工業(yè)用電磁閥流量特性試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)及不確定度分析

鄭智劍，樓仲宇，白丹

(1.寧波市產(chǎn)品食品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院(寧波市纖維檢驗(yàn)所), 浙江寧波 315048；2.國(guó)家智能制造裝備產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(浙江), 浙江寧波 315800；3.浙江松喬氣動(dòng)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(dòng)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(zhǔn)確測(cè)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(yàn)平臺(tái)。

目前，工業(yè)用電磁閥的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 7352—2010[2]，包含了額定流量系數(shù)測(cè)試的試驗(yàn)裝置和計(jì)算方法。目前的閥門流量特性試驗(yàn)平臺(tái)主要是針對(duì)普通工業(yè)閥門、液壓和氣動(dòng)流量控制閥，如適用于ISO 6358-1的氣動(dòng)元件流量特性試驗(yàn)臺(tái)[3]、大流量電液比例液壓插裝閥試驗(yàn)臺(tái)[4]、球閥閥口流量特性試驗(yàn)臺(tái)[5]、用于研究閥口流動(dòng)特性以及空化影響流動(dòng)特性的水壓閥閥口流量特性試驗(yàn)臺(tái)等[6]。然而，針對(duì)工業(yè)用電磁閥流量特性試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用的研究較少。

本文作者依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7352—2010，設(shè)計(jì)一套工業(yè)用電磁閥流量特性試驗(yàn)平臺(tái)，可用于開(kāi)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(cè)試，并完成配套測(cè)試處理軟件的開(kāi)發(fā)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

工業(yè)用電磁閥流量特性試驗(yàn)平臺(tái)的適用介質(zhì)為水；被測(cè)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(cè)工業(yè)用電磁閥進(jìn)、出口壓差測(cè)量范圍為0 ～ 200 kPa；試驗(yàn)平臺(tái)的流量測(cè)試范圍為0.2 ～ 100 m3/h，壓力測(cè)試范圍為0～0.5 MPa；試驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試工位為3個(gè)；試驗(yàn)平臺(tái)同時(shí)提供氣源，氣源供氣壓力為0～1.0 MPa；試驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件完成整個(gè)控制和測(cè)試過(guò)程，測(cè)試后自動(dòng)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、曲線生成和報(bào)表打印。

1.2 設(shè)計(jì)原理

在被測(cè)工業(yè)用電磁閥的進(jìn)出口兩端連接長(zhǎng)直管道，為保證進(jìn)出口管道內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，管道的長(zhǎng)度不小于被測(cè)工業(yè)用電磁閥10倍管徑,并且在進(jìn)、出口長(zhǎng)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(guò)濾介質(zhì)內(nèi)的雜質(zhì)；通過(guò)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度調(diào)節(jié)回路中的介質(zhì)流量，當(dāng)被測(cè)工業(yè)用電磁閥達(dá)到指定流量或進(jìn)、出口壓差時(shí)，停止調(diào)節(jié)，開(kāi)始穩(wěn)流。達(dá)到設(shè)定的穩(wěn)流時(shí)間后，采集流量和壓差數(shù)據(jù)，計(jì)算被測(cè)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(yàn)平臺(tái)原理如圖1所示。

圖1 工業(yè)用電磁閥流量特性試驗(yàn)平臺(tái)原理

1.3 測(cè)試設(shè)備

1、2號(hào)離心泵的流量分別為90、30 m3/h，揚(yáng)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(hào)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的使用壓力為0～1.6 MPa；電磁流量計(jì)準(zhǔn)確度為0.5級(jí)，其中0.317 5～1.27 mm(1/8″～1/2″)測(cè)試工位1的測(cè)試流量范圍為0～0.4 m3/h、1.27～3.81 mm(1/2″～3/2″)測(cè)試工位2的測(cè)試流量范圍為0.4～20 m3/h、3.81～7.62 mm(3/2″～3″)測(cè)試工位3的測(cè)試流量范圍為20～100 m3/h，精度等級(jí)為±5%R；測(cè)試過(guò)程中的室溫為(25±3)℃。

2 試驗(yàn)平臺(tái)

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)

搭建所設(shè)計(jì)的工業(yè)用電磁閥流量特性試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。采用某制造商生產(chǎn)的氣控角座閥進(jìn)行流量特性試驗(yàn)，該氣控角座閥的型號(hào)為RJQ22-S80-50-W、連接螺紋尺寸為5.08 mm(2″)、選用3號(hào)工位進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)按JB/T 7352—2010《工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)用電磁閥》中第6.10.4條款進(jìn)行，試驗(yàn)步驟如下：(1)在氣源端調(diào)節(jié)控制氣壓為0.8 MPa，開(kāi)啟閥門；(2)水箱液位達(dá)到2/3高度后，起動(dòng)1、2號(hào)離心泵，將試驗(yàn)回路充滿水，循環(huán)3～5 min，通過(guò)過(guò)濾系統(tǒng)除去水中的雜質(zhì)；(3)當(dāng)進(jìn)出口壓差分別為35、50、65 kPa時(shí)，測(cè)試閥內(nèi)流量和流量系數(shù)。每個(gè)壓差點(diǎn)重復(fù)測(cè)量5次，取平均值[7]。流量系數(shù)Cv和流阻系數(shù)Kv的計(jì)算公式分別如式(1)和式(2)所示：

