（机械工程专业论文）发动机气体流量计标定试验系统设计.pdf

摘要 进气量的测定在发动机的运行中是非常重要的，因为发动机( 汽油机) f 乜子 控制的两个主控变量之一负荷就是以进气量来表示的。发动机在各工况下缸内进 气量的精确测定直接影响到汽车的经济性，动力性和排放。而流量计在使用一段 时间后，由于设备元件的老化或者使用环境的变化其显示值会偏离实际值，这就 需要对流量计进行标定，进行修正使它的显示值与实际值相一致。同样对于新出 来的流量计也要进行标定。本系统就是基于对流量计标定而设计的一套试验系统， 主要是管道系统设计和数据采集系统的设计 管道系统有四部分组成：空气预处理段，被测流量段，标准流量段，动力段。 空气预处理段使空气恒温恒湿，从而提高标定的精度；被测流量段有三条管线， 可根据试验的不同要求选用，但是每次保证只能有一条管线运行，被测流量计前 后有压力和温度传感器；标准段有六条管线，标准流量计使用文丘里管，可以根 据6 个文丘里管的不同组合得到6 3 个不同的试验流量：动力段主要有一台真空泵 和一台风机组成，风机全压的选型将通过管道流动损失得出。 数据采集系统主要采用n i 公司的产品和软件。数据采集和控制界面的编制是 采用n i 公司的l a b v i e w 软件。硬件采用n i 公司的p c i - - 6 0 2 5 e 插槽式数据采集 板和5 b 信号调理模块 关键词：气体流量计，标定试验系统，数据采集l a b v i e w 声明 本人郑重声明： 学位论文“发动机气体流量计标定试验系统设计”是在导师余卓平教授的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。文中所引用的文献、他人研究成果以及 对本文研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中 不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：厉志荣 1 尉咐年苫碉 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位做作者魏蕊毕 舫莎月f p 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 日 落埽驴 l 矽 阿轹降 签 掰 a 州济人学颂l ：学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着科学技术的发展和改革开放的不断深入，汽车工业正以前所未有的规模在飞速发展 其中轿车工业的崛起，更是令世人瞩目如何提高汽车的运行效率，降低运行成本，对国民 经济的发展起着重要的作用。然而，随之而来环境污染成了严重问题随着发动机捧放法规 的要求越来越严格，对发动机捧放测试尤为重要，对发动机各种参数的精确测定显得非常迫 切和必要因此铡试技术越来越受到人们的重视，已成为科学研究不可缺少的手段而气体 流量计正是用来测定气体流量的仪器，是测试流量方法的种，现在测定气体流量的方法和 技术已经得到了极大的丰富和充分的发展 在很多工程场合我们需要精确确定气体流量。汽车发动机进气量的精确测定对于发动机 的性能至关重要。发动机( 汽油机) 的负荷一般多采用每循环空气吸入量来衡量，而负荷是 发动机电子控制的二个主控变量之一( 发动机的两个主控变量：转速和负荷) ，在发动机最基 本的燃油定量控制和点火正时控制中都是重要的控制变量，同时发动机的负荷还用于其他控 制项且所以发动机负荷的准确测定，也就是发动机进气量的准确测定，直接关系到发动机 的经济性，动力性，捧放 ( 1 ) 动力性 发动机混合气的空燃比的过低或过浓都会导致动力性的下降只有当混合气维持在一个 合理的区域再综合发动机的其他信息可以使发动机的动力性达到较好状态 ( 2 ) 经济性 发动机的基本喷油量是以进气量为基础，同时综合各种其他信息如气缸温度、冷却水温 度、_ 闭环控制、工况状态等一系列信息从而决定喷油量。尤其在稳定工况，精确的进气量 测量显得更加重要，如在汽油机的x 闭环控制中，它提供了一个很好基础，从而精确的控制 混合气的过量空气系数( 一般在0 9 9 i 0 0 ) ，提高发动机的经济性在此基础上利用一些其 他的技术如废气涡轮增压，稀薄燃烧等，能进一步提高发动机的经济性但这些都离不开发 动机进气量的精确测量。 ( 3 ) 排放 现今人们对于环境越来越关注，作为环境污染一大源头的汽乖面临着越来越严格的发动 m 济人学硼i ：学位论文 第一乖绪论 机排放法规发动机捧放测试成为关键的问题。一般来说。发动机气体捧放分析仪所测量的 都是气体浓度值，而为了客观衡鼙不同捧量发动机的排放量，捧放法规中规定的测量结果都 是以质量为单位。所以为了将浓度值转化成质量值，需要精确确定发动机进气质量流量。进 气流量加上油耗量即是捧气量。 由此可见，发动机进气流量的精确测量以成为发动机测试中的关键问题。 空气流量测量方法多种多样，主要有进口双扭流量计、进口层流流量计、节流孔板流量 计、涡轮流量计、涡街流量计等。