关于气动元件流量特性测试系统的研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 0年 第 7期 关于气动元件流量特性测试系统的研究 陈乾斌 司 冀 史维祥， 西 安交通大 学 S MC气 动技术 中心 ， 西安7 1 0 0 4 9 摘要 本文论述 了气动元件流量特性参数有效截面积 S和声速流导 C及临界压力 b的由来 。根据声速放气法和国际标准 I S 0 6 3 5 8 ， 设计了两种气动元件流量特性测试系统 ， 可 以在多种实验条件下迅速方便地完成对气动元件流量特性参数 S ， C ， b值的检测。系统软 件采用编程效率高 的 L a b v i e w编写 ， 可供工业应用 。 关键词 气动 ； 流量特性 ； 声速放气法 ； I S O 6 3 5 8 ； 测试系统 ； L a b v i e w ’ 中圈分类号 T H1 3 8 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 m 0 7 0 0 3 4 0 5 Re s e a r c h o n F l o w R a t e Ch a r a c t e r i s t i c s M e a s u r e me n t S y s t e m f o r Pn e u m a t i c Co mp o ne nt s C H E N Q 饥一 b i n S I J i S HI We i - x i a n g X i ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y S MC P n e u m a t i c T e c h n o l o g y R e s e a r c h C e n t e r ，X i ’ a l l 7 1 0 0 4 9 C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s t h e s i s t h e o rig i n a n d d e fi n i t i o n o f e f f e c t i v e c r o s s s e c t i o n a r e a S ， s o n i c c o n d u c t a n c e C a n d c rit i c a l p r e s s u r e r a t i o b a r e i n t r o d u c e d ． A c c o r d i n g t o s o n i c v e l o c i t y e x h a u s t me t h o d a n d I S O6 3 5 8 ， t wo fl o w r a t e c h a r a c t e ri s t i c s me a s u r e me n t s y s t e ms we r e b u i l t w h i c h c a n me a s u r e t h e fl o w c h a r a c t e ris t i c v a l u e s C ， b ， S q u i c k l y a n d e a s i l y u n d e r d i f f e r e n t o p e r a t i n g c o n d i t i o n s ． T h e s y s t e ms w e r e p r o g r a mme d b y L a b v i e w， the p r o g r a mmi n g e f fi c i e n c y o f L a b v i e w wa s v e r y h i g h ， t h e y c a n b e u s e d i n i n d u s t r y ． Ke y W o r d s P n e u ma t i c ； F l o w r a t e c h a r a c t e ri s t i c s ； s o n i c v e l o c i t y e x h a u s t me t h o d ； I S O 6 3 5 8 ； Me a s u r e me n t s y s t e m； L a b v i e w O 引言 根据有效截面积S 的定义 气动元件流量特性是元件进 出口两端压力降 、 阀 口开度与通过该元件的流量之间的关系。 