變溫潤(rùn)滑油渦輪流量計(jì) 誤差修正分析技術(shù)
Study on Correction Method of Turbine Flowmeter with Variable Temperature Lubricating Oil
ZHANG Yongsheng JIANG Wenqiang
Changcheng Institute of Metrology & Measurement
In order to study the correction method of instrument coefficient of turbine flowmeter that works in aviation lubricating oil with variable temperature, in the study, four turbine flowmeters are calibrated at different temperature points with the flow standard facility which works with aviation lubricating oil and the temperature can be regulated. The double exponential decay function is used to fit the calibration result, and the error of the meter coefficient after corrected at each temperature and flowrate is less than 1% by the fitting correction, and it's sure that the correction method is universal.
the aviation lubricating oil; turbine flowmeter; instrument coefficient;
0、引言：
渦輪流量計(jì)[1]因具有重復(fù)性好、量程范圍寬、適應(yīng)性強(qiáng)、精度高及體積小等特點(diǎn), 被廣泛應(yīng)用于流量試驗(yàn)、石油計(jì)量、工業(yè)生產(chǎn)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)等領(lǐng)域。目前, 在低粘度工作介質(zhì) (如航空煤油) 流量測(cè)量中, 渦輪流量計(jì)具有良好性能表現(xiàn);而在粘溫特性較差的航空潤(rùn)滑油流量測(cè)量中, 因其粘度隨溫度變化較大 (40℃時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度約為17 c St, 100℃時(shí)粘度約為5 c St) 且渦輪流量計(jì)對(duì)介質(zhì)粘度較為敏感, 直接使用渦輪流量計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果尚無(wú)法滿足試驗(yàn)要求。
本文以航空潤(rùn)滑油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置為試驗(yàn)平臺(tái), 對(duì)4支渦輪流量計(jì)在不同溫度點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn), 對(duì)儀表系數(shù)隨粘度和流量變化關(guān)系進(jìn)行分析, 并通過雙指數(shù)衰減函數(shù)對(duì)儀表系數(shù) (K) 和頻率與粘度之商 (F/υ) 進(jìn)行曲線擬合。
1、試驗(yàn)設(shè)備：
1.1、標(biāo)準(zhǔn)裝置：
航空潤(rùn)滑油流量校準(zhǔn)裝置如圖1所示。該裝置采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量油缸的結(jié)構(gòu)形式, 主要由計(jì)量油缸、電機(jī)及控制器、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、校準(zhǔn)管路、切換閥門、油箱、控溫機(jī)組、溫度壓力傳感器、測(cè)量光柵尺、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測(cè)量控制計(jì)算機(jī)等部件構(gòu)成。裝置采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量油缸產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)流量源, 計(jì)量油缸同時(shí)作為容積標(biāo)準(zhǔn), 與光柵配合構(gòu)成流量測(cè)量系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)裝置技術(shù)指標(biāo)為:流量范圍為0.5~160L/min;擴(kuò)展不確定度為0.05% (k=2) ;溫度范圍為20~120℃。
圖1 航空潤(rùn)滑油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置示意圖
1.2、被試流量計(jì)：
試驗(yàn)所用流量計(jì)是上海某研究所CL型渦輪流量計(jì), 流量計(jì)信息如表1所示。
表1 渦輪流量計(jì)信息
2、校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果：
