王 涛 姚 蘅 彭光正

北京理工大学,北京,100081

气动减压阀流量特性连续测量方法的研究

王 涛 姚 蘅 彭光正

北京理工大学,北京,100081

ISO6953和GB/T20081中,测量带溢流机能的气动减压阀的流量特性时正向流和溢流两个测试过程需分开进行,为此提出采用带大溢流功能的电控减压阀作为被测减压阀负载压力和流量的调节器件,并采用具有双向流量测量功能的流量计,通过正向最大流量到溢流向最大流量的连续设定,实现压力和流量的连续测量,从而测出减压阀的流量特性,简化了实验回路,减少了测试设备的交换及其产生的测量误差,提高了测试效率,节省了空气使用量。

气动减压阀;流量特性;连续测量;节能

0 引言

气动减压阀作为自动化技术领域中重要的压力控制元件,其影响控制系统的最重要的性能指标是压力-流量特性,即在控制流量范围内控制压力的变化特性。正确高效地测量压力流量特性从而有效地把握其性能是气动控制系统优化设计的基础。目前,测量和表示压力流量特性的国际标准ISO6953[1]和国家标准GB/T20081.2[2]中,对于正向流动状态的流量特性和溢流状态的流量特性分别利用两套测试装置和测试回路进行测量,即正向流动状态的流量特性测试和溢流流动状态的流量特性测试分别进行,然后将测试结果综合起来绘制出正向和溢流向的压力-流量特性曲线。该方法存在下面几个缺点:①测试装置及回路复杂,易造成测试效率低下和测试成本提高;②在更换测试回路时,由于测量仪器的更换在流量零点处易产生测量误差;③不易实现自动测试。虽然可以通过在回路中增加截止阀的方法将两个测试过程组合在一起,但增加了回路的复杂性,从而增大了测试成本和降低了实验的实用性。

近年来,研究人员提出了利用等温充排气测量减压阀流量特性的方法[3],虽然该方法测试时间短,耗气量较小,但对传感器精度要求很高,数据处理复杂,无法对回程的流量特性进行测量,很难得到减压阀流量特性中的滞环特性。

本文提出一种对气动减压阀流量特性进行连续测量的方法,即采用带大溢流机能的电控减压阀作为被测减压阀负载压力和流量的调节器件,利用具有双向快速流量测量功能的流量计,通过正向最大流量到溢流向最大流量的连续设定,实现压力和流量的连续测量,从而得到一种不需要改变实验装置和实验回路就能得到被测减压阀流量特性的测试方法和自动测量装置,在与ISO标准规定的相同测量原理条件下,可以实现高效节能的测量。

1 基于ISO标准的气动减压阀流量特性测试方法

在国际标准ISO6953和国家标准GB/T20081.2中,气动元件流量特性测试需要两套回路来进行。如图1所示,在测量正向流动状态的流量特性时,利用图1a所示的实验装置,压缩空气经过被测减压阀的供气口和控制口,流经可变节流器和流量计排向大气,通过调节被测减压阀控制端的节流器的大小来设定负载流量,同时测量被测减压阀控制端的压力从而绘制出正向压力-流量特性曲线;在测量溢流流动状态的流量特性时,利用图1b所示的实验装置,压缩空气经过控制侧减压阀的供气口和控制口流过流量计进入被测减压阀的控制口后从溢流口排向大气,通过调节控制侧减压阀设定的压力同时测量被测减压阀控制端流量从而绘制出溢流向压力-流量特性曲线。

图1 基于ISO 6953的减压阀流量特性测量回路

在本研究中,上述方法将作为所提出的连续测量方法的参照标准,其中温度测量管和压力测量管按ISO6953制作,外购的压力传感器精度为0.1%,温度传感器精度为1%,流量传感器精度为1%,均符合ISO6953对测量仪器精度的要求。

