节流式机载气体流量测量的研究

节流式机载气体流量测量的研究

杨倩  李佳鹏

（天津航空机电有限公司）

摘要：本文主要研究了一种集成在管路上的机载流量测量系统，当气体流经管路喉道时流速增加并且压力减小，产生前后压差，依据压差可以衡量流量的大小。该系统主要包括压力信号采集、温度信号采集、管路流量解算等功能。通过合理结构设计、引压气路设计以及柱塞密封方式设计实现了快速拆卸便于升级维护的功能。本文为后续集成化的机载流量测量提供了一定的理论依据与试验基础。

关键词：流量传感器，节流式，快速拆卸

1引言

随着系统安全性、集成性要求逐步提高，同时考虑到系列化产品的通用化设计以及后续升级维护的简易快捷，要求产品在体积重量不增加的前提下，同时具备测量绝压信号（入口压力）、差压信号（入口与喉道之间的压差）、温度信号的测量以及管路流量解算、数字通信等功能，对现有的流量传感器结构进行改进提升，提高产品的可维护性以及使产品具有系统功能。

2产品总体设计思路

节流式集成化航空流量测量传感器总体思路为系列流量传感器的设计生产经验，并针对流量传感器研制需求进行适应性改进，将压力信号采集、温度信号采集、管路流量解算、数字通信等功能进行集成一体化设计，形成了一个小型的流量测量系统，同时通过合理结构设计及柱塞密封方式­1,2设计了实现了快速拆卸便于升级维护的功能。

3产品结构概述

3.1 产品组成及功能

产品主要由文丘里管、传感器部件、信号转换部件、壳体组件等组成。

1．文丘里管主要用于安装传感器部件同时利用文丘里的变径来产生压差信号

2． 传感器部件包括差压芯体、绝压芯体以及铂电阻器，该部分是将管路入口绝压信号、喉道差压信号，温度信号转换为电信号。

3．信号转换部件主要用来将绝压、差压、温度信号解算为数字信号并进行流量解算。

4. 壳体组件则用来环境防护及电信号传输。

3.2结构设计

3.2.1零部件的结构设计

文丘里管由铝合金棒一体加工而成，流量测量时，气体经管道喉道时流速增加同时压力减小，形成压差，这里通过绝压芯体和差压芯体采集压差信息。

3.2.2传感器部件结构设计

管路整体由入口、收缩段、喉道、扩散段、出口五部分及上部安装面部分组成：高压端引气口位于入口管路、低压端引气口位于喉道中段，作用是实现两取压点与感压芯体的气路连通，实现管路压力测量；传感器感温部件由防护套、支架部件、铂电阻器等组成，实现对入口流体温度的测量，此外感温部件设有引气孔，用于实现管路入口引气设计。

3.2.3信号转换部件结构设计

信号转换部件用于将感压部件输出的差模电压信号转换为数字信号，信号转换部件由电源防护电路板部件、电源处理电路板部件、信号处理电路板部件、螺钉、接壳螺钉、绝缘垫片、绝缘套筒及支架组成。

3.2.4壳体组件结构设计

壳体组件包括上盖板、侧盖板、底板及紧固件，该零件采用铝合金板材加工而成，各板间采用导电胶条密封，保护内部元器件。外露部分均做圆角处理，各面板都根据受力情况采用减重槽或加强筋设计，保证整体结构强度。

4产品功能设计

4.1收缩比方案设计过程

管道流体流经喉道时流速增加并且压力减小，产生前后压差，依据压差可以衡量流量的大小。收缩比是指喉道直径尺寸与入口直径尺寸的比值，比值过大过小都会影响测量精度，根据GB/T 2624中对于机械加工收缩段经典文丘里管的直径比（收缩比β）应在0.4～0.75范围内。

4.1.1根据最大压力、最大流量计算不同收缩比下的压差范围

按照座舱流量传感器的流量范围为500kg/h～2200kg/h，入口静压压力范围为20kPa～120kPa（绝压），经计算在收缩比β=0.45，喉道管径为55.35mm时，喉道速度最大为241m/s，最大压差为30kpa。在收缩比β=0.65，喉道管径为79.95mm时，喉道速度最大为89m/s，最大压差为4.54kpa。上述收缩比均能满足设计要求。