1 9 8 9年 ， 国际 标准 I S 0 6 3 5 8制定 了气动元件 流量特性的测试方法 ． 并用声速流导 C值和临界压力 比b值作为一组表述气 动元件流量特性的两个参数。该标准的原型由圣 维南 S a i n t V e n a n t 收缩管等熵流质量流量方程而来 。由于 I S O 6 3 5 8标准存在一定的缺陷， 我国的国家标准是在声 速放气法基础上发展而来 。是 以有效截面积 S和临界 压力比 b作为元件流量特性参数 。 基于气动元件流量特性 的理论原理 ，本文进行 了 如何从硬件和软件上设计流量特性测试系统的研究。 l I S O 6 3 5 8流量特性 测试 方法 与声 速放 气法 用 I S O 6 3 5 8气 动 元 件 流 量 特 性 标 准 的 C值 和 b 值能完全的表征元件的流量特性。 但该标准规定 的测试方法有不科学处 ，故难于保 证准确测定两个特性参数 ，对测试仪表的测量范围和 测量精度要求苛刻 ，且测试大通径元件时的耗气量太 大 ， 这是 I S O 6 3 5 8标 准存在 的较 大缺 陷。 收稿 日期 2 0 1 0 0 l 一 2 9 作者简介 陈乾斌 1 9 8 4 一 ， 男 ， 硕士研究生 ， 西安交通大学机械工程学院 机械 电子工程专业 ， 现从事流体传动领域 的科学研究。 3 4 壅塞流态下 。理想气体流过最小截面积为 的收 缩喷管的质量流量为 q ．0 4 5 - 等 1 在用试验方法求有效截面积方面 ，国家标准 G B ／ T 1 4 5 1 3 --1 9 9 3规定一种“ 放气 法” ， 简单地说 即用一体 积为 I ， 的气罐放气 t 时间， 然后用下式求有效截面积 S 5 - l2 ．9 、 ／ } 1。 pp 000 ．．1l00 2 2 式中 为气罐放气稳定后的残余压力； p 广为气罐内的初始压力 。 使用壅塞流态下的有效截面积 Js 值和临界压力 比 b值两个特性参数也可完整表达气动元件的流量特性 。 壅塞流态下的有效截面积 Is 值与声速流导 C值是一一 对应的 ， 二者之间仅计量单位不同， 通过换算， S 5． 0 2 2C 式中， 5以mm 计， C以 L ／ s b a r 计。 2 测试系统设计 系统的流量检测范围从 2 0 L ／ ra i n到 3 0 0 0 L ／ m i n 。 精 度等级 3 ％ 通过软件均值滤波可提高精度 ， 可以完成 I S O 6 3 5 8标准和声速放气法下的流量测试。 绘制流量压 力等曲线 ， 包括压力降与流量 、 进 口压力与流量 ， 出I 1 、 进 口压力比与流量等， 以及直接给出 C、 b 、 S值 。 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ NO ． 7 ． 2 01 0 2 ． 1 I S O6 3 5 8测试系统硬件设计 根据 I S 0 6 3 5 8测试要求并结合 实际测试方案 ， 设 计测试系统如图 1 所示 ，其 中气动系统的管路设计参 考 I S 0 6 3 5 8标准配置 ， 温度传感器是装在测温管上 ． 压 力传感器装在测压管上。 工 测 控 软 件 霭 模拟输； 通 道。 模 拟 输 出 通 道 1 1 一 气 源 2 一过 滤 器3 一截 止 阀 4一 上 游 压 力 比例 阀 5 一 电磁阀6 一 电磁阀驱动电路7 一 电磁 阀电源 8 一 小流量传感器9 一 大流量传感器 l O 一 温度传感器 1 1 - 上游压力传感器 1 2 一 测试阀 l 3 一 下游压力传感器 1 4 一 下游压力比例阀 l 5 一 消声器 图 1 I S O 6 3 5 8测试 系统 试 验 过 程 中 ，由工 控 机 和 多 功 能 D A Q 研 华 P C L 8 1 2 P G采集卡 负责读 取传感 器的温度 ， 压力和 流 量信号 ； 控制电磁阀的通断 ； 输 出模拟信号控制压力比 例 阀。 