氣動減壓閥流量特性連續測量方法的研究

王 濤 姚 蘅 彭光正

北京理工大學,北京,100081

氣動減壓閥流量特性連續測量方法的研究

王 濤 姚 蘅 彭光正

北京理工大學,北京,100081

ISO6953和GB/T20081中,測量帶溢流機能的氣動減壓閥的流量特性時正向流和溢流兩個測試過程需分開進行,為此提出采用帶大溢流功能的電控減壓閥作為被測減壓閥負載壓力和流量的調節器件,并采用具有雙向流量測量功能的流量計,通過正向最大流量到溢流向最大流量的連續設定,實現壓力和流量的連續測量,從而測出減壓閥的流量特性,簡化了實驗回路,減少了測試設備的交換及其產生的測量誤差,提高了測試效率,節省了空氣使用量。

氣動減壓閥;流量特性;連續測量;節能

0 引言

氣動減壓閥作為自動化技術領域中重要的壓力控制元件,其影響控制系統的最重要的性能指標是壓力-流量特性,即在控制流量范圍內控制壓力的變化特性。正確高效地測量壓力流量特性從而有效地把握其性能是氣動控制系統優化設計的基礎。目前,測量和表示壓力流量特性的國際標準ISO6953[1]和國家標準GB/T20081.2[2]中,對于正向流動狀態的流量特性和溢流狀態的流量特性分別利用兩套測試裝置和測試回路進行測量,即正向流動狀態的流量特性測試和溢流流動狀態的流量特性測試分別進行,然后將測試結果綜合起來繪制出正向和溢流向的壓力-流量特性曲線。該方法存在下面幾個缺點:①測試裝置及回路復雜,易造成測試效率低下和測試成本提高;②在更換測試回路時,由于測量儀器的更換在流量零點處易產生測量誤差;③不易實現自動測試。雖然可以通過在回路中增加截止閥的方法將兩個測試過程組合在一起,但增加了回路的復雜性,從而增大了測試成本和降低了實驗的實用性。

近年來,研究人員提出了利用等溫充排氣測量減壓閥流量特性的方法[3],雖然該方法測試時間短,耗氣量較小,但對傳感器精度要求很高,數據處理復雜,無法對回程的流量特性進行測量,很難得到減壓閥流量特性中的滯環特性。

本文提出一種對氣動減壓閥流量特性進行連續測量的方法,即采用帶大溢流機能的電控減壓閥作為被測減壓閥負載壓力和流量的調節器件,利用具有雙向快速流量測量功能的流量計,通過正向最大流量到溢流向最大流量的連續設定,實現壓力和流量的連續測量,從而得到一種不需要改變實驗裝置和實驗回路就能得到被測減壓閥流量特性的測試方法和自動測量裝置,在與ISO標準規定的相同測量原理條件下,可以實現高效節能的測量。

1 基于ISO標準的氣動減壓閥流量特性測試方法

在國際標準ISO6953和國家標準GB/T20081.2中,氣動元件流量特性測試需要兩套回路來進行。如圖1所示,在測量正向流動狀態的流量特性時,利用圖1a所示的實驗裝置,壓縮空氣經過被測減壓閥的供氣口和控制口,流經可變節流器和流量計排向大氣,通過調節被測減壓閥控制端的節流器的大小來設定負載流量,同時測量被測減壓閥控制端的壓力從而繪制出正向壓力-流量特性曲線;在測量溢流流動狀態的流量特性時,利用圖1b所示的實驗裝置,壓縮空氣經過控制側減壓閥的供氣口和控制口流過流量計進入被測減壓閥的控制口后從溢流口排向大氣,通過調節控制側減壓閥設定的壓力同時測量被測減壓閥控制端流量從而繪制出溢流向壓力-流量特性曲線。

圖1 基于ISO 6953的減壓閥流量特性測量回路

在本研究中,上述方法將作為所提出的連續測量方法的參照標準,其中溫度測量管和壓力測量管按ISO6953制作,外購的壓力傳感器精度為0.1%,溫度傳感器精度為1%,流量傳感器精度為1%,均符合ISO6953對測量儀器精度的要求。

2 連續測試方法及自動測試裝置

2.1 測試方法及裝置構成

圖2所示的減壓閥流量特性自動連續測量裝置回路中,被測減壓閥的供氣端通過供氣側壓力測量管、溫度測量管與供氣壓力設定減壓閥的控制口相連,被測減壓閥的控制端通過控制側壓力測量管、溫度測量管與流量計的正向口連接,流量計的逆向口與控制側電控減壓閥的控制口相連。同時,控制側電控減壓閥的供氣口與氣源相連。控制側電控減壓閥的壓力由計算機發出信號自動設定,壓力計、溫度計及流量計的電氣信號進入帶有A/D和D/A板的計算機中。連接完成的實驗裝置如圖3所示。

