平衡式活塞气体流量标准装置的结构设计与标准容积的测量（可编辑）

平衡式活塞气体流量 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 装置的结构设计与标准容积的测量（可编辑） 平衡式活塞气体流量标准装置的结构设计与标准容积 的测量 密 级:学校代码:10075 分 类 号:学 号:20101660工学硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 平衡式活塞气体流量标准装置的结 构设计与标准容积的测量 学位申请人: 单海娣 指导教师: 刘辰魁 教授 李金海 教授 学位类别: 工学硕士 学科专业: 测试计量技术及仪器 授予单位: 河北大学 答辩日期: 二?一三年六月Classified Index: CODE:10075 U.D.C: NO:20101660 A Dissertation for the Degree of M. EngineeringThe design of balanced piston gas flow device structure and measurement standard volume Candidate: Shan Haidi Prof. Liu Chenkui Supervisor: Prof. Li Jinhai Academic Degree Applied for: Master of Engineering Specialty: Measurement Technology and Instrumentation University: Hebei University Date of Oral Examination: June, 2013 摘 要 摘 要 多年来,我国在流量测量仪表的科研、生产、检测、校准等方面的工作取得了很大 的发展,关键技术也有了极大的提高,已基本满足我国流量计量方面的需求,气体流量 3 3 计量技术的发展多集中在常压、中小流量范围内(50m /h~6000m /h),在此范围之外的 微小流量和大流量、中压和高压检测能力和技术水平则相对落后。 随着生物工程、半导体制造业、医学化工等行业的迅猛发展,气体小流量以及微小 流量的测量需求日趋增多,如何保证小流量计量的准确对小流量测量进行校准是流量计 [3] 量研究的重要内容 。 我们所研究的平衡式活塞气体流量标准装置是用来校准小流量气体流量测量仪表 的高准确度等级的流量标准装置。可以通过置入单一或混合气体,实现流量计在特定气 体介质下、不同压力下计量性能的检测;实现对微小气体流量的精确测量;可针对医药、 化工、环保、电子、航空、航天等领域的精细气体流量计进行检定、校准;还可利用该 装置对上述行业所需气体流量计、流量控制器进行实验、研究、开发。 本文旨在研究平衡式活塞气体流量标准装置的结构设计和标准容积的测量两部分。 结构设计研究内容主要包括以下几个方面: 1、缸体的设计与加工:为保证缸筒内表面与密封环间密封的可靠性并有效减小摩 擦,对缸体内表面的圆柱度和表面粗糙度有较高的要求,加工时需保证缸体内圆的形位 [11] 公差 。 2、活塞的设计与加工:以活塞移动时使零平衡流量指示器显示为零时的体积作为 气体流量标准,活塞与缸体存在着相对运动,必须有良好的密封结构使得活 塞与缸体之 间无泄漏。因此活塞体表面必需要有极高的加工精度,以保证活塞昀接近标 准的几何形 状以及好的表面粗糙度。 3、密封系统的设计:为了保证密封系统的长期可靠性,密封圈采用合乎要求 的耐 磨以及结构相符合的密封材料制造。 后者研究的内容主要是如何测定出活塞装置的标准容积以及分析给出容积 体积流 量测量的不确定度。 I摘 要 关键词 气体流量标准装置 活塞 密封系统 缸体 活塞杆IIAbstract Abstract With the rise of the semiconductor manufacturing industry, bio-engineering, medical and chemical industries, flow measurement is extended to the low-end, the measurement needs of the small flow gradually highlights. Demand for research of microfluidic as well as tiny flow measurement accuracy has also attracted the attention of a growing number of scientists, gas tiny flow metering became the current fluid metering urgently needed in the field of measurement technologyOur work in such instrument of scientific research, production, testing, calibration has been greatly developed over the years, The