摘要:研究了雙柱塞計量缸的流量計校準裝置,通過系統控制與計算實現計量缸計量流量與被校流量計測量流量的在線對比,以滿足寬量程和精度佳的校準要求。分析了該裝置的結構特點和設計方法,通過仿真分析對其性能進行初步評估。研究了校準計量柱塞行程和移動速度對渦輪流量計儀表系數的影響,給出了建議的校準實驗條件。結果表明,采用該校準裝置可滿足寬量程液體流量計校準,燃油渦輪流量計量穩定性在0.2%內。
1引言
燃油及控制系統是以航空發動機為代表的動力裝置的重要組成之一。隨著FADEC技術的發展及新一代發動機性能方案的逐步明確,對發動機關鍵性能參數的測量精度等級也逐步提高。供油量及燃油流量是發動機典型控制回路的參數,常為發動機控制系統中的控制量,其正確檢測對提高發動機各類地面試驗結果的置信度具有重要的工程意義。與其它流量計相比,渦輪流量計測量精度高、量程范圍寬、重復性和動態特性好。但長期使用后,由于腐蝕和磨損等因素的綜合影響,其儀表系數必然發生變化,使測量結果出現較大誤差。發動機控制系統的各類地面試驗長期缺乏一種正確、簡易的實驗室用校準裝置對流量計進行定期校準,一定程度影響了試驗結果的置信度和試驗技術的發展。
本文以渦輪流量計為對象,在自行設計的校準實驗裝置上,對渦輪流量計不同工況下的特性進行校準實驗,研究主要試驗參數對校準結果的影響。
2渦輪流量計
容積式流量計、差壓式流量計與浮子流量計在流量測量中應用最為廣泛。渦輪流量計是速度式流量計的一種,與容積式流量計和科里奧利質量流量計是三類重復性和精度最佳的產品。渦輪流量計因其轉動慣性小、測量精度和重復性較好等優點在流量測量中得到應用。渦輪流量計可用于測量氣體與液體的體積流量，通過質量換算,可以求出質量流量。二者結構存在差異,主要是渦輪轉子葉片安裝角度不同,測量氣體用渦輪轉子葉片安裝角度10°~15°,測量液體用流量計葉片安裝角度為30°。渦輪流量計結構原理圖如圖1所示。
3渦輪流量計校準裝置設計方案
液壓計量缸可采用柱塞式或活塞式2種設計方案。二者原理均為推油流量值等于運動部件(柱塞或者活塞)單位時間內排開的液體體積。假設液體不可壓縮,則排開的液體體積與運動部件的運動體積相等。運動部件的體積為:
V=A?t
式中:A為運動部件截面積;r為運動速度;t為運動時間。.
當柱塞和活塞面積相等時,推油流量值僅取決于其運動速度。采用相同有效作用面積的柱塞式和活塞式計量缸,運動速度相同時推油流量值相等。但柱塞式計量缸對于計量液壓缸缸簡內壁加工質量要求低,工藝性和經濟性好�；钊接嬃扛滓蜻\動活塞直接與缸簡內壁接觸,故而需精加工，同時需考慮活塞動密封,否則泄漏量會對實驗結果產生不可忽略的影響。
通過上述比較分析，本裝置確定采用雙柱塞式計量缸作為渦輪流量計校準的推油計量標準,大柱塞推油流量范圍是50~3000L/h,小柱塞單獨運動推油流量范圍為2~60L/h,大小柱塞有重合測量范圍,從而保證了整體測量流量的連續性,可滿足較大量程范圍的使用要求。為正確控制計量柱塞的運動速度,裝置采用伺服電機-滾珠絲杠驅動,光柵尺一讀數頭實現位移測量的速度一流量模式，滿足穩態及動態校準需求。校準裝置的構成原理如圖2所示。
伺服電機是本裝置的動力元件,可以將電脈沖信號轉變為角位移。由上位機通過控制器完成對伺服電機的起停及轉速控制。正常情況下，可以控制脈沖信號的頻率和脈沖數正確控制電機的轉速與停止的位置。因此可以通過控制脈沖數來控制電機的角位移量,實現正確定位。本文設計的校準裝置中采用電機的編碼器分辨率為20bit,即每轉為1048576個脈沖,由此經傳動比和滾珠絲杠導程可計算出其位置控制精度滿足流量計量要求;通過控制脈沖頻率實現對電機轉動速度和加速度的控制,對電機進行調速。
