CN111578870B - 一种针栓环缝通道等效通径标注方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了解决了一种针栓环缝通道等效通径标注方法，如下：具有环缝通道的流量调节阀安装于气罐的出口处，环缝通道的有效截面积为A；气罐的容积为V₀，气罐内传动介质气体的压强为P₀；将气罐内的气体通过环缝通道向外界放气，且使针栓环缝通道处的气体流动状态为壅塞状态；在放气过程中，气罐内气体的压强为P，温度为T，气体质量为m，外界压强为P_a，环境温度为T_w，在时间dt秒时间内，放出的气体质量为dm，气罐内气体的压力和温度分别下降了dP和dT；求得d_实＝α·d。采用该标注方法解决了针栓环缝通道不易直接测量的问题。

Description

一种针栓环缝通道等效通径标注方法

技术领域

本发明属于流量调节装置技术领域，尤其涉及一种针栓环缝通道等效通径标注方法。

背景技术

在诸如机械加工、水利灌溉、能源动力以及航空航天等各个领域，流体输送系统应用广泛，流体流量调节和控制是输送系统最重要的功能之一。目前市场中环缝通道众多，均为通过调节节流口通径的方法实现该功能。针栓环缝通道由于流道通畅、压力损失小，调节范围宽等优点，是目前最为广泛的阀门形式之一。然而，针栓环缝通道往往细长狭小，嵌于装置内部，难以直接测量，如何确定其等效通径具有极其重要的意义。

通道孔径主要分为直接测量方法和间接测量方法。直接测量主要是通过精密的尺规等工具进行测量，如游标卡尺、圆锥尺或圆锥规等。游标卡尺一般测量孔内壁面两点间的距离，圆锥尺或圆锥规是直接将其插入孔中进行测量。这些测量方法一般仅仅适用于圆孔、椭圆孔和方形孔的规则形状的孔径测量，对于直径小于1mm的孔往往无法进行测量。此外，游标卡尺测量最为简单的圆孔时，两测量点的连线不一定为直径，存在较大的测量误差。综上所述，直接测量方法并不适应于细长针栓环缝通道等效通径的测量。

间接测量法主要有显微照相法和流体标定法。显微照相法是利用高倍显微镜头在照相机的成像元件上成像，以照片像素为基本单位对各种形状的孔进行测量。该方法一般适用于元件表面孔和裂纹的测量。由于阀门往往细长或者弯曲多变，显微照相法并不适用。流体标定方法是有效的阀门等效通径标定方法。流体介质多以液体为主，通过流量计和压力传感器分别测量液体流量和压力差。该方法至少需要三个高精度传感器，操作复杂。对于部分已安装在容器或设备上的环缝通道，液体介质可能难以填充满流道，甚至进入电子元器件中导致失效，此时该标注方法将无法使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种针栓环缝通道等效通径标注方法，解决了针栓环缝通道不易直接测量的问题。

本发明采用以下技术方案：一种针栓环缝通道等效通径标注方法，该标注方法如下：

具有环缝通道的流量调节阀安装于气罐的出口处，环缝通道的有效截面积为A；气罐的容积为V₀，气罐内传动介质气体的压强为P₀；

将气罐内的气体通过环缝通道向外界放气，且使针栓环缝通道处的气体流动状态为壅塞状态；在放气过程中，气罐内气体的压强为P，温度为T，气体质量为m，外界压强为P_a，环境温度为T_w，在时间dt秒时间内，放出的气体质量为dm，气罐内气体的压力和温度分别下降了dP和dT；