most critical level of technological development has also been greatly improved, it can be basically able to meet the demand of most of the gas flow measurement, but the majority of the development of these technologies to stay in the 3 3 range of atmospheric pressure, small and medium-sized flow(50m /h~6000m /h), small flow and large flow outside this range, medium-voltage and high-voltage testing capability and technical level is relatively backward, the independent research and development of the core technology and basic research is blankWith the energy measurement, the people's livelihood metering, food safety is becoming the focus of attention of the society, as well as iron and steel, information, food, medicine, chemical industry, transport, machinery and other industries continue to enhance the technical level, in particular, it is contained in the above-mentioned fields metering demandgrowing, many measurement difficult problems should be solved. In view of the above requirements, the development of a balanced piston gas flow device also came into beingThe piston gas flow standard device successfully developed to carry out a small flow of gas flow meter detection; atmospheric pressure and under different conditions with pressure detection; it can be placed in a single or mixed gas to achieve the flow meter under particular gaseous medium and different pressures measured properties of the test, it is possible to achieve accurate measurement of minute gas flow; it can be expand in testing, calibration for medicine, chemical industry, environmental protection, electronics, aviation, aerospace andIIIAbstract other fields of fine gas flowmeter calibration; it can be also use the device required gas flow meter, flow controller experiment, research, development of these industries This paper aims to study the structure of the the balanced piston gas flow standard device research, design, manufacture, and standard volume measurement in two partsThe former mainly includes the following aspects: 1, the design and machining of the cylinder: in order to ensure the reliability of the seal between the surface of the cylinder bore and seal ring and effective to reduce friction, to the surface of the piston