2 连续测试方法及自动测试装置

2.1 测试方法及装置构成

图2所示的减压阀流量特性自动连续测量装置回路中,被测减压阀的供气端通过供气侧压力测量管、温度测量管与供气压力设定减压阀的控制口相连,被测减压阀的控制端通过控制侧压力测量管、温度测量管与流量计的正向口连接,流量计的逆向口与控制侧电控减压阀的控制口相连。同时,控制侧电控减压阀的供气口与气源相连。控制侧电控减压阀的压力由计算机发出信号自动设定,压力计、温度计及流量计的电气信号进入带有A/D和D/A板的计算机中。连接完成的实验装置如图3所示。

图2 减压阀流量特性连续测量回路

图3 减压阀流量特性连续测量实验装置

供气侧和控制侧的压力传感器选用横河电机公司生产的的FP101A型压力传感器,其精度为0.1%;温度传感器是两个螺纹安装式的铂电阻温度传感器,其精度为1%;双向流量计选用东京仪表公司生产的QFS-100型层流型快速响应流量计,其精度为1%;控制侧减压阀(大溢流型减压阀)选用SMC公司生产的ITV 2050型电/气比例压力控制阀。数据采集设备采用研华公司生产的818L多功能数据采集卡,测试系统程序采用美国NI公司的LabVIEW软件编制[4]。实验中,只需在测试界面上设定采集次数、最大压力等参数,就能实现自动测量和数据的实时显示,以及压力-流量特性曲线的绘制和实验结果的输出。

进行正向流量特性测量时,压缩空气由被测减压阀的供气口进入被测减压阀的阀体,从被测减压阀的控制口流出,经过双向流量计的正向进入控制侧电控减压阀的控制口后从控制侧电控减压阀的溢流口排向大气。此时流量设定为正值。

进行溢流向流量特性测量时,压缩空气由控制侧电控减压阀的供气口进入控制侧电控减压阀的阀体,从控制侧电控减压阀的控制口流出,经过双向流量计的反向从被测减压阀的控制口进入被测减压阀的阀体后从被测减压阀的溢流口排向大气。此时流量设定为负值。

2.2 测试步骤

(1)利用图3所示的测试装置,关闭供气侧及控制侧截止阀,在无气体流动情况下安装被测减压阀。

(2)调节供气侧减压阀使供气压力为表压0.6MPa,或被测减压阀规定的最大额定压力,选两者中较小的。打开供气侧截止阀,设定被测减压阀出口的控制压力。

(3)打开控制侧截止阀,通过计算机的测试程序输出三角波信号使控制侧电控减压阀的出口压力p2从大气压至0.6MPa(或最大额定压力,选两者中较小的)连续缓慢变化,同时通过传感器和数据采集卡记录变化过程中的流量、压力及温度信号并输入到计算机内。

(4)在被测减压阀控制侧,压力从大气压向设定压力变化时流动方向为正向,流量为正值;控制侧压力等于设定压力时流量为零;控制侧压力从设定压力向最大压力变化时,流动方向为溢流向,流量为负值。在流量变化时(增大或减小),保持被测减压阀的入口压力p1不变。

(5)测试被测减压阀在不同设定压力下的流量特性,可重复步骤(2)～(4)。设定压力时要求被测减压阀无气体流过,通过缓慢改变控制侧压力达到所要求的压力值。

作为测量结果的表示,在每一个设定压力下绘制控制压力-控制流量的曲线。

2.3 双向流量计

在本实验装置中使用的流量计是一种层流型的双向流量计,其性能指标如表1所示。层流式流量计的流量测量结构采用多层纤细管构成层流式流路,即内部插入了数千根毛细钢管并联组成层流器件,气体通过时形成层流流动,同时层流器件两端产生压力差,通过差压传感器测量压力差便可以计算出流过的气体流量[5]。层流式流量计测量的体积流量与压力差呈比例关系,且能根据差压的正负情况测量两个方向的流量。在管道承压下的质量流量可以由下式算出:

式中,K为流量系数;ρa为大气压下的空气密度;pc为管压;pa为大气压;d为毛细管直径;Δp为差压;μ为空气黏度;L为毛细管长度;n为毛细管根数。

表1 层流式流量计的规格及标准

层流式流量计在承压状态下也具有良好的线性,测量精度高,且具有高频响应,能够测量高达50Hz的振动流,因此可以正确地测量出气体双向的动态流动[6]。利用标准流量计进行标定,得到图3所示测试装置中的双向流量计在大气压下的输出特性如图4所示。可以看出,该流量计的计测流量误差小,层流器件两端的差压与通过的流量有良好的比例关系,且能实现双方向的流量测量。