所述气罐(8)内剩余气体满足公式(1)：

在放气过程的任一瞬间，气体的一元定常等熵流动体积流量为：

由公式(1)和(2)，得：

求得气罐(8)内满足音速排气时间t：

得出针栓环缝通道的理论等效通径：

实际的等效通径为：

d_实＝α·d (6)；

其中：k为比热比；

R_g为气体常数；

τ为时间因子，

P’为放气过程中任意时刻的下一时刻，气罐内气体的压强；

T’为放气过程中任意时刻的下一时刻，气罐内气体的温度；

P₁为放气终止时刻气罐内的稳定压强；

α为修正系数。

进一步地，上述修正系数α的确定过程如下：在气罐放气出口安装一标准孔径d_b的孔板，气罐内气体的压强为P，然后放气，经时间t₁，得气罐内终止压强为Py，将所测得的数据代入公式(5)中，得d，将d_b和d代入公式(6)中，得α，α＝d_b/d。

进一步地，该气罐内气体的温度与压力的变化关系为

本发明还公开了一种针栓环缝通道等效通径标注装置，包括，高压气瓶、气罐、环缝通道和测控系统，高压气瓶和气罐管路连接，用于向气罐内通入气体，环缝通道位于气罐的出口管路上；测控系统用于监测气罐内传动介质气体的压强P₀，气体的压强P。

进一步地，在高压气瓶和气罐间的管路上依次连接有手阀、气体减压阀、电磁阀和气体流量调节阀，在环缝通道的后端还连接有球阀；在气罐的出口端的外壁上连接有气罐压强传感器，电磁阀、气体流量调节阀和气罐压强传感器均与测控系统相连接；测控系统用于控制电磁阀和气体流量调节阀的开关，以使高压气瓶和气罐连通或断开；还用于控制球阀的开度或开合，以使针栓环缝通道处的气体流动状态为壅塞状态，或者使针栓环缝通道与外界断开。

本发明的有益效果是：解决了针栓环缝通道不易直接测量的问题，并且对于可调节环缝通道，可以通过控制放气时间来实现罐内气体测量多个不同截面环缝通道的等效通径，提高了测试效率，并且节约了气源。

附图说明

图1为本发明一种针栓环缝通道等效通径标注装置的结构示意图；

图2变截面的针栓环缝通道的结构示意图；

图3为采用本发明中的方法标准得到的针栓环缝通道等效通径图。

其中：1.高压气瓶；2.手阀；3.气体减压阀；4.测控系统；5.气罐压强传感器；6.球阀；7.环缝通道；8.气罐；9.气体流量调节阀；10.电磁阀，11.电机；12.伸缩杆；13.塞体；14外壳体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明实施例公开了一种针栓环缝通道等效通径标注方法，该标注方法如下：

具有环缝通道7的流量调节阀安装于气罐8的出口处，环缝通道7的有效截面积为A；气罐8的容积为V₀，气罐8内传动介质气体的压强为P₀；

将气罐8内的气体通过环缝通道7向外界放气，且使针栓环缝通道7处的气体流动状态为壅塞状态；在放气过程中的任意时刻，气罐8内气体的压强为P，温度为T，气体质量为m，外界压强为P_a，环境温度为T_w，在时间dt秒时间内，放出的气体质量为dm，气罐8内气体的压力和温度分别下降了dP和dT。

上述气罐8内剩余气体绝热膨胀的体积dV即为流出质量dm气体在气罐8内所占有的体积；根据质量守恒、绝热等熵条件和理想气体状态方程得气罐8内剩余气体满足公式(1)：

在放气过程的任一瞬间，气体的一元定常等熵流动体积流量为：

气罐(8)内气体的温度与压力的变化关系为

将其带入公式(2)，得：

对公式(3)两边进行积分，则可得气罐8内满足音速排气时间t：

得出针栓环缝通道理论等效通径：

实际的等效通径为：

d_实＝α·d (6)。

其中：k为比热比；

R_g为气体常数；

τ为时间因子，

P’为放气过程中任意时刻的下一时刻，所述气罐(8)内气体的压强；

T’为放气过程中任意时刻的下一时刻，气罐8内气体的温度；

P₁为放气终止时刻气罐内的稳定压强；

α为修正系数。

上述修正系数α的确定过程如下：在气罐8放气出口安装一标准孔径d_b的孔板，气罐8内气体的压强为P，然后放气，经时间t₁，得气罐8内终止压强为Py，将所测得的数据代入公式5中，得d，将d_b和d代入公式6中，得α，α＝d_b/d。

