摘要:研究了双柱塞计量缸的流量计校准装置,通过系统控制与计算实现计量缸计量流量与被校流量计测量流量的在线对比,以满足宽量程和精度佳的校准要求。分析了该装置的结构特点和设计方法,通过仿真分析对其性能进行初步评估。研究了校准计量柱塞行程和移动速度对涡轮流量计仪表系数的影响,给出了建议的校准实验条件。结果表明,采用该校准装置可满足宽量程液体流量计校准,燃油涡轮流量计量稳定性在0.2%内。
1引言
燃油及控制系统是以航空发动机为代表的动力装置的重要组成之一。随着FADEC技术的发展及新一代发动机性能方案的逐步明确,对发动机关键性能参数的测量精度等级也逐步提高。供油量及燃油流量是发动机典型控制回路的参数,常为发动机控制系统中的控制量,其正确检测对提高发动机各类地面试验结果的置信度具有重要的工程意义。与其它流量计相比,涡轮流量计测量精度高、量程范围宽、重复性和动态特性好。但长期使用后,由于腐蚀和磨损等因素的综合影响,其仪表系数必然发生变化,使测量结果出现较大误差。发动机控制系统的各类地面试验长期缺乏一种正确、简易的实验室用校准装置对流量计进行定期校准,一定程度影响了试验结果的置信度和试验技术的发展。
本文以涡轮流量计为对象,在自行设计的校准实验装置上,对涡轮流量计不同工况下的特性进行校准实验,研究主要试验参数对校准结果的影响。
2涡轮流量计
容积式流量计、差压式流量计与浮子流量计在流量测量中应用最为广泛。涡轮流量计是速度式流量计的一种,与容积式流量计和科里奥利质量流量计是三类重复性和精度最佳的产品。涡轮流量计因其转动惯性小、测量精度和重复性较好等优点在流量测量中得到应用。涡轮流量计可用于测量气体与液体的体积流量，通过质量换算,可以求出质量流量。二者结构存在差异,主要是涡轮转子叶片安装角度不同,测量气体用涡轮转子叶片安装角度10°~15°,测量液体用流量计叶片安装角度为30°。涡轮流量计结构原理图如图1所示。
3涡轮流量计校准装置设计方案
液压计量缸可采用柱塞式或活塞式2种设计方案。二者原理均为推油流量值等于运动部件(柱塞或者活塞)单位时间内排开的液体体积。假设液体不可压缩,则排开的液体体积与运动部件的运动体积相等。运动部件的体积为:
V=A?t
式中:A为运动部件截面积;r为运动速度;t为运动时间。.
当柱塞和活塞面积相等时,推油流量值仅取决于其运动速度。采用相同有效作用面积的柱塞式和活塞式计量缸,运动速度相同时推油流量值相等。但柱塞式计量缸对于计量液压缸缸简内壁加工质量要求低,工艺性和经济性好�；钊郊屏扛滓蛟硕钊苯佑敫准蚰诒诮哟�,故而需精加工，同时需考虑活塞动密封,否则泄漏量会对实验结果产生不可忽略的影响。
通过上述比较分析，本装置确定采用双柱塞式计量缸作为涡轮流量计校准的推油计量标准,大柱塞推油流量范围是50~3000L/h,小柱塞单独运动推油流量范围为2~60L/h,大小柱塞有重合测量范围,从而保证了整体测量流量的连续性,可满足较大量程范围的使用要求。为正确控制计量柱塞的运动速度,装置采用伺服电机-滚珠丝杠驱动,光栅尺一读数头实现位移测量的速度一流量模式，满足稳态及动态校准需求。校准装置的构成原理如图2所示。
伺服电机是本装置的动力元件,可以将电脉冲信号转变为角位移。由上位机通过控制器完成对伺服电机的起停及转速控制。正常情况下，可以控制脉冲信号的频率和脉冲数正确控制电机的转速与停止的位置。因此可以通过控制脉冲数来控制电机的角位移量,实现正确定位。本文设计的校准装置中采用电机的编码器分辨率为20bit,即每转为1048576个脉冲,由此经传动比和滚珠丝杠导程可计算出其位置控制精度满足流量计量要求;通过控制脉冲频率实现对电机转动速度和加速度的控制,对电机进行调速。
