工业用电磁阀流量特性试验平台的设计及不确定度分析

郑智剑，楼仲宇，白丹

(1.宁波市产品食品质量检验研究院(宁波市纤维检验所), 浙江宁波 315048；2.国家智能制造装备产品质量监督检验中心(浙江), 浙江宁波 315800；3.浙江松乔气动液压有限公司, 浙江宁波 315300；4.宁波金港科技咨询服务有限公司, 浙江宁波 315000)

0 前言

工业用电磁阀是流体传动及控制系统中的重要执行元件，其内部介质主要有各类气体、水或低黏度的油等。工业用电磁阀包含角座阀、直角阀、比例电磁阀和双流量电磁阀等[1]。由于工业电磁阀种类众多、结构各异，其流通性能差异很大。为准确测试工业用电磁阀在不同压差下的流量特性，需建立通用性的压差-流量特性试验平台。

目前，工业用电磁阀的产品标准为JB/T 7352—2010[2]，包含了额定流量系数测试的试验装置和计算方法。目前的阀门流量特性试验平台主要是针对普通工业阀门、液压和气动流量控制阀，如适用于ISO 6358-1的气动元件流量特性试验台[3]、大流量电液比例液压插装阀试验台[4]、球阀阀口流量特性试验台[5]、用于研究阀口流动特性以及空化影响流动特性的水压阀阀口流量特性试验台等[6]。然而，针对工业用电磁阀流量特性试验平台的设计和应用的研究较少。

本文作者依据标准JB/T 7352—2010，设计一套工业用电磁阀流量特性试验平台，可用于开展不同类型工业用电磁阀流量系数和流阻系数的测试，并完成配套测试处理软件的开发。

1 系统设计

工业用电磁阀流量特性试验平台主要用于阀门流量特性和流阻特性的测试。适用的工业用电磁阀类型包括机械控制式、气控式和电控式。

1.1 设计参数

工业用电磁阀流量特性试验平台的适用介质为水；被测工业用电磁阀适用口径范围为0.317 5～7.62 mm(1/8″ ～ 3″)；被测工业用电磁阀进、出口压差测量范围为0 ～ 200 kPa；试验平台的流量测试范围为0.2 ～ 100 m3/h，压力测试范围为0～0.5 MPa；试验平台的测试工位为3个；试验平台同时提供气源，气源供气压力为0～1.0 MPa；试验平台通过计算机软件完成整个控制和测试过程，测试后自动完成数据存储、曲线生成和报表打印。

1.2 设计原理

在被测工业用电磁阀的进出口两端连接长直管道，为保证进出口管道内介质流动均达到稳定状态，管道的长度不小于被测工业用电磁阀10倍管径,并且在进、出口长直管道的指定位置安装压差传感器。采用水泵使管路内的介质循环，在循环中过滤介质内的杂质；通过控制电动调节阀的开度调节回路中的介质流量，当被测工业用电磁阀达到指定流量或进、出口压差时，停止调节，开始稳流。达到设定的稳流时间后，采集流量和压差数据，计算被测工业用电磁阀的流量系数和流阻系数。工业用电磁阀流量特性试验平台原理如图1所示。

图1 工业用电磁阀流量特性试验平台原理

1.3 测试设备

1、2号离心泵的流量分别为90、30 m3/h，扬程均为30 m；压差传感器的量程为0～200 kPa，精度为0.25%F.S，适用介质温度范围为-20～85 ℃；1、2号电动调节阀的使用压力为0～1.6 MPa；电磁流量计准确度为0.5级，其中0.317 5～1.27 mm(1/8″～1/2″)测试工位1的测试流量范围为0～0.4 m3/h、1.27～3.81 mm(1/2″～3/2″)测试工位2的测试流量范围为0.4～20 m3/h、3.81～7.62 mm(3/2″～3″)测试工位3的测试流量范围为20～100 m3/h，精度等级为±5%R；测试过程中的室温为(25±3)℃。

2 试验平台

2.1 试验平台

搭建所设计的工业用电磁阀流量特性试验平台如图2所示。采用某制造商生产的气控角座阀进行流量特性试验，该气控角座阀的型号为RJQ22-S80-50-W、连接螺纹尺寸为5.08 mm(2″)、选用3号工位进行测试。