inside the cylinder is not cylindrical and surface finish should have higher requirements, processing when they guarantee a circle shape and position tolerances of the cylinder barrel2, the design and machining of the piston: stuffer the volume of the cylinder when the piston moves as a gas flow standard, piston and cylinder the existence of relative movement, so there must be a good seal structure makes no leakage between the piston and the cylinderTherefore, the surface of the piston body must have a very high machining accuracy, and to ensure the piston standard geometry and surface roughness3, the design of the sealing system: In order to ensure long-term reliability of the seal, the seal with the filtered desirable wear-resistant sealing material manufacturedThe latter study mainly due to the standard volume of the piston and piston only decrease the distance and the piston extension related to the axis of the cross-sectional area, the less geometrical outside influencing factors, and how to accurately measure, select the number of measured section related to the cost of measurement and accuracy guarantee the contradictions, the determination of the measurement program is particularly important Key words Gas flow device Piston Sealing system Cylinder Piston rod IV目 录 目 录 第 1章 绪论. 1 1.1 引言 1 1.2 研究的背景及意义 2 1.3 课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 研究内容2 第 2章 气体流量标准装置. 3 2.1 气体流量标准装置概述. 3 2.2 气体流量标准装置的分类 3 2.2.1 原始标准4 2.2.2 传递标准6 2.3 国内外活塞式气体流量标准装置的发展状况. 7 2.4 本章小结. 9 第 3章 平衡式活塞气体流量标准装置测量原理与数学模型 10 3.1 活塞气体流量标准装置概述 10 3.1.1 活塞气体流量标准装置的特点 10 3.1.2 活塞气体流量标准装置的应用 10 3.2 原理与模型. 10 3.2.1 工作原理 10 3.2.2 数学模型 11 3.3 本章小结12 第 4章 机械结构的设计 13 4.1 机械结构13 4.1.1 机械结构的特点 13 4.1.2 机械结构设计中的考虑因素. 13 4.2 缸体的设计与加工. 14 4.2.1 缸体材料的确定 16 4.2.2 缸体壁厚的确定 17V目 录 4.2.3 缸体的加工要求 18 4.3 活塞的设计与加工. 18 4.3.1 活塞材料的确定 19 4.3.2 活塞尺寸的确定 19 4.3.3 活塞加工所考虑的因素 20 4.4 活塞杆的设计与加工 20 4.4.1 活塞杆的设计. 21 4.4.2 活塞杆材料的选择21 4.4.3 活塞杆的加工所考虑的因素. 21 4.5 密封系统的设计22 4.5.1 密封原理 22 4.5.2 密封元件 22 4.5.3 安装斯特封的方式方法 23 4.6 流量主要技术指标. 24 4.7 本章小结24 第 5章 标准容积的测定 25 5.1 动态容积法. 25 5.2 尺寸测量法. 27 5.2.1 外径千分尺法. 27 5.2.2 激光跟踪仪法. 28 5.3 本章小结28 第 6章 累积体积流量测量的不确定度评定. 29 6.1 累积体积流量流量的数学模型29 6.2 影响累积体积流量测量的影响因素 30 6.3 对各个影响因素的不确定度评定. 