被检涡轮流量计两端安装有调节阀门,调节管路的通断,同时便于更换流量计,防止油液流出。在柱塞式计量缸的运动滑块连杆上安装有光栅尺,用来测量柱塞连杆的速度与位移,并反馈给上位机。装置整体由上位机控制，设定伺服电机转速与柱塞连杆位移值,通过光栅尺与读数头的配合反馈运动速度与位移,并可实现涡轮流量输出信号与柱塞缸推油流量信号的在线比较,实现直观、可视的结果输出。同时布置于管路中的压力传感器与温度传感器实时采集信号,反馈给上位机，便于比较分析不同运动速度时的压降及对涡轮流量计的影响。行程开关起到限位�；さ墓δ�，当光栅尺读数头运动到极限位置触碰到行程开关，使运动停止,同时在软件中加人限位�；すδ堋�
上位机27支持多种信号采集且实时性强,便于实现高性能标准化测试与正确的自动过程控制。小.惯量伺服伺服电机1通过减速器2驱动滚珠丝杠6,丝杠6上的滑块推动柱塞式计量缸10的柱塞连杆运动,推动计量缸10内的油液流向被校流量计19或20,不考虑缸的泄漏和油的压缩性,流量正比于柱塞式计量缸10的移动速度即伺服电机1的转速(和输人电机的脉冲频率成正比)。为获得不同行程内计量缸的平均速度,用光栅尺配合读数头5来实时测量柱塞连杆的位移。
4校准实验
4.1实验装置
基于，上述设计方案搭建的校准装置实物如图3所示，可见柱塞式计量缸的大柱塞伸出。为了保证运动的直线度以及减少因直线度差以增加运动阻力,安装时滚珠丝杠与柱塞缸布置需保证较好的直线度。因为油箱高于计量缸,充油主要通过开关阀并借助油液自重完成。
通过上位控制机设定计量缸柱塞推油行程600mm、运动速度20mm/s,观察并记录推油流量与运动位移量。根据光栅尺测量值,计算运动速度,得到柱塞位移和推油流量曲线见图4。
图4表明,校准装置可达到设定位移值,且运动平稳,由光栅尺测得的推油速度计算出推油流量为13.11L/min。实际推油流量值在13.1L/min小范围内波动,波动小于8%0。另外,装置在初始运动时有约2s延迟,主要由于静摩擦和机械间隙引起的运动滞后。但柱塞开始运动后,推油流量响应迅速，产生阶跃后快速到达稳态。实验表明，该校准装置可以达到设定的位移值并输出平稳正确的流量值。
4.2涡轮流计特性
流量校准装置的主要技术指标有流量范围、不确定度稳定性和温度范围等,其中稳定性为基本性能指标，是必须满足的指标，否则校准装置无法正常使用。
流量稳定性分为累积时间内流量稳定性和累积时间之间的流量稳定性。累积时间内流量稳定性检定,是指在一段连续的时间内,频繁连续的测量n个信号,按照规定公式进行计算;累积时间之间的流量稳定性检定,是指在连续的n(n≥10)个周期中,测量每一个周期的平均流量值,据此计算流量稳定性。评估累计时间之间的流量稳定性,对检验流量的长期稳定性及确定系统中稳定装置的有效性意义重大。其计算式为[8]:
其中:t为置信度为95%时的置信因子,当n=10时,t=2.23;`q为10次测量的流量平均值。
涡轮流量计的另一个重要特性就是其仪表系，数,仪表系数K表示单位体积流体通过涡轮流量计时传感器输出的信号脉冲数”]。当流动介质处于一定的流量范围以及粘度范围内时,涡轮流量计转子稳定运转输出的脉冲数值与流经流量计的流量值存在如下关系:
式中:f为涡轮流量计输出脉冲频率;K为涡轮流量计的仪表系数;q,为通过涡轮流量计的流量。
仪表系数在稳定流动的情况下为-常值,但实际流动中,涡轮流量计本身的机械摩擦力矩、流体粘性阻力矩等都在不断变化,考虑到这些因素,仪表系数是变化的,它的特性曲线见图5[1]。
