液压系统压力及流量非接触测量方法的研究与进展.pdf

液压系统压力及流量非接触测量方法的研究与进展 王 玉, 刘东升 Study and Progress on NoninvasiveMeasurement for Flow and Pressure of Hydraulic System WANG Yu, LIU Dongsheng 军械工程学院 导弹工程系, 河北 石家庄 050003 摘 要 对液压系统的主要工作参数如温度、 压力、 流量等进行非接触测量有助于获得多个临时检测部 位的工作参数, 该文对液压系统流量和压力进行非接触测量的方法进行了研究, 讨论了各种方法的技术特点 和各自的局限性, 为液压系统状态参数非接触测量方法的选择提供了的参考。 关键词 液压系统; 非接触测量; 压力; 流量; 超声波 中图分类号TH137 文献标识码 B 文章编号 1000 4858 2005 07005804 引言 液压系统由于具备比功率大、 运行平稳和可无级 调速等优点, 已成为自动化设备中的重要组成部分, 同 时对液压系统的可靠性要求也越来越高, 常常需要对 液压系统状态参数进行监测。由于测量管道内部参数 困难, 有些设备的液压系统在关键点设有测量压力、 流 量的仪表或留有检测口, 但这类测量点数量是有限的, 要靠有限的几个点的参数来分析整个液压系统的状态 是非常困难的。随着新型传感器的不断涌现和采用不 同的测量原理, 在不改变原系统工作状态的前提下, 可 对液压系统的主要工作参数如温度、 压力、 流量等进行 非接触测量 也有文献称为非插入测量、 管外测量 , 这 有助于获得多个临时检测部位的工作参数, 进而对液 压系统的工作状态进行全面分析和快速故障定位。 1 液压系统流量的非接触测量 液压系统内流量的变化可以反映系统容积效率的 变化, 而容积效率的变化又反映了系统内元件的磨损 与泄漏情况。可以通过监测重要元件流量变化状况达 到对系统及元件的容积效率及元件磨损状况的监视目 的。传统的测量方法是通过与被测流体直接接触的检 测元件来直接感知流量信号, 基于此种测量方法的流 量计如叶轮式流量计等都是插入式安装, 一般只能实 现定点测量, 如果是为了检测液压系统状态而临时使 用, 需要使系统停止工作并且对系统进行拆装, 这必然 会破坏系统的密封性, 扰乱系统流场, 因而这类传统仪 表在使用上受到一定程度的限制, 所以需要研究新的 传感器或者新的测量方法来实现对液压系统流量的非 接触测量。 11 基于超声波的测量方法 超声波在流体中传播时会载上流体流速的信息, 因此, 通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速 信息, 进而可换算成流量[1] 、 [2]。 收稿日期 200501 10 作者简介 王玉 1979 , 男, 河北定州人, 助理工程师, 硕 士, 主要从事非电量检测方面的研究工作。 根据检测的方式不同, 超声波流量测量可分为传 播速度差法 包括 直接时差法、 时差法、 相位差法、 频 差法 、 多普勒法、 波束偏移法、 噪声法及相关法等不同 方法。其中时差法的工作原理是 利用图 1 中安装在 被测流体管壁外的由控制器控制交替作为发射器和接 收器的压电换能器 TR1、 TR2 组成声波传播通道, 顺、 逆流方向发射超声波的传播时间分别为 t1、 t2 1、 2 换能器TR1、 TR2 3 管壁 图 1 时差超声波测流量原理图 t1 D/ sin C vcos 1 t2 D/ sin C- vcos 2 58液压与气动2005 年第 7 期 时差 t t2- t1 2Dvcot C2- v2cos2 3 由于 C v, 所以 t t2- t1 2Dvcot C2 4 即可求出流速 v C2tant 2D 5 进而求得流量 Q 4 D2v tDC2 8 tan6 但因时差 t 很小, 故采用回呜技术加大声程, 以增大 时差, 当TR2发射的超声波脉冲逆流经流体被 TR1 接 收到时, 立即使发射回路再次发射, 形成回呜循环, 同 时在计数器内计数, 当计数到预置数 N 时, 控制收发 切换装置转换成TR1 顺流发射, TR2 接收形成顺流回 呜循环, 亦重复 N 次, 这样得到的 2 个时差比原来的 时差增大了N 倍, 从而提高了测量精度[3]。