圖2 減壓閥流量特性連續測量回路

圖3 減壓閥流量特性連續測量實驗裝置

供氣側和控制側的壓力傳感器選用橫河電機公司生產的的FP101A型壓力傳感器,其精度為0.1%;溫度傳感器是兩個螺紋安裝式的鉑電阻溫度傳感器,其精度為1%;雙向流量計選用東京儀表公司生產的QFS-100型層流型快速響應流量計,其精度為1%;控制側減壓閥(大溢流型減壓閥)選用SMC公司生產的ITV 2050型電/氣比例壓力控制閥。數據采集設備采用研華公司生產的818L多功能數據采集卡,測試系統程序采用美國NI公司的LabVIEW軟件編制[4]。實驗中,只需在測試界面上設定采集次數、最大壓力等參數,就能實現自動測量和數據的實時顯示,以及壓力-流量特性曲線的繪制和實驗結果的輸出。

進行正向流量特性測量時,壓縮空氣由被測減壓閥的供氣口進入被測減壓閥的閥體,從被測減壓閥的控制口流出,經過雙向流量計的正向進入控制側電控減壓閥的控制口后從控制側電控減壓閥的溢流口排向大氣。此時流量設定為正值。

進行溢流向流量特性測量時,壓縮空氣由控制側電控減壓閥的供氣口進入控制側電控減壓閥的閥體,從控制側電控減壓閥的控制口流出,經過雙向流量計的反向從被測減壓閥的控制口進入被測減壓閥的閥體后從被測減壓閥的溢流口排向大氣。此時流量設定為負值。

2.2 測試步驟

(1)利用圖3所示的測試裝置,關閉供氣側及控制側截止閥,在無氣體流動情況下安裝被測減壓閥。

(2)調節供氣側減壓閥使供氣壓力為表壓0.6MPa,或被測減壓閥規定的最大額定壓力,選兩者中較小的。打開供氣側截止閥,設定被測減壓閥出口的控制壓力。

(3)打開控制側截止閥,通過計算機的測試程序輸出三角波信號使控制側電控減壓閥的出口壓力p2從大氣壓至0.6MPa(或最大額定壓力,選兩者中較小的)連續緩慢變化,同時通過傳感器和數據采集卡記錄變化過程中的流量、壓力及溫度信號并輸入到計算機內。

(4)在被測減壓閥控制側,壓力從大氣壓向設定壓力變化時流動方向為正向,流量為正值;控制側壓力等于設定壓力時流量為零;控制側壓力從設定壓力向最大壓力變化時,流動方向為溢流向,流量為負值。在流量變化時(增大或減小),保持被測減壓閥的入口壓力p1不變。

(5)測試被測減壓閥在不同設定壓力下的流量特性,可重復步驟(2)～(4)。設定壓力時要求被測減壓閥無氣體流過,通過緩慢改變控制側壓力達到所要求的壓力值。

作為測量結果的表示,在每一個設定壓力下繪制控制壓力-控制流量的曲線。

2.3 雙向流量計

在本實驗裝置中使用的流量計是一種層流型的雙向流量計,其性能指標如表1所示。層流式流量計的流量測量結構采用多層纖細管構成層流式流路,即內部插入了數千根毛細鋼管并聯組成層流器件,氣體通過時形成層流流動,同時層流器件兩端產生壓力差,通過差壓傳感器測量壓力差便可以計算出流過的氣體流量[5]。層流式流量計測量的體積流量與壓力差呈比例關系,且能根據差壓的正負情況測量兩個方向的流量。在管道承壓下的質量流量可以由下式算出:

式中,K為流量系數;ρa為大氣壓下的空氣密度;pc為管壓;pa為大氣壓;d為毛細管直徑;Δp為差壓;μ為空氣黏度;L為毛細管長度;n為毛細管根數。

表1 層流式流量計的規格及標準

層流式流量計在承壓狀態下也具有良好的線性,測量精度高,且具有高頻響應,能夠測量高達50Hz的振動流,因此可以正確地測量出氣體雙向的動態流動[6]。利用標準流量計進行標定,得到圖3所示測試裝置中的雙向流量計在大氣壓下的輸出特性如圖4所示。可以看出,該流量計的計測流量誤差小,層流器件兩端的差壓與通過的流量有良好的比例關系,且能實現雙方向的流量測量。

2.4 電/氣比例壓力控制閥

作為流量負載的控制側減壓閥為SMC公司生產的ITV 2050型電/氣比例壓力控制閥,其電源電壓為DC 24V,輸入信號DC 0～5V,輸出壓力上限為0.9MPa,連接口徑為 6.35mm(1/4英寸)。該閥是一種采用先導式高速開關閥來控制對稱型雙提升閥主閥的壓力調節器。