2.4 电/气比例压力控制阀

作为流量负载的控制侧减压阀为SMC公司生产的ITV 2050型电/气比例压力控制阀,其电源电压为DC 24V,输入信号DC 0～5V,输出压力上限为0.9MPa,连接口径为 6.35mm(1/4英寸)。该阀是一种采用先导式高速开关阀来控制对称型双提升阀主阀的压力调节器。

该阀的工作原理是,期望压力值的信号输入到控制回路,当压力传感器检测到输出控制口气压小于设定值时,控制电路输出控制信号打开先导开关阀(由两个高速开关阀组成)的给气阀,使先导腔的控制压力增大,使主阀芯下移,正向提升阀口打开,气源向控制口充气,输出压力升高。当压力传感器检测到输出气压大于设定值时,控制电路输出控制信号打开先导开关阀的排气阀,使先导腔通过排气口向外排气,于是先导腔压力下降,主阀芯上移。当正向提升阀口完全关闭后,打开主通道的溢流向提升阀口,主阀输出口处气体向外排气,出口压力降低。上述不断反馈调节过程一直持续到输出口的压力与期望压力值相符为止[7]。

图4 双向流量计输出特性

图5、图6所示分别为基于ISO6953测得的ITV 2050型电控比例阀输入-输出静特性曲线和压力-流量特性曲线。由静特性曲线可以看出,该阀具有信号-输出线性度好、无死区的特点,其线性度为±1%(满量程),迟滞和重复性均小于0.5%(满量程)。另外,由于其正向和溢流向提升阀的结构对称,故具有很大的溢流范围。图6所示的压力-流量特性曲线中,实心点是正向最大流量开始向溢流向最大流量变化的结果(向上),空心点是溢流向最大流量开始向正向最大流量变化的结果(向下)。在供气压力为1MPa时其正向最大流量为2000L/min(标准流量),溢流向最大流量甚至会更高。综合以上两个特点,该阀非常适合作为控制侧的压力调节阀。

图5 ITV2050型电控比例阀输入-输出静特性曲线

图6 ITV2050型电控比例阀压力-流量特性曲线

3 实验结果

选用SMC公司生产的四种不同类型减压阀作为实验对象,按照2.2节的实验步骤进行测试。被测阀的设定输出压力 ps分别为 0.16MPa、0.25MPa、0.4M Pa和0.5MPa。被测阀及测试时的设定参数如表2所示。

各被测阀在设定压力 p s为 0.16MPa、0.25MPa、0.4M Pa和0.5M Pa时的供气侧、控制侧相对压力和流量分别如图7～图10所示,当计算机给控制侧电控减压阀的信号为三角波时,在供给压力保持基本不变的情况下,被测减压阀控制侧的压力与信号基本成比例变化。随着控制信号由零到最大值再到零的变化,当控制侧压力小于被测减压阀设定压力时,被测阀处气体正向流动,流量为正值,当控制侧压力大于被测减压阀设定压力时,被测阀处气体溢流流动,流量为负值。

表2 被测阀及测试参数

图7 被测阀1的压力和流量实验结果

图8 被测阀2的压力和流量实验结果

图9 被测阀3的压力和流量实验结果

图10 被测阀4的压力和流量实验结果

综合每一时刻的压力和流量结果,可以绘制出流量从最大到最小再变化到最大时的压力变化曲线,从而得到四种被测阀在各个设定压力下时的压力-流量特性,如图11所示,其中,实线是正向最大流量开始向溢流向最大流量变化的结果,虚线是溢流向最大流量开始向正向最大流量变化的结果。

为验证所提出的测试方法的精度,利用图1所示的基于ISO6953的方法再次对上述四种被测减压阀进行流量特性测试,结果见图11,其中,实心点是正向最大流量开始向溢流向最大流量变化的结果(向上),空心点是溢流向最大流量开始向正向最大流量变化的结果(向下)。