利用航空潤(rùn)滑油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在20, 30, 40, 50, 60, 80℃下分別對(duì)4支渦輪流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)。CL-10型流量計(jì)校準(zhǔn)流量點(diǎn)分別為6, 17, 28, 39, 50L/min;CL-15型流量計(jì)校準(zhǔn)流量點(diǎn)分別為12, 24, 36, 48, 60 L/min。圖2和圖3分別是SN:1744和SN:1655兩支渦輪流量計(jì)在各溫度點(diǎn)儀表系數(shù)K隨流量q變化曲線, 從中可以看出, 不同溫度點(diǎn)下流量計(jì)儀表系數(shù)差異很大。
圖2 SN:1744渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)曲線
圖3 SN:1655渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)曲線
4支流量計(jì)各流量點(diǎn)q下儀表系數(shù)誤差ET曲線如圖4所示。
圖4 渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)差異曲線
儀表系數(shù)差異ET為
式中:K80為某流量點(diǎn)80℃下儀表系數(shù), L-1;K20為某流量點(diǎn)20℃下儀表系數(shù), L-1。
經(jīng)計(jì)算可得, 低流量點(diǎn)儀表系數(shù)***大相差14%以上, 高流量點(diǎn)儀表系數(shù)***小相差約2%。
3、修正方法研究：
3.1、儀表系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系：
渦輪流量計(jì)不同溫度點(diǎn)儀表系數(shù)差異很大, 主要原因是溫度改變導(dǎo)致航空潤(rùn)滑油粘度改變。校準(zhǔn)結(jié)果中儀表系數(shù)隨流量變化曲線未體現(xiàn)滑油粘度對(duì)渦輪流量計(jì)的影響, 流量計(jì)儀表系數(shù)K隨雷諾數(shù)的變化曲線如圖5和圖6所示。同一支流量計(jì)在雷諾數(shù)相近的情況下, 其對(duì)應(yīng)的儀表系數(shù)很接近, 儀表系數(shù)是雷諾數(shù)的單值函數(shù)。雷諾數(shù)Re關(guān)系式為
式中:q為體積流量, m3/s;d為渦輪流量計(jì)內(nèi)徑, m;ν為某溫度點(diǎn)下滑油運(yùn)動(dòng)粘度, c St;
多溫度點(diǎn)下實(shí)際測(cè)量航空潤(rùn)滑油粘度, 并擬合粘度ν與溫度T函數(shù)關(guān)系, 進(jìn)而通過該函數(shù)關(guān)系計(jì)算校準(zhǔn)試驗(yàn)各溫度點(diǎn)下介質(zhì)粘度。粘度與溫度函數(shù)關(guān)系式為
3.2、儀表系數(shù)曲線擬合：
儀表系數(shù)與雷諾數(shù)存在單值函數(shù)關(guān)系, 而雷諾數(shù)可由平均流速和運(yùn)動(dòng)粘度計(jì)算得到, 所以儀表系數(shù)K是流量計(jì)輸出頻率與運(yùn)動(dòng)粘度之商 (F/v) 的函數(shù)。研究***終確定采用雙指數(shù)衰減函數(shù)進(jìn)行擬合, 雙指數(shù)衰減函數(shù)Kfit表示為
圖5 CL-10渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)隨雷諾數(shù)變化曲線
表2是流量計(jì)擬合曲線系數(shù)。通過R-square值對(duì)擬合度進(jìn)行評(píng)估, 4支流量計(jì)擬合優(yōu)度值處于0.992~0.997之間, 擬合結(jié)果非常好。
表2 渦輪流量計(jì)擬合曲線系數(shù)
SN:1744和SN:1655兩支流量計(jì)擬合曲線分別如圖7與圖8所示。通過擬合公式計(jì)算各溫度和頻率下的渦輪流量計(jì)儀表系數(shù), 再通過式 (5) 和式 (6) 計(jì)算對(duì)應(yīng)體積流量[4]和擬合誤差。4支流量計(jì)擬合計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)流量***大誤差分別是0.94%, 0.80%, 0.62%和0.54%。
圖6 CL-15渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)隨雷諾數(shù)變化曲線
圖7 SN:1744渦輪流量計(jì)擬合曲線
圖8 SN:1655渦輪流量計(jì)擬合曲線
4、結(jié)論：
利用航空潤(rùn)滑油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)四支渦輪流量計(jì)進(jìn)行了多個(gè)溫度點(diǎn)實(shí)流校準(zhǔn)試驗(yàn), 并利用雙指數(shù)衰減函數(shù)進(jìn)行了擬合修正, 擬合優(yōu)度可達(dá)0.992以上。通過擬合公式對(duì)各溫度點(diǎn)和頻率點(diǎn)進(jìn)行流量計(jì)算, 計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)裝置給定值***大誤差小于1%。研究結(jié)果表明, 將雙指數(shù)衰減函數(shù)應(yīng)用于變溫工況滑油流量測(cè)量修正具有較強(qiáng)可行性與實(shí)用性。