30 6.4 本章小结35 第 7章 总结与展望36 参考文献. 37VI目 录 致 谢39 攻读学位期间取得的科研成果. 40 VII第 1 章 绪论 第 1 章 绪论 1.1 引言 随着我国经济的高速发展,日常生产生活贸易交接所使用的各类气体流量仪器仪表 种类和数量越来越多,涉及到此类仪表的科研、生产、检测、校准等方面工作我国这些 年来有了较大的发展,多数关键技术发展水平也有了极大的提高,基本能满足我们气体 3 流量计量的需求,然而这些技术的发展多数停留在常压、中小流量范围(50~6000) m /h, 在此范围之外的小流量和大流量、中压和高压检测能力和技术水平则相对落后。 随着市场需求越来越多,拓宽流量测量范围、提高中压和高压检测能力越来越必要。 平衡式活塞气体流量标准装置是目前世界上较为先进的气体流量装置,准确度高,稳定 性好,能够向下拓展流量检测范围,具有较强的带压检测能力,能够完成带压检测、校 准小流量气体流量仪器和仪表。 河北省计量监督检测院现有的气体流量标准装置:音速喷嘴法气体流量标准装置的 3 流量范围为(1~1600)m /h,不确定度为 0.25%(k2),标准表法气体流量标准装置的 3 流量范围为(80~6400)m /h,不确定度为 0.29%(k2) ,钟罩式气体流量标准装置为 0.5%(k2) ,皂膜流量计、罗茨流量计、玻璃转子流量计等的气体流量标准装置的准确 度等级在 1 级以下甚至更低,由于标准装置的限制,对于一些高精度小流量的检测,比 3 如 1 m /h以下就很难实现。 因此,省院拟研制一台 200L平衡式活塞气体流量标准装置,流量范围为(0.01~100) 3 m /h,昀大实验压力为 400kPa,流量测量不确定度优于 0.1%(k2)。 此活塞式气体流量标准装置的研制可填补我省该类气体流量计量装置的一 项空白, 活塞式气体流量标准装置研制成功后,可开展小流量气体流量仪表在常压及带压不同工 况下的检测工作;可以通过置入单一或混合气体,实现流量计在特定气体介质下、不同 压力下计量性能的检测,能够实现对微小气体流量的精确测量;可针对医药、化工、环 保、电子、航空、航天等领域的精细气体流量计展开检测、校准;还可利用该装置对上 述行业所需气体流量计、流量控制器进行实验、研究、开发。1河北大学工学硕士学位论文 1.2 研究的背景及意义 平衡式活塞气体流量标准装置的开发可填补我国该类计量气体流量装置的一项空 白,检测校准能力完全可以与国家院媲美,使省院在该领域检测能力和精度水平大大地 上了一个台阶,极大地提升了省院在国内该领域检测校准的地位。 1.3 课题研究内容 根据对国内外同类活塞装置现状的了解和分析,并结合现有设备和目前工业生产实 际的需要,把研究的主要内容放在标准容积的确定上,也就是标准体积的确定,标准体 积的确定离不开活塞和缸体的完美配合。所以,对于活塞和缸体的设计和加工就显得尤 为重要。因此,本文对活塞装置的活塞和缸体做了细致的研究。 2第 2 章 气体流量标准装置 第 2 章 气体流量标准装置 2.1 气体流量标准装置概述 为了科学合理地使用气体,需要对气体流量进行精确的计量。气体流量标准装置就 是为检定、校准气体流量计的准确度而建立的标准装置。和长度、质量、电流等常规量 不同,流量是一个导出量,流量计量是一个复杂而又动态的计量过程。气体流量的计量 由于受到气体的热膨胀性以及压缩性等的影响,这就使得在建立气体流量标准装置的时 候需要考虑更多的因素。气体流量标准装置是计量中较为复杂的计量标准装置,它可以 对各种类型的气体流量计进行检定和校准。由于气体流量计量本身的复杂性,测量原理 的不同,流量范围大小不同,工作条件的转换(特别是压力温度的影响),这就导致气 体流量标准装置具有多样性。我们需根据不同的气体流量计的特性来选择气体流量标准 [1][2] 装置进行检定和校准工作 。 2.2 气体流量标准装置的分类 气体流量标准装置可以分成两大类:原始标准和传递标准,目前在国际上已经具有 多种型式的标准装置,如图2-1所示。原始标准包括容积法和质量法两大类的装置,每 一种装置有静态法和动态法。例如容积法中的 PVTt(压力、容积、温度、时间)法属 于静态容积法装置,钟罩式、气体体积管、皂膜式等属于动态容积法装置,其中,钟罩 [2] 式也可用于静态容积法 ;质量法中质量时间(Mt)法属于静态质量法,如图 2-1所示。 图2-1 气体流量标准装置的分类3河北大学工学硕士学位论文 2.2.1 原始标准 (1)钟罩式气体流量标准装置 钟罩式气体流量标准装置是以空气为介质,对气体流量计进行检定的标准设备。它 是一种比较经典的气体流量标准装置,在压力不高、流量不大的情况下,装置使用起来 [1-4] 是比较简单的。因此,在国内气体流量计量领域得到广泛的使用 。 3 目前国内钟罩容积的规格主要有(50~10000)L,昀大流量可以达到45000 m /h, [1-4] 流量测量准确度一般优于0.5级,昀高能够达到0.2级 。 3 3 德国PTB的钟罩,容积为1m,流量范围为1~60m /h,流量测量不确定度为 0.06%k2,见图2-2。 3 3中国计量院的钟罩容积为1m,流量范围为1~60m/h,流量测量的不确定度为 0.1%k2,见图2-3。