4.1.2计算全流量量程范围内的压差

考虑不同入口压力、不同流量下，压差是否会超出最大范围，对最大压力（120kPa）、常用压力（110kPa）在500kg/h～2200kg/h流量范围内的压差及喉道流速进行计算，经计算，在收缩比β=0.45时，在500kg/h～2200kg/h流量范围内，压差范围为1.14kpa～27.27kpa，工作范围在满量程的3.8%～77.9%范围，产品测量流量的最大值为2200kg/h时，最大压差为39kpa，差压芯体的过载能力为70kpa，因此产品不会损坏。在收缩比β=0.65时，在500kg/h～2200kg/h流量范围内，压差范围为0.22kpa～8.88kpa，工作范围在满量程的2.2%～88.8%范围，产品测量流量的最大值为2200kg/h时，最大压差为8.88kpa，差压芯体的过载能力为70kpa，因此产品不会损坏。

4.2流阻计算

流体流动的能量损失与流体的运动状态和流动边界条件有密切关系，能量损失分为沿程能量损失和局部能量损失，对于气体管路以及流体的密度沿程发生改变的管路，能量损失一般用压强损失（流阻）来表示，沿程压强损失和局部压强损失公式

（1）、（2）所示。

………………………………………（1）

……………………………………………（2）

式中：

λ——沿程阻力系数；

L——管道长度，m；

d——管道直径，m；

u——管道断面平均流速度，m/s；

ζ——局部阻力系数；

ρ——流体的密度，kg/m3；

根据上述流体能量损失原理计算产品流阻，由上式可知能量损失与流体密度成正比，流体密度与流体压力成正比，因此对入口压力为100kPa时500kg/h～2200kg/h流量范围内的流阻大小进行计算。根据仿真结果以及样机地面联试实际流阻测试情况对理论计算结果进行系数修正。流量传感器在选用收缩比为0.65时的最大流阻修正后不超过2kPa，且测量误差完全满足设计要求。

4.3 软件架构

产品软件采用分层、模块化设计方法进行设计。产品软件是嵌入到传感器核心处理器内的实时程序,主要负责对气体流量实时监测与上报。本软件的主要任务是完成系统初始化、温度信号采集及处理、压力信号采集及处理、流量信号解算、ARINC429总线数据通讯、在线升级、管路内压力温度报警/故 障判断、数据存储/读写、自检测、参数配置、看门狗复位监控等各项任务。

5结论

本文针对系统安全性、系统集成性，升级维护简易快捷的要求，展开文丘里氏流量传感器结构设计，其目的是使产品具备绝压/差压/温度信号测试功能、管路流量解算、数字通信等功能，实现信号采集系统外场快速拆装，满足产品安全性、系统集成性、升级维护简易快捷设计要求。

产品具有的优点和积极效果是：

1.提供一种流量传感器结构，可同时测量管路内空气的温度、压力，并转换成流量数字信号进行输出，产品集成化高，安装拆卸方便，各组成部件连接紧固，机械环境耐受能力强。

2.将温度测量模块与压力测量模块进行集成化设计，大大提高了产品内部空间利用率，形成紧凑式布局结构；感温结构即实现了温度测量功能，又集成了引气功能；

3.流量测量模块通过螺钉与文丘里管路安装固定，安装及拆卸操作简单便捷，在后续维护环节中仅需拆卸流量测量模块，无需拆卸文丘里管路，大大减少了产品后续使用维护过程中的工作量；

4.柱塞结构使用橡胶密封圈分别在柱塞轴向及端面与文丘里管进行密封，保证系统的气密性，实现对管路压力的准确测量。

参考文献

1  液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸和设计计算准则，GB/T 3452.3-2005

2  O形密封圈及密封结构的设计要求，HB/Z 4-95

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