李葦白，胡 劍，李剛炎

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

氣動(dòng)技術(shù)是一種以壓縮氣體為動(dòng)力源的傳動(dòng)技術(shù)，氣動(dòng)元件和氣動(dòng)系統(tǒng)因污染少、成本低、抗干擾強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工廠生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化[1-2]。其中，反映壓力與流量之間關(guān)系的流量特性是氣動(dòng)元件最重要的參數(shù)，為了設(shè)計(jì)出節(jié)能、低成本的氣動(dòng)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)其高精度控制，必須準(zhǔn)確、有效地測(cè)試氣動(dòng)元件的流量特性[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不同的氣動(dòng)元件流量特性測(cè)試方法，并經(jīng)過(guò)多次修訂，制定了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6358-1-2013、ISO 6358-2-2013、JIS 8390[4-6]。其中，ISO 6358是世界上應(yīng)用最為廣泛的方法之一，ISO 6358-1-2013提出的恒定上游壓力測(cè)試方法，一直被用作評(píng)估其他測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)。然而，該方法效率低、成本高，且空氣消耗量大。為了克服該缺點(diǎn)，ISO 6358-2-2013提出了一種等溫容器放氣法，該方法成本較低、效率較高，且測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，因而被廣泛應(yīng)用[7]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)流量特性測(cè)試系統(tǒng)的研究多集中在恒定上游壓力測(cè)試方法上，如司冀[8]、龔睿[9]等均基于恒定上游壓力測(cè)試方法開發(fā)了流量特性測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)量與數(shù)據(jù)記錄等功能，但基于等溫容器放氣法的測(cè)試系統(tǒng)研究較少。ISO 6358-2-2013規(guī)定采用音速流導(dǎo)C、臨界壓力比b和亞音速指數(shù)m作為表征氣動(dòng)元件流量特性的參數(shù)，該方法數(shù)據(jù)處理與計(jì)算較為復(fù)雜，人工計(jì)算與記錄測(cè)試結(jié)果不僅效率低，且計(jì)算誤差較大。筆者針對(duì)等溫容器放氣法，開發(fā)了一種氣動(dòng)元件流量特性測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、計(jì)算效率高、誤差小，且能自動(dòng)記錄管理多組測(cè)試數(shù)據(jù)。

1 基于等溫容器放氣法的氣動(dòng)元件流量特性測(cè)試

1.1 氣動(dòng)元件流量特性測(cè)試回路

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6358-2-2013，等溫容器放氣法的測(cè)試回路如圖1所示。

圖1 等溫容器放氣法測(cè)試回路

在測(cè)試過(guò)程中，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥使回路上游壓力恒定，首先關(guān)閉電磁閥，開啟截止閥，使等溫容器充氣至壓力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，關(guān)閉截止閥，開啟電磁閥，使等溫容器內(nèi)氣體排出，記錄等溫容器內(nèi)的壓力響應(yīng)，如圖2所示。

圖2 等溫容器放氣壓力響應(yīng)曲線

1.2 氣動(dòng)元件流量特性特征參數(shù)計(jì)算方法

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6358-2-2013規(guī)定，采用音速流導(dǎo)C、臨界壓力比b和亞音速指數(shù)m作為描述氣動(dòng)元件流量特性的特征參數(shù)。音速流導(dǎo)C值反映了標(biāo)準(zhǔn)溫度下處于臨界狀態(tài)的氣動(dòng)元件單位上游壓力所允許通過(guò)的最大體積流量；b值反映了氣動(dòng)元件達(dá)到臨界狀態(tài)所必需的條件。

1.2.1 音速流導(dǎo)計(jì)算方法

對(duì)測(cè)得的等溫容器壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行21點(diǎn)移動(dòng)平均得：

(1)

則計(jì)算得到放氣過(guò)程中被測(cè)元件的流導(dǎo)為：

(2)

將處在音速流區(qū)域的流導(dǎo)Ce取平均值，則為被測(cè)元件的音速流導(dǎo)C。

1.2.2 臨界壓力比和亞音速指數(shù)計(jì)算方法

取處在亞音速流區(qū)域的各數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用最小二乘法計(jì)算被測(cè)元件的臨界壓力比和亞音速指數(shù)：

(3)

