lun)流量計不(bu)同工況下(xià)的特性進(jìn)行❗校準實(shí)驗,研究主(zhǔ)要試驗參(cān)數對校準(zhǔn)結果的影(yǐng)響。
2渦輪流(liú)量計
　　容積(ji)式流量計(jì)、 差壓式流(liú)量計 與 浮(fu)子流量計(ji) 在流量測(ce)量中應用(yong)最爲廣泛(fan)。渦輪流量(liang)計是速度(du)🌈式流量📱計(jì)的一種,與(yu)容積式流(liú)量計和科(kē)裏奧利質(zhi)㊙️量流量計(jì)是三類重(zhong)複性和精(jīng)度最佳的(de)産品。渦輪(lun)流量計💜因(yīn)其轉動慣(guàn)性小、測量(liàng)精度和重(zhong)複性較好(hǎo)等優點在(zai)流量測量(liàng)中得到應(ying)用。渦輪流(liú)📱量計可用(yong)于測量氣(qì)體與液體(ti)的體積流(liú)量，通過質(zhi)量換算,可(ke)以求出質(zhì)量流量。二(er)者結構存(cun)在差異,主(zhǔ)要是渦輪(lún)轉子葉片(piàn)安裝角度(du)不同,測量(liang)氣體用渦(wō)輪轉子葉(ye)片安裝角(jiǎo)度10°~15°,測量液(yè)體用流量(liàng)計葉片💃安(ān)裝角度爲(wei)30°。渦輪流量(liàng)計結構原(yuán)理圖如圖(tu)1所示。

3渦輪流量(liàng)計校準裝(zhuang)置設計方(fang)案
　　液壓計(jì)量缸可采(cai)用柱塞式(shi)或活塞式(shì)2種設計方(fāng)案。二者原(yuan)理✨均📞爲推(tui)油流量值(zhi)等于運動(dòng)部件(柱塞(sāi)或者活塞(sai))單位時間(jian)内排開的(de)液體體積(jī)。假設液體(tǐ)不可壓縮(suō),則排開的(de)液體體積(jī)與運動部(bu)件的運動(dong)體積相等(děng)。運動部件(jian)的體積爲(wèi):
V=A?t
式中:A爲運(yùn)動部件截(jie)面積;r爲運(yun)動速度;t爲(wèi)運動時間(jian)。.
　　當柱塞和(he)活塞面積(jī)相等時,推(tui)油流量值(zhí)僅取決于(yu)其運🈲動速(su)度。采用相(xiang)同有效作(zuo)用面積的(de)柱塞式和(hé)活塞式計(ji)量缸,運動(dong)速度💞相同(tóng)時推油流(liú)量值相等(deng)。但柱塞式(shi)計量缸對(dui)于計量液(yè)壓缸缸簡(jian)内壁加工(gōng)質量要求(qiu)低,工藝性(xing)和經濟性(xing)好。活塞式(shi)計量缸因(yin)運動活塞(sai)直接與缸(gang)簡内壁接(jie)觸,故而需(xū)精加工，同(tong)時需考慮(lü)活塞動密(mi)封,否則洩(xie)漏量會對(duì)實驗🙇🏻結果(guǒ)産生不可(kě)忽略的影(ying)響。
　　通過上(shang)述比較分(fèn)析，本裝置(zhì)确定采用(yòng)雙柱塞式(shì)計量缸作(zuo)🙇‍♀️爲渦輪流(liú)量計校準(zhun)的推油計(ji)量标準,大(dà)柱塞推油(yóu)流量範圍(wei)是50~3000L/h,小柱塞(sāi)單獨運動(dong)推油流量(liàng)範圍爲2~60L/h,大(dà)小柱塞有(you)重合測量(liang)範圍,從而(er)保證了整(zhěng)體測量流(liú)量的連續(xù)性,可滿足(zú)較大量程(chéng)範圍的使(shi)用要求。爲(wei)正确✌️控制(zhì)計量柱✌️塞(sāi)的運動速(su)度,裝置采(cai)用伺服電(diàn)機-滾珠💞絲(si)杠驅動,光(guang)栅尺一讀(dú)數頭實現(xiàn)位💁移測量(liàng)的速度一(yī)流量模式(shì)，滿足穩态(tài)及動态校(xiao)準需求。校(xiao)準裝置的(de)構✨成原理(lǐ)如圖2所示(shi)。

