汽车调温器泄漏量测试台的流量计设计.doc

汽车调温器泄漏量测试台的流量计设计摘要:检测仪采用了差压式流量计及分级测量的方法，成功地解决了大量程倍数、微液体流量的测量问题，泄漏量的测量精度为2.5级，检测仪是以AT89C51单片微机为核心的自动控制系统；采用了气体加压，即气压液的加压形式，简化了结构，避免了使用泵加压所产生的振动、噪声。关键词：汽车调温器；检测仪；泄漏量；AT89C51单片机； 差压流量计Abstract: Differential pressure flow meter and the method of classification measuring are adopted by the gauge ,which successfully solved the problems of the times of wide range and tiny liquid flow measuring,the accuracy of measurement of the leakage gauge is rank of 2.5,the gauge is an automatic control system in the core of AT89C51 single-chip microcomputer;pressing used by gas is adopted by the system,that is using gas press liquid,which can simplify the system，s structure and avoid vibrancy and noise when using pump pressing.Keywords: automobile thermometer; gauge; leakage volume; AT89C51 single-chip microcomputer; differential pressure flow meter一、 引 言随着汽车工业的发展，对汽车零部件的质量要求越来越高，特别是中外合资企业对汽车零部件的质量提出了较高的要求，调温器泄漏量的控制及检测对保证调温器的性能及质量具有重要的意义，因此开发调温器泄漏量专用检测仪就显得十分必要。目前，还没有一种现存的流量传感器能解决大量程倍数微液体流量的测量问题。我们研发的汽车调温器泄漏量检测仪要求流量的检测范围为55500ml/min,测量精度为2.5级，其量程倍数大，为1100倍，下限流量小，国产流量传感器一般最小流量只能达到每分钟几百毫升，量程倍数为68倍；进口流量传感器一般最小流量可达每分钟几十毫升，量程倍数为十多倍，且价格十分昂贵。二、测量原理图1示出了管式差压流量计检测调温器水泄漏量的结构框图，流量计由一支长节流管和一个差压传感器组成。图中被测件为汽车用调温器，需要检测调温器阀门处于关闭状态时向调温器施加的水压力与泄漏量大小之间的关系。为了使流量计上的压差对检测不造成影响，被测件的输入压力的检测传感器置于被测件压力液体的入口处。 图1 调温器水泄漏量测量原理被测件的输入压力由压力液体及调压阀提供；调节调压阀，可向被测件施加一序列不同的压力值。设施加于被测件的压力值为Pj，调压阀的出口压力为Pt，流量计差压传感器的示值为P，如果不计管路压力损失，则 Pt=P+Pj （1）由于流量计两端的差压值P与流量之间存在某一对应关系，因此P与Pj的关系实际上反应了被测件的泄漏量与压力之间的关系。三、流量计主要尺寸参数的确定3.1节流管直径的确定节流管直径d与额定流量Q及管内液体（指水，下同）的额定流速Vj有关。实验表明，当节流管内的液体流速较低时，单位差压值所对应的流量较大；随着节流管内的液体流速逐渐增大，单位差压值所对应的流量逐渐减小。为了使单位差压值所对应的流量不至于太小，Vj的取值应限定在一定的范围内，一般可取Vj=610/s；当量程比较大时取上限，量程比较小时取下限。额定流量由如下公式计算： Q = d2Vj60/4 （2）由（2）式算得节流管直径： d =（Q/15Vj）1/2 （3）Q额定流量（ml/min）d节流管直径(mm)Vj额定流速(m/s)取Q=500ml/min, Vj=10m/s, 则d =（500/1510）1/2=1.03mm 圆整后取d =1.0mm 。3.节流管长度的确定由于水的粘度较小、管内液体流速较高，液体在管内一般处于非层流状态，因此不能由泊萧叶公式确定Q、d、管长L及管两端压差P之间的关系。但为了使Q与P尽可能线性相关，取节流管为细长管，即L 4d （4）当Q、d确定后，L的长度直接影响差压传感器的量程范围，在L4d范围内可通过调节节流管长度L，使差压传感器的额定量程与流量计的额定量程相对应。