式中:p2為被測(cè)元件下游壓力；p1為被測(cè)元件上游壓力；b為臨界壓力比；m為亞音速指數(shù)。

1.2.3 基于等溫假設(shè)的音速流導(dǎo)計(jì)算方法

參考文獻(xiàn)[10-12]，可知理想氣體的狀態(tài)方程為：

pV=mRT

(4)

式中：p為氣體壓強(qiáng)；V為氣體體積；m為氣體物質(zhì)的量；R為氣體常數(shù)；T為體系溫度。

對(duì)式兩邊進(jìn)行微分，可得在等溫容器放氣過(guò)程中的質(zhì)量流量為：

(5)

在等溫假設(shè)下，忽略等溫容器內(nèi)溫度的變化，式(5)可簡(jiǎn)化為：

(6)

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6358，氣動(dòng)元件流量特性的表達(dá)式為：

(7)

式中：T1為放氣過(guò)程中等溫容器內(nèi)的絕對(duì)溫度。

結(jié)合式(6)，可得音速流區(qū)域等溫容器內(nèi)壓力隨時(shí)間變化的表達(dá)式為：

(8)

式中：p為音速流段某時(shí)刻等溫容器內(nèi)壓力，取放氣開始至容器內(nèi)壓力下降至0.1 MPa時(shí)的壓力值；p0為放氣開始時(shí)等溫容器內(nèi)的壓力值。

根據(jù)式(8)，可得在等溫假設(shè)下，等溫容器放氣法測(cè)得的氣動(dòng)元件音速流導(dǎo)為：

(9)

式中：tc為等溫容器內(nèi)壓力由p0下降至p的時(shí)間。

2 氣動(dòng)元件流量特性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開發(fā)一種基于等溫容器放氣法的氣動(dòng)元件流量特性測(cè)試系統(tǒng)，能有效縮短數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，并能對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和管理。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 測(cè)試系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)

按照ISO 6358-2-2013所規(guī)定的測(cè)試方法和條件，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試回路進(jìn)行設(shè)計(jì)，測(cè)試回路如圖3所示。

2.1.2 測(cè)試系統(tǒng)硬件選型

測(cè)試系統(tǒng)由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、等溫容器、調(diào)壓閥、截止閥、壓力傳感器以及電磁閥等元件組成。

(1)壓力傳感器及氣動(dòng)元件選型。根據(jù)ISO 6358-2-2013規(guī)定的測(cè)試精度及測(cè)試條件變化范圍，確定傳感器及氣動(dòng)元件的型號(hào)如表1所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試回路圖

表1 傳感器及氣動(dòng)元件選型列表

(2)數(shù)據(jù)采集卡。測(cè)試系統(tǒng)采用National Instruments公司的NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡，其電壓范圍為-10 V～10 V，分辨率為12 bits，滿足測(cè)試需求，且能與計(jì)算機(jī)通過(guò)USB插口連接。

(3)等溫容器的選擇與設(shè)計(jì)。根據(jù)ISO 6358-2-2013中規(guī)定，等溫容器體積的選擇應(yīng)滿足：

V≥0.5C

(10)

式中，C為被測(cè)元件音速流導(dǎo)估計(jì)值。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，為了使容器具有較好的等溫性能，在容器內(nèi)填充直徑為50 μm的銅絲，保證銅絲填充率≥4%，此時(shí)當(dāng)充氣或排氣速度≤200 kPa/s時(shí)，容器內(nèi)溫度變化≤3 K。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、元件控制、數(shù)據(jù)處理與計(jì)算、數(shù)據(jù)管理及人機(jī)交互等功能，基LabVIEW對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理和計(jì)算模塊、人機(jī)交互顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理模塊，軟件系統(tǒng)總體框圖如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)總體框圖

2.2.2 測(cè)試系統(tǒng)軟件開發(fā)

(1)測(cè)試系統(tǒng)界面。根據(jù)軟件系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)界面如圖5所示，包括顯示采集的數(shù)據(jù)曲線、測(cè)試結(jié)果，以及控制按鈕等。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)界面