(1)

其中：Q為實(shí)測(cè)流體流量；Δp為控制閥前后壓差；ρ/ρ0為介質(zhì)的相對(duì)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(shí)間

在JB/T 7352—2010《工業(yè)過(guò)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(shí)間。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，在不同穩(wěn)流時(shí)間內(nèi)所采集的數(shù)據(jù)存在差異，對(duì)測(cè)試結(jié)果具有一定的影響。以該氣控角座閥為例，當(dāng)進(jìn)、出口壓差分別為65和100 kPa時(shí)，測(cè)試不同穩(wěn)流時(shí)間下，通過(guò)閥門的介質(zhì)流量，以t=180 s時(shí)的介質(zhì)流量為基準(zhǔn)結(jié)果分別如表1和表2所示?？芍寒?dāng)穩(wěn)流時(shí)間超過(guò)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(cè)試中，考慮測(cè)試能耗和時(shí)間成本，采用120 s的穩(wěn)流時(shí)間較為合適。

2.3 測(cè)控系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)包括工控機(jī)、控制柜和測(cè)試軟件。測(cè)試過(guò)程可選擇自動(dòng)測(cè)試或手動(dòng)測(cè)試2種模式。其中，測(cè)試軟件采用Visual C語(yǔ)言編寫，軟件測(cè)試界面如圖3所示。

測(cè)試界面的左上方為過(guò)程監(jiān)控模塊，顯示過(guò)程狀態(tài)參數(shù)；左下方為實(shí)時(shí)的試驗(yàn)參數(shù)，包括管道壓力、閥門壓差、介質(zhì)溫度、1～3號(hào)平臺(tái)的試驗(yàn)流量、1和2號(hào)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度；界面的中部區(qū)域可實(shí)時(shí)顯示測(cè)試過(guò)程中的時(shí)間-流量曲線和時(shí)間-壓差曲線；界面右側(cè)主要用于測(cè)試工位的選擇、離心泵的選擇以及測(cè)試的開(kāi)始、停止和數(shù)據(jù)保存等操作；在界面底部可以實(shí)時(shí)顯示閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)的試驗(yàn)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(yàn)平臺(tái)主要通過(guò)測(cè)量閥內(nèi)介質(zhì)的流量以及閥門進(jìn)、出口的壓差計(jì)算閥門的流量系數(shù)和流阻系數(shù)。因此，測(cè)量不確定度的各項(xiàng)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(yùn)算舍入帶來(lái)的不確定度u3。

3.2 測(cè)量不確定度分析

由上文可知，流量系數(shù)Cv主要通過(guò)測(cè)量流過(guò)閥門的介質(zhì)流量Q以及閥門前后的壓差Δp計(jì)算得到。由公式(1)可知，介質(zhì)相對(duì)密度ρ/ρ0為常數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度可設(shè)定為0，即可不考慮它們對(duì)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(qiáng)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(cè)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(duì)流阻系數(shù)不確定度的影響。流速v與實(shí)測(cè)壓差Δp為強(qiáng)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(cè)量不確定度u(Kv)為

(4)

3.3 A類不確定度計(jì)算

采用A類不確定度評(píng)定方法對(duì)流量系數(shù)Cv的測(cè)量不確定度u(Cv)和流阻系數(shù)Kv的測(cè)量不確定度u(Kv)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 重復(fù)測(cè)量得到的流量系數(shù)和流阻系數(shù)

由表3可知，流量Q測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差s(Qk)為

壓差Δp測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差s(Δpk)為

流速v測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差s(vk)為

因此，通過(guò)式(3)可以得到流量系數(shù)Cv的測(cè)量不確定度u(Cv)=0.055。

通過(guò)式(4)可得閥門流阻系數(shù)Kv的測(cè)量不確定度u(Kv)=0.028。

因此，流量系數(shù)Cv的合成不確定度為

流阻系數(shù)Kv的合成不確定度為

4 結(jié)論

(1)本文作者所搭建的工業(yè)用電磁閥流量特性試驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)已投入使用，試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和儀器精度符合標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7352—2010 《工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)用電磁閥》的要求。

(2)試驗(yàn)臺(tái)的流量測(cè)試范圍為0.2～100 m3/h，被測(cè)電磁閥進(jìn)出口壓差測(cè)量范圍為0～200 kPa，被測(cè)電磁閥適用口徑范圍為0.317 5～7.62 mm(1/8″～3″)。試驗(yàn)臺(tái)共有3個(gè)工位，可用于測(cè)試不同類型和規(guī)格工業(yè)用電磁閥的流量系數(shù)和流阻系數(shù)。

(3)計(jì)算得到試驗(yàn)臺(tái)流量系數(shù)Cv和流阻系數(shù)Kv的合成不確定度均為0.67。