图11 被测减压阀的压力-流量特性测试结果

被测阀1是内部先导式精密减压阀,采用两级调压结构,在弹簧和阀芯之间增加了一个具有高放大倍数的喷嘴-挡板放大器,从图11a的流量特性曲线也可以看出,其性能较好,调压精度高。被测阀2是一种活塞式非平衡型减压阀,当一次侧压力及设定压力变化时,阀杆自身所受压力便出现变化,与原来的弹簧力失去平衡,故压力特性不好。被测阀3是小型直动式减压阀,受压部分是活塞式结构,为溢流式,其控制方式单一,因此压力-流量特性较差,另外提升阀的阀口设计使得在流量为零处具有非常大的死区,如图11c所示。被测阀4是高速开关式复合型电气比例阀,被控压力由压力传感器检测反馈至控制回路,通过与目标值进行比较来调整活塞的动作和阀的开口,由图11d可见,它既能实现高精度的压力控制,又具有大流量的充排气特性。

对于四种不同类型的被测阀,均将所提方法测得的压力-流量特性与基于ISO6953方法测得的数据进行了对比,二者吻合很好,证明新提出的方法在精度上与ISO方法保持了一致性。

4 测试时间及空气消耗量

将所研究的减压阀流量特性连续测量装置和方法与传统的ISO6953中规定的方法在测试时间和测试时所消耗的空气量上进行了比较。测试场所是北京理工大学检测技术与自动化装置研究所气动技术实验室,测试室温为20℃,实验者为一般经验的同一人。测试时间除了实验数据的读取外,还包含被测阀的装卡以及传统方法测试时测试装置的切换。传统方法的耗气量计算是通过在每个设定压力下测量20个点,将每一测试点的测试时间乘以所测流量进行累积得到的,新方法的耗气量是利用图7～图10中流量的测试结果累积得到的。两种方法均测量三次,图12中的数据为测试的平均值。

图12 耗气量及测试时间的比较

实践证明,新方法的耗气量约为传统法的1/3,总测试时间约为传统法的1/5。可以说,所提出的气动减压阀流量特性连续测量方法具有测量时间短、测试效率高、耗气量小、节约能源等优点,是一种高效节能的新方法。

5 结论

本文提出了一种新的流量特性测试方法。通过采用带有大溢流功能的电/气比例压力阀作为被测减压阀的控制端流量或压力设定器件,在无须更换器件的情况下,能够进行正向和溢流两个方向的流量或压力的设定。通过使用一种具有双向流量测量机能的流量计,在不用更换测试仪器或方向的情况下,可以进行双方向流量的测量,从而实现了气动减压阀流量特性的连续自动测试。

与现有的标准ISO6953和GB/T20081.2,以及其他流量特性测试法相比,本文研究的方法能够仅利用一套实验装置测试出气动减压阀上下行程完整的压力-流量特性,且具有同等的测试精度,并且节约了测试装置成本,提高了测试效率,因此非常便于使用和推广。

[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] 国家质量监督检验检疫总局.GB/T 20081.2-2006:气动减压阀和过滤减压阀第2部分:评定商务文件中应包含的主要特性的测试方法[S].北京:中国标准化出版社,2006.

[3] 范伟,高爽,张宏立,等.利用等温容器的充排气进行减压阀流量特性测量的研究[J].北京理工大学学报,2007,27(增刊1):108-111.

[4] 吴成东,孙秋野,盛科.LabV IEW虚拟仪器程序设计及应用[M].北京:人民邮电出版社,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,王荣杰,王利民,等.层流流量计设计参数的选择与确定[J].仪器仪表学报,2000,21(5):474-476.

[7] SMC(中国)有限公司.现代实用气动技术(基础篇)[M].北京:机械工业出版社,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

教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(教外司留〔2008〕890 号)

(编辑 苏卫国)

王 涛,男,1971年生。北京理工大学自动化学院讲师。研究方向为流体测试技术、检测技术与自动化装置。发表论文20余篇。姚 蘅,女,1987年生。北京理工大学自动化学院硕士研究生。彭光正 ,男,1964年生。北京理工大学自动化学院教授、博士研究生导师。