跟踪微分器在减压阀流量特性测量新方法中的应用研究

　　1 引言

　　所谓流量特性是指气体流过气动元件时,元件的进出口两端的压力降与通过该元件的气体流量之间的关系,减压阀的流量特性包含入口压力比出口压力高 时的前向流量特性和出口压力比入口压力高时的溢流流量特性两部分。要设计一个优化的气动系统,就必须要准确把握减压阀的流量特性。目前,国内外都相继制定 了减压阀流量特性的测量标准[1、2]。这些传统的测量方法一般采用逐点测量压力和流量,把各点的数据进行一些处理,然后逐点绘出气动元件的流量特性曲 线。这种方法存在测试装置复杂、耗气量大、测试周期长、工作效率不高等缺点。为了解决这些问题,在日本SMC株式会社的支持下,我们提出一种减压阀流量特 性测量的新方法[3],利用向等温容器一次充气与排气过程中的准平衡状态来模拟传统减压阀流量特性测量中的静态过程,采集过程中与流量特性有关的物理量, 对容器的压力进行数据处理得到流量,再进一步绘制减压阀完整的流量特性曲线。该方法正在作为一项新的国际标准提案提交国际标准化组织审议。该方法中的难点 之一是如何从含有噪声的压力信号中提取压力的微分信号,我们借鉴控制领域的成果,利用跟踪微分器很好地解决了这一问题。

　　2 一次填充法测量基本原理

　　一次填充测量法的测量原理图如图1所示。填充法测量减压阀流量特性的研究思想是利用容腔充气过程中的准平衡状态来模拟减压阀的静态流量特性测试时的平衡状态。

　　针对容腔充气过程,我们根据理想气体状态方程可得p=ρ_RT,即:

　　对该方程进行全微分,就得到下面的方程:

　　根据质量守恒定律,流过减压阀的气体质量流量G应该等于流入容腔的气体质量流量,单位时间容腔的气体质量流量即是容腔的质量变化率,因此,G=。

　　考虑往固定容积的容器充气,则=0，可以把上面的方程化简为:

　　若能保持充气过程为等温过程,则=0，方程可进一步化简为，因此：

　　由式(4)可知,只需知道容腔压力的变化率就可以计算出流过减压阀的气体质量流量G,从而避开对流量的直接检测,大大简化测量装置。为了提高流量的测量精度,应该使气罐中空气的状态变化为恒温过程。为此,可以在气罐中填充经过特殊工艺制作铜丝,构成等温容器^[4]。 在充气和溢流过程中,通过压力传感器实时测量容腔的压力p1(k)和减压阀出口压力p2(k),同时,上位机实时采集所测量的数据,把测量的数据记录下 来。然后利用公式(4)计算出k时刻流量G(k),根据测量到的p2(k)和G(k)我们就可以拟合出减压阀的流量特性曲线。该方法仅用一次充放气就能测 出流量特性,效率高、耗气量小,节能效果明显。