考虑到流量测量的精确性 。 系统气路被分为两支 ． 分别 由两个不同量程的流量传感器检测 流量 。系统采 用压力 比例 阀自动调节上下游压力 ，若为节省成本不 想采用压力 比例 阀， 可选用替代的手动调节方案 上游 压力 比例阀用适 当的减压 阀替代 ，手动调节保持压力 稳定 ； 下游压力 比例阀用节 流阀替代 ， 手动调节下游压 力进行试验。当然替代方案会 比自动调节方案费时。 2 - 2 声速放气法测试 系统硬件设计 图 2为声速放气法测 阀有效截面积 的测试 系统 ， 只根据公式 2求 S时流量传感器可不接 。用公式 1时 需 要 。 与 I S 0 6 3 5 8测 试 系统 相 比主要 是 气 动 回路 及 测 试软件的不同 ， 数据采集与控制系统硬件方面通用。 由于需要 的采集频率并不高，因此采集卡采用研 华 P C L 8 1 2 P G，一块 P C L 8 1 2 P G有 l 6路模拟单端输入 通道 分辨率为 l 2位 ， 最大转换速度为 3 0 k H z ， 2路模 拟输出通道 分辨率为 1 2位 ， 1 6路开关量输入通道 ， 1 6路开关量输 出通道 ．采集卡插在工控机的 I S A总线 扩展槽 中， 外部与接线端子板相连。 传感器的输 出信号都是 1 ～ 5 V，在模 拟输 入范 围 内， 直接与接线端子板的模拟输人通道相连 。 工控 P C D0 A／ D 戋端子 开关 信 号 模拟 信号 1 一 气源2 一 过滤器3 一 截止阀4 一 进气 电磁 阀 5 一 进气电磁 阀驱动电路6 一 电磁阀电源7 一 气罐 8 一 容器压力传感器9 一 温度传感 器 1 O 一 排气 电磁阀 1 1 - 排气电磁阀驱 动电路1 2 ～ 上游压力 传感器1 3 一 测试阀 1 4 一 下 游压力传感器 l 5 一 流量传感 器 1 6 一 消声器 图 2 声速放气法 有效截面积 S N试系统 比例阀的控制信号要求也是 1 ～ 5 V， 在模拟输 出范 围 内 ， 直接 与接 线端 子板 的模 拟输 出通 道相 连 。 所用电磁 阀是 2 4 V直流 ．而开关量输 出高电平一 般小于 5 V， 再考虑开关量输 出的功率也不够 ． 需要外部 驱动 电路 ，开关量输出信号驱动电磁阀的电路最后采 用了一个 U L N 2 8 0 3达林顿连接 晶体管就能满足要求 ． 最多 可控 制 8个 电磁 阀 见 图 3 。 8 8 1 _ 1 2兰 一 I 3 O3 』 5 D F 2 I 4 04 I 5 O5 I 6 o6 D I 7 O7 1 一 I 8 08 I 9 C 0 M L 尺 图 3电磁 阀驱 动电路 3 软件方 案设计 结构框图如图 4所示 ，软件采用 L a b v i e w编写 ， 和 c语言或者 c 语言相 比它是 图形模块化编程 ， 编程效 率 比较 高 。 计算机数据采集控制系统软件 } 编 程 软件 } 硬件驱动程序 } 操作系统 { 硬 件系统 图 4 软 件系统所处层次结构框 图 35 液 压 气 动 与 密 t - ／ 2 0 1 0年 第 7期 软件 主要 包括 以下功 能模块 1 顺序执行模块 分多个框 ， 只有前一个框里 的 程序执行完了才执行随后一个框里的程序模块。 2 定 时循 环 模 块 便 于 控 制 每个 循 环 的时 间 ， 便 于每个数据点得到的时间差一致， 方便计时。 3 模拟量采集模块 从模拟量输入通道中采集数据。 4 均值滤波模块 将采集到的数据滤波 ， 减少干 扰 的影响 。 5 传感器标定模块 将传感器输 出的电压值转化 为其对应的气压值或流量值或温度值等等。 6 显示模块 将数据随时间变化 X ， t 显示在坐标 轴上 ， 或将两数据合成一点 x ， y 显示在 x y 坐标平面上 ， 随着时间数据点多了即成 了曲线 。 