图2-2 德国PTB的钟罩 图2-3 中国计量院的钟罩 [2] (2)PVTt 气体流量标准装置 PVTt 法是将检定时间间隔为 t 内的被测气体通过导向阀导入一个已知容积为 V 的 定容罐内,当定容罐内的气体处于平衡状态后,测量其温度 T和压力 P,从而复现气体 质量流量的一种标准装置。通常用于检定音速喷嘴,也可检定其他高精度的流量计,流 量测量准确度等级一般优于 0.1级。 其特点为: 1 装置的准确度高,由于装置的标准容器的容积是固定不变的,其质量流量是由 静态测量压力和温度计算出来的,只要选择准确度高的测压和测温仪器,就能保证高精 4第 2 章 气体流量标准装置 度的测量; 2装置内没有如钟罩气体装置内的密封液体,可以避免湿度的影响; 3 装置的气源可以是高压或负压; 3 4 目前国内 PVTt 法气体装置, 昀大流量可达 1300m / h,流量测量的不确定度为 0.15% k 2 。 (3) m.t.法气体流量标准装置 m.t.法气体流量标准装置也称为称量法气体流量标准装置,它是在时间 t 内,用称 重设备直接测量容器中气体质量 m的变化。m.t.法需要得到气体的净质量,为了提高测 量结果的准确度,就必须提高气体密度,所以要增加气体压力来实现,整个过程就是为 [2] 了提高气体净质量在总称量中的比例 。 其特点为: 1 m.t.法气体装置的压力要比 pVTt 法气体装置的压力高。 2 m.t.法的准确度较高,国内典型的 m.t.法气体装置,昀大流量为 8640kg/h,装置 的流量测量不确定度为 0.1%(k2)。 (4)活塞式气体流量标准装置 活塞式气体流量标准装置分为高压和低压装置,目前主要应用在在天然气计量环 节,特别是针对高压天然气计量。 (5)皂膜式气体流量标准装置 皂膜式气体流量标准装置用于微小流量,一般体积流量不超过 12L/min,结构如图 2-4 所示。皂膜 刻线P T P T 气 管源调节 阀 截止 阀 胶球 被校 流量 计图2-4 皂膜装置结构示意图 皂膜气体流量标准装置属于动态容积法装置,皂膜管容积有(10~6000)mL 之间 5河北大学工学硕士学位论文 的多种规格,装置的准确度等级通常为 1~2级,皂膜气体流量标准装置容积大于 1000mL [2] 时,在严格操作的条件下流量测量准确度可达到 0.5级 。 (6)置换法气体流量标准装置,结构如图 2-5所示。 高恒 位 槽 H P T 阀1PT H 调节 阀被校 表水位 计计量 容器 放水 阀 图2-5 置换法气体流量标准装置 恒压的液体水或油以一定的流量流入定容容器内,用液体置换气体以求得流量的 装置。 2.2.2 传递标准 标准表法气体流量标准装置选择标准流量计的原则是准确度高、重复性好、稳定可 靠的流量计,一般以临界流文丘利喷嘴和气体涡轮流量计为主。 (1)音速喷嘴法气体流量标准装置 临界流文丘里喷嘴是个孔径逐渐减小的流道,喷嘴的喉部为孔径昀小的部分,并且 在喉部的后面有孔径逐渐扩大的流道。若喷嘴进口压力不变,减小出口压力,即减小压 力比则流过喷嘴的气体流量将增加,当压力比小到临界压力比时,气体流量达到昀大。 此时,再降低出口压力即出口压力比,流量将保持不变。正是由于临界流文丘利喷嘴的 这个特性,世界上著名的气体流量标准装置普遍采用它作为气体流量传递标准,在国际 [2] 流量装置比对中也常用它作为传递比对组件 。 3 国内以临界流文丘里喷嘴作为标准表的实验室装置昀大流量可以达到 5000m / h, 装置的流量测量的不确定度为 0.15% k 2。 (2)采用气体涡轮流量计为标准的标准表法气体流量标准装置 气体涡轮流量计属于速度式流量计,原理是流体的流量与叶轮的旋转角速度成正 比。测量范围宽、具有准确度高、重复性好以及压力损失小等特点。6第 2 章 气体流量标准装置 根据国内气体流量行业的发展状况来看,气体流量计量已经不是单一参数的计量, 比如天然气就属于多参数、多组份复杂气质的气体,而且现场计量的特点是 管线压力高、 流量计的口径大。因此,单纯采用离线流量装置进行检测、校准,已经满足不了流量量 值传递的要求。采用气体涡轮流量计为标准表,可方便地建立在线气体流量标准装置。 随着天然气流量的不断增加和计量工作的发展,在线计量不仅解决流量计的动态计量问 题,而且该方法还能充分的将流体的物性参数、安装操作条件和环境条件等多种因素的 [2] 影响包括进来 。 2.3 国内外活塞式气体流量标准装置的发展状况 (1)德国 PTB小活塞的流量范围为0.2 ~ 200L/h,玻璃管的直径为 19 mm、 44 mm、 144 mm,玻璃管的长度为 930 mm,玻璃管内径的不确定度为 U 3 μm k2,流量测量 不确定度为 0.25%k2,如图 2-6所示。 (2)瑞士 METAS小活塞的流量范围为6 ~9000 L/h,流量测量不确定度为 0.05 % k2,测量时间为 15s~600s,工作压力为 10hPa,如图 2-7所示。 图2-6 德国PTB小活塞图2-7 瑞士METAS小活塞 3 (3)意大利的气体大活塞的流量范围:(0.3~25)m /h,如图2-8所示。 图2-8 意大利的气体大活塞7河北大学工学硕士学位论文 3 (4)中国计量院的活塞式气体流量标准装置的流量范围为(0.5~150)m /h,体积流 量不确定度为:U0.05%,k2,重复性优于0.01%,缸内工作压力为绝压160kPa,如图 2-9所示。 