其他如多 普勒法、 波束偏移法等大都与此原理类似。 与传统的测流方法相比超声波测流量法有以下优 点 不破坏流场, 没有压力损失, 不影响管道的正常工 作; 由此法设计的超声波流量计无惯性, 瞬间响应快, 能进行动态测量并且安装简单, 直接安装于管道上即 可; 提高了测量精度, 扩大了测量范围。用超声波法测 流量目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受 超声波换能器本身、 换能器与管道之间的耦合材料耐 温程度的限制; 高温下被测流体传声速度的原始数据 不全; 如果油液混浊度较高, 含有较大颗粒时, 由于超 声波的衰减较大, 致使信号强度较低, 会对信号的处理 带来不便。虽然超声波测流量的线路设计比较复杂, 但由于方法本身的优点和集成电路技术迅速发展, 根 据此方法设计的用来测量液压系统流量的管外夹装式 超声波流量计已有成型产品可供选用 如某国康乐创 1010N/ X系列夹装式超声波流量计、 某公司的 DM1- MKflo- 2000F 固定式 夹装式 超声波流量计 , 并且向 产品系列化、 通用化发展。 12 基于热学原理的测量方法 文献[ 4] 提出一种基于热学原理的流量非接触测 量方法, 可以将其用于液压系统流量的非接触测量。 其原理如图2 所示 在管道外壁上卡套一个电加热环, 在加热环上下游对称布置两个温度传感器, 透过管壁 对流体加热, 由于流体的流动使 2 个传感器处的温度 并不相等, 由此可通过对 2 个温度的测量来求取流速, 图 2 基于热学原理的流量非接触测量 最终得到流量。 此方法只是处在理论探索和实验阶段。由于流体 的物理性质 密度, 比热等 、 管道的物理性质及几何尺 寸、 传感器的位置等因素度对测量结果都有一定的影 响, 所以在应用于液压系统流量的测量时, 油液和液压 管道本身的特性、 加热环和温度传感器的安装位置也 是必须考虑的因素, 因此此种方法还有待于深入研究 和突破。 2 液压系统压力的非接触测量 液压系统压力测量仪表经历了机械式、 数字式和 智能化 3 个发展阶段, 其共同特征是感压元件必须和 液体介质相接触, 以便直接反映压力[ 5]。当这些传统 的接触式压力测试仪表用于液压系统的定量监测与故 障诊断时, 就需要由检测口插入压力油管才能实施检 测, 这样, 在有的系统中只能获得有限部位的压力读 数, 而在大多数精密系统中不允许插装压力计, 并且插 入压力计会对液压系统的流场产生影响, 严重制约液 压系统故障的快速定位。所以, 有必要研究液压系统 压力非接触测量的方法。 21 基于管道形变的测量方法 在液压油的压力作用下, 金属管道径向会产生一 定的形变, 管道外径形变量为[ 6] D 4a2b E b2- a2 p7 式中 E 管壁材料的弹性模量, Pa a 管道内半径, mm b 管道外半径, mm p 油液压力, Pa 通过使用传感器检测管道外径的形变量即可求出 管道内部的工作压力。 这种方法是传统测压方法的延伸, 其缺点是在液 压系统工作压力范围内, 管道外径的形变量十分微小, 因而检测起来比较困难, 但随着新型传感器的推出, 这 一缺点有望解决。此外, 由于环境温度、 液压油温度的 影响, 液压管道也会产生一定的形变, 如何减小这种影 592005 年第 7期液压与气动 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 响, 或者进行温度补偿, 是需要考虑的问题。 