(2)數(shù)據(jù)采集與元件控制模塊。該模塊連接了數(shù)據(jù)采集卡和后續(xù)模塊，為后續(xù)模塊提供所需的數(shù)據(jù)。采用NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行壓力信號(hào)的采集與電磁閥通斷的控制，其中壓力傳感器需要通過(guò)DAQ助手進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，用于將采集到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的壓力值。傳感器參數(shù)標(biāo)定界面如圖6所示。

圖6 壓力傳感器參數(shù)標(biāo)定界面

(3)數(shù)據(jù)處理模塊。該模塊主要對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行處理，并對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、處理和計(jì)算，得到最終測(cè)試結(jié)果。為達(dá)到測(cè)試需求，該模塊分為壓力測(cè)量單元和數(shù)值計(jì)算單元。其中，數(shù)值計(jì)算單元對(duì)壓力測(cè)量單元傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化處理與計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果顯示于界面中，并傳遞給數(shù)據(jù)管理模塊，大大減小了人工進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)處理與計(jì)算產(chǎn)生的誤差，并提高了計(jì)算效率。

采用LabVIEW與MATLAB聯(lián)合編程的方法，計(jì)算被測(cè)元件的音速流導(dǎo)C、各時(shí)刻的流導(dǎo)值Ce、臨界壓力比b和亞音速指數(shù)m。音速流導(dǎo)計(jì)算程序和臨界壓力比與亞音速指數(shù)計(jì)算程序分別如圖7和圖8所示。

圖7 音速流導(dǎo)計(jì)算程序圖

圖8 臨界壓力比和亞音速指數(shù)計(jì)算程序圖

(4)數(shù)據(jù)管理模塊。該模塊接收數(shù)據(jù)處理模塊傳遞的計(jì)算結(jié)果，將計(jì)算得到的被測(cè)元件流量特性保存于測(cè)試結(jié)果表格中，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與管理。數(shù)據(jù)保存與管理程序如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)保存與管理程序

3 氣動(dòng)元件流量特性測(cè)試

基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6358-2-2013規(guī)定的測(cè)試方法，氣動(dòng)元件流量特性測(cè)試步驟如下：

(1)通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)壓閥保證回路上游壓力不低于0.7 MPa。

(2)開啟截止閥，使等溫容器充氣，直至等溫容器的溫度和壓力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)關(guān)閉截止閥，使用壓力傳感器測(cè)量等溫容器的初始?jí)毫3；使用溫濕計(jì)測(cè)量放氣初始時(shí)刻的溫度，等效為等溫容器溫度；使用壓力表測(cè)量大氣壓力，即為被測(cè)元件下游壓力值。

(4)開啟電磁閥使等溫容器放氣，用壓力傳感器分別測(cè)量放氣過(guò)程中等溫容器的壓力p3和被測(cè)元件上游壓力p1，直至放氣結(jié)束。

(5)使用相應(yīng)方法對(duì)被測(cè)元件流量特性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

采用設(shè)計(jì)的氣動(dòng)元件流量特性測(cè)試系統(tǒng)，分別對(duì)直徑為0.8 mm、1.0 mm和1.2 mm的固定節(jié)流孔進(jìn)行測(cè)試，并以ISO 6358-1-2013中恒定上游壓力測(cè)試方法的測(cè)試結(jié)果作為參考值，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。將測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果與按照國(guó)標(biāo)進(jìn)行測(cè)試的人工計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2～表4所示。

圖10 流量特性測(cè)試結(jié)果圖

表2 音速流導(dǎo)測(cè)試結(jié)果表

表3 臨界壓力比測(cè)試結(jié)果表

表4 亞音速指數(shù)測(cè)試結(jié)果表

由表2～表4可知，相對(duì)于人工計(jì)算方法，系統(tǒng)測(cè)試的計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，且由于采用自動(dòng)計(jì)算方法，各組測(cè)試的效率明顯提高。

4 結(jié)論

基于ISO 6358-2-2013提出了流量特性測(cè)試方法，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種氣動(dòng)元件流量特性測(cè)試系統(tǒng)，并以固定節(jié)流孔為對(duì)象進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)論如下：

(1)所開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)可快速、高效地測(cè)試并計(jì)算出被測(cè)元件的流量特性特征參數(shù)值，并保證了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性；

(2)所開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)各組測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)功能，并能對(duì)多組測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)管理與查看，保證了數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性，提高了數(shù)據(jù)管理效率。