基于MATLAB的背压气路特性曲线分析

　　0　引言

　　背压式气动量仪是通过气动变换环节将喷嘴挡板间隙S的变化转换成背压px的变化,然后再将px转换成电信号或直接放大指示的测量仪器。这种量仪因具有环境适应性强、测量方法灵活、使用方便、可非接触式测量、价格低廉等特点而在机械加工行业得到广泛的应用。对背压式气动量仪来说,其背压px与喷嘴挡板间隙S是一一对应的,以S为自变量,以px为函数作图就形成了背压气路特性曲线。从理论上讲,该特性曲线主要由量仪气动变换环节的几何参数和工作压力pc决定,并直接影响量仪的线性测量范围、测量精度、起始间隙等重要参数。因此绘制和分析背压气路特性曲线是设计和研究背压式气动量仪的关键。利用MATLAB软件强大的数学计算、图形处理和程序语言设计等功能,可以方便快捷地实现背压特性曲线的参数化　　绘制及分析,并可对绘制的背压特性曲线进行直线部的自动选取及误差分析。

　　1　背压气路特性曲线形成原理

　　1.1　中高压背压式气动量仪工况分析

　　背压式气动量仪的气动变换环节如图1所示。其中,D1为稳压气室直径,D2为背压气室直径,压力为px的压缩空气进入稳压室1,经孔径为d1的节流孔2进入背压气室3后,由孔径为d的测量喷嘴4和挡板(一般为工件表面)之间的间隙流入大气。根据空气流速达到临界状态的条件———当气流流过某截面前后的压力比大于或等于1·894时,流过此截面的流速就达到了音速,即流动达到临界状态。对于中高压背压式气动量仪来说,由于量仪工作压力pc比较高,使得流过节流孔和测量喷嘴

　　的流速都有可能达到临界状态。根据节流孔处的流速和测量喷嘴处的流速是否达到临界状态,可以将中高压式气动量仪的流动状态分成4种工况,如表1所示。

　　如图2所示,在pc-px坐标图上可以很明显地划分出4种工况。线条1是测量喷嘴处气流流速的临界状态与亚临界状态的分界线。线条2是节流孔处气流流速的临界状态与亚临界状态的分界线。线条3为pc-px的匹配区域线,px要小于pc,即线条3下是不能成立的。线条1、线条2、线条3相交成4个区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,分别为背压式气动量仪的4种工况,与表1所列的4种工况相对应。

因为亚临界状态与临界状态下气体流过节流孔的流量公式不同,所以不同工况下气动量仪的工作特性也不同。根据流体力学知识,通过某截面的亚临界状态的质量流量公式为[1]

　　1.2　背压气路特性曲线的形成

　　一般来说,当S由0逐渐增大时,背压px将由pc逐渐下降并趋向于大气压力p0。pc/px、px/pc之值也随S的变化而变化,因而其工作点也会从一个工况移到另一个工况。在工作状态下的气动量仪,在何种工况下工作是由工作压力pc和测量间隙S所决定的。