由图5可见,在初始某范围内,流量计无输出信号,此时图5中的最小流量值为涡轮流量计的始动流量。始动流量主要受涡轮转子与支承轴承轴间机械摩擦阻力矩的影响,阻力矩越大则始动流量越大,从而使流量有效测量范围减小。当流量超过始动流量,涡轮流量计开始输出信号,但此时处于非线性区,并不适合作稳态测量。当流量继续增大，进入仪表的线性测量范围时,仪表可用来测量稳态流动。当流量值继续增大,超过最大流量时,出现气蚀现象,此时会对仪表造成损坏,不再适合测量。由图5可以看出,在仪表的线性测量范围内,仪表系数K值是在一定范围内波动的。
实验中流量计有效测量范围是1.9~19L/min,依据实验检定规程,流量检定实验点应包括:qmax、0.7qmax、0.4qmax、0.25qmax、0.15qmax、0.07qmax和q9min，这7个流量点,但因为实验重在对涡轮流量计特性的研究,而不是校准流量计，因此结合校准装置的实际情况,将流量检定点确定为:18.31,13.56,8.14,5.43,3.39,1.36,0.20,L/min。之后根据实验数据,计算涡轮平均仪表系数,线性度以及重复性等参数。
4.3实验数据及分析
根据校准实验中流量稳定性要求，对最大及最小流量两种状态进行测量,每种状态测量10次,按照式(1)处理。表1是通过整理而得到的实验数据。
根据式(1)计算得到:Eqmin=0.03%o,Eqmax=0.2%o,校准装置的流量稳定性为0.2%0。本装置具有较低的测量不确定度,很大程度上是因为伺服电机拥有极高的位置控制精度(考虑10:1的减速比,10mm的滚珠丝杠导程及自身传动误差,推油活塞位置精度理论上可达0.01μm),可以正确控制活塞的行程,从而保证推油量的稳定。
根据流量检定点进行实验,得到的涡轮流量计仪表系数特性曲线如图6所示。图6显示,涡轮流量计仪表系数在流量计有效量程范围内基本恒定，上下有小范围波动,在小于最小量程时误差较大,不适宜测量。
为研究校准实验参数对涡轮流量计标定仪表系数的影响规律,在相同行程时研究不同柱塞推油速度对仪表系数的影响。
图7为100mm和400mm行程时不同柱塞推油速度时流量计仪表系数实验曲线。由图7可见，在涡轮流量计的有效量程范围内,100mm;和400mm行程在不同速度时,涡轮流量计仪表系数基本稳定保持在6500L-T附近,存在小范围波动。
具体分析.上述2种行程、不同推油速度的流量计特性曲线图可以看出,2条曲线仪表系数分别为6492.699L-1和6492.613L-1,数值接近,偏差很小。线性度分别为0.127%和0.167%,重复性为0.0903%和0.0871%，这表明在流量计有效量程范围内,固定行程时,运动速度对仪表系数K影响很小。
实验测得的涡轮流量计的平均仪表系数为6493.247L-1,与出厂资料给定值6495.988L-1,二者偏差为0.04%，由此验证了装置的有效性。相同计量柱塞推油行程和不同推油速度的实验结果表明在涡轮流量计有效量程范围内,校准实验中的计量缸推油速度对流量计仪表系数影响很小。
5结论
开展了基于柱塞式计量缸的涡轮流量计校准装置的设计及相关实验,主要完成了以下工作:(1)根据计量航空动力装置燃滑油流量的涡轮流量计流量范围及实际需求,电机-减速器-滚珠丝杠-计量缸的流量计校准装置;(2)在研制的校准系统上开展了探究，不同柱塞行程和推油速度对涡轮流量计仪表系数的影响，验证了校准装置的有效性。当推油流量在涡轮流量计有效量程内时,计量缸柱塞运动速度对仪表系数的影响较小。
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