22 基于超声波的测量方法 把压力油作为被检对象, 依据压力变化引起油液 声速变化这一物理特性, 选择超声波作为检测介质, 通 过测量超声波在油液中的传播速度达到压力测量之目 的[5]、 [6]。其原理如图3 所示。 图 3 超声波测压力原理图 超声波在声程为 2a 的油液中传播的声时为 t, 在 声程为 b- a 的壁厚中传播的声时为 ts t1 2t 2ts 8 t2 t 2ts 9 式中 t1 发射脉冲与探头 1 接收回波之间的时间 间隔 t2 发射脉冲与探头 2 接收穿透波之间的时 间间隔 固有声电延时, 包括探头延时、 耦合层延 时、 电缆延时、 电路延时和接收前沿的触 发电平延时 由式 8 、 9 可求得 t t1- t210 C 2a/ t1- t211 C 为超声波在油液中的传播速度。压力 p 和声速C 呈非线性函数关系, 对标定数据采用最小二乘法统计 处理, 进行曲线拟合, 可以得到多项式回归方程 p 2 i 0 AiCi12 式中系数 Ai用最小二乘法确定。 根据以上测量原理, 文献[ 7] 通过辨识建立了超声 波检测压力的数学模型, 并得到了测压的精确传递函 数, 利用MATLAB 环境下的仿真工具 SIMUL INK 进行 了仿真研究, 并通过实验数据的验证, 表明了数据模型 的建立及超声波检测压力的理论的正确性。文献[ 8] 在此原理的基础上设计了一种以水浸式聚焦和高精度 测厚仪为核心的超声波管外测压系统, 实现了在液压 系统管道外对管内压力的测量。这种方法虽然消除了 管壁影响及系统延时误差, 但没有考虑到 t 太小, 不 易测量的问题, 同时也没考虑到压力与温度的关系。 文献[ 9] 采用测量 N 次声时, 然后求平均值的方法, 解 决了 t 太小不易测量的问题, 并且建立了温度压力 声速模型, 指出声速 C 与压力p 和温度T 成一定的函 数关系, 将温度对压力的影响也考虑了进去, 提高了测 量的精度。 此外, 文献[ 10] 也是利用超声波在受压油液中速 度 传播时间 变化的原理, 通过实验的方法建立 压力 波移量∀关系图, 在测量过程中, 通过读出波移量就能 对照 压力波移量∀关系图来确定压力。这种方法也 没有考虑到压力与温度的关系, 而且由于需要超声波 探测器来测量波移量, 因此只适合做实验研究, 不适用 于实际对液压系统压力的测量。 3 结论与展望 随着液压技术朝着大功率、 高效率、 高度集成化等 方向的不断发展及比例控制、 伺服控制、 数字控制的不 断完善, 传统的接触式测量方法已经不能满足对现代 液压系统进行检测和故障诊断的要求, 非接触式测量 已成为其发展方向。上面介绍的几种方法为液压系统 工作参数的非接触测量提供了理论依据, 具有重要的 理论和应用价值, 为现代检测技术的发展打下了一定 的基础。随着传感器技术和集成电路技术的不断发 展, 新的测量方法也会不断涌现, 根据液压系统本身特 点, 多种测量方法互相结合, 取长补短 如采用超声波 原理同时检测流量和压力 , 才能更有效地满足对现代 液压系统进行检测和故障诊断的需要。 参考文献 [1] Kikura, H, Takeda, Y, Sawada, T. Velocity profile mea surements of magnetic fluid flow using ultrasonic doppler [J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1999 201 11. [ 2] Wang Ziyan, Yuan Weifeng, Wu Haibo. Applied study of ultra sonic doppler effect in monophase fluid[ J] Journal of Xi an Jiaotong University, 