　　伺服電機(jī)是本裝置(zhì)的動力元(yuán)件,可以将(jiang)電脈沖信(xin)❗号轉變🌍爲(wèi)角位移。由(you)上位機通(tōng)過控制器(qi)完成對伺(si)服電⁉️機的(de)🌈起停及轉(zhuan)速控制。正(zheng)常情況下(xià)，可以控制(zhi)脈沖信号(hào)的頻率和(he)脈沖數正(zhèng)确控制電(diàn)機的轉速(sù)與停止的(de)位置。因此(ci)可以通過(guo)控制脈沖(chong)數來控制(zhì)電機的角(jiǎo)位🏃🏻移量,實(shí)現正确定(dìng)位。本文設(she)計的校準(zhun)裝置中采(cǎi)用電機的(de)編碼器分(fèn)💘辨率爲20bit,即(jí)每轉爲1048576個(ge)脈沖,由此(cǐ)經傳動比(bi)和滾珠絲(si)杠導程可(ke)計算出其(qí)位置控制(zhi)精度滿足(zu)流量計量(liang)要求;通過(guo)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻控制脈沖(chong)頻率實現(xiàn)對電機轉(zhuan)動速度和(hé)加速度的(de)控制,對電(dian)機進行調(diao)速。
　　被檢渦(wo)輪流量計(jì)兩端安裝(zhuāng)有調節閥(fa)門,調節管(guan)路的通㊙️斷(duan),同時便于(yú)更換流量(liàng)計,防止油(you)液流出。在(zài)柱塞式😍計(jì)量缸的♌運(yùn)動⭕滑塊連(lián)杆上安裝(zhuāng)有光栅尺(chi),用來測量(liang)柱塞連杆(gan)的速度與(yu)位移,并反(fǎn)饋給上位(wèi)機。裝置整(zheng)體由上位(wèi)機控制，設(she)定伺服電(diàn)機轉速與(yu)柱💋塞連杆(gan)位移值,通(tong)過光栅尺(chǐ)與讀數頭(tóu)📐的配合反(fǎn)饋☀️運動速(sù)度與㊙️位移(yi),并可實現(xiàn)渦輪流量(liàng)輸出信号(hao)與柱塞缸(gāng)推油流量(liàng)信号的在(zài)線比較,實(shi)現直觀、可(kě)視的結果(guo)輸出。同時(shí)布置于管(guǎn)路中的壓(ya)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻力💚傳感器(qì)與💘溫度傳(chuán)感器實時(shí)采集信号(hao),反饋給上(shàng)位機，便于(yú)比✌️較分析(xī)不同運動(dong)速度時的(de)壓降及對(duì)渦輪流量(liang)計的影響(xiǎng)。行程開關(guān)起到限位(wèi)保護的功(gōng)能，當光栅(shan)尺讀數頭(tou)運動到極(ji)限位置觸(chù)碰到行程(cheng)開關，使運(yùn)動停止,同(tóng)時✏️在軟件(jian)中加人限(xiàn)位保💯護功(gōng)🔱能💃。
　　上位機(jī)27支持多種(zhǒng)信号采集(jí)且實時性(xìng)強,便于實(shi)現高性💋能(néng)🔴标準🌈化測(ce)試與正确(que)的自動過(guò)程控制。小(xiao).慣量伺服(fú)伺🛀🏻服電機(ji)1通過減速(su)器2驅動滾(gun)珠絲杠6,絲(sī)杠6上的滑(huá)塊推動柱(zhù)塞式計量(liang)缸10的柱塞(sai)連杆運動(dòng),推動計量(liang)缸10内的油(you)液🈲流向被(bei)校流量計(ji)19或20,不考慮(lü)缸的洩漏(lou)和油的壓(ya)縮性,流量(liàng)正比于柱(zhù)塞式計量(liang)缸10的移動(dòng)速度即伺(sì)服電機1的(de)轉速(和輸(shū)人電機的(de)脈沖頻率(lǜ)成正比)。爲(wei)獲得不同(tóng)行程内計(ji)量缸的平(ping)均速度,用(yòng)光栅尺配(pei)合⭐讀數頭(tóu)5來實時測(cè)量柱塞連(lian)杆的位移(yí)。
4校準實驗(yàn)
4.1實驗裝置(zhì)
　　基于，上述(shu)設計方案(an)搭建的校(xiao)準裝置實(shí)物如圖3所(suo)示，可見柱(zhu)🐪塞式計量(liang)缸的大柱(zhu)塞伸出。爲(wèi)了保證運(yun)動的直線(xian)度以及減(jiǎn)少因直線(xiàn)度差以增(zeng)加運動阻(zǔ)力,安裝時(shí)滾珠絲杠(gang)與柱塞缸(gāng)🔅布置需保(bǎo)證較好的(de)直線度。因(yīn)爲油箱高(gāo)于計量缸(gāng),充油主要(yao)通過開關(guān)💚閥并借助(zhù)油液自重(zhòng)完成。