被檢渦輪流量計兩端安裝有調節閥門,調節管路的通斷,同時便于更換流量計,防止油液流出。在柱塞式計量缸的運動滑塊連桿上安裝有光柵尺,用來測量柱塞連桿的速度與位移,并反饋給上位機。裝置整體由上位機控制，設定伺服電機轉速與柱塞連桿位移值,通過光柵尺與讀數頭的配合反饋運動速度與位移,并可實現渦輪流量輸出信號與柱塞缸推油流量信號的在線比較,實現直觀、可視的結果輸出。同時布置于管路中的壓力傳感器與溫度傳感器實時采集信號,反饋給上位機，便于比較分析不同運動速度時的壓降及對渦輪流量計的影響。行程開關起到限位保護的功能，當光柵尺讀數頭運動到極限位置觸碰到行程開關，使運動停止,同時在軟件中加人限位保護功能。
上位機27支持多種信號采集且實時性強,便于實現高性能標準化測試與正確的自動過程控制。小.慣量伺服伺服電機1通過減速器2驅動滾珠絲杠6,絲杠6上的滑塊推動柱塞式計量缸10的柱塞連桿運動,推動計量缸10內的油液流向被校流量計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量缸10的移動速度即伺服電機1的轉速(和輸人電機的脈沖頻率成正比)。為獲得不同行程內計量缸的平均速度,用光柵尺配合讀數頭5來實時測量柱塞連桿的位移。
4校準實驗
4.1實驗裝置
基于，上述設計方案搭建的校準裝置實物如圖3所示，可見柱塞式計量缸的大柱塞伸出。為了保證運動的直線度以及減少因直線度差以增加運動阻力,安裝時滾珠絲杠與柱塞缸布置需保證較好的直線度。因為油箱高于計量缸,充油主要通過開關閥并借助油液自重完成。
通過上位控制機設定計量缸柱塞推油行程600mm、運動速度20mm/s,觀察并記錄推油流量與運動位移量。根據光柵尺測量值,計算運動速度,得到柱塞位移和推油流量曲線見圖4。
圖4表明,校準裝置可達到設定位移值,且運動平穩,由光柵尺測得的推油速度計算出推油流量為13.11L/min。實際推油流量值在13.1L/min小范圍內波動,波動小于8%0。另外,裝置在初始運動時有約2s延遲,主要由于靜摩擦和機械間隙引起的運動滯后。但柱塞開始運動后,推油流量響應迅速，產生階躍后快速到達穩態。實驗表明，該校準裝置可以達到設定的位移值并輸出平穩正確的流量值。
4.2渦輪流計特性
流量校準裝置的主要技術指標有流量范圍、不確定度穩定性和溫度范圍等,其中穩定性為基本性能指標，是必須滿足的指標，否則校準裝置無法正常使用。
流量穩定性分為累積時間內流量穩定性和累積時間之間的流量穩定性。累積時間內流量穩定性檢定,是指在一段連續的時間內,頻繁連續的測量n個信號,按照規定公式進行計算;累積時間之間的流量穩定性檢定,是指在連續的n(n≥10)個周期中,測量每一個周期的平均流量值,據此計算流量穩定性。評估累計時間之間的流量穩定性,對檢驗流量的長期穩定性及確定系統中穩定裝置的有效性意義重大。其計算式為[8]:
其中:t為置信度為95%時的置信因子,當n=10時,t=2.23;`q為10次測量的流量平均值。
渦輪流量計的另一個重要特性就是其儀表系，數,儀表系數K表示單位體積流體通過渦輪流量計時傳感器輸出的信號脈沖數”]。當流動介質處于一定的流量范圍以及粘度范圍內時,渦輪流量計轉子穩定運轉輸出的脈沖數值與流經流量計的流量值存在如下關系:
式中:f為渦輪流量計輸出脈沖頻率;K為渦輪流量計的儀表系數;q,為通過渦輪流量計的流量。