7 模拟输出模块 输出模拟量控制比例阀。 8 开关量输出模块 输出高电平或低电平 ， 通过 电磁 阀驱动 电路控制 电磁 阀开关 。 9 数据保存模块 保存有用的数据。 1 0 运算模块 集合各种有用的量通过一定算式 得到需要的量 ， 比如有效面积 5及 C、 6值。 1 1 判 断模块 大 小判 断 ， 比如声 速放 气试 验 中判 断容器压力是否达到一定值 ，达到了就给 出一个信号 使得打开电磁阀开始放气 。又或者 I S 0 6 3 5 8中判断流 量是否在最大流量 的f 0 ． 9 8 ～ 0 ． 9 9 范 围内， 是就给出计算 此时的p J p 值得到 b值 。 1 2 计时模块 统计放气时间 只有声速放气试验 要 用到 。 1 3 P i d模快 从模拟输入得到上下游压力信号并 与 预期对 比 ，经一 定 的算 法得 到控 制 量经 模拟 输 出去 控制 比例阀。用压力 比例阀去 自动调节上下游压力可 节省手动调节压力的时间，提高效率。 只有 I S 0 6 3 5 8 试验要用 到 。 1 4 前面板 即软件界面 数据 的写入 、 显示 ， 图 形显示等 ， 即软件使用界面。 3 ． 1 I S O6 3 5 8测 试 系统 软件 设计 图 5是针对 I S 0 6 3 5 8测 C 、 b值所设计软件的程序 流程 图 程序先通过 A ／ D采集模块采集各传感器信号值 ， 通过标定模块将信号值转换为压力和流量 ，将所采集 到的数值进行各种比较和运算 ，输出要采集的正确值 并 以图形 方式 进行 实时 显示 。 图 6是利用 L a b v i e w的 P I D模块并结合其他模块 ， 实现压力设定并实时稳定控制的程序框图。 开 9 箪 ’ Y 磊酉 Y T DO 输 出 - r N I 1 是否等于预设 丝壅 图 5 I S 0 6 3 5 8程序流程图 图 6 部分程序框图 需要输入的数据 比如传感器标定参数 ，设定压 力 ， P I D参数等都在前面板输入 ， 各种 曲线及测试结果 C、 b等值也直接在前面板 见图 7 上有显示 。 若不采用 压力 比例阀， 上下游压力采用手动调节 ， 前面板上有按 钮开关 进行切 换 。 图 7 1 S O6 3 5 8测试 系统的前面板图 羹一 除 了在 前 面板 显示 外 ．采集 的数 据 以文 本形 式 保 存便于利用 Ma t l a b等工具再分析。前面板显示的曲线 也会 直 接被 保 存 到硬 盘 ，图 8是利 用 所设 计 的 自动 测 试系统 ， 保存的一幅实验数据 图。 Hv d r a ul i cs Pn e uma t i c s S e a l s ／ No ． 7． 2 01 0 流量与 上下游压力比关系图囚 量 垂 血 0 0 o 0 ． 2 00 04 00 0 6o 0 0． 8 0 0 1 ． 0 00 p 2 ／pl 图 8 保存 的流量压 力曲线 3 ． 2声速 放气 法测 试 系统软 件设 计 声速放气法与 I S 0 6 3 5 8的程序相 比没用到 P I D模 块 ， 不过 因为环节更多 ， 程序更大些 。其总体上是顺序 执行程序 初始化程序一传感器标定程序一充气部分程序一 充气后放气 前等容 降温降压部分程 序一 放气 部分程 序一放气后等容升温升压部分程序一保存过程数据图 及 待处 理数 据 初 始化 部 分 程序一 最 终 运 算及 数 据保 存 部分程序 。 在充气部分程序通过前面板按钮开关选择及恰 当 的气动回路通过可用气动方法测量容器容积 原理是 理想气体状态方程 ， 实际测试过 2个容器 ， 准确度 在 9 8 ％以 上 。 限于篇幅．这里不把各部分程序具体框 图清晰放 出， 图 9是放气部分程序 ， 包括 了大部分功能模块 ， 较 有 代表性 。 图 9声速 放气 系统 软件程 序框 图 放气部 分程序 图 1 0是软件界面图． 在界面上 设定好传感器需要 的标定数据 ， 写好该次试验需要 的一些信息 如开度 ， 室温 等 点击按钮 即开始试验。