3.3流量计的标定流量计由限流管及差压传感器构成。差压传感器的测量范围选为0.5100KPa,精度为0.1级。限流管为细长孔，流经细长孔的液体若处于层流状态时,其流量可由泊萧叶公式计算：d4 Q = P （5）128L 式中，Q 层流状态下流经细长孔的流量 d 细长孔直径L细长小孔长度液体的运动粘度液体的密度P细长孔两端的压差由公式（5）可以看出，液体流经细长孔的流量与孔前后的压差成正比,且成线性关系。Q取额定流量，P取额定压差，、为常数，适当选取L值（L/d4），由公式（5）可计算出相应的d值。然而，这样算得的d值是假定液体处于层流状态的，实际上液体是否为层流状态不仅与管径d、长度L有关，还与液流速度及液体的运动粘度等因素有关。试验表明，当水流经细长孔、流速较低，即P较小时，近似为层流状态；流速较高，即P较大时为非层流状态，Q与P的关系即为非线性关系。还有其它诸如进口起始段形状等因素的影响，故由公式（5）所求得的d值偏小，得进行适当修正，修正可采用试验法进行。最后需要提及的是，流量计Q与P的关系实际上为非线性关系，通过标定确立；由P计算Q时，可根据标定数据采用插值算法进行，以满足系统的精度要求。要找出流量计输入与输出的对应关系，就需要对流量计进行标定。被标定流量计的主要技术参数及标定条件为：节流管内径d=1.0mm,长度L=20mm；差压传感器的型号为YX-1151DP,精度为0.1级；标定时，流量的测量采用计时称重的方法，综合误差0.3%；标定介质为水，温度为15。实验表明，温度对流量有一定的影响，温度每增加10，流量大约赠加1%。表1列出了管式差压流量计的一组标定数据。表1 管式差压流量计的标定数据。P(X)(KPa)12345678910Q(Y)(ml/min)39.557.573.587.5100.0111.0120.5129.5138.5146.0P(X)(KPa)2030405060708090100Q(Y)(ml/min)215.5273.0318.0355.0386.0415.0443.0471.5502.0将表1中的数据在平面坐标上点出，即可描出PQ关系曲线，如图2。图2 流量计PQ关系曲线观察图2所示曲线，管式差压流量计的输入与输出成非线性关系。为了寻求一种数学解析式将表1中的实验数据的函数关系表示出来，与图2所示曲线近似的函数曲线有指数曲线、双曲线及其它部分有理函数曲线等。用上述函数对表1中的数据进行最小二乘拟合，其拟合误差均较大，无实用价值。但是，如果对表1中的数据进行分段拟合，会有较好的效果。例如，当1P10KPa时，P与Q有如下关系式： Q=P2/（0.007322P2+0.03356P-0.01200） （1P10）对其它部分曲线段，节点以外的P与Q的对应关系实际应用中采用插值的办法求得。四、检测台流量计的设计4.1 采用分级测量的方法解决大量程倍数问题由于流量的测量范围为55500ml/min，量程倍数大，为1100倍，下限流量小，每分钟仅5ml，国产流量计一般最小流量只能达到每分钟几百毫升，量程倍数为78倍，进口流量计一般最小流量可达每分钟几十毫升，量程倍数为十倍多，而价格昂贵。为了克服量程大的问题，检测台的流量检测部分主要采用由A1A3三根限流管及差压传感器组成，三根限流管及差压传感器构成三个流量计。该检测仪采用分级测量方法解决大量程倍数的流量测量问题；同时采用差压式流量计不仅可以对微流量进行测量，而且单级流量计的量程倍数较大；再者三级流量计共用一个差压传感器，其结构较为简单。一般情况下，只要差压传感器的精度足够高，就能保证流量的相应测量精度。三个流量计的流量分配为：A1为551ml/min，A2为50510 ml/min，A3为5005500 ml/min，各级的量程倍数均为11倍，测量时每次只选通一个流量计。设限流管两端差压变化范围相同，可改变各限流管的尺寸参数使其满足各自的流量范围要求。4.2 如何确定加压检测完毕系统可以实现手动调压和自动调压两种方式，但进行加压检测时却是自动化的。当系统加压检测完毕后，就把检测到的压力值、流量值和计件数在LED显示屏上显示出来。为了确定系统加压检测过程完毕，并显示结果，我们采用了计算机自动扫描的方式工作的。自动扫描过程是这样的，加压检测时，依次由小到大选通A1，A2，A3三个流量计，若计算机检测到A3流量计时，即最大量程的流量计，则相应的加压检测过程完毕。三个流量计对应有三个不同的流量值，选择最佳值的原则是在满量程的到中选取，最后在显示屏上显示出。五、结束语本文所论述的汽车调温器泄漏量检测仪成功地解决了大量程倍数