试验按JB/T 7352—2010《工业过程控制系统用电磁阀》中第6.10.4条款进行，试验步骤如下：(1)在气源端调节控制气压为0.8 MPa，开启阀门；(2)水箱液位达到2/3高度后，起动1、2号离心泵，将试验回路充满水，循环3～5 min，通过过滤系统除去水中的杂质；(3)当进出口压差分别为35、50、65 kPa时，测试阀内流量和流量系数。每个压差点重复测量5次，取平均值[7]。流量系数Cv和流阻系数Kv的计算公式分别如式(1)和式(2)所示：

(1)

其中：Q为实测流体流量；Δp为控制阀前后压差；ρ/ρ0为介质的相对密度。

(2)

其中：ρ为介质密度；v为介质流速。

2.2 稳流时间

在JB/T 7352—2010《工业过程控制系统用电磁阀》中，未规定阀门流量特性和流阻特性的稳流时间。在实际测试过程中，在不同稳流时间内所采集的数据存在差异，对测试结果具有一定的影响。以该气控角座阀为例，当进、出口压差分别为65和100 kPa时，测试不同稳流时间下，通过阀门的介质流量，以t=180 s时的介质流量为基准结果分别如表1和表2所示。可知：当稳流时间超过120 s后，传感器采集的数据趋于稳定。因此，在工业用电磁阀流量特性的测试中，考虑测试能耗和时间成本，采用120 s的稳流时间较为合适。

2.3 测控系统

试验台测控系统包括工控机、控制柜和测试软件。测试过程可选择自动测试或手动测试2种模式。其中，测试软件采用Visual C语言编写，软件测试界面如图3所示。

测试界面的左上方为过程监控模块，显示过程状态参数；左下方为实时的试验参数，包括管道压力、阀门压差、介质温度、1～3号平台的试验流量、1和2号电动调节阀的开度；界面的中部区域可实时显示测试过程中的时间-流量曲线和时间-压差曲线；界面右侧主要用于测试工位的选择、离心泵的选择以及测试的开始、停止和数据保存等操作；在界面底部可以实时显示阀门流量系数和流阻系数的试验结果。

3 不确定度分析

由上文可知，工业电磁阀流量特性试验平台主要通过测量阀内介质的流量以及阀门进、出口的压差计算阀门的流量系数和流阻系数。因此，测量不确定度的各项物理参数主要包括流量Q、温度T和压差Δp[8]。

3.1 各参数的不确定度

引起压差的不确定度u(Δp)、流量的不确定度u(Q)、温度T的不确定度u(T)主要包括所采用的压差、流量、温度传感器的不确定度分量u1、A/D模数转换量化不确定度u2以及数字运算舍入带来的不确定度u3。

3.2 测量不确定度分析

由上文可知，流量系数Cv主要通过测量流过阀门的介质流量Q以及阀门前后的压差Δp计算得到。由公式(1)可知，介质相对密度ρ/ρ0为常数，其标准不确定度可设定为0，即可不考虑它们对流量系数不确定度的影响。公式中，介质流量Q与压差Δp为强相关关系，可近似取相关系数r(Qi,Δpi)为1或-1，则测量不确定度u(Cv)为

(3)

由公式(2)可知，介质密度ρ可视为常数，则不考虑它对流阻系数不确定度的影响。流速v与实测压差Δp为强相关关系，可近似取相关系数r(vi,Δpi)为1或-1，则测量不确定度u(Kv)为

(4)

3.3 A类不确定度计算

采用A类不确定度评定方法对流量系数Cv的测量不确定度u(Cv)和流阻系数Kv的测量不确定度u(Kv)进行计算，实测数据如表3所示。

表3 重复测量得到的流量系数和流阻系数

由表3可知，流量Q测量结果的标准差s(Qk)为

压差Δp测量结果的标准差s(Δpk)为

流速v测量结果的标准差s(vk)为

因此，通过式(3)可以得到流量系数Cv的测量不确定度u(Cv)=0.055。

通过式(4)可得阀门流阻系数Kv的测量不确定度u(Kv)=0.028。

因此，流量系数Cv的合成不确定度为

流阻系数Kv的合成不确定度为

4 结论

(1)本文作者所搭建的工业用电磁阀流量特性试验平台现已投入使用，试验台的设计和仪器精度符合标准JB/T 7352—2010 《工业过程控制系统用电磁阀》的要求。

(2)试验台的流量测试范围为0.2～100 m3/h，被测电磁阀进出口压差测量范围为0～200 kPa，被测电磁阀适用口径范围为0.317 5～7.62 mm(1/8″～3″)。试验台共有3个工位，可用于测试不同类型和规格工业用电磁阀的流量系数和流阻系数。

(3)计算得到试验台流量系数Cv和流阻系数Kv的合成不确定度均为0.67。