活塞式气体流量装置的建立

作者：王池 李旭 段慧明 王东伟 翟秀贞 陈晓明

欢迎访问e展厅 展厅 12 流量计展厅 涡轮流量计, 涡街流量计, 旋涡流量计, 电磁流量计, 罗茨流量计, ... 摘要： 本文介绍了气体活塞装置的原理、工作流程、结构特点和功能，主要介绍了设计思想和达到的技术指标。从指标上可以看到，该装置的研制是成功的，为进一步的工作积累了经验。 一、气体活塞装置的特点 标准体积值准确:标准体积仅与活塞下降的距离及缸体直径有关，相关影响因素较少。 重复性好：从原理上看，其重复性仅与缸体面积的变化、光栅测量的重复性及密封圈的变形等因素有关，而这些影响因素均很小。 内压力大：可通过向缸内充以压缩空气的方法来实现对缸内平衡压力的调节，此装置的最高内压力可达到200kPa（表压100kPa)。 流量稳定：由于流量值为活塞运行速度与缸体横截面积的乘积，活塞由伺服电机带动，而伺服电机的转动速度易于调整和控制，因此在试验时，能够容易地使流量达到并稳定在设定流量点上。 压力稳定：对流量与压差存在正比关系的流量计，在试验过程中，靠流量与压差的自平横关系，可以在较短的时间内实现压力稳定。 二、 工作原理 1. 工作原理 如图所示，装置工作时活塞向下运动，将缸内气体通过管路、流量计排出。在活塞向下匀速运动时，气缸内的压力经过一个上升过程后逐步达到稳定值。认为气体在这个过程中温度、压力、体积不发生变化，由于缸 体内径已知， 可计算出活塞运行一定距离排出气体的体积值。以此作为标准体积流量，与流量计示值相比较，从而检测流量计。 2. 系统组成 活塞式气体流量装置主要由伺服电机、减速机构、滚珠丝杠、光栅、活塞缸、活塞、温度测量系统、压力测量系统、管路及进、出气阀门、计算机数据采集和控制系统等组成。 3. 体积流量计算方法 计算活塞下降排出的气体体积值： Vs = A * h (1) 式中： A——缸体面积，m2; h——活塞有效下降高度，m; 认为气体在缸内的温度、压力不变，因此活塞排出的气体体积即为通过流量计的气体累积流量值。 即：Vp = V s (2) 通过流量计的气体瞬时体积流量为：qs = Vp / t （3） 式中： qs——标准装置给出的质量流量，kg/s; t——试验时间，s; 三、 机械结构 活塞式气体流量装置的核心部分为活塞和缸体。正是活塞缸和活塞组成了缸体内的封闭空间为流量计量提供了准确的体积，工作时活塞在缸内沿着缸轴平移，在保证密封的前提下，活塞缸的内截面积与活塞移动距离的乘积即为装置给出的标准累 积流量。因此，装置的设计主要以保证活塞与活塞缸间的密封、活塞缸几何形状公差、尺寸公差指标为中心，结合国内机加工条件下的性能价格比等因素进行综合考虑。 装置的机械结构主要由缸体、活塞、行程测量系统、减速和丝杠系统、密封系统、底座和加强杆、进出气管路和阀门等组成。 1. 整体结构的平稳与合理 根据类似装置的结构和运行工作过程，活塞缸应垂直安放，这样有以下特点： a 缸筒受力均匀，不易变形。 b 缸内密封用油如渗出发生积存现象，不会影响标准体积值。 c 活塞自重对缸内压力有一定的加强。 d 有利于活塞的平稳运行，不易产生低速下的爬行现象。 由于电机和传动系统位于活塞缸上面，为增加稳定性和系统刚性另加三根支杆，支杆上与托盘、下与底座连接。 2. 活塞缸 由设计流量进行缸内总体积计算，考虑活塞缸直径-高度比，将活塞缸的尺寸定为：Ф200mm× 800mm，其中缸筒上下100mm内为非工作区，加工时主要保证缸筒中间600mm内缸筒内园的不园柱度的形位公差。 ① 缸体壁厚的确定 缸体的壁厚应能满足在正常工作条件下对缸体强度和刚性的要求。由缸体的径向和周向许用应力及应变来计算缸体的壁厚。得到缸体壁厚δ=8.6mm。因此，选择缸体壁厚为10mm。 ② 缸体容积变形量计算 通过计算可以得到在最大工作压力0.2MPa下，缸体内容积变形量为0.0019%。因此最大压力下缸体容积变形的影响可以忽略。 ③ 加工要求 为保证缸筒内表面与密封环间密封的可靠性并有效减小摩擦，对活塞缸筒内表面的不圆柱度和表面光洁度应有较高的要求。 3. 活塞与密封系统 ① 活塞尺寸的确定 装置的工作过程是由活塞在活塞缸筒内沿轴向匀速运动完成的。