　　通過(guo)上位控制(zhì)機設定計(jì)量缸柱塞(sāi)推油行程(cheng)600mm、運動速度(dù)20mm/s,觀察🌐并記(jì)錄推油流(liu)量與運動(dòng)位移量。根(gen)據光栅尺(chi)測量值,計(ji)算運動速(su)🐪度,得到柱(zhù)塞位移和(hé)推油流量(liàng)曲線見圖(tu)4。

　　圖4表明,校(xiào)準裝置可(ke)達到設定(ding)位移值,且(qie)運動平穩(wen)🈲,由光栅尺(chi)測得的推(tui)油速度計(jì)算出推油(yóu)流量爲13.11L/min。實(shi)際推油流(liú)量值💋在13.1L/min小(xiǎo)範圍内波(bo)動,波動小(xiao)于8%0。另外,裝(zhuang)置在初始(shi)運動時有(you)約2s延遲,主(zhǔ)要由于靜(jing)摩擦和機(ji)械間隙引(yǐn)起的運動(dong)滞後。但柱(zhu)塞開始運(yun)動後,推油(yóu)流量響應(yīng)迅🔴速，産生(shēng)階躍後快(kuai)速到達穩(wěn)态。實驗表(biao)明，該校準(zhǔn)裝置可以(yi)達到設定(ding)的位移值(zhi)并輸出平(ping)穩正确的(de)流量值。
4.2渦(wō)輪流計特(te)性
　　流量校(xiào)準裝置的(de)主要技術(shu)指标有流(liu)量範圍、不(bu)确定度穩(wen)定性和溫(wēn)度範圍等(deng),其中穩定(ding)性爲基本(ben)性能指标(biāo)，是必須滿(man)足的指标(biao)，否則校準(zhǔn)裝置無法(fa)正常使用(yòng)。
　　流量穩定(dìng)性分爲累(lèi)積時間内(nèi)流量穩定(dìng)性和累積(ji)時☔間之❓間(jiān)的流量穩(wěn)定性。累積(jī)時間内流(liu)量穩定性(xing)檢定,是指(zhi)在一段連(lian)續的時間(jian)内,頻繁連(lian)續的測量(liàng)n個信号🥰,按(àn)照規定公(gōng)式進行計(ji)🐪算;累積時(shí)間之間的(de)流量穩定(ding)性檢定,是(shi)指在連續(xu)的n(n≥10)個周期(qī)中,測量每(měi)一個周期(qī)的平均流(liu)量值,據此(ci)計算流量(liàng)穩定性。評(píng)估累計時(shí)間🔴之間的(de)流量穩定(ding)性,對檢驗(yan)流量的長(zhǎng)期穩定性(xing)及确定🏃系(xì)統中穩定(ding)裝置的有(you)效性意義(yì)重大。其計(jì)算式爲[8]:

　　其(qi)中:t爲置信(xin)度爲95%時的(de)置信因子(zǐ),當n=10時,t=2.23;`q爲10次(cì)測量的流(liú)量🐇平均值(zhi)。
　　渦輪流量(liàng)計的另一(yi)個重要特(te)性就是其(qí)儀表系，數(shù),儀🌐表系數(shù)K表示單位(wei)體積流體(ti)通過渦輪(lún)流量計時(shi)傳感器輸(shu)出的信号(hào)脈沖數”]。當(dang)流動介質(zhì)處于一定(dìng)的流量範(fàn)圍以🏃‍♂️及粘(zhān)度範圍内(nei)時,渦輪流(liu)量計轉子(zi)穩定運轉(zhuǎn)🚶‍♀️輸出的脈(mò)㊙️沖數值與(yu)🌐流經流量(liang)🐪計的流量(liàng)值存在如(ru)下關系:

　　式(shì)中:f爲渦輪(lun)流量計輸(shū)出脈沖頻(pín)率;K爲渦輪(lún)流量計👅的(de)儀表☂️系😄數(shù);q,爲通過渦(wo)輪流量計(jì)的流量。
　　儀(yí)表系數在(zài)穩定流動(dong)的情況下(xia)爲-常值,但(dan)實際流動(dong)中,渦輪📱流(liú)量計本身(shen)的機械摩(mó)擦力矩、流(liu)體粘性阻(zu)力矩等都(dou)在不斷變(bian)化,考慮到(dào)這些因素(su),儀表系數(shù)是變化的(de),它的特性(xìng)✏️曲線見圖(tú)5[1]。

　　由圖(tú)5可見,在初(chū)始某範圍(wei)内,流量計(jì)無輸出信(xìn)号,此時圖(tu)5中的最小(xiǎo)流量值爲(wei)渦輪流量(liàng)計的始動(dong)流量。始動(dòng)🐇流量主要(yao)受渦輪轉(zhuan)子與支承(chéng)軸承軸間(jian)機械摩擦(ca)阻力矩的(de)影響,阻力(li)矩越大則(zé)始動流量(liang)越大,從而(ér)使流量有(yǒu)效測量範(fan)圍減小。當(dāng)流量超過(guo)始動流量(liàng),渦輪流量(liang)計開始輸(shū)出信号,但(dàn)此時處于(yú)非線性區(qu),并不适合(he)作穩态測(ce)量。當流量(liang)繼續增大(dà)，進入儀表(biao)的線☎️性測(cè)量範圍時(shí),儀表可用(yòng)🔞來測量穩(wen)态流動。當(dāng)流量值繼(jì)續增大,超(chāo)過最大流(liu)量時,出現(xian)氣蝕現象(xiang),此時🥰會對(duì)儀表造成(cheng)損壞,不再(zài)适合測量(liang)。由圖5可以(yi)看出,在儀(yí)表的線性(xìng)🐇測量範圍(wei)内,儀表系(xi)數K值㊙️是在(zài)一定範圍(wei)内波動的(de)。
　　實驗中流(liú)量計有效(xiào)測量範圍(wei)是1.9~19L/min,依據實(shi)驗檢定規(gui)程,流量檢(jian)定實驗點(diǎn)應包括:qmax、0.7qmax、0.4qmax、0.25qmax、0.15qmax、0.07qmax和(he)q9min，這7個流量(liang)點,但因爲(wei)實驗重在(zai)對渦輪流(liu)量計特性(xing)的研究,而(ér)不是校準(zhǔn)流量計，因(yin)此結合校(xiao)準裝置的(de)實際情況(kuàng),将流量檢(jiǎn)定點确定(ding)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(shu)據,計算渦(wō)輪平均儀(yi)表系數,線(xian)性度以及(ji)重複性等(deng)參數。
4.3實驗(yàn)數據及分(fen)析
　　根據校(xiào)準實驗中(zhong)流量穩定(ding)性要求，對(dui)最大及最(zuì)小流量兩(liǎng)🌂種狀态進(jin)行測量,每(měi)種狀态測(ce)量10次,按照(zhao)式(1)處理。表(biǎo)1是通過整(zhěng)理而得到(dao)的實驗數(shù)據。

