活塞式氣體流量裝置的建立

發(fā)布：2018-12-18 | 點(diǎn)擊：人次

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關(guān)鍵字：活塞式，氣體流量，量傳體系

一、氣體活塞裝置的特點(diǎn)

標(biāo)準(zhǔn)體積值準(zhǔn)確:標(biāo)準(zhǔn)體積僅與活塞下降的距離及缸體直徑有關(guān)，相關(guān)影響因素較少。

重復(fù)性好：從原理上看，其重復(fù)性僅與缸體面積的變化、光柵測(cè)量的重復(fù)性及密封圈的變形等因素有關(guān)，而這些影響因素均很小。

內(nèi)壓力大：可通過(guò)向缸內(nèi)充以壓縮空氣的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)缸內(nèi)平衡壓力的調(diào)節(jié)，此裝置的zui高內(nèi)壓力可達(dá)到200kPa（表壓100kPa）。

流量穩(wěn)定：由于流量值為活塞運(yùn)行速度與缸體橫截面積的乘積，活塞由伺服電機(jī)帶動(dòng)，而伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度易于調(diào)整和控制，因此在試驗(yàn)時(shí)，能夠容易地使流量達(dá)到并穩(wěn)定在設(shè)定流量點(diǎn)上。

壓力穩(wěn)定：對(duì)流量與壓差存在正比關(guān)系的流量計(jì)，在試驗(yàn)過(guò)程中，靠流量與壓差的自平橫關(guān)系，可以在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)壓力穩(wěn)定。

二、工作原理

1.工作原理

如圖所示，裝置工作時(shí)活塞向下運(yùn)動(dòng)，將缸內(nèi)氣體通過(guò)管路、流量計(jì)排出。在活塞向下勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸內(nèi)的壓力經(jīng)過(guò)一個(gè)上升過(guò)程后逐步達(dá)到穩(wěn)定值。認(rèn)為氣體在這個(gè)過(guò)程中溫度、壓力、體積不發(fā)生變化，由于缸體內(nèi)徑已知，可計(jì)算出活塞運(yùn)行一定距離排出氣體的體積值。以此作為標(biāo)準(zhǔn)體積流量，與流量計(jì)示值相比較，從而檢測(cè)流量計(jì)。

2.系統(tǒng)組成

活塞式氣體流量裝置主要由伺服電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠、光柵、活塞缸、活塞、溫度測(cè)量系統(tǒng)、壓力測(cè)量系統(tǒng)、管路及進(jìn)、出氣閥門、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)等組成。

3.體積流量計(jì)算方法

計(jì)算活塞下降排出的氣體體積值：Vs=A*h（1）

式中：A——缸體面積，m2;

h——活塞有效下降高度，m;

認(rèn)為氣體在缸內(nèi)的溫度、壓力不變，因此活塞排出的氣體體積即為通過(guò)流量計(jì)的氣體累積流量值。

即：Vp=Vs（2）

通過(guò)流量計(jì)的氣體瞬時(shí)體積流量為：qs=Vp/t（3）

式中：qs——標(biāo)準(zhǔn)裝置給出的質(zhì)量流量，kg/s;

t——試驗(yàn)時(shí)間，s;

三、機(jī)械結(jié)構(gòu)

活塞式氣體流量裝置的核心部分為活塞和缸體。正是活塞缸和活塞組成了缸體內(nèi)的封閉空間為流量計(jì)量提供了準(zhǔn)確的體積，工作時(shí)活塞在缸內(nèi)沿著缸軸平移，在保證密封的前提下，活塞缸的內(nèi)截面積與活塞移動(dòng)距離的乘積即為裝置給出的標(biāo)準(zhǔn)累積流量。因此，裝置的設(shè)計(jì)主要以保證活塞與活塞缸間的密封、活塞缸幾何形狀公差、尺寸公差指標(biāo)為中心，結(jié)合國(guó)內(nèi)機(jī)加工條件下的性能價(jià)格比等因素進(jìn)行綜合考慮。

裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由缸體、活塞、行程測(cè)量系統(tǒng)、減速和絲杠系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、底座和加強(qiáng)桿、進(jìn)出氣管路和閥門等組成。