1998, 325 . [ 3] 罗建荣, 彭佑多, 刘德顺 液压系统流量参数的超声波关 外检测原理与装置[J] 煤炭技术, 1999, 1814 . [ 4] 祝海林, 邹 景, 高澜庆, 张文明 流量非接触测量方法[ J] 北京科技大学学报, 1997, 19 5 [ 5] 于凤, 崔玉亮, 靳世久, 李兆庆 液压系统油液压力非插 入式测量的新方法[J] 仪器仪表学报, 2001, 225 [ 6] 崔玉亮, 于 凤, 原明亭, 靳世久 液压管路压力非插入式 60液压与气动2005 年第 7 期 w w w . b z f x w . c o m 变量泵恒功率控制方法研究 朱建公 Study on Constant Power Control of Variable Pump ZHU Jiangong 西南科技大学 制造学院, 四川 绵阳 621000 摘 要 该文介绍了一种基于压力反馈和位移修正来实现变量泵的恒功率控制系统, 并进而分析了其系 统的构成、 工作原理及系统特性。 关键词 变量泵; 恒功率控制; 反馈 中图分类号 TH1375 文献标识码 B 文章编号 1000 4858 2005 07006102 1 引言 液压技术广泛应用于机床、 工程机械、 船舶等设 备, 而现代液压控制系统越来越趋向于高压大功率, 因 此要求更多的使用功率调节。液压系统恒功率控制是 要求根据负载的变化情况调整其输出流量, 使泵的输 出功率接近于负载所需要的功率, 实现动力源和负载 之间的功率适应和功率匹配, 使原动机工作在最佳工 况下, 从而减少原动机的能耗, 达到节能之目的。目 前, 国内外出现的恒功率控制方案按提供的控制力可 分为 液压力 弹簧力平衡方式; 电磁力 弹簧力 平衡方式。这两种方案均是基于阶梯变刚度弹簧力与 控制力的平衡来实现变量机构的调节, 其结果为以直 代曲近似实现压力和流量之间的双曲线函数关系, 因 此很难保证系统工作在最佳工况下。本文提出一种包 含压力反馈与位移反馈修正、 输出功率可调、 控制精度 较高的恒功率控制系统的实现方法。 2 系统的构成及工作原理 1 系统的构成 根据恒功率特性的基本关系式 QP∃ p Ki1 式中 Ki为功率常数, i 1, 2, 3, 。为了使液 压系统中的压力与流量之间能自动调节形成恒功率特 性, 这就要求控制系统中反映系统压力参数大小的信 号 up与反映泵流量输出大小的信号 u0应成反比函数 关系, 这可采用图 1所示系统结构与控制原理来实现。 该系统由压力反馈、 比例放大器、 滞回比较器、 电子开 关、 可控硅整流源、 二次液压回路和控制液压缸及位移 反馈系统等组成。 2 工作原理及系统特性分析 对于图1 所示控制系统, 改变给定电压 Ug就可以 改变放大器的静态输出电压 u0。输出电压 u0的大小 又正比于泵的流量输出, 因此调节 Ug即改变了泵的 流量输出静态工作点。 图 1 恒功率控制系统原理 收稿日期 200501 18 作者简介 朱建公 1962 , 男, 陕西省富平县人, 副教授, 主要从事液压技术方面的科研和教学工作。 检测方法研究[ J] 山东科技大学学报 自然科学版, 2000, 19 3 [ 7] 王淑莲, 陈兵, 刘春芳 超声波非接触检测液压系统压力 的辨识与仿真研究[J] 液压气动与密封, 20011 [ 8] 朱晓梅, 陈 进, 张 翼 液压管路压力管外测量系统[ J] 工程机械, 1997 7 [9] 谢建 液压系统综合测试仪研究[ J] 液压与气动, 2003 3 [ 10] 房本慧 从管外测试液压管路压力[J] 测试技术学报, 1998, 123 [ 11] J 西拉德 超声检测新技术第 1 版[M] 北京 科学出 版社, 1991 612005 年第 7期液压与气动 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载