工業用電磁閥流量特性試驗平臺的設計及不確定度分析

鄭智劍，樓仲宇，白丹

(1.寧波市產品食品質量檢驗研究院(寧波市纖維檢驗所), 浙江寧波 315048；2.國家智能制造裝備產品質量監督檢驗中心(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有限公司, 浙江寧波 315000)

0 前言

工業用電磁閥是流體傳動及控制系統中的重要執行元件，其內部介質主要有各類氣體、水或低黏度的油等。工業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]。由于工業電磁閥種類眾多、結構各異，其流通性能差異很大。為準確測試工業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，工業用電磁閥的產品標準為JB/T 7352—2010[2]，包含了額定流量系數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，針對工業用電磁閥流量特性試驗平臺的設計和應用的研究較少。

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

1 系統設計

工業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。適用的工業用電磁閥類型包括機械控制式、氣控式和電控式。

1.1 設計參數

工業用電磁閥流量特性試驗平臺的適用介質為水；被測工業用電磁閥適用口徑范圍為0.317 5～7.62 mm(1/8″ ～ 3″)；被測工業用電磁閥進、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，測試后自動完成數據存儲、曲線生成和報表打印。

1.2 設計原理

在被測工業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介質流動均達到穩定狀態，管道的長度不小于被測工業用電磁閥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。采用水泵使管路內的介質循環，在循環中過濾介質內的雜質；通過控制電動調節閥的開度調節回路中的介質流量，當被測工業用電磁閥達到指定流量或進、出口壓差時，停止調節，開始穩流。達到設定的穩流時間后，采集流量和壓差數據，計算被測工業用電磁閥的流量系數和流阻系數。工業用電磁閥流量特性試驗平臺原理如圖1所示。

圖1 工業用電磁閥流量特性試驗平臺原理

1.3 測試設備

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，適用介質溫度范圍為-20～85 ℃；1、2號電動調節閥的使用壓力為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

搭建所設計的工業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《工業過程控制系統用電磁閥》中第6.10.4條款進行，試驗步驟如下：(1)在氣源端調節控制氣壓為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3～5 min，通過過濾系統除去水中的雜質；(3)當進出口壓差分別為35、50、65 kPa時，測試閥內流量和流量系數。每個壓差點重復測量5次，取平均值[7]。流量系數Cv和流阻系數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為介質的相對密度。

(2)

其中：ρ為介質密度；v為介質流速。

2.2 穩流時間

在JB/T 7352—2010《工業過程控制系統用電磁閥》中，未規定閥門流量特性和流阻特性的穩流時間。在實際測試過程中，在不同穩流時間內所采集的數據存在差異，對測試結果具有一定的影響。以該氣控角座閥為例，當進、出口壓差分別為65和100 kPa時，測試不同穩流時間下，通過閥門的介質流量，以t=180 s時的介質流量為基準結果分別如表1和表2所示。可知：當穩流時間超過120 s后，傳感器采集的數據趨于穩定。因此，在工業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的穩流時間較為合適。

2.3 測控系統

試驗臺測控系統包括工控機、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控模塊，顯示過程狀態參數；左下方為實時的試驗參數，包括管道壓力、閥門壓差、介質溫度、1～3號平臺的試驗流量、1和2號電動調節閥的開度；界面的中部區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、停止和數據保存等操作；在界面底部可以實時顯示閥門流量系數和流阻系數的試驗結果。

3 不確定度分析

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

3.1 各參數的不確定度

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模數轉換量化不確定度u2以及數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Cv主要通過測量流過閥門的介質流量Q以及閥門前后的壓差Δp計算得到。由公式(1)可知，介質相對密度ρ/ρ0為常數，其標準不確定度可設定為0，即可不考慮它們對流量系數不確定度的影響。公式中，介質流量Q與壓差Δp為強相關關系，可近似取相關系數r(Qi,Δpi)為1或-1，則測量不確定度u(Cv)為

(3)

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

(4)

3.3 A類不確定度計算

采用A類不確定度評定方法對流量系數Cv的測量不確定度u(Cv)和流阻系數Kv的測量不確定度u(Kv)進行計算，實測數據如表3所示。

表3 重復測量得到的流量系數和流阻系數

由表3可知，流量Q測量結果的標準差s(Qk)為

壓差Δp測量結果的標準差s(Δpk)為

流速v測量結果的標準差s(vk)為

因此，通過式(3)可以得到流量系數Cv的測量不確定度u(Cv)=0.055。

通過式(4)可得閥門流阻系數Kv的測量不確定度u(Kv)=0.028。

因此，流量系數Cv的合成不確定度為

流阻系數Kv的合成不確定度為

4 結論

(1)本文作者所搭建的工業用電磁閥流量特性試驗平臺現已投入使用，試驗臺的設計和儀器精度符合標準JB/T 7352—2010 《工業過程控制系統用電磁閥》的要求。

(2)試驗臺的流量測試范圍為0.2～100 m3/h，被測電磁閥進出口壓差測量范圍為0～200 kPa，被測電磁閥適用口徑范圍為0.317 5～7.62 mm(1/8″～3″)。試驗臺共有3個工位，可用于測試不同類型和規格工業用電磁閥的流量系數和流阻系數。

(3)計算得到試驗臺流量系數Cv和流阻系數Kv的合成不確定度均為0.67。