在这个过程中需活塞运行平稳，即活塞在缸筒中运行时其相对于缸体轴线应始终保持垂直，不应有扭曲或晃动的现象发生。 活塞在缸体中的晃动不但会引起运行的不平稳，严重时还会发生活塞卡死的现象。 密封圈的压缩量为0.2mm，要保证活塞与活塞缸轴线的相对位置，在运动过程中变化小，应增加活塞厚度B，但如活塞厚度增加过多，又会增加装置的整体高度，在此选取B=120mm。 ② 密封结构 在装置工作过程中缸内气体应只能通过出气口排除，因活塞与缸体存在着相对运动，因此必须有良好的密封结构使得活塞与活塞缸之间无泄漏。活塞上有三个密封环，在上两个密封环之间是密封油槽，油槽内的油通过定位导向杆连接到装置外面的油面指示器。指示器上装有光电测油位的报警器，当密封油泄漏时油面降低，当缸内气体进入到油槽内时油面升高或有气泡排出，油面变化超过警戒位置时或有气泡排出时报警器报警。 4. 伺服电机、减速机构、丝杠和导向杆 伺服电机、减速机构、滚珠丝杠使用一体化的成品。滚珠丝杠能提供良好的定位及运行平稳性，为保证活塞运行速度的平稳，需要电机、传动系统和滚珠丝杠有良好的稳定性，电机使用伺服电机，减速器为涡轮涡杆。 5. 基座、进排气管道和排污孔 基座底面为一锥面，最下端是排污孔，进出气管道的上沿均高于锥面，以防油或其他污物进入。底面上还有两个测温孔和一个测压孔。 进气管上装有两个密封性良好的球阀，两个球阀之间接有压缩空气进气口，当测量压力损失大于500Pa的流量计时可先使缸内压力达到预定值，以减少试验所需的平衡时间。进气管的前端装有气体过滤器，过滤器为60目和120目两层金属过滤网，以防灰尘进入缸内。排气管道上为一个球阀，并接有法兰连接口与被测流量计连接。底座下是一底板，底板上有三个底 脚水平调整螺钉，安装时调整缸体为垂直位置安放。 四、 电控 1. 硬件配置 电气控制柜主要由电气层、控制器层、计算机层、仪表层及驱动层五部分组成。电气层功能为：电源开关、电机断电；控制器层主要功能为：控制器电源开关、电机控制、手动转速信号等；计算机层用于放置计算机主机；仪表层用于放置温度计、压力计及光栅数显表；驱动层用于放置电机驱动器及直流电源等设备。 2. 软件配置 流量计检定程序是在VisiuaI Basic5.0下编写的测控软件，使用VB5.0自带的Access数据库。 五、 技术指标 1. 技术指标 流量范围：（0.009 ～0.6）m3/h 体积流量不确定度：U=0.05%,k=2 重复性：优于0.05% 缸内工作压力：绝压200kPa 工作温度：（10 ～30）℃ 密封性：装置最大相对漏失量：0.005%/min 2. 功能 计算机采集数据： 缸内温度（10℃～ 30℃，± 0.01℃） 缸内压力（95KPa～200kPa，±10Pa） 流量计前温度（10℃～30℃， ±0.01℃） 活塞下降高度（0～600mm， ±0.005mm） 试验时间（30s～1800s，±0.001s） 脉冲信号输入（10Hz～10kHz，计数999999±1） 电流信号输入（0～10mA，4mA～20mA， ±0.001mA） 电压信号输入（0～5V±0.001V） 控制： 分为手动和自动： 自动：设置流量、行程或试验时间、试验次数、输入方式等参数后，按试验开始键后活塞运行，系统自动判断压力稳定后开始试验。中途可紧急停止，活塞碰到限位开关后停止。 手动：手动控制试验开始、结束，控制活塞运行等。 计算：缸内平均温度 活塞下降高度所代表的体积V 用状态方程换算到流量计前的体积V 进行相应的流量计性能计算 报表：自动生成检定记录表，并存入Access数据库中 报警：油位报警、碰上、下限限位开关电机停止。 六、结论 1 气体活塞式流量装置具有稳定性高、重复性好等优点，具有流量标准装置所需的功能。 2 气体活塞式流量装置的内压力最高可达200KPa，满足高压损流量计，特别是音速喷嘴的校准需要。 3 该装置产生流量的原理是恒流，然后靠流体本身的特性来达到恒压，因此流量点的调节易于控制。 4 相信该装置在流量量传体系中将起到重要作用，特别是在装置间的比对等方面具有优势。 作者单位：中国计量科学研究院 (end)

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