儀表系數在穩定流動的情況下為-常值,但實際流動中,渦輪流量計本身的機械摩擦力矩、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,流量計無輸出信號,此時圖5中的最小流量值為渦輪流量計的始動流量。始動流量主要受渦輪轉子與支承軸承軸間機械摩擦阻力矩的影響,阻力矩越大則始動流量越大,從而使流量有效測量范圍減小。當流量超過始動流量,渦輪流量計開始輸出信號,但此時處于非線性區,并不適合作穩態測量。當流量繼續增大，進入儀表的線性測量范圍時,儀表可用來測量穩態流動。當流量值繼續增大,超過最大流量時,出現氣蝕現象,此時會對儀表造成損壞,不再適合測量。由圖5可以看出,在儀表的線性測量范圍內,儀表系數K值是在一定范圍內波動的。
實驗中流量計有效測量范圍是1.9~19L/min,依據實驗檢定規程,流量檢定實驗點應包括:qmax、0.7qmax、0.4qmax、0.25qmax、0.15qmax、0.07qmax和q9min，這7個流量點,但因為實驗重在對渦輪流量計特性的研究,而不是校準流量計，因此結合校準裝置的實際情況,將流量檢定點確定為:18.31,13.56,8.14,5.43,3.39,1.36,0.20,L/min。之后根據實驗數據,計算渦輪平均儀表系數,線性度以及重復性等參數。
4.3實驗數據及分析
根據校準實驗中流量穩定性要求，對最大及最小流量兩種狀態進行測量,每種狀態測量10次,按照式(1)處理。表1是通過整理而得到的實驗數據。
根據式(1)計算得到:Eqmin=0.03%o,Eqmax=0.2%o,校準裝置的流量穩定性為0.2%0。本裝置具有較低的測量不確定度,很大程度上是因為伺服電機擁有極高的位置控制精度(考慮10:1的減速比,10mm的滾珠絲杠導程及自身傳動誤差,推油活塞位置精度理論上可達0.01μm),可以正確控制活塞的行程,從而保證推油量的穩定。
根據流量檢定點進行實驗,得到的渦輪流量計儀表系數特性曲線如圖6所示。圖6顯示,渦輪流量計儀表系數在流量計有效量程范圍內基本恒定，上下有小范圍波動,在小于最小量程時誤差較大,不適宜測量。
為研究校準實驗參數對渦輪流量計標定儀表系數的影響規律,在相同行程時研究不同柱塞推油速度對儀表系數的影響。
圖7為100mm和400mm行程時不同柱塞推油速度時流量計儀表系數實驗曲線。由圖7可見，在渦輪流量計的有效量程范圍內,100mm;和400mm行程在不同速度時,渦輪流量計儀表系數基本穩定保持在6500L-T附近,存在小范圍波動。
具體分析.上述2種行程、不同推油速度的流量計特性曲線圖可以看出,2條曲線儀表系數分別為6492.699L-1和6492.613L-1,數值接近,偏差很小。線性度分別為0.127%和0.167%,重復性為0.0903%和0.0871%，這表明在流量計有效量程范圍內,固定行程時,運動速度對儀表系數K影響很小。
實驗測得的渦輪流量計的平均儀表系數為6493.247L-1,與出廠資料給定值6495.988L-1,二者偏差為0.04%，由此驗證了裝置的有效性。相同計量柱塞推油行程和不同推油速度的實驗結果表明在渦輪流量計有效量程范圍內,校準實驗中的計量缸推油速度對流量計儀表系數影響很小。
5結論
開展了基于柱塞式計量缸的渦輪流量計校準裝置的設計及相關實驗,主要完成了以下工作:(1)根據計量航空動力裝置燃滑油流量的渦輪流量計流量范圍及實際需求,電機-減速器-滾珠絲杠-計量缸的流量計校準裝置;(2)在研制的校準系統上開展了探究，不同柱塞行程和推油速度對渦輪流量計儀表系數的影響，驗證了校準裝置的有效性。當推油流量在渦輪流量計有效量程內時,計量缸柱塞運動速度對儀表系數的影響較小。
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