主動(dòng)式活塞體積管流量標(biāo)準(zhǔn)裝置階躍特性研究

張毅治，張永勝，于華偉

（航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

流量測(cè)量技術(shù)是伴隨著科技工業(yè)快速發(fā)展起來(lái)的應(yīng)用型測(cè)量技術(shù)，應(yīng)用于石油、天然氣等能源流體的貿(mào)易結(jié)算，也大量應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制、裝備的生產(chǎn)和研制等方面［1］。隨著科技的迅猛發(fā)展，動(dòng)態(tài)流量的測(cè)量在產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中越來(lái)越重要［2-3］。

流量計(jì)的檢定或校準(zhǔn)試驗(yàn)過(guò)程，均是在穩(wěn)態(tài)流量下進(jìn)行，而流量計(jì)的實(shí)際工況往往比較復(fù)雜，可能在動(dòng)態(tài)流量下工作，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)效應(yīng)的流量誤差。另一方面，流量計(jì)的動(dòng)態(tài)特性需要測(cè)試并量化評(píng)定。例如，在某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)對(duì)燃油計(jì)量活門控制位移速度達(dá)到100 ms的量級(jí)，但是燃油調(diào)節(jié)裝置實(shí)際流量的變化速度和變化曲線情況并不清楚，即所使用流量計(jì)測(cè)量結(jié)果并不能真實(shí)反映流量的動(dòng)態(tài)變化曲線。因此需要在動(dòng)態(tài)流量下對(duì)流量計(jì)的計(jì)量性能進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究。

航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所曾對(duì)文丘里管在脈動(dòng)流量中的測(cè)量進(jìn)行了理論分析［4-6］，并使用主動(dòng)式活塞體積管燃油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，對(duì)容積式刮板流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)流量試驗(yàn)［7］。

為了進(jìn)一步開展流量計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性相關(guān)試驗(yàn)，本文使用激光干涉儀對(duì)主動(dòng)式體積管燃油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的活塞位移進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，分析該裝置的階躍流量特性，為未來(lái)優(yōu)化裝置的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和伺服控制參數(shù)奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)裝置

主動(dòng)式體積管燃油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是一種容積式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，依據(jù)相關(guān)規(guī)程［8-10］，該裝置標(biāo)準(zhǔn)流量的擴(kuò)展不確定度為U=0.05%（k=2）。該裝置主要由電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、聯(lián)軸器、絲杠、導(dǎo)軌、體積管缸體及其活塞、閥門及管道、儲(chǔ)油箱、溫度傳感器、壓力傳感器、過(guò)濾器、伺服控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制計(jì)算機(jī)等組成。工作時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，伺服器驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)聯(lián)軸器和滾珠絲杠帶動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)體積管的活塞移動(dòng)并排除燃油，燃油經(jīng)過(guò)控制閥門、被校流量計(jì)和過(guò)濾器后回到油箱，油箱里的燃油通過(guò)下游管道再回到標(biāo)準(zhǔn)體積管，與此同時(shí)，系統(tǒng)同步采集傳感器信號(hào)［11-12］。該裝置通過(guò)測(cè)量活塞的位移和對(duì)應(yīng)的移動(dòng)時(shí)間，得到標(biāo)準(zhǔn)瞬時(shí)流量。通常開展穩(wěn)態(tài)下的流量試驗(yàn)。

由于體積管缸體的截面積已知，本次試驗(yàn)通過(guò)測(cè)量活塞的移動(dòng)速度，可準(zhǔn)確計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)流量值，試驗(yàn)原理如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)原理圖

2 激光干涉儀

本次試驗(yàn)過(guò)程中，使用激光干涉儀動(dòng)態(tài)測(cè)量體積管活塞的移動(dòng)速度。該激光干涉儀的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 激光干涉儀的技術(shù)指標(biāo)

測(cè)量光路如圖2所示。光線1由激光干涉儀主機(jī)發(fā)出，進(jìn)入分光鏡后被分成兩路光線：一路為測(cè)量光線2，另一路光為參考光線3；測(cè)量光線2在穿過(guò)分光鏡后到達(dá)后方的反射鏡，參考光線3在分光鏡處折射到上方的反射鏡；兩路光線分別被反光鏡反射回來(lái)，并匯合成一路干涉光4，最終返回到激光干涉儀主機(jī)，主機(jī)內(nèi)的探測(cè)器可以監(jiān)測(cè)到返回的干涉光，進(jìn)而計(jì)算得到反射鏡的距離。