1.整體結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)與合理

根據(jù)類似裝置的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工作過(guò)程，活塞缸應(yīng)垂直安放，這樣有以下特點(diǎn)：

a缸筒受力均勻，不易變形。

b缸內(nèi)密封用油如滲出發(fā)生積存現(xiàn)象，不會(huì)影響標(biāo)準(zhǔn)體積值。

c活塞自重對(duì)缸內(nèi)壓力有一定的加強(qiáng)。

d有利于活塞的平穩(wěn)運(yùn)行，不易產(chǎn)生低速下的爬行現(xiàn)象。

由于電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)位于活塞缸上面，為增加穩(wěn)定性和系統(tǒng)剛性另加三根支桿，支桿上與托盤、下與底座連接。

2.活塞缸

由設(shè)計(jì)流量進(jìn)行缸內(nèi)總體積計(jì)算，考慮活塞缸直徑-高度比，將活塞缸的尺寸定為：Ф200mm×800mm，其中缸筒上下100mm內(nèi)為非工作區(qū)，加工時(shí)主要保證缸筒中間600mm內(nèi)缸筒內(nèi)園的不園柱度的形位公差。

①缸體壁厚的確定

缸體的壁厚應(yīng)能滿足在正常工作條件下對(duì)缸體強(qiáng)度和剛性的要求。由缸體的徑向和周向許用應(yīng)力及應(yīng)變來(lái)計(jì)算缸體的壁厚。得到缸體壁厚δ=8.6mm。因此，選擇缸體壁厚為10mm。

②缸體容積變形量計(jì)算

通過(guò)計(jì)算可以得到在zui大工作壓力0.2MPa下，缸體內(nèi)容積變形量為0.0019%。因此zui大壓力下缸體容積變形的影響可以忽略。

③加工要求

為保證缸筒內(nèi)表面與密封環(huán)間密封的可靠性并有效減小摩擦，對(duì)活塞缸筒內(nèi)表面的不圓柱度和表面光潔度應(yīng)有較高的要求。

3.活塞與密封系統(tǒng)

①活塞尺寸的確定

裝置的工作過(guò)程是由活塞在活塞缸筒內(nèi)沿軸向勻速運(yùn)動(dòng)完成的。在這個(gè)過(guò)程中需活塞運(yùn)行平穩(wěn)，即活塞在缸筒中運(yùn)行時(shí)其相對(duì)于缸體軸線應(yīng)始終保持垂直，不應(yīng)有扭曲或晃動(dòng)的現(xiàn)象發(fā)生。

活塞在缸體中的晃動(dòng)不但會(huì)引起運(yùn)行的不平穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生活塞卡死的現(xiàn)象。

密封圈的壓縮量為0.2mm，要保證活塞與活塞缸軸線的相對(duì)位置，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中變化小，應(yīng)增加活塞厚度B，但如活塞厚度增加過(guò)多，又會(huì)增加裝置的整體高度，在此選取B=120mm。

②密封結(jié)構(gòu)

在裝置工作過(guò)程中缸內(nèi)氣體應(yīng)只能通過(guò)出氣口排除，因活塞與缸體存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此必須有良好的密封結(jié)構(gòu)使得活塞與活塞缸之間無(wú)泄漏?；钊嫌腥齻€(gè)密封環(huán)，在上兩個(gè)密封環(huán)之間是密封油槽，油槽內(nèi)的油通過(guò)定位導(dǎo)向桿連接到裝置外面的油面指示器。指示器上裝有光電測(cè)油位的報(bào)警器，當(dāng)密封油泄漏時(shí)油面降低，當(dāng)缸內(nèi)氣體進(jìn)入到油槽內(nèi)時(shí)油面升高或有氣泡排出，油面變化超過(guò)警戒位置時(shí)或有氣泡排出時(shí)報(bào)警器報(bào)警。

4.伺服電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、絲杠和導(dǎo)向桿

伺服電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠使用一體化的成品。滾珠絲杠能提供良好的定位及運(yùn)行平穩(wěn)性，為保證活塞運(yùn)行速度的平穩(wěn)，需要電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和滾珠絲杠有良好的穩(wěn)定性，電機(jī)使用伺服電機(jī)，減速器為渦輪渦桿。

5.基座、進(jìn)排氣管道和排污孔

基座底面為一錐面，zui下端是排污孔，進(jìn)出氣管道的上沿均高于錐面，以防油或其他污物進(jìn)入。底面上還有兩個(gè)測(cè)溫孔和一個(gè)測(cè)壓孔。