以上流量计所使用的方法各有不同，但所测量的直接结果 都是体积流量。为了获得质量流量，在测量体积流量的同时需测出温度和压力，以求出空气 的密度，从而得到质量流量 一般流量计测量的是体积流量，而流体密度是随着温度、压力的变化而变化的因此， 在密度变化的情况下求出的体积流量对某一规定的工况来说是不准确的，而质量流量却与 温度压力变化无关。 本文所设计标定的热式质量空气流量传感器是根据传热学原理设计的与其他类型直接 式空气流量传感器相比，它最重要的优点是能够直接测定空气质量流量，测量结果不受空气 压力影响。而前述的几种空气流量传感器测量的都是体积空气流量，其测量结果受空气压力 和其他辅助传感器精度的影响。另外本文所设计标定的热式质量流量计对进气过程不产生阻 力，而且流量范围广，误差小 1 2l a b v i e w l a b v i e w 的全称是l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g 妇e 血gw o r k b e n c h ( 实验室虚拟设 备工程平台) ，它是美国n i 公司的产品l a b v i e w 语言是一种非常优秀的图形化编程语言， 它是用图形代码来代替编程语言创建应用程序的开发用l a b v i e w 编程，就是图形和线条 的组合而非写程序文本l a b v i e w 也是一种带有扩展库函数的通用程序开发系统，其库函数 包括数据采集，g p i b ( 通用接口总线) ，数据显示和存储等。l a b v i e w 基本可以满足复杂工 程的一些要求，如数据采集，数据的存贮、分析，计算等一系列功能l a b v i e w 环境下开发 的程序称为虚拟仪器v i ( v m e a li n s t r u m e n t ) ，因为它的外形和操作方式可以模拟实际的仪器 虚拟技术也是当前测控领域的技术热点，它代表了未来仪器技术的发展方向工业发达国家 已经将虚拟技术广泛用于航天，通信。电子，机械等各个领域进行工程工作和科学研究 采刚虚拟技术构建测试仪器开发效率高周期短、可维护性强；测试精度，稳定性平可靠性高： 2 州济人学坝i 。学位论立 箱一章绪论 具有很高的性能价格比，节省投资便r 设备更新平功能转换和扩充。n i 的虚拟仪器的结构 幽1 2 1 所示： 日特目 圈1 2 1n i 的虚拟仪器结构图 1 3 论文课题的主要研究内容 本课题就是基于对流量计标定而设计的一套试验系统，主要是管道系统设计和数据采集 系统的设计。 管道系统有四部分组成：空气预处理段，被测流量段，标准流量段，动力段。空气预处 理段使空气恒温恒湿，从而提高标定的精度：被测流量段有三条管线，可根据试验的不同要 求选用，但是每次保证只能有一条管线运行，被测流量计前后有压力和温度传感器：标准段 有六条管线，标准流量计使用文丘里管，可以根据6 个文丘里管的不同组合得到6 3 个不同的 试验流量：动力段主要有一台真空泵和一台风机组成，风机全压的选型将通过管道流动损失 得出。 数据采集系统主要采用n i 公司的产品秆l 软件。数据采集和l 控制界面的编制是采用n i 公 司的l a b v i e w 软件。硬件采用n i 公司的p c i - - 6 0 2 5 e 插槽式数据采集扳和5 b 信号调理模块。 1 理论上：从理论上探讨热式气体质量流量计的测量原理、影响因素( 空气温度、压力 等) 及其测量方法。 2 试验方面上：根据预先确定的管道，对各管段进行殴计和改备选掣在发动机稳定的 列济人学顾i 擘位论文第一章绪论 条什f ，分别不同管段进行测鼍，并分析其阻力损火 数值模拟：数值模拟包括数据采集帛i 控制界面的编制是采川n i 公司的l a b v i e w 软件 硬件采n i 公司的p c i - - 6 0 2 5 e 插槽式数据采集扳和5 b 信号调理模块 1 4 论文创新点 在我国，气体流黛测量技术很多，如进口般扣流量计进口层流流量计，节流孔板流量 计、涡轮流量计、涡街流量计等应刚较甲但人多都是采_ 【i ；l 测堂体积的方法，不能直接得出 气体流量，所以对这种质量测量所进行的研究很有限，特别是对于汽车发动机进气质量随环 境温度压力变化的针对性试验和数值模拟计算更是有限本文对热式气体质量流量测量仪系 统进行标定，并通过l a b v i e w 软件进行数据采集和控制，其创新点包括以下几点： 1 分析热式气体质量流量测量仪标定系统工作原理，及各部分组成及功能，对系统进行 设计，对于了解这种这种测量仪和标定试验台有着重要的意义； 2 从试验角度对各管段进行设计和设备选型，在发动机稳定工作的条件下。分别不同管 段进行测量，并分析其阻力损失 3 从数值模拟角度，包括数据采集和控制界面的编制是采用n i 公司的l a b v i e w 软件， 硬件采用n i 公司的p c i - - 6 0 2 5 e 插槽式数据采集板和5 b 信号调理模块对测量数据进行采 集和控制。 