該閥的工作原理是,期望壓力值的信號輸入到控制回路,當壓力傳感器檢測到輸出控制口氣壓小于設定值時,控制電路輸出控制信號打開先導開關閥(由兩個高速開關閥組成)的給氣閥,使先導腔的控制壓力增大,使主閥芯下移,正向提升閥口打開,氣源向控制口充氣,輸出壓力升高。當壓力傳感器檢測到輸出氣壓大于設定值時,控制電路輸出控制信號打開先導開關閥的排氣閥,使先導腔通過排氣口向外排氣,于是先導腔壓力下降,主閥芯上移。當正向提升閥口完全關閉后,打開主通道的溢流向提升閥口,主閥輸出口處氣體向外排氣,出口壓力降低。上述不斷反饋調節過程一直持續到輸出口的壓力與期望壓力值相符為止[7]。

圖4 雙向流量計輸出特性

圖5、圖6所示分別為基于ISO6953測得的ITV 2050型電控比例閥輸入-輸出靜特性曲線和壓力-流量特性曲線。由靜特性曲線可以看出,該閥具有信號-輸出線性度好、無死區的特點,其線性度為±1%(滿量程),遲滯和重復性均小于0.5%(滿量程)。另外,由于其正向和溢流向提升閥的結構對稱,故具有很大的溢流范圍。圖6所示的壓力-流量特性曲線中,實心點是正向最大流量開始向溢流向最大流量變化的結果(向上),空心點是溢流向最大流量開始向正向最大流量變化的結果(向下)。在供氣壓力為1MPa時其正向最大流量為2000L/min(標準流量),溢流向最大流量甚至會更高。綜合以上兩個特點,該閥非常適合作為控制側的壓力調節閥。

圖5 ITV2050型電控比例閥輸入-輸出靜特性曲線

圖6 ITV2050型電控比例閥壓力-流量特性曲線

3 實驗結果

選用SMC公司生產的四種不同類型減壓閥作為實驗對象,按照2.2節的實驗步驟進行測試。被測閥的設定輸出壓力 ps分別為 0.16MPa、0.25MPa、0.4M Pa和0.5MPa。被測閥及測試時的設定參數如表2所示。

各被測閥在設定壓力 p s為 0.16MPa、0.25MPa、0.4M Pa和0.5M Pa時的供氣側、控制側相對壓力和流量分別如圖7～圖10所示,當計算機給控制側電控減壓閥的信號為三角波時,在供給壓力保持基本不變的情況下,被測減壓閥控制側的壓力與信號基本成比例變化。隨著控制信號由零到最大值再到零的變化,當控制側壓力小于被測減壓閥設定壓力時,被測閥處氣體正向流動,流量為正值,當控制側壓力大于被測減壓閥設定壓力時,被測閥處氣體溢流流動,流量為負值。

表2 被測閥及測試參數

圖7 被測閥1的壓力和流量實驗結果

圖8 被測閥2的壓力和流量實驗結果

圖9 被測閥3的壓力和流量實驗結果

圖10 被測閥4的壓力和流量實驗結果

綜合每一時刻的壓力和流量結果,可以繪制出流量從最大到最小再變化到最大時的壓力變化曲線,從而得到四種被測閥在各個設定壓力下時的壓力-流量特性,如圖11所示,其中,實線是正向最大流量開始向溢流向最大流量變化的結果,虛線是溢流向最大流量開始向正向最大流量變化的結果。

為驗證所提出的測試方法的精度,利用圖1所示的基于ISO6953的方法再次對上述四種被測減壓閥進行流量特性測試,結果見圖11,其中,實心點是正向最大流量開始向溢流向最大流量變化的結果(向上),空心點是溢流向最大流量開始向正向最大流量變化的結果(向下)。

圖11 被測減壓閥的壓力-流量特性測試結果

被測閥1是內部先導式精密減壓閥,采用兩級調壓結構,在彈簧和閥芯之間增加了一個具有高放大倍數的噴嘴-擋板放大器,從圖11a的流量特性曲線也可以看出,其性能較好,調壓精度高。被測閥2是一種活塞式非平衡型減壓閥,當一次側壓力及設定壓力變化時,閥桿自身所受壓力便出現變化,與原來的彈簧力失去平衡,故壓力特性不好。被測閥3是小型直動式減壓閥,受壓部分是活塞式結構,為溢流式,其控制方式單一,因此壓力-流量特性較差,另外提升閥的閥口設計使得在流量為零處具有非常大的死區,如圖11c所示。被測閥4是高速開關式復合型電氣比例閥,被控壓力由壓力傳感器檢測反饋至控制回路,通過與目標值進行比較來調整活塞的動作和閥的開口,由圖11d可見,它既能實現高精度的壓力控制,又具有大流量的充排氣特性。

