活塞式氣體流量裝置的建立

摘要： 本文介紹了氣體活塞裝置的原理、工作流程、結構特點和功能，主要介紹了設計思想和達到的技術指標。從指標上可以看到，該裝置的研制是成功的，為進一步的工作積累了經驗。

一、氣體活塞裝置的特點

標準體積值準確:標準體積僅與活塞下降的距離及缸體直徑有關，相關影響因素較少。

重復性好：從原理上看，其重復性僅與缸體面積的變化、光柵測量的重復性及密封圈的變形等因素有關，而這些影響因素均很小。

內壓力大：可通過向缸內充以壓縮空氣的方法來實現對缸內平衡壓力的調節，此裝置的zui高內壓力可達到200kPa（表壓100kPa）。

流量穩定：由于流量值為活塞運行速度與缸體橫截面積的乘積，活塞由伺服電機帶動，而伺服電機的轉動速度易于調整和控制，因此在試驗時，能夠容易地使流量達到并穩定在設定流量點上。

壓力穩定：對流量與壓差存在正比關系的流量計，在試驗過程中，靠流量與壓差的自平橫關系，可以在較短的時間內實現壓力穩定。

二、 工作原理

即：           （2）
通過流量計的氣體瞬時體積流量為：        （3）
式中： q_s——標準裝置給出的質量流量，kg/s;
t——試驗時間，s;

三、 機械結構

活塞式氣體流量裝置的核心部分為活塞和缸體。正是活塞缸和活塞組成了缸體內的封閉空間為流量計量提供了準確的體積，工作時活塞在缸內沿著缸軸平移，在保證密封的前提下，活塞缸的內截面積與活塞移動距離的乘積即為裝置給出的標準累 積流量。因此，裝置的設計主要以保證活塞與活塞缸間的密封、活塞缸幾何形狀公差、尺寸公差指標為中心，結合國內機加工條件下的性能價格比等因素進行綜合考慮。

裝置的機械結構主要由缸體、活塞、行程測量系統、減速和絲杠系統、密封系統、底座和加強桿、進出氣管路和閥門等組成。

1. 整體結構的平穩與合理
根據類似裝置的結構和運行工作過程，活塞缸應垂直安放，這樣有以下特點：

a 缸筒受力均勻，不易變形。
b 缸內密封用油如滲出發生積存現象，不會影響標準體積值。
c 活塞自重對缸內壓力有一定的加強。
d 有利于活塞的平穩運行，不易產生低速下的爬行現象。
由于電機和傳動系統位于活塞缸上面，為增加穩定性和系統剛性另加三根支桿，支桿上與托盤、下與底座連接。

2. 活塞缸
由設計流量進行缸內總體積計算，考慮活塞缸直徑-高度比，將活塞缸的尺寸定為：Ф200mm× 800mm，其中缸筒上下100mm內為非工作區，加工時主要保證缸筒中間600mm內缸筒內園的不園柱度的形位公差。

① 缸體壁厚的確定
缸體的壁厚應能滿足在正常工作條件下對缸體強度和剛性的要求。由缸體的徑向和周向許用應力及應變來計算缸體的壁厚。得到缸體壁厚δ=8.6mm。因此，選擇缸體壁厚為10mm。
② 缸體容積變形量計算
通過計算可以得到在zui大工作壓力0.2MPa下，缸體內容積變形量為0.0019%。因此zui大壓力下缸體容積變形的影響可以忽略。
③ 加工要求
為保證缸筒內表面與密封環間密封的可靠性并有效減小摩擦，對活塞缸筒內表面的不圓柱度和表面光潔度應有較高的要求。

3. 活塞與密封系統
① 活塞尺寸的確定
裝置的工作過程是由活塞在活塞缸筒內沿軸向勻速運動完成的。在這個過程中需活塞運行平穩，即活塞在缸筒中運行時其相對于缸體軸線應始終保持垂直，不應有扭曲或晃動的現象發生。
活塞在缸體中的晃動不但會引起運行的不平穩，嚴重時還會發生活塞卡死的現象。
密封圈的壓縮量為0.2mm，要保證活塞與活塞缸軸線的相對位置，在運動過程中變化小，應增加活塞厚度B，但如活塞厚度增加過多，又會增加裝置的整體高度，在此選取B=120mm。
② 密封結構
在裝置工作過程中缸內氣體應只能通過出氣口排除，因活塞與缸體存在著相對運動，因此必須有良好的密封結構使得活塞與活塞缸之間無泄漏?；钊嫌腥齻€密封環，在上兩個密封環之間是密封油槽，油槽內的油通過定位導向桿連接到裝置外面的油面指示器。指示器上裝有光電測油位的報警器，當密封油泄漏時油面降低，當缸內氣體進入到油槽內時油面升高或有氣泡排出，油面變化超過警戒位置時或有氣泡排出時報警器報警。