4 问济人学颤二i ：学位论文 第一二章常见的气体流量计 第二章常见的气体流量计 2 1 常见气体流量计及其工作原理 比较常见的汽车发动机气体流量计主要有：阻流板式气体流量计，热线热膜式气体流量 计涡街流量计等还有其他一些流量计：进口双扭流量计进口层流流量计、节流孔板流 量计，涡轮流量计，等，这些流量计一般用于汽车发动机试验： 2 i 1 涡街气体流量计 涡街气体流量计的原理：通过测量由气体流过钝体时产生的旋涡频率。得出气流速度， 从而得到通过气体流量计的气体体积其关系式如下： 型：s t ( 2 - - 1 ) 【， 产一为旋涡频率 d - - - 为钝体截面的特征长度 【f 一为气体速度 爵斯特罗哈尔数，仅取决于钝体特性如形状，在气流中的姿势等，于气流 速度无关。 v 谪旋涡 钝体 图2 - 1 - 1l q l 的虚拟仪器结构圈 其具体原理是：在放在气流中的钝体的下游产生了交替的旋涡( 卡门涡街) 其流体动力 的特性体现在旋涡频率，涡街宽度，以及经过换算的管的横截面的气流速度的相互关系上 在管道中，由障碍物产生的交替旋涡导致了气流压力和速度的波动。这些波动通过两个热敏 电阻超声波发生器转换成周期性变化的电压( 也可以利用压力传感器和超声波发生器) ，随后 信号被放大并且以与流量成正比的方形波的形式传输然后根据公式可以算出气流速度，进 而再得到气体的流量。 同济人学r 颤l ：学位论文：拜- 二帝常见的气体瀛置汁 2 1 2 热线和熟膜式空气质量流量计 热线和热膜式空气质量流鼋传感器的原理相同都是根据传热学原理设计的空气流过 时，从热线上带走热量。在环境空气温度保持恒定的情况下。热线的热平衡取决予三个因素- 即气流，电流和热线温度假设热线与空气的热交换主要通过热对流，忽略辐射和导热的热 传递，可以得到以下的热平衡式： j r 2 r ，= h f ( t 一) ( 2 2 ) r ，热线电阻( o ) 卜熟线电流( a ) _ i 卜啪线与被涌流体之问的对流传流系数，其与流体的质量流量热导率，粘 度等参数有关 卜为换热面积( 趋f ) 乙q 线温度( k ) 乃被铡流体的温度( k ) 弓在汽车上就是空气的温度，一般这个值是变化很小的可以认为这个值恒定，那么这 个式就是，和l 的函数： q = 厂( l ，) ( 2 - - 3 ) 其中任何一个值确定下来，质量流量就是另一个值的单值函数，所以方案可以分为恒流 和恒阻式( 恒温) ： ( 1 ) 恒流式。工作过程中保持电流不变，通过测量测定热线的电阻变化而得到流体的质 量流量。但是因为电阻的热平衡需要时间因此动态响应差。 ( 2 ) 恒阻式工作过程中保持电阻不变，也就是热线温度保持不变通过测量热线电压 的变化。得到电流的变化从而得到流过的气体的质量流量。其控制简化电路如图 2 1 2 所示： 6 i - 1 济人学硕： ：学位论义第二币常晃的气体流置计 也誓一一 田2 - 1 - 2d r b - - x c l 燃烧嚣 匙传感电阻即热丝电阻 盈为空气温度补偿电阻用于补偿空气湿度对于测量结果的影响 五，r 卜可调电阻 胄测量电阻，其两端的电压可以作为测量信号输出 其中乜，且j ，肜温度系数很低可以看成为常数 如图2 - 1 - 2 ，利用桥路电路，在稳定情况下电桥是平衡的，当热丝温度变化引起电阻发生 变化，从而在放大器的两个输入端产生压差，经过放大器的放大，压差被放大流过磁电流 加大或减小( 看放大后电压与电路电源的关系) ，产生热量增加或减少，电阻值加大或减小， 从而达到新的平衡测量r j ，的电压信号，经过计算就可以得到流过的气体质量流量 。 2 1 3 阻流扳式空气流量计 阻流板式空气流量传感器内有一块阻流板，发动机通过迸气管吸入空气时，气流对阻流 板施加一个力，使阻流板旋转，同时与阻流板连接的回位弹簧产生一个回位力矩。气流越大 阻流板受到的力矩也越大，阻流板偏转的角度也越大阻流扳偏转的角度实际上就反映了空 气流量的大小一般阻流扳的转角通过电位计转化为电信号。在传到e c u 进行数据处理和决 定喷油量一般空气流量和和阻流板转角之问成对数关系见圈2 1 - 3 ： 7 h 济人学硕i ：学位论文第一二枣_ ； ； j 巴的气体流置计 圈2 1 3d r b - - x c l 燃烧器 q 。 这样就带来了一个好处：空气流量低的时候灵敏度很高，正好满足了在低空气 流量时铡量精度必须很高的要求 2 1 t 其它汽车流量测量方法 除了以上几种气体流量计用于汽车流量( 负荷) 直接传感，还存在有汽车间接负荷传感 一般有两种方法： ( 1 ) 转角转速法( a - - n 法) 由公式得： 仉盎圪( 2 - 4 ) r ，= 仉似，力 k 每缸每循环吸入得空气量( g ) 巩充气效率 既大气压力( p a ) j 卜气体常数( 一般空气为2 s t j k gk ) 瓦大气温度( 1 2 ) 圪每缸发动机捧量( d i n 3 ) 口节气门转角( 。) ，r 一发动机转速( r m i n ) e c u 根据传感器得到的口和h 得值然后查处m a 的值再利用大气温度和压力风，瓦对 值进行修正。 