试验分 等容充气 阶 段 、 等 容 降温降 压 阶段 、 放 气 阶段 、 等容 升温 升压 阶段 ， 电磁 阀 的动作被 软件 控 制 ， 整个 过 程完 全 自动 ， 过 程数 据 以图形及 数据 形式 实 时显示 并 自动保 存 。 图 1 0声 速 放 气 法 软 件 界 面图 根 据显 示 的 曲线 可清 晰 掌握 整个 实验 过程 。如 根 据 容 器 压力 曲线 可知 选择 的开 始放 气 时机 和 容器 最 终 稳 定 压 力是 否恰 当 ．根据 放 气 过程 容 器压 力 和上 游 压 力比较 图 见 图 1 1 可知搭建的上游管路是否够大 ， 根 据流量 图 见 图 1 2 、 流量与上游压力关 系图可知放气 过程 是 否一 直 处 于声 速排 气 ，若 非 声 速排 气 流量 与 上 游压 力将 不是 直线 。 f 放气时容器压力曲线匣 l } 测试阀 卜 游压力曲线 E l O 0 0 至。 0 0 图 1 1 放气过程压力图 匦墅匦受匿巫画 l 2流 量 图 图 1 1 ～ l 2为一 组 试验 数 据 图 。 由图 中可 知该 次试 验上游管路及其上 阀存在一定压降。排气过程一直处 于声 速 排气 。试验 过 程 发现 上 游管 路 不够 大 将导 致 测 得的 S值偏小 ，只有上游管道综合有效面积 S 足够大 f 2 S v 或压 降只占总系统的 1 ／ 4以下 时 ， 所测 出的 S才 是真正的被测阀的有效面积， 国家标准必须考虑。 图 1 3 是测 试 不 同 开度 不 同上 游 管路 情 况下 有 效截 面 积 5的 变化 图。 7 ∞∞ ∞ ∞ ∞舳 ∞ ∞ 加0 液 压 气动 与 密 封， 2 01 0年 第 7期 图 1 3不 l司 S 。 时 大 阀有 效 面 积与 开 度 关 系 图 以上两种测试系统已对各种气动元件进行 了大量 测试 ， 优点明显。 4 测试 系统优点 1 数据由计算机 自动实时同步记录 ， 对于 I S 0 6 3 5 8 会 自动判断数据是否处于稳定可靠期 ， 得到的数据更 准确 ； 对于声速放气法放气时间 t 的测量更加准确。 2 对于 I S 0 6 3 5 8上下游压力可由软件 p i d模块控 制 ， 速度快 ， 缩短测 试时 间。 3 Js 、 C、 b值可通过软件程序计算判断自动给出， 没有人工计算可能导致的错误。 4 流量传感器的测量值经滤波后跳动大大减少 ， 测得值相对误差大大减少 ，也进一步使得 b值等更加 准确 。 5 在计算机上可直接给出各种特性 曲线 ， 便于判 断试验过程是否正常， 结果是否有效。 6 数据都通过计算机采集分析处理保存 ， 显示的 曲线也会被保存 ， 便于完成多组试验后再进行分析、 比 较 、 处理。数据保存为文本格式 ， 很容易导入到 Ma t l a b 等工具 进一 步处理 。 -‘一 7 所编写软件能被打包成安装程序， 移植到新的 计算机时很方便 。 不需要安装额外的硬件驱动。1 ． h v i e w 编程效率高， 易扩展。 5 结论 目前测试系统应用于各种气动元件的流量测试 ， 本试验证明 。 其可靠性高， 测试方便。需要做大量测试 时很实用。 I S 0 6 3 5 8测试系统能极大提高试验精度及效率。 原 来要测试一组数据需要几十 m i n ，现在几 m i n即可完 成 ， 极大提高试验效率； 测试时间的缩短也减少了气源 的供气 量 ， 节省能 源 。 声速放气法测试系统能极大提高试验精度 ，且原 来 1 0多 ra i n的一次试验现在 4 m i n左右就能完成 ， 提 高了试验效率 。对于 I S 0 6 3 5 8不便测试的大通径元件 也能既省气又较快的完成测试 。本测试系统成本低， 可 用 于工业 中。 参 考 文 献 [ 1 】 S MC q 国 有 限公 司． 现代 实用气动技术【 M 】 ． 北京 机械工业 出 版社 ， 2 0 0 8 5 1 5 7 ． 【 2 ] 赵明， 周洪， 陈鹰． 气动元件流量特性各种定义的分析比较们． 液压气动与密封， 2 0 0 2 4 1 - 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