工業(yè)用電磁閥流量特性試驗平臺的設(shè)計及不確定度分析

2022-10-14 01:07:04鄭智劍樓仲宇白丹

機床與液壓 2022年1期

關(guān)鍵詞：閥門

鄭智劍，樓仲宇，白丹

(1.寧波市產(chǎn)品食品質(zhì)量檢驗研究院(寧波市纖維檢驗所), 浙江寧波 315048；2.國家智能制造裝備產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(浙江), 浙江寧波 315800；3.浙江松喬氣動液壓有限公司, 浙江寧波 315300；4.寧波金港科技咨詢服務(wù)有限公司, 浙江寧波 315000)

0 前言

工業(yè)用電磁閥是流體傳動及控制系統(tǒng)中的重要執(zhí)行元件，其內(nèi)部介質(zhì)主要有各類氣體、水或低黏度的油等。工業(yè)用電磁閥包含角座閥、直角閥、比例電磁閥和雙流量電磁閥等[1]。由于工業(yè)電磁閥種類眾多、結(jié)構(gòu)各異，其流通性能差異很大。為準確測試工業(yè)用電磁閥在不同壓差下的流量特性，需建立通用性的壓差-流量特性試驗平臺。

目前，工業(yè)用電磁閥的產(chǎn)品標準為JB/T 7352—2010[2]，包含了額定流量系數(shù)測試的試驗裝置和計算方法。目前的閥門流量特性試驗平臺主要是針對普通工業(yè)閥門、液壓和氣動流量控制閥，如適用于ISO 6358-1的氣動元件流量特性試驗臺[3]、大流量電液比例液壓插裝閥試驗臺[4]、球閥閥口流量特性試驗臺[5]、用于研究閥口流動特性以及空化影響流動特性的水壓閥閥口流量特性試驗臺等[6]。然而，針對工業(yè)用電磁閥流量特性試驗平臺的設(shè)計和應(yīng)用的研究較少。

本文作者依據(jù)標準JB/T 7352—2010，設(shè)計一套工業(yè)用電磁閥流量特性試驗平臺，可用于開展不同類型工業(yè)用電磁閥流量系數(shù)和流阻系數(shù)的測試，并完成配套測試處理軟件的開發(fā)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

工業(yè)用電磁閥流量特性試驗平臺主要用于閥門流量特性和流阻特性的測試。適用的工業(yè)用電磁閥類型包括機械控制式、氣控式和電控式。

1.1 設(shè)計參數(shù)

工業(yè)用電磁閥流量特性試驗平臺的適用介質(zhì)為水；被測工業(yè)用電磁閥適用口徑范圍為0.317 5～7.62 mm(1/8″ ～ 3″)；被測工業(yè)用電磁閥進、出口壓差測量范圍為0 ～ 200 kPa；試驗平臺的流量測試范圍為0.2 ～ 100 m3/h，壓力測試范圍為0～0.5 MPa；試驗平臺的測試工位為3個；試驗平臺同時提供氣源，氣源供氣壓力為0～1.0 MPa；試驗平臺通過計算機軟件完成整個控制和測試過程，測試后自動完成數(shù)據(jù)存儲、曲線生成和報表打印。

1.2 設(shè)計原理

在被測工業(yè)用電磁閥的進出口兩端連接長直管道，為保證進出口管道內(nèi)介質(zhì)流動均達到穩(wěn)定狀態(tài)，管道的長度不小于被測工業(yè)用電磁閥10倍管徑,并且在進、出口長直管道的指定位置安裝壓差傳感器。采用水泵使管路內(nèi)的介質(zhì)循環(huán)，在循環(huán)中過濾介質(zhì)內(nèi)的雜質(zhì)；通過控制電動調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)回路中的介質(zhì)流量，當被測工業(yè)用電磁閥達到指定流量或進、出口壓差時，停止調(diào)節(jié)，開始穩(wěn)流。達到設(shè)定的穩(wěn)流時間后，采集流量和壓差數(shù)據(jù)，計算被測工業(yè)用電磁閥的流量系數(shù)和流阻系數(shù)。工業(yè)用電磁閥流量特性試驗平臺原理如圖1所示。

圖1 工業(yè)用電磁閥流量特性試驗平臺原理

1.3 測試設(shè)備

1、2號離心泵的流量分別為90、30 m3/h，揚程均為30 m；壓差傳感器的量程為0～200 kPa，精度為0.25%F.S，適用介質(zhì)溫度范圍為-20～85 ℃；1、2號電動調(diào)節(jié)閥的使用壓力為0～1.6 MPa；電磁流量計準確度為0.5級，其中0.317 5～1.27 mm(1/8″～1/2″)測試工位1的測試流量范圍為0～0.4 m3/h、1.27～3.81 mm(1/2″～3/2″)測試工位2的測試流量范圍為0.4～20 m3/h、3.81～7.62 mm(3/2″～3″)測試工位3的測試流量范圍為20～100 m3/h，精度等級為±5%R；測試過程中的室溫為(25±3)℃。