4. 伺服電機、減速機構、絲杠和導向桿
伺服電機、減速機構、滾珠絲杠使用一體化的成品。滾珠絲杠能提供良好的定位及運行平穩性，為保證活塞運行速度的平穩，需要電機、傳動系統和滾珠絲杠有良好的穩定性，電機使用伺服電機，減速器為渦輪渦桿。

5. 基座、進排氣管道和排污孔
基座底面為一錐面，zui下端是排污孔，進出氣管道的上沿均高于錐面，以防油或其他污物進入。底面上還有兩個測溫孔和一個測壓孔。

進氣管上裝有兩個密封性良好的球閥，兩個球閥之間接有壓縮空氣進氣口，當測量壓力損失大于500Pa的流量計時可先使缸內壓力達到預定值，以減少試驗所需的平衡時間。進氣管的前端裝有氣體過濾器，過濾器為60目和120目兩層金屬過濾網，以防灰塵進入缸內。排氣管道上為一個球閥，并接有法蘭連接口與被測流量計連接。底座下是一底板，底板上有三個底 腳水平調整螺釘，安裝時調整缸體為垂直位置安放。

四、 電控

1. 硬件配置
電氣控制柜主要由電氣層、控制器層、計算機層、儀表層及驅動層五部分組成。電氣層功能為：電源開關、電機斷電；控制器層主要功能為：控制器電源開關、電機控制、手動轉速信號等；計算機層用于放置計算機主機；儀表層用于放置溫度計、壓力計及光柵數顯表；驅動層用于放置電機驅動器及直流電源等設備。
2. 軟件配置
流量計檢定程序是在VisiuaI Basic5.0下編寫的測控軟件，使用VB5.0自帶的Access數據庫。

五、 技術指標

1. 技術指標
流量范圍：（0.009 ～0.6）m³/h
體積流量不確定度：U=0.05%,k=2
重復性：優于0.05%
缸內工作壓力：絕壓200kPa
工作溫度：（10 ～30）℃
密封性：裝置zui大相對漏失量：0.005%/min
2. 功能
計算機采集數據：
缸內溫度（10℃～ 30℃，± 0.01℃）
缸內壓力（95KPa～200kPa，±10Pa）
流量計前溫度（10℃～30℃， ±0.01℃）
活塞下降高度（0～600mm， ±0.005mm）
試驗時間（30s～1800s，±0.001s）
脈沖信號輸入（10Hz～10kHz，計數999999±1）
電流信號輸入（0～10mA，4mA～20mA， ±0.001mA）
電壓信號輸入（0～5V±0.001V）
控制： 分為手動和自動：
自動：設置流量、行程或試驗時間、試驗次數、輸入方式等參數后，按試驗開始鍵后活塞運行，系統自動判斷壓力穩定后開始試驗。中途可緊急停止，活塞碰到限位開關后停止。
手動：手動控制試驗開始、結束，控制活塞運行等。
計算：缸內平均溫度
活塞下降高度所代表的體積V
用狀態方程換算到流量計前的體積V
進行相應的流量計性能計算
報表：自動生成檢定記錄表，并存入Access數據庫中
報警：油位報警、碰上、下限限位開關電機停止。

六、結論

1 氣體活塞式流量裝置具有穩定性高、重復性好等優點，具有流量標準裝置所需的功能。
2 氣體活塞式流量裝置的內壓力zui高可達200KPa，滿足高壓損流量計，特別是音速噴嘴的校準需要。
3 該裝置產生流量的原理是恒流，然后靠流體本身的特性來達到恒壓，因此流量點的調節易于控制。
4 相信該裝置在流量量傳體系中將起到重要作用，特別是在裝置間的比對等方面具有優勢。