图2-9 意大利的气体大活塞 (5)德国 Pigsar 的活塞式天然气体积管原级标准的缸体长度为 6 m,实验段长度为 3 m,缸体材料为不锈钢,活塞材料为铝,活塞密封圈材料为 PTFE,缸体直径为 0.2508 3 m,昀大允许压力为 90 bar ,流量范围为(25 ~ 480)m /h,体积流量不确定度为 0.02 % k 2 ,如图 2-10 所示。 图2-10 Pigsar的活塞式天然气体积管原级标准 (6)中航工业北京长城计量测试技术研究所研制的活塞式气体小流量标准装置流 量范围:(0.01~10)L/min,流量测量不确定度 0.2%k2,如图 2-11。 图2-11 活塞式气体小流量标准装置8第 2 章 气体流量标准装置 (7)浙江省计量科学研究院建立的活塞式气体流量标准装置,昀大工作压力可达 3 0.4MPa,昀大测量流量为 100m /h,流量测量不确定度为 0.05%k2,如图 2-12 所示。 图2-12 浙江省计量科学研究院活塞式气体流量标准装置 (8)苏州嘉华测绘仪器有限公司的主动式活塞式气体流量标准装置的型号和各项技术 指标见表 2-1所示。 表2-1 型号和各项技术指标 3 型号 气缸有效容积(L) 流量范围(m/h) 工作压力 准确度等级 FPP-100 100 0.01~10 (0~10)kPa 0.05级(k2) FPP-200 200 0.6~20 (0~10)kPa 0.05级(k2) FPP-500 500 1~50 (0~10)kPa 0.05级(k2) 但是这些装置的流量范围较小,工作压力较小。和国外同类装置相比,经中国测试 技术研究院标定,在0.95的置信概率下,流量测量不确定度为0.03%。 2.4 本章小结 本章阐述了气体流量标准装置的种类,各装置的流量测量范围和准确度,以及现阶 段国内外活塞式气体流量标准装置的发展现状。 9河北大学工学硕士学位论文 第 3 章 平衡式活塞气体流量标准装置测量原理与数学模型 3.1 活塞气体流量标准装置概述 活塞式气体流量标准装置具有稳定可靠、测量准确度高等优点,而且比较容易实现 自动检测,因此受到流量行业相关人员的极大关注。但由于活塞式气体流量标准装置加 工配合准确度要求高,整个装置为机电结合,结构加工较复杂等原因,因此目前国内研 究、使用活塞式气体流量标准装置的不是很多,尤其是对可用于小喉径临界流流量计检 [19] 定的活塞装置研究者更少 。 3.1.1 活塞气体流量标准装置的特点 一、结构采用平衡设计原理,可预调瞬时流量,动态跟踪压力,此外该装置产生流 量的原理是恒流,然后依靠流体本身的特性来达到恒压,因此流量点的调节易于控制。 二、可以通过置入单一或混合气体,实现流量计在特定气体介质下、不同压力下计 量性能的检测。 3 三、能够实现对微小气体流量的精确测量,可测流量范围为(0.01~100)m /h 四、具有较高的实验压力,活塞式气体流量标准装置的内压力昀高可达 400kPa,满 足高压损流量计量,流量测量不确定度小于 0.1%(k2) 。 五、该装置在流量量传体系中将起到重要作用,特别是在装置间的比对等方面具有 优势。 3.1.2 活塞气体流量标准装置的应用 可针对医药、化工、环保、电子、航空、航天等领域的精细气体流量计展开检测、 校准;还可利用该装置对上述行业所需气体流量计、流量控制器进行实验、研究、开发。 3.2 原理与模型 3.2.1 工作原理 如图 3-1所示,装置工作之前,打开流量控制器,使气体进入到装置内,基本流向 是上气缸,下气缸和被检流量计,进入上气缸的气体很快处于压力平衡,此后进入的气 体全部进入下气缸,昀后经由被检流量计排出,待流量稳定后,设此时的流量为 q (由 m 10第 3 章 平衡式活塞气体流量标准装置测量原理与数学模型 流量计读出),此时点击检定系统就开始校验,步进电机将会以某一速度 v 驱动丝杠组 件旋转,丝杠旋转就带动丝帽驱使活塞向下平移 运动,设这时产生的流量为q ,当活塞向下运动 s 时,就“挤”出下气缸的气体,q 就代替了原来 s 的q 。与此同时,因为活塞运动离开上气缸“留” m 出的空间,就被源源不断的q 填充。若q 等于 m s q ,则零流量指示器显示为零。若q 不等于q , m s m 信号就会反馈到计算机系统,系统就根据传过来 的信号,即时调整步进电机的转速,直到零流量 指示器指示流量为零。计算机记录下来步进电机 步长和速率,根据温度、压力和时间,按一定的 [19] 数学模型计算出标准流量 。 图 3-1 装置工作原理图 3.2.2 数学模型 活塞下降排出累积体积流量值 h2 Q V ×h s ? Ah h1 式中:V ?活塞装置的累积体积; s ?缸体有效横截面积,是一个延活塞轴线分布的 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 ,视机械加工工 Ah 2 艺水平,可作为常数,也可以作为函数处理,m ; h?活塞有效下降高度,m。 活塞移动产生的工况流量的工况温度、工况压力由放置在缸体的温度传感器 和压力 传感器测得的平均值来表征,用以计算活塞排出的其他状态体积流量。活塞 排出气体的体积流量换算到标准状态下的体积流量计算公式为: V V P ?T P ?T N s s N N s 11河北大学工学硕士学位论文 式中:P 、P ?