　　根據式(shì)(1)計算得到(dào):Eqmin=0.03%o,Eqmax=0.2%o,校準裝置(zhì)的流量穩(wen)定性爲0.2%0。本(ben)裝置具🈲有(yǒu)較🔱低🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的測(ce)量不确定(dìng)度,很大程(cheng)度上是因(yīn)爲伺服💰電(dian)機擁有極(ji)高的位置(zhi)控制精度(du)(考慮10:1的減(jiǎn)速比,10mm的滾(gun)珠絲杠導(dǎo)程及自身(shēn)傳動誤差(cha),推油活塞(sai)位❗置精度(dù)理論上可(kě)達0.01μm),可以正(zheng)确控制活(huó)塞🏃的行程(chéng),從而保證(zheng)推油量的(de)穩定。
　　根據(ju)流量檢定(dìng)點進行實(shí)驗,得到的(de)渦輪流量(liang)計儀表系(xì)數特性曲(qu)線如圖6所(suo)示。圖6顯示(shì),渦輪流量(liàng)計儀🌈表系(xì)數在流量(liàng)計有效量(liàng)📱程範圍内(nei)基本恒定(ding)，上下有小(xiǎo)範圍波動(dong),在小于🌈最(zuì)小量程時(shí)誤差較大(da),不适🐉宜測(cè)量。

　　爲研(yán)究校準實(shí)驗參數對(duì)渦輪流量(liàng)計标定儀(yí)表系數的(de)♻️影響規律(lü),在相同行(hang)程時研究(jiu)不同柱塞(sāi)推油✏️速度(dù)對儀表系(xì)數的影響(xiǎng)。
圖7爲100mm和400mm行(hang)程時不同(tong)柱塞推油(yóu)速度時流(liu)量計儀表(biǎo)系數實☁️驗(yàn)曲線。由圖(tú)7可見，在渦(wō)輪流量計(jì)的有效量(liang)🏃‍♀️程範圍内(nei),100mm;和400mm行程在(zai)📧不同速度(du)時,渦輪流(liú)量計儀表(biǎo)系數基本(ben)穩定保持(chi)在6500L-T附近,存(cun)在小範圍(wéi)波動。

　　具體(ti)分析.上述(shu)2種行程、不(bu)同推油速(su)度的流量(liang)計特性曲(qǔ)線圖💰可以(yǐ)看出,2條曲(qǔ)線儀表系(xì)數分别爲(wei)6492.699L-1和6492.613L-1,數🛀值接(jie)近,偏差很(hen)小。線✔️性度(du)分别爲0.127%和(hé)0.167%,重複性爲(wei)0.0903%和0.0871%，這表明(ming)在流量計(ji)🏃有效量程(cheng)範圍内,固(gu)定行程時(shí),運動速度(du)對儀🏃🏻‍♂️表系(xi)數K影響很(hěn)小。
　　實驗測(ce)得的渦輪(lun)流量計的(de)平均儀表(biao)系數爲6493.247L-1,與(yǔ)出廠資料(liào)給定值6495.988L-1,二(èr)者偏差爲(wei)0.04%，由此驗證(zheng)了裝置的(de)有😄效性。相(xiàng)同計量柱(zhu)塞推油行(hang)程和不同(tong)推油速度(du)的💛實驗結(jié)果表明在(zai)渦輪流量(liang)計有效量(liàng)程範圍内(nèi),校準實驗(yàn)中的計量(liang)缸推油速(su)度對流量(liàng)計儀表系(xì)數🛀影響很(hen)小。
5結論
　　開(kai)展了基于(yu)柱塞式計(jì)量缸的渦(wō)輪流量計(jì)校準裝🐉置(zhì)的設計及(ji)相關實驗(yan),主要完成(cheng)了以下工(gōng)作:(1)根據計(ji)量航空❤️動(dòng)力🐇裝置燃(ran)滑油流量(liàng)的渦輪流(liu)量計流✍️量(liang)範圍及實(shi)際需求,電(diàn)機-減速器(qi)-滾珠絲杠(gàng)-計量缸的(de)流量計校(xiao)準裝置;(2)在(zai)研制的校(xiào)準系統上(shang)開展了探(tàn)究，不同柱(zhu)塞行程和(he)推油速度(du)對渦輪流(liú)量計儀表(biǎo)系數的影(yǐng)響，驗證了(le)校準裝置(zhi)的有效性(xing)。當推油🙇🏻流(liu)量在渦輪(lún)流量計有(yǒu)效量程内(nei)時,計量缸(gang)柱塞運動(dong)速度對儀(yi)表系數的(de)影響較小(xiao)。

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