3 删济人学顾i ：学位论文第二二章常见的气体流置计 ( 2 ) p - 一n 法，也就是密度转速法 m a2 玎一急圪 j ：- 5 ) r 。= r 。( p 。，帕 p 迸气歧管绝对压力( p a ) ，可通过传感器获得 乙进气歧管绝对温度- 可通过传感器获得。 刁，充气效率取决于a 和n ，但是p 。和a 之间存在着一一对应的关系。 所以叩。也是p 和n 的函数。 p 一n 法多用于多点喷射。因为发动机转速本来就是主控变量之一，所以一般直接用节 气门转角或进气歧管绝对压力作为间接传感的负荷信息。 2 2 其它流量测量方法 以下其他类型的气体流量计一般不用作为汽车发动机用气体流量计，但可用于发动机台 架试验中气体流量的测定由于试验标定系统用的是文丘里管作为标准流量计下面将会对 缩放管的原理和特性作详细的论述 2 2 1 腰轮流量计 腰轮流量计是容积式气体流量计，其机械原理如图2 2 1 ： i 一 图2 - 2 i 腰轮流量计煦理圈 该流量计是利埘流体压差驱动两个腰轮旋转从而达到计算流量的目的。具体运行过程是 9 l 一济人学顾l ：学位论空第一二章常见的气体施盈计 由于流量计进口压力p ，人于出口压力岛，上面的腰轮由丁进山口压力对它的旋转中心转矩为 零所以不会转动。而j 卜面的腰轮由于进出口压力对于它的旋转中心转矩不为零，所以开始旋 转，同时把它与机壳组成的封闭室的气体向出口捧出，并通过装在腰轮轴上的外带的正时齿 轮带动上面的腰轮旋转，腰轮与腰轮之间是不接触的，有很小的间隙。当下面的腰轮处于垂 直位置时，上面的腰轮处于水平位置，反过来上面的腰轮带动下面的艟轮旋转该流量计的 一次循环会排出四倍的封闭室体积的流量。其主要测量误差存在于腰轮之间的泄漏以及腰轮 和机壳壁之间的泄漏，还有就是由于腰轮旋转导致的回流，使一部分气体被计数二次和数次 2 2 2 转叶轮式气体流量计 旋转叶轮式空气流量计是容积式气体流量计。它具有叶轮形状旋转活塞以及旋转的密封 圈该类流量计当叶片通过测量室时旋转的密封圈会关闭测量室由于气体捧出时导致的压 力差。气流在进口流入。井使在轮状测量室的的叶轮式活塞旋转，这个测量室是由两个同心 的圆柱体构成的。同时旋转的密封圈以一个固定的传动比运动在一个循环中总共释放四倍 于两个单独叶片之间体积的气体流量。其原理图如2 2 2 所示： 2 2 3 涡轮式气体流量计 搏气 l 耍) i 圈2 - 2 2d r b - - x c l 燃烧嚣 涡轮气体流量计的主要原理是：转子由气流驱动，它的转速和气流速度成正比通过这 种转子的转速推算出气流流动速度，在乘以管道截面积就可以计算出气体流量通过磁电转 换可以把涡轮的转数变换成电磁脉冲，送到电脑或仪表上进行再处理，显示气体流量其主 0 懋一 m 济人学顾i ：学位论丘第- 二章常见的气体流置计 要误差存在| 丁轴承以及齿轮的机械摩擦损火，转子上的气流阻力以及被测气体粘度的影响导 致了实际转动速度与计算州转速有一个偏差值。涡轮流量计的原理如幽2 - 2 3 所示： 仪袭显示 2 2 3 进口流量计 圉2 2 3 涡轮漉量计的原理圈 进口流量计是安装在管道进口处的一种测量气体流量的装置。其测量原理与节流差压流 量计类似流体从静止空气中吸入，通过渐缩的型面逐步加速，静压降低，其降低量与气体 流量和真空度有关，由此可以求出气体流量该流量计测量时进口前不需要安装管道，只需 要足够大的空间，进入其中的流场均匀，压力损失较小。一般进口型线有双圆弧，三圆弧和 双纽线等，其中双纽线用的较多一般的进口流量计如图2 2 - 4 所示： 2 2 4 文丘里管流量计 ( j ) 喷嘴： 圈2 2 _ i 涡轮流量计的原理留 刚济人擘硕i ：学位论文第- 二章常见的气体施鼍计 根据公式： = 告= ( 南击 c ：聂面 ，为l 临界压力比， p 打喷嘴背压， 却喷嘴进口气体的滞止压力， 卜堍对温度出 c 一当地音速由公式 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 可知l 临界压力比只和气体的比热系数k 有关，所以当喷嘴的出口背压降到一定值以下气体 流动的速度就会达到音速，即使背压低于达到音速所需的背压，喉管的气体速度将保持音速， 通过喉管的气体流量也将不再变化图2 2 5 表示了背压和气体流量的关系： 圈2 - 2 4 背压和气体流量的关系 音速公式可由( 2 ) 式得到，r 是喉口( 文丘里管面积最小截面处) 温度) ，气体在喷嘴 喉口部分达到音速由于气体温度和气体的比热系数可以事先测定，所以只要使喷嘴的背压 达到临界背压就可以使气体的速度达到音速通过温度和气体比热系数求出气体在喉口部位 的音速然后可求得气体的质量流量。但是由于喷嘴的临界压力比为0 5 2 8 ，离心风机很滩达 到这样大的抽吸力，所以不适合作为本试验系统的标准流量计 ( 2 ) 文丘里管 文丘里管是缩放管的一种，由于有较好的精度，一般可用于对其他流量计的标定。本试 验标定系统的设计将临界文丘里管作为标准流量计。 