分别为缸体内和标准状态下的绝对压力,P 101.325 Kpa; s N NT 、T ?分别为缸体内和标准状态热力学温度,T 293.15K。 s N N 通过被检流量计的气体累积流量值即为活塞排出的气体体积,可分为工况累 计流量 和标况累计流量,标况累计流量计算公式如下。即: V V P ?TP ?T m s s m m s 式中:P ?被检流量计处绝对压力,Pa; m T ?被检流量计处热力学温度,K。 m 通过流量计的气体瞬时体积流量为 3 q V t 034564V ?T / t ?P (m /s) m m N m m 式中:t?试验时间,s V ?标准状态下气体体积值,L N 3.3 本章小结 本章阐述了活塞式气体流量标准装置的特点、应用范围和领域,阐述了平衡 式活塞 气体流量标准装置的的工作原理和数学模型。12第 4 章 机械结构的设计 第 4 章 机械结构的设计 4.1 机械结构 活塞式气体流量标准装置的核心部分为活塞和缸体。正是活塞和缸体组成了 装置的 密封的空间,才能为流量计量提供准确的体积。工作时活塞在缸体内沿着轴 向移动,在 密封的前提下,装置的标准累积流量是由活塞的有效横截面积与活塞移动距 离的乘积给 出的。因此,装置的设计主要以保证活塞与缸体间的密封、活塞的几何形状公差、尺寸 [11] 公差指标为中心,并结合国内机加工条件下的性价比等因素进行综合考虑 。装置的机械结构主要由缸体、活塞、行程测量系统、丝杠系统、密封系统、进出气 管路和阀门等组成。本文主要涉及的是活塞、缸体、活塞杆以及密封系统的设计。 4.1.1 机械结构的特点 (1)具有准确的标准容积值:根据体积的计算公式可知,标准容积与活塞延轴线 截面积及活塞有效下降高度有关,几何量以外的相关影响因素较少,但是如何精确测量, 测量方案的确定显得尤为重要;(2)具有较好的重复性:从装置的原理上可知,其重复性仅与活塞面积的变化、 光栅测量的重复性及密封圈的变形等因素有关,而这些影响因素均很小; (3)流量比较稳定:装置的流量值是由活塞移动的速度与其横截面积的乘积得到 的,活塞是由伺服电机带动,由于伺服电机的转动速度易于调整和控制,能够容易地使 流量达到并稳定在设定的流量点上; (4)检测能力较高:它具有带压检测的能力,能够实现对微小流量仪表的带压检 [1] [3] [11] 测和校准,测量准确度等级较高 。 4.1.2 机械结构设计中的考虑因素 在设计中主要考虑下述四点: 1 按装置总不确定度的要求,确定缸体、活塞和活塞杆的加工准确度要求。 2 活塞、缸体、活塞杆、导轨、电机轴等之间的配合准确度要求。 3 装置的设计要充分考虑到便于装配和调整。 4 活塞运动过程中密封系统的设计。13河北大学工学硕士学位论文 (5)光栅尺应与活塞杆平行安装,利用光栅尺测量活塞移动的距离,同时将活塞的 位置反馈给控制系统,即可控制活塞运动速度、时间和位置。 (6)装置的工作过程是由活塞在缸体内沿轴向匀速运动完成的。在这个过程中需要 活塞运行平稳,也就是活塞在缸体中运行时,必须保证活塞应于缸体轴线始终保持垂直, 不应该有扭曲和晃动的现象发生,因为活塞在缸体中的晃动不但会引起运行的不平稳, [11] 严重的时候还会发生卡死的现象 。 要想实现标准体积值的准确,就得保证缸体、活塞以及活塞杆的加工精度, 昀重要 的就是各个部件的完美配合。 4.2 缸体的设计与加工 3 3 根据需要, 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 装置的容积为 200L,昀小流量为 0.009m /h,昀大流量为 100 m /h, 从活塞直径为 100mm 至 1000mm 之间进行数据分析,如下表 4-1 所示,由 设计流量进 行缸内总体积计算,考虑缸体直径-高度比,将缸体的内径尺寸暂定为: Ф 655mm,缸体 总长度为 1.8m,如下图 4-1所示。 图4-1 缸体14第 4 章 机械结构的设计 表4-1 数据分析 活塞直径 活塞杆直 有效容积 有效长度 昀小流量 昀大流量 活塞移动时 间s 活塞移动速度(mm/s 缸体总 (mm) 径(mm) (L) (mm) (m3/h (m3/h 长度(m) 昀大 昀小 昀大 昀小 100 10 200 25735.06 0.009 100 7.2 80000 3574.31 0.322 76.4 150 15 200 11437.80 0.009 100 7.2 80000 1588.58 0.143 34.0 200 20 200 6433.76 0.009 100 7.2 80000 893.58 0.080 19.1 250 25 200 4117.61 0.009 100 7.2 80000 571.89 0.051 12.2 300 30 200 2859.45 0.009 100 7.2 80000 397.15 0.036 8.5 350 35 200 2100.82 0.009 100 7.2 80000 291.78 0.026 6.2 400 40 200 1608.44 0.009 100 7.2 80000 4.8 223.39 0.020 450 45 200 