對于四種不同類型的被測閥,均將所提方法測得的壓力-流量特性與基于ISO6953方法測得的數據進行了對比,二者吻合很好,證明新提出的方法在精度上與ISO方法保持了一致性。

4 測試時間及空氣消耗量

將所研究的減壓閥流量特性連續測量裝置和方法與傳統的ISO6953中規定的方法在測試時間和測試時所消耗的空氣量上進行了比較。測試場所是北京理工大學檢測技術與自動化裝置研究所氣動技術實驗室,測試室溫為20℃,實驗者為一般經驗的同一人。測試時間除了實驗數據的讀取外,還包含被測閥的裝卡以及傳統方法測試時測試裝置的切換。傳統方法的耗氣量計算是通過在每個設定壓力下測量20個點,將每一測試點的測試時間乘以所測流量進行累積得到的,新方法的耗氣量是利用圖7～圖10中流量的測試結果累積得到的。兩種方法均測量三次,圖12中的數據為測試的平均值。

圖12 耗氣量及測試時間的比較

實踐證明,新方法的耗氣量約為傳統法的1/3,總測試時間約為傳統法的1/5。可以說,所提出的氣動減壓閥流量特性連續測量方法具有測量時間短、測試效率高、耗氣量小、節約能源等優點,是一種高效節能的新方法。

5 結論

本文提出了一種新的流量特性測試方法。通過采用帶有大溢流功能的電/氣比例壓力閥作為被測減壓閥的控制端流量或壓力設定器件,在無須更換器件的情況下,能夠進行正向和溢流兩個方向的流量或壓力的設定。通過使用一種具有雙向流量測量機能的流量計,在不用更換測試儀器或方向的情況下,可以進行雙方向流量的測量,從而實現了氣動減壓閥流量特性的連續自動測試。

與現有的標準ISO6953和GB/T20081.2,以及其他流量特性測試法相比,本文研究的方法能夠僅利用一套實驗裝置測試出氣動減壓閥上下行程完整的壓力-流量特性,且具有同等的測試精度,并且節約了測試裝置成本,提高了測試效率,因此非常便于使用和推廣。

[1] ISO/TC[3].ISO/TC 131.ISO 6953:2000.Pneumatic Fluid Power.Comp ressed Air Pressure Regulators and Filter-regu lators.Test M ethods to Determ ine the Main Characteristics to Be Included in Literature from Supp liers[S].Beijing:Standards Press of China,2000.

[2] 國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 20081.2-2006:氣動減壓閥和過濾減壓閥第2部分:評定商務文件中應包含的主要特性的測試方法[S].北京:中國標準化出版社,2006.

[3] 范偉,高爽,張宏立,等.利用等溫容器的充排氣進行減壓閥流量特性測量的研究[J].北京理工大學學報,2007,27(增刊1):108-111.

[4] 吳成東,孫秋野,盛科.LabV IEW虛擬儀器程序設計及應用[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[5] Funaki T,Sengoku K,Kaw ashima K,et al.Dynam ic Calibration of Lam inar Flow Sensor for Gases[C/CD].SICE Annual Con ference,Sapporo,Japan,2004.

[6] 王伯年,王榮杰,王利民,等.層流流量計設計參數的選擇與確定[J].儀器儀表學報,2000,21(5):474-476.

[7] SMC(中國)有限公司.現代實用氣動技術(基礎篇)[M].北京:機械工業出版社,1998.

Wang Tao Yao Heng Peng Guangzheng Beijing Institute of Technology,Beijing,100081

In ISO6953 and GB/T20081,there is a disadvantage that two measuring devices must be used for determination of the flow rate characteristicsof pneumatic regulatorsw ith forward flow and relief flow characteristics.A new set of m easuring device and method was proposed herein,which made use o f an electric regu lator with large relief function as the load p ressure and flow regulation device and a dual directional flow meter.W ith the continuous conditionings from m aximum forw ard to maxim um relief flow,pressure and flow rate,asw ellas flow rate characteristics can be obtained in real-tim e.This w ill sim p lify the measuring circuit,avoid measurement instrument exchange and the caused errors,improve the testefficiency and save the amount of used air.

pneumatic regulator;flow rate characteristics;continuousm easurement;energy saving

Study on ContinuousM easurement Method of Flow Rate Characteristics for Pneumatic Regu lator

TP216

1004—132X(2011)06—0636—06

2010—03—23

教育部留學回國人員科研啟動基金資助項目(教外司留〔2008〕890 號)

(編輯 蘇衛國)

王 濤,男,1971年生。北京理工大學自動化學院講師。研究方向為流體測試技術、檢測技術與自動化裝置。發表論文20余篇。姚 蘅,女,1987年生。北京理工大學自動化學院碩士研究生。彭光正 ,男,1964年生。北京理工大學自動化學院教授、博士研究生導師。