進(jìn)氣管上裝有兩個(gè)密封性良好的球閥，兩個(gè)球閥之間接有壓縮空氣進(jìn)氣口，當(dāng)測(cè)量壓力損失大于500Pa的流量計(jì)時(shí)可先使缸內(nèi)壓力達(dá)到預(yù)定值，以減少試驗(yàn)所需的平衡時(shí)間。進(jìn)氣管的前端裝有氣體過(guò)濾器，過(guò)濾器為60目和120目?jī)蓪咏饘龠^(guò)濾網(wǎng)，以防灰塵進(jìn)入缸內(nèi)。排氣管道上為一個(gè)球閥，并接有法蘭連接口與被測(cè)流量計(jì)連接。底座下是一底板，底板上有三個(gè)底腳水平調(diào)整螺釘，安裝時(shí)調(diào)整缸體為垂直位置安放。

四、電控

1.硬件配置

電氣控制柜主要由電氣層、控制器層、計(jì)算機(jī)層、儀表層及驅(qū)動(dòng)層五部分組成。電氣層功能為：電源開(kāi)關(guān)、電機(jī)斷電；控制器層主要功能為：控制器電源開(kāi)關(guān)、電機(jī)控制、手動(dòng)轉(zhuǎn)速信號(hào)等；計(jì)算機(jī)層用于放置計(jì)算機(jī)主機(jī)；儀表層用于放置溫度計(jì)、壓力計(jì)及光柵數(shù)顯表；驅(qū)動(dòng)層用于放置電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及直流電源等設(shè)備。

2.軟件配置

流量計(jì)檢定程序是在VisiuaIBasic5.0下編寫(xiě)的測(cè)控軟件，使用VB5.0自帶的Access數(shù)據(jù)庫(kù)。

五、技術(shù)指標(biāo)

1.技術(shù)指標(biāo)

流量范圍：（0.009～0.6）m3/h

體積流量不確定度：U=0.05%,k=2

重復(fù)性：優(yōu)于0.05%

缸內(nèi)工作壓力：絕壓200kPa

工作溫度：（10～30）℃

密封性：裝置zui大相對(duì)漏失量：0.005%/min

2.功能

計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)：

缸內(nèi)溫度（10℃～30℃，±0.01℃）

缸內(nèi)壓力（95KPa～200kPa，±10Pa）

流量計(jì)前溫度（10℃～30℃，±0.01℃）

活塞下降高度（0～600mm，±0.005mm）

試驗(yàn)時(shí)間（30s～1800s，±0.001s）

脈沖信號(hào)輸入（10Hz～10kHz，計(jì)數(shù)999999±1）

電流信號(hào)輸入（0～10mA，4mA～20mA，±0.001mA）

電壓信號(hào)輸入（0～5V±0.001V）

控制：分為手動(dòng)和自動(dòng)：

自動(dòng)：設(shè)置流量、行程或試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)次數(shù)、輸入方式等參數(shù)后，按試驗(yàn)開(kāi)始鍵后活塞運(yùn)行，系統(tǒng)自動(dòng)判斷壓力穩(wěn)定后開(kāi)始試驗(yàn)。中途可緊急停止，活塞碰到限位開(kāi)關(guān)后停止。

手動(dòng)：手動(dòng)控制試驗(yàn)開(kāi)始、結(jié)束，控制活塞運(yùn)行等。

計(jì)算：缸內(nèi)平均溫度

活塞下降高度所代表的體積V

用狀態(tài)方程換算到流量計(jì)前的體積V

進(jìn)行相應(yīng)的流量計(jì)性能計(jì)算

報(bào)表：自動(dòng)生成檢定記錄表，并存入Access數(shù)據(jù)庫(kù)中

報(bào)警：油位報(bào)警、碰上、下限限位開(kāi)關(guān)電機(jī)停止。

六、結(jié)論

1氣體活塞式流量裝置具有穩(wěn)定性高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，具有流量標(biāo)準(zhǔn)裝置所需的功能。

2氣體活塞式流量裝置的內(nèi)壓力zui高可達(dá)200KPa，滿足高壓損流量計(jì)，特別是音速噴嘴的校準(zhǔn)需要。

3該裝置產(chǎn)生流量的原理是恒流，然后靠流體本身的特性來(lái)達(dá)到恒壓，因此流量點(diǎn)的調(diào)節(jié)易于控制。

4相信該裝置在流量量傳體系中將起到重要作用，特別是在裝置間的比對(duì)等方面具有優(yōu)勢(shì)。