由于发动机气体流量计的标定试验系统将圳文丘里管作为标准流蟹计，而且文匠里管又 1 2 蚓跻人学硕l 学位论文 第一二常常j 巳的气体流量计 是缩放管的一种，这里将作较为详细论述缩放管的原理和不同1 2 5 己。卜的特性。缩放管由渐缩 秉l 渐扩管两部分组成，渐缩管可以使气体达到音速，渐扩管可以使气体进一步膨胀。达到音 速( 这是在气体充分膨胀条件下得到的) 缩放喷管的质量流量公式如下( 假设管内气体流动的绝热等熵) 1 生 o g 一= 以焘) 2 _ ”( 即o p o ) 2 2 - 8 ) 可。质量流量 4 。喉管面积 y 一绝热指数 凡- i 带止压力 p 。在滞止状态下气体的密度 缩放喷管在不同的背压工况下的不同的情况 1 气流在喷管中作完全膨胀状态下的出口界面的压强比 ， 鲁= ( 1 + 孚耐) 告 c z 吲 喷管的出口气流压强等于环境背压：p i = p 耐沿喷管气流压强比p p o 和马赫数m a 的变化曲线如图( b ) ，( c ) 中的a b c 和( 2 ) 所示喷管出1 3 截面和喉部的压强比及流量比如 图( d ) ，( e ) ，( d 中的2 点所示 2 气流在喷管中作正常膨胀，出口截面产生正激波时波后的压强比。 尝= 去鲁= c - + - - m a ? ) 告c 暑胁。一奢( 2 - - 1 0 ) 在喷管中正常膨胀的气流，到达出口截面时，已经成为压力为p l 的超声速气流，在出口 截面经过正激波压强由波前的p l 越升为波后的p 2 ，以适应高背压的环境让气流在波后 以亚声速顺利流出 沿喷管气流压强比砌和马赫数 厶的变化曲线如图( b ) ( c ) 中的a b c 和( 4 ) 所示。 喷管出口截面和喉部的压强i t ：及流量比如图( d ) ( c ) ，( f ) 中的4 点所示 3 喷管中的气流在喉趣达到声速，其余全为亚声速时出1 0 截面的压强比 州济人学硕i ：学位论文；l ：二帝常见的气体流苴计 旦：( 1 + 掣胁矿南 ( 2 _ l i ) p o z 沿喷管气流压强比p p o ；和1 马赫数耽的变化曲线如幽( b ) ，( c ) 中的a b c 希i ( 6 ) 所示 喷管出口截面和喉部的压强比及流量比如图( d ) ，( c ) ，( o 中的6 点所示 以这三种状况为界限可以把缩放喷管的+ i ：作状态分为四个区段： ( 1 ) o 丛 旦 p op q 气流在喷管内作正常的将压膨胀，沿喷管气流压强比p 机和马赫数 厶的变化曲线如图 ( b ) ，( c ) 中的a b c 所示。由于出口的气力压力刃高于背压，在出口外将继续膨胀，成为膨胀 不足，因为气体是超声速流动，膨胀波动不会逆流而上影响到喷管内气体的流动喷管出口 截面的压强比砌和喉部的压强比p 加以及流量比g 砌。如图中( d ) ( c ) ，( f ) 点l 所示 ( 2 ) 旦 丝 丝 p op op o 。 气流在管内作正常的将压膨胀，沿喷管气流压强比酗p 0 和马赫效m a 的变化曲线如图( b ) ， ( c ) 中的a b c 所示。由于喷管出口气流压力内大于环境背压 柚，所以超声速气流流出后受 到高背压的压缩产生激波，压强跃开以适应高背压喷管出口截面和喉部的压强比及流量 比如图( d ) ( e ) ，( d 中的3 点所示这种现象称为膨胀过度 ( 3 ) 丝 丛 旦 p op o p o 激波将向管内移动，随着激波的移动，波前马赫数减小，激波强度减小，同时激波传播 速度减小最后激波稳定在喷管某个内截面a i 上沿喷管气流压强比p 和马赫数 厶的变 化曲线如图( b ) ( c ) 中的a b e f g 和( 5 ) 所示由图可知气体先按曲线a b c 降压加速，然后 经过激渡由e 跃变至c 再按曲线f g 减速增压直至出口喷管出口截面和喉部的压强比及流 量比如图( d ) ，( c ) ，( f ) 中的5 点所示 ( 4 ) 旦 l8 0 - 2 5 0 亚效过滤器( 11 5 0 - 3 5 0 高效过滤器 1 0 0 咖的采波形补偿器，采h j 两个波协对其他的采川套筒式补偿器。管道应当 选择与其公称直径相对应的补偿器酗号，补偿器其他尺寸见相荚国家标准。对丁j 被测段由丁 一段是自由的不需要采圳补偿器。 4 6 ：肖参数确定具体过程可见附录3 5 7 风机选型 5 7 1 风机的分类 通风机指在大气压为o 1 0 1 m p a ，气温2 0 c 时t 出口全压值低于o 0 1 5 m p a 鼓风机指在大气压为o 1 0 i m p a ，气温2 0 c ，出口压力为0 1 1 5 0 3 5 m p a 压缩机指在大气压为o 1 0 i m p a ，气温2 0 c，出口压力大于0 3 5 m p a 5 7 2 风机的主要性能参数 风机的主要性能参数包括流量，压力、气体介质，转速，功率 1 风机流量风机流量分为体积流量( m 3 h ) 和质量流量伥g ，s ) 可通过气体密度在体 积流量和质量流量之间换算 2 风机压力风机压力分为静压，动压，全压为实现送风目的，必须要有静压和动 压。 ( 1 ) 风机静压 服送风阻力的压力为静压静压p i 是气体对平行于气流的物体表面作用的压力，它是通 过垂直于其表面的孔测量出来的风机的静压是风机的全压减去风机出口处的动压： p 圹= ( p ，2 p “) p d 2 = ( p ，2 见1 ) + ( p 。2 _ p 讥) p 一2 = ( p ，2 p l i ) _ p 扪( 5 - - 1 1 ) p i ，风机静压( p a ) p 风机进口全压( p a ) 只2 风机出口全压( p a ) p d i 风机进口处动压( p a ) p d 2 风机出口处动压( p a ) 儿i 风机进口处静康( p a ) 1 i 州济人学坝l ：学位论_ 盘： 第坛争发动机气体流置计标定试验系统璇计 p ，2 风机出口处静压( p a ) ( 2 ) 风机动压。 把气体流动中所需动能转换为压力的形式成为动疗 动压的表达形式如下： 胪譬( 5 - - 1 2 ) p d 一动压( p a ) p 气体密度( k m ) r 气体速度( m s ) ( 3 ) 风机的全压 风机全压是指风机所给定的全压增加量，即风机出1 ：3 和进口全压差值 风机全压基本方程式为： p 。= p 华+ p 华+ p 孚( 5 - - 1 3 ) 刖一风机的全压( p a ) p 气体密度( k e m 3 ) 舒一叶片出口处气流得绝对速度( m s ) c 厂叶片进1 3 处得气流绝对速度( m s ) l 广卅片出口处的圆周速度( m s ) 广卅片进口处的圆周速度( m s ) 蜥叶片进r a 处的相对速度( m s ) 一叶片出口处的相对速度( m s ) 需要注意的是这个方程是假设有无限多州。片的情况卜得山的，在实际情况下叶片的数量 是有限的，所以实际情况还要乘上一个小丁1 的系数k ( 相对涡流系数) 即 pr=kp，o(5-14) 上式第一项是气体动乐的增加值，第一二项是由丁离心力增加的静压值，第三项是由于流 道逐渐变人导致的静压增加。 根据定义也风机全压可川如f 公式： p , r = p ，2 一只i = ( p ，! + p d ：) 一( p j i + p d i ) = ( p ，：一见i ) + ( p d ：一几1 ) ( 5 - - 1 5 ) n j 济人学顾l ：学位论文 第五币发动帆气体流量计标定试验系统垃计 5 7 3 不同进出口状况下的全压和静压 如果风机的进出口的面积相等动压可以看作人致相等对r 不同进山口状况的全压币 静压的门纳如卜： ( 1 ) 带有进气管和出气管的风机进出口动压相等 风机的全压：p ，= p ，2 p j l ( 2 ) 在使用状态f ，仅具有出气管进口朝人气开放的风母全压为出口静压和动压的和 风机的静压可用出口静压表示即 p i l = o ，p d l = 0 ( 表压) 风机的全压：p ，= p ，2 + p ，2 风机的静压：p j ，= p ，2 ( 3 ) 风机在使用状态下，仅具有进气管，出1 3 朝大气开放时风机的全压可以用进口的静 压表示，风机的静压可以在进气静压( 负压) 上加上进口动压表示： 风机全压：p ，= p i 风机静压：p f = p l i + 办l 以上压力均是用表压表示的，如果用绝对压力表示，需要特别注释 5 7 4 空气系统和风机性能 t 空气系统 空气系统一般包括风机，以及与其进出口相连接的的管路，较为复杂的系统还有过滤器， 扩散器等附加部件风机是给系统内气体以能量，以克服系统的阻力在空气系统一个固定 流量乳下，会产生相应的压力损失和流动阻力- 如果流量变化了t 相应的压力损失和流动阻 力也会变化对于大多数系统决定这种变化关系式如下： 娑：譬：( q v c ) 2 一( 5 _ 1 6 ) 阻力压力 q ， 一j 。 2 风机性能 风机性能是通过风机性能曲线来了解的风机性能曲线一般包括风机静压，风机全压、 风机内功率，风机静效率风机全效率曲线。一般不能包括从无拌气剑自由有捧气档个范嗣 3 7 h 济人学硕l ：学位论文 第五帝发动机气体流置计标定试验系统啦汁 一般只包括晟有效率的范围。 3 系统曲线与风机性能曲线之间的相互影响 如果精确的得到系统的阻力，然j 厅通过风机的性能曲线就可以得到一个特定的流量 ( 风机曲线和阻力曲线的交点) 改变系统的阻力可以调h 流鼙，如豳5 7 1 所示： v r 鲤 螺 谣 芏 扭 匿仃工况点 瞥同系统 管同系统 管用系统 风帆曲线 、 ， ， 、 一 i 圈5 - 7 - 1 风机性能曲线 警同系统体积流量 由图可知要精确计算压力损失和流动阻力才可能得到理想的工况点，否则实际工况极有 可能偏离设计点 但是为了使风机达到工程上的特定要求，往往要对风机进行调节，来改变管网特性一 般有等流量调节和等压力调节，由于本系统设计需要的是等压力调节，下面就等压力调节作 简要介绍 等压力调节就是通风机排气压力不变，而流量减少一般等压力调节的方法有： 1 遁风机进口调节。 