2 試驗平臺

2.1 試驗平臺

搭建所設(shè)計的工業(yè)用電磁閥流量特性試驗平臺如圖2所示。采用某制造商生產(chǎn)的氣控角座閥進行流量特性試驗，該氣控角座閥的型號為RJQ22-S80-50-W、連接螺紋尺寸為5.08 mm(2″)、選用3號工位進行測試。

試驗按JB/T 7352—2010《工業(yè)過程控制系統(tǒng)用電磁閥》中第6.10.4條款進行，試驗步驟如下：(1)在氣源端調(diào)節(jié)控制氣壓為0.8 MPa，開啟閥門；(2)水箱液位達到2/3高度后，起動1、2號離心泵，將試驗回路充滿水，循環(huán)3～5 min，通過過濾系統(tǒng)除去水中的雜質(zhì)；(3)當進出口壓差分別為35、50、65 kPa時，測試閥內(nèi)流量和流量系數(shù)。每個壓差點重復(fù)測量5次，取平均值[7]。流量系數(shù)Cv和流阻系數(shù)Kv的計算公式分別如式(1)和式(2)所示：

(1)

其中：Q為實測流體流量；Δp為控制閥前后壓差；ρ/ρ0為介質(zhì)的相對密度。

(2)

其中：ρ為介質(zhì)密度；v為介質(zhì)流速。

2.2 穩(wěn)流時間

在JB/T 7352—2010《工業(yè)過程控制系統(tǒng)用電磁閥》中，未規(guī)定閥門流量特性和流阻特性的穩(wěn)流時間。在實際測試過程中，在不同穩(wěn)流時間內(nèi)所采集的數(shù)據(jù)存在差異，對測試結(jié)果具有一定的影響。以該氣控角座閥為例，當進、出口壓差分別為65和100 kPa時，測試不同穩(wěn)流時間下，通過閥門的介質(zhì)流量，以t=180 s時的介質(zhì)流量為基準結(jié)果分別如表1和表2所示?？芍寒敺€(wěn)流時間超過120 s后，傳感器采集的數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。因此，在工業(yè)用電磁閥流量特性的測試中，考慮測試能耗和時間成本，采用120 s的穩(wěn)流時間較為合適。

2.3 測控系統(tǒng)

試驗臺測控系統(tǒng)包括工控機、控制柜和測試軟件。測試過程可選擇自動測試或手動測試2種模式。其中，測試軟件采用Visual C語言編寫，軟件測試界面如圖3所示。

測試界面的左上方為過程監(jiān)控模塊，顯示過程狀態(tài)參數(shù)；左下方為實時的試驗參數(shù)，包括管道壓力、閥門壓差、介質(zhì)溫度、1～3號平臺的試驗流量、1和2號電動調(diào)節(jié)閥的開度；界面的中部區(qū)域可實時顯示測試過程中的時間-流量曲線和時間-壓差曲線；界面右側(cè)主要用于測試工位的選擇、離心泵的選擇以及測試的開始、停止和數(shù)據(jù)保存等操作；在界面底部可以實時顯示閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)的試驗結(jié)果。

3 不確定度分析

由上文可知，工業(yè)電磁閥流量特性試驗平臺主要通過測量閥內(nèi)介質(zhì)的流量以及閥門進、出口的壓差計算閥門的流量系數(shù)和流阻系數(shù)。因此，測量不確定度的各項物理參數(shù)主要包括流量Q、溫度T和壓差Δp[8]。

3.1 各參數(shù)的不確定度

引起壓差的不確定度u(Δp)、流量的不確定度u(Q)、溫度T的不確定度u(T)主要包括所采用的壓差、流量、溫度傳感器的不確定度分量u1、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換量化不確定度u2以及數(shù)字運算舍入帶來的不確定度u3。

3.2 測量不確定度分析

由上文可知，流量系數(shù)Cv主要通過測量流過閥門的介質(zhì)流量Q以及閥門前后的壓差Δp計算得到。由公式(1)可知，介質(zhì)相對密度ρ/ρ0為常數(shù)，其標準不確定度可設(shè)定為0，即可不考慮它們對流量系數(shù)不確定度的影響。公式中，介質(zhì)流量Q與壓差Δp為強相關(guān)關(guān)系，可近似取相關(guān)系數(shù)r(Qi,Δpi)為1或-1，則測量不確定度u(Cv)為

(3)

由公式(2)可知，介質(zhì)密度ρ可視為常數(shù)，則不考慮它對流阻系數(shù)不確定度的影響。流速v與實測壓差Δp為強相關(guān)關(guān)系，可近似取相關(guān)系數(shù)r(vi,Δpi)為1或-1，則測量不確定度u(Kv)為

(4)