圖2 激光干涉儀的光路

試驗(yàn)時(shí)，在活塞桿上固定安裝了分光鏡和反射鏡組，在地面固定激光干涉儀主機(jī)，對(duì)裝置活塞桿的位移進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。在測(cè)量過(guò)程中，反射鏡組隨著活塞桿直線運(yùn)動(dòng)，激光干涉儀主機(jī)保持靜止不動(dòng)，發(fā)出光束并探測(cè)返回的干涉光束，計(jì)算得到活塞桿的位移。

主動(dòng)式活塞體積管的活塞在啟動(dòng)位置靜止，設(shè)定目標(biāo)流量后開始啟動(dòng)，目標(biāo)流量分別設(shè)定為1，2，10，50，100，200，400，600，800 L/min，使用激光干涉儀動(dòng)態(tài)測(cè)量活塞的位移，活塞位移對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得到活塞的速度。設(shè)置激光干涉儀的采樣頻率為10000 Hz。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖11所示?？v坐標(biāo)為目標(biāo)流量的百分比，方形標(biāo)記為階躍起始點(diǎn)，圓形標(biāo)記為裝置達(dá)到63.2%目標(biāo)流量的時(shí)間點(diǎn)，三角標(biāo)記為裝置穩(wěn)定在（100±1）%目標(biāo)流量的時(shí)間點(diǎn)。

圖3 目標(biāo)流量800 L/min的階躍響應(yīng)

圖4 目標(biāo)流量600 L/min的階躍響應(yīng)

從圖3～圖11可以看出，主動(dòng)式活塞體積管燃油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在100～800 L/min的階躍響應(yīng)過(guò)程中存在明顯的振蕩和超調(diào)，而在1 L/min和2 L/min的階躍響應(yīng)過(guò)程中，持續(xù)震蕩，穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)。不同階躍流量下的時(shí)間常數(shù)和穩(wěn)定時(shí)間如表2所示。

圖5 目標(biāo)流量400 L/min的階躍響應(yīng)

圖6 目標(biāo)流量200 L/min的階躍響應(yīng)

圖7 目標(biāo)流量100 L/min的階躍響應(yīng)

圖8 目標(biāo)流量50 L/min的階躍響應(yīng)

圖9 目標(biāo)流量10 L/min的階躍響應(yīng)

圖10 目標(biāo)流量2 L/min的階躍響應(yīng)

圖11 目標(biāo)流量1 L/min的階躍響應(yīng)

表2 不同階躍流量的時(shí)間常數(shù)和穩(wěn)定時(shí)間

由圖12可以看出，主動(dòng)式活塞體積管燃油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在各階躍流量下的時(shí)間常數(shù)在7～60 ms范圍內(nèi)，穩(wěn)定時(shí)間隨著流量的增大在1000 ms附近收斂。經(jīng)初步分析，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是由裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)性能所導(dǎo)致的。結(jié)構(gòu)方面，該裝置的伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器、絲杠導(dǎo)軌和活塞桿驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，各部件之間的間隙或者微小形變吸收了部分驅(qū)動(dòng)力。在控制方面，該裝置使用交流伺服電機(jī)產(chǎn)生流量源，裝置的控制系統(tǒng)通過(guò)PLC及電機(jī)伺服控制器控制電機(jī)達(dá)到指定轉(zhuǎn)速。控制過(guò)程中PLC輸出的脈沖頻率并非階躍曲線，而是先由零階躍到某一頻率，然后按照一定加速比率逐步增加到目標(biāo)頻率，這個(gè)輸出過(guò)程可以保護(hù)電機(jī)防止突然過(guò)載，但是平滑了階躍曲線。

圖12 不同階躍流量的時(shí)間常數(shù)和穩(wěn)定時(shí)間

4 結(jié)論

通過(guò)上述試驗(yàn)，主動(dòng)式活塞流量標(biāo)準(zhǔn)裝置從靜止分別到1 L/min至800 L/min的階躍流量的時(shí)間常數(shù)在7～60 ms范圍內(nèi)，部分階躍曲線存在超調(diào)和振蕩的情況；在0～100 L/min，0～200 L/min，0～400 L/min的階躍流量的時(shí)間常數(shù)小于10 ms。

未來(lái)將優(yōu)化主動(dòng)式體積管流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)PLC和電機(jī)伺服的控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，進(jìn)一步優(yōu)化裝置的階躍特性。在此基礎(chǔ)上，開展流量計(jì)在階躍流量條件下的誤差試驗(yàn)，進(jìn)行流量計(jì)動(dòng)態(tài)特性研究。