在通风机的进口处，装置阻风门和节流门使得风机进口处的气体状态参数( 进口压力) 发生 变化，从而使风机的性能曲线产生变化，达到改变风机的流量，而风机的压力不变。但是很 明显这会带来额外的损失。通风机进口节流调节，原则上可以达到无进口：霄流调节风机性能 曲线下面的所有 ：况而且进口节流调节还有一个很人的优点就是，随着进口节流调：扮，风 机的喘振线左移，也就是想小流量方向移动，这样风机可以达到较小流量i ：况点通风机进 口节流等压力调社性能曲线如幽5 7 2 所示： 州济人学硕”i ：学位论空 第五章发动帆气体溅置计标定试验系统改汁 ，一一一， - 一；= 一。 o 一一- - 1 图5 - - 2风机进! e l 节流等压力调节性能曲线 2 风机的变转速调节 风机的变转速调节一般采用两种方法；通过液力偶合器和通过电机变转速变转速的管 道特性曲线如图5 7 3 所示： q 。q q 图5 7 3 变转速的警道特性曲线 通过变转速可以使风机的运行范围拓宽，而系统也总是再高效率区域运行风机转速f 降时，喘振点向小流量移动但是通过液力偶合器变转速需要附加设备t 如油泵和油箱等 用电动机实现变转速但是根据风机定律： g 。等，= 兄印一 c s - ”， 由此可知通过转速增加来增加流域转速和流量的关系是转速比值的一次方关系，而电 3 9 l d 济人学颇f 学位论文 瓤t i 驻发确机7c 体流：i i 计杯定试验系统设计 机输入功率与转速比值确实二次方关系。所以通过渊褴转述来词鹅气体流堵电机能颦消耗是 相对较人的。 5 7 5 本系统的风机选型 本试验系统的风机在使川状态下，可近似看作仅具有进气管，出口朝人气开放。这时风 机的全压可以用进口的静压近似表示由附录2 的5 可知，风机的全压要达到2 0 k p a 。由 于传统的离心式风机的电动机转速不变，当管道系统设计好j 斤。其阻力一定，管道的流量也 就一定。但是本系统由于要求风机全压2 0 k p a ，而最高流量只有3 0 0 0 m 3 h ，而一般的风机在 达到这样的全压情况下流量一般大大超出3 0 0 0 m h 。所以在选择风机时应在保持2 0 k p a 全 压的原则下，尽量选择流量靠近3 0 0 0 m 3 l 的风机可通过变频器改变风机电动机的转速从而 在全压不变的情况下改变气体流量，如图5 - 7 - 4 中的q v l 和q v 2 这两个点但是如果改变流量 较大，达到较小的的流量点就可能进入喘振区，造成风机的伤害在这种情况下可以通过进 口节流使得整个风机特性曲线改变，原则上可以在全压不变的情况下达到节流婀门全开时风 机特性曲线下的所有工况，达到本系统所要求的全压不变而流量变化如图5 - 7 - 4 中和，当 转速为n l 时，这个的流量点，会使风机进入喘振区。但是通过提高转速到n 2 和阻风门相结合 可以在全压不变的情况下，达到所希望的流量点 幽，- 7 4 风目l 特性j i l l 线 所以本标定试验系统采h j 的风机的要求是：全乐2 0 k p a 最高流蛩3 0 0 0 m h 左右。也 可以超出一定颦结合使h j 变频器和i 阻风j 进口调饥而且标定试验系统的动力i 爻：前的集气 流 节一粕】 ； 一，一 一 州济人学硕l ! 学位论文 第五章发动机气体流量计标定试验系统设计 箱有一个旁通通道( 文丘里管) 瀛鼙为1 6 0 0 m 3 h 这些措施都是为了保持全乐不变的前提 下拓宽风机的运行流鼙范围，方便风机的选豫 4 川济入学颂i 。学位葩立 第六帝数据采集系统 第六章数据采集系统 由于该系统是标定试验台，对丁- 试验的环境等网素，如试验室温度，试验压力的精确度 和变化范围有较高的要求所以要及时精确的采集试验) 立穰中气体的压力，温度，流苗的变 化，使得流量计的标定获得较大的精度。但是本数据采集系统由于目前没有相应数据采集 和输出信号扳进行试验，所以不免存在这一些缺陷。 6 1 应用领域和计划使用产品 1 软件 使用n i 公司的6 1 版本的l a b v i e w 进行前面板和程序框图的设计。 2 硬件 ( 1 ) 数据采集卡 数据采集卡计划采用低价位多功能的p c i - - 6 0 2 5 e 多功能输入输出卡。p c i - - 6 0 2 5 e 参数 如下：2 0 0 k s s ，具有1 6 个模拟输入端口，2 个模拟输出端口，3 2 数字i o 线，2 个计数器， 同时该数据采集板还能与c v i 等总线或系统兼容。该扳与p c 机的连接形式是插槽式的，采 用p c i 总线，并行通信。 ( 2 ) 信号调理模块 数据调理模块采用n i 公司的5 b 。对于由传感器进来的电信号，由于环境噪声和信号太 小等原因，需要对电信号进行调理，即进行放大和滤波等处理。信号经过调理后应当满足计 算机内部的电流和电压( 0 5 v ，4 2 0 r n a ) 。 该模块是专用于插入式数据采集板，最多可以对1 6 个模拟输入通道进行信号调理，1 5 0 0 v 绝缘。它是属于单通道模式用户可以根据实际需要选择调理通道数，但是最多不能超过1 6 兰| 6 1 i 竹o ，调理模块 州济人学蟛! f 学位论义第六常数据采集系统 通道。