1270.87 0.009 100 7.2 80000 176.51 0.016 3.8 500 50 200 1029.40 0.009 100 7.2 80000 142.97 0.013 3.1 550 55 200 850.75 0.009 100 7.2 80000 118.16 0.011 2.5 600 60 200 714.86 0.009 100 7.2 80000 99.29 0.009 2.1 650 65 200 609.11 0.009 100 7.2 80000 84.60 0.008 1.8 700 70 200 525.21 0.009 100 7.2 80000 72.95 0.007 1.6 750 75 200 457.51 0.009 100 7.2 80000 63.54 0.006 1.4 800 80 200 402.11 0.009 100 7.2 80000 55.85 0.005 1.2 850 85 200 356.19 0.009 100 7.2 80000 49.47 0.004 1.1 900 90 200 317.72 0.009 100 7.2 80000 44.13 0.004 0.9 950 95 200 285.15 0.009 100 7.2 80000 39.60 0.004 0.8 1000 100 200 257.35 0.009 100 7.2 80000 35.74 0.003 0.8 表中: 2 有效容积 ×1000 有效长度 2 2 1 1π ×活塞直径π ×活塞杆直径2 2活塞移动的时间:15河北大学工学 硕士学位论文 有效容积 有效容积 昀长 × 3600昀短 × 3600 1000 ×昀小流量 1000 ×昀大流量 活塞移动的速度: 有效长度 有效长度 昀大 × 3600 昀小 × 3600 昀短时间 昀长时间 有效长度 × 3 缸体总长度 1000 4.2.1 缸体材料的确定 缸体材料暂定为不锈钢。缸体用钢,应具有耐压、焊接性能好等优点。 不锈钢可分为: 铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢 和马氏 体不锈钢。它们的特性如下: 铁素体不锈钢: 它的可焊性和耐腐蚀性会随着含铬量的增加而相应地提高,耐氯化物的应力 腐蚀性 能要优于其他种类的不锈钢。 奥氏体不锈钢: 其综合性能好,可耐多种介质的腐蚀,有较好的综合工艺性能和力学性能。 奥氏体-铁素体双相不锈钢: 兼具奥氏体和铁素体不锈钢的优点,而且具有超塑性。 马氏体不锈钢: 马氏体不锈钢可以通过用热处理的手段调整其性能,其强度、硬度都比较高。但是 塑性和可焊性比较差。 在不锈钢中,奥氏体不锈钢昀为重要,其生产量和使用量都占不锈钢总产量和实用 量的 70%左右。因此缸体绝大多数场合都采用奥氏体钢,根据以上的各种不锈钢的分析, [16-17] 在本设计中,也采用奥氏体不锈钢 。 查资料可知,奥氏体不锈钢化学组成有 Cr-Ni 和 Cr-Mn 两个系列,根据使用环境 的不同添加 Mo、N、Cu、Si、Ti、Nb 等元素,形成许多种钢号。本装置适合采用的不 [16-17] 锈钢,应根据其特性而定 。 (1)0Cr18Ni9不锈钢16第 4 章 机械结构的设计 0Cr18Ni9具有良好的耐热性、耐腐蚀性、低温强度和机械性能,热加工性好、可焊 性良好等特点,被广泛应用在家庭用品、橱柜、室内管线、热水器、锅炉、浴缸、汽车 配件、医疗器具、建材、化学、食品工业、农业、船舶部件。 (2)1Cr17Ni7不锈钢 其延展性较好,多用于成型产品的生产中。也可通过机械加工使其迅速硬化,焊接 性好,主要用于铁道车辆、传送带、螺栓、螺母。 (3) 0Cr18Ni10Ti 不锈钢 其主要应用在航空器、排气管、锅炉汽包等方面。但是 0Cr18Ni10Ti 不锈钢适合在 430?~900?温度的条件下使用。 (4) 0Cr17Ni12Mo2不锈钢0Cr17Ni12Mo2不锈钢在海水和其他各种介质中,耐腐蚀性比 0Cr19Ni9好,主要用 作耐点蚀材料。(5)410不锈钢马氏体(高强度铬钢) 耐磨性好,抗腐蚀性较差,强度高机械加工性优秀,经过热处理后发生硬化,有磁 性,不适合恶劣的腐蚀环境。这但是这种钢有磁性,不适合作为装置缸体的材料。 综合比较以上的材料和查阅其他的资料手册,昀终选定 0Cr18Ni9 不锈钢作为缸体 的材料。这种不锈钢使用范围广,而且性价比较高,其耐压性,硬度和可焊接性都比较 好。 4.2.2 缸体壁厚的确定 考虑到缸体承压的安全性能,以及在承压状态下缸体变形对密封性能的影响,缸体 的壁厚应能满足在正常工作条件下对缸体强度和刚性的要求。 pd δ 2[] σ 式中 P??装置内的昀高工作压力MPa;d ??缸体内径mm; [] σ ??不锈钢的许用应力。 σ b 对与不锈钢:[] σ , σ 为不锈钢的抗拉强度,可由材料手册查出;n为安全系 b n 17河北大学工学硕士学位论文 数,当 p?7MPa 时,取 n8;当 7MPap?17.5MPa 时,取 n6;当 p 17.5MPa时取n4。 本装置选用 0Cr18Ni9不锈钢,而且已知 p1.6MPa,所以取 n8,查手册可得 σ ? 520 b MPa