定压孔板式动态流量计的研究

　　流量的动态测量一直是液压控制系统参数测量中的一个难题。随着计算机应用的普及和工业实时控制的发展,动态流量计的研制越来越引起人们的关注。传统使用的涡轮流量计、椭圆齿轮流量计、液压马达流量测量、电磁流量计、靶式流量计和涡街式流量计等由于本身惯性、液体粘度、电导率及产生涡街等的条件影响,频响很低,不适于动态测量。目前国际上已开发的多普勒激光流速计、热线/热网式流速计虽然动、静态性能良好,但价格昂贵,设备复杂,在工程中也难以应用。

　　本文研制了一种新型的定压式孔板动态流量计,其设备简单、成本低、使用方便,实验与仿真结果在一定的流量范围内较好吻合。方案构想:动态流量计的主要问题是流量计本身的运动质量和转动惯量造成的滞后,不能快速响应。而孔板式流量计可以避开系统质量的影响。由不可压缩流体的贝努利方程和流体连续性方程得出的节流公式,若保持油液以紊流状态流经节流小孔,则流量系数为恒值,这样流量Q便和孔板两端压差的平方根成正比。

　　开发条件:现有压力传感器动态指标完全满足测量要求。ENDVOCA压力传感器频响达几十千赫。

　　Eindoven Techological Uinversity的实验验证了节流孔静态标定的流量系数适用于动态情况。(400Hz以上仍与热线式动态流量计测量结果吻合)。定压式动态流量计结构原理如图1。

　　简化后的系统为二阶系统,传递函数为:

　　式中k——系统开环增益

　　kf——数据放大器增益

　　ky——压力传感器增益

　　系统由3部分组成:传感器部分;可控节流器部分;控制器部分。

　　系统对传感器无特殊要求,可以采用一般的动态压力传感器;可控节流器采用单边工作的电液伺服阀QDY6,幅频宽大于80Hz,相频宽大于70Hz,额定供油压力7MPa,额定电流30mA。

　　开发重点是控制器部分,控制方法采用工程中最实用的PID控制。为了得到节流孔压差和输出信号的线性关系,设计了开方运算放大器如图2所示。

　　静态实验结果表明在1～11V电压范围内非线性小于3%,动态响应范围在20kHz以上。

　　元件选择:闭环特性对输入变换装置、反馈装置的变化十分敏感;对前向通道装置要求则相对较低。故可控节流器、压力传感器、数据放大器必须是高精度的,而PID校正器、伺服放大器的精度要求可以放宽。参数选择:按“电子最佳调节原理”,根据上述系统模型,选k= 30,此时超调量=4.3%,谐振峰值Mp= 1,相角稳定裕度65度,上升时间Tr= 4.72 T。实验结果与仿真分析如下表所示。