5 b 可以于调理v 和om v 或者是电流信号同时也可以川i r 调理频率等输入信号。 5 b 与数据采集扳和p c 机的关系如6 2 2 所示： 图6 - i 一2 数据采集板与p c 机关系 ( 3 ) 传感器： 温度传感器：采用铂热电阻式- - 8 0 2 5 0 u + 2 1 0 3 ，精度a 级( 0 1 5 + 0 0 0 2 t ) 压力传感器：b r p 1 2 压力传感器。线性度、滞后误差0 5 r o ，分辨能力为额定载荷 的0 1 r o ，灵敏度i m v v ，电桥接法：全桥4 4 0 0 欧姆，允许过载能力2 0 r c ，工作 温度：一1 0 5 0 ，特点m i o 1 ，规格系列01 ，o3 m p a ，低压力测量。 6 2 系统功能 该系统功能主要是实现对流量计标定试验台被测流量计和标准流量计前后温度压力，被 测流量计实时观测和采集。对于采集流量，由于不同的流量计的传感信号不同在系统中将 提供三种信号的接口：模拟，数字，脉冲。所采集的数据将会以电子表格( e x c e l 格式) 形 式自动存储，用来对所采集数据进行后续分析研究，以确定被测流量计各种参数。如相对误 差，仪表系数等。由于流量标定试验台是以六个文丘里管并联，以他们的不同组合获得不同 的流量点，所以前面板还设置了控制功能，控制各个文匠里管叱越阀的开启和关闭。同时前 面扳还具有开启平关c j j 风机和真三泵的功能。 h 济人学明i j 学位论义 第六常数据采集系统 6 3 系统总体设计 系统主要采集的量是管中气体的静压力和温度值，以及被测流量计的流鼙 在被测流量计的前后各有温度和压力传感器以得到该点的密度和压力损失在标准装 置的前后集气箱配有温度和压力传感器，主要用来确定标准流量计处的背压是否达到设计要 求。 由数据采集系统的总体系统图可知( 参照附图4 ) ： 1 温度和压力传感器共用掉了八路a i 虽然被测管线有三条且都设计装有温度和压力传感器，但是这三条管线每次作试验只开 启一条( 因为难以掌握每条管线流量的分配) ，所以数据采集板只需要为被测段提供四个输入 口，只要标定时连接运行管线的温度压力的输入信号即可同时由系统图可以知道，传感器 传来的信号要先经过5 b 模块的调理才进入数据采集板，这是为了保证信号的精确和稳定性 2 系统为流量计留有3 个输入口 由于预先不知道输入为何种信号，所以系统考虑到了比较常用的信号：数字信号( 智能 仪表) ，一般进来的信号就是实际的流量，采用数据口输入( 数据口宽度8 位) ；模拟信号( 电 压，电流) ，比较常见，但是流量要根据输入值计算得出；t t l 信号或脉冲信号，把经过调理 好的信号通入计数器，然后利用程序的m e a s t l r ef r e q u e n c y 订求得信号的频率，再换算成 流量常见的如涡街流量计 3 数字量的输出占用了八个数据线 由于文丘里管和风机的开启和关闭预计采用电磁阀和继电器控制，而继电器开关和电磁 阀的开关只有两个状态：0 和l ，对应着关和开。所以只要用数字量的输出控制即可，图上的 放大器是根据实际的电磁阀和继电器的型号可选的，如果输出的数字信号( 5 v ) ，能直接驱动 执行器，可以省略，如果不能直接驱动需要加上 4 2 个模拟量输出 根据以上4 7 风机的选型可知。需要对风机进行变转速控制，同时小流量范围的真空泵 控制也需要进行流量调整。所以也需要进行电机转速控制以上电机转速的控制是通过变频 器来实现的。 以上传感器，执行器和控制界面( l a b v i e w ) 之间的数据输入和输出都是通过p c i - - - 6 0 2 5 e 实 现的，数据采集板在其中起着及其重要的作片i 系统具体的连线方法与传感器的信号类豫。 信号参考点相关，可参照p c i - - - 6 0 2 5 em a n n u a l 。 州济人学i 葶ii 擘位论文 第六素数据采集系统 6 4 数据采集系统界面 数据采集有前面板莆l 后台程序框图组成。 6 4 1 前面板 面。 前面板( 附图5 ) 分为被测传感器控制显示界面，标准传感器控制显示界面，风机控制界 1 被测传感器的控制显示界面 该界面主要由7 个数据显示变量( d i g i t a li n d i c a t o r ) 组成。其中4 个变量分别显 示被测流量计前部和后部的温度和压力。其余三个分别是为了适应不同的被测流量计的 信号而设置的显示变量：输出信号是脉冲的流量计( 涡街等) ；输出信号是模拟信号( - - 般是电压) ( 涡街，阻流板等) ；输出信号是数字信号，一般是智能仪表，输出的值已经 是流量值，所以在设计时为了适应不同的流量计要在采集板上预留数据采集几个口 2 风机控制界面 该界面有两组组件，分别控制风机和真空泵。用来满足实验当中不同的流量范围的 要求。主要由两组逻辑开关组成。每一组逻辑开关：风机( 真空泵) 启动开关( v e r t i c a l t o g g l