本发明还公开了一种针栓环缝通道等效通径标注装置，包括，高压气瓶1、气罐8、环缝通道7和测控系统4，高压气瓶1和气罐8管路连接，用于向气罐8内通入气体，环缝通道7位于气罐8的出口管路上；；测控系统4用于监测气罐8内传动介质气体的压强P₀，气体的压强P。在高压气瓶1和气罐8间的管路上依次连接有手阀2、气体减压阀3、电磁阀10和气体流量调节阀9，在环缝通道7的后端还连接有球阀6；在气罐8的出口端的外壁上连接有气罐压强传感器5，电磁阀10、气体流量调节阀9和气罐压强传感器5均与测控系统4相连接。测控系统4用于控制电磁阀10和气体流量调节阀9的开关，以使高压气瓶1和气罐8连通或断开；还用于控制球阀6的开度或开合，以使针栓环缝通道7处的气体流动状态为壅塞状态，或者使针栓环缝通道7与外界断开。

上述测控系统4可选择已有的元件与控制器进行连接得到，也可以采用成熟产品，能实现本发明中的功能即可，并不是本发明中特有的。

上述公式5中的d为理论值，是理论推导而得，由于每次实验外界环境条件也不尽相同，为排除理论与实际的误差，因而在具体实验中需要修正该公式。

具体如下，在没有针栓环缝通道的影响下，在放气出口安装已知孔径的孔板，采用理论推导公式来计算等效直径，通过修正系数α来修正。

求取确定α的具体实施过程如下：

取孔径为3.5mm的孔板进行实验，其中向气罐8内充入气体，初始压强1.03Mpa，放气时间控制为2s，测得气罐8的终止压强为0.66Mpa。将所测数据代入公式(5)可得理论等效通径为3.82mm，将理论通径3.82mm和实际通径3.5mm代入公式(6)有3.82＝α3.5，可得修正系数α为0.916。

然后选择两个已知孔径的孔板来验证修正公式的正确性，本实验所取孔板孔径为：3.3mm、4.3mm，外界温度为300k，具体实验数据如表1：

表1实验数据

由表1中的数据可知，采用本发明中的方法计算的针栓环缝通道的等效通径分别为3.338mm和4.357mm，相对误差分别为1.15％和1.33％，计算得到的值与实际值相对误差在1.5％以内，满足工程需要。

本次实验标注了一个变截面的针栓环缝通道，如图2所示，可采用如下具有环缝通道7的流量调节阀，环缝通道7大小可调。包括一外壳体14，其后端为出口端，前端入口端接在气罐8上；在外壳体14内，且靠近出口端套设一塞体13，外壳体14和塞体13间形成环缝通道7；为了实现能够改变环缝通道的通径，在塞体13的前端通过伸缩杆12连接一电机11，在电机11的作用下，带动塞体13沿气体流向运动，以改变环缝通道7的通经。其具体标注过程为：首先打开手阀2、气体减压阀3、测控系统4，接着由测控系统4控制电机的脉冲去调节针栓环缝通道7的通径。再由测控系统4控制电磁阀10和气体流量调节阀9向气罐8中充入一定气量的气体。然后测控系统4控制球阀6打开t秒后再关闭，并实时记录t秒内压强传感器5的数据。最后将所采集的数据利用上述的修正公式便可计算出该脉冲下针栓环缝通道的等效通径。依次改变针栓环缝通道，可得可调节变截面针栓环缝通道的脉冲数与等效通径的关系。图3为可调节针栓环缝通道脉冲数与等效通径的关系。由图3知，等效通径变化与针栓环缝截面吻合度高，满足工程要求。在工程上，通过改变电机11的脉冲数，进而去调节塞体13前进和或者后退，塞体13前进或后退，就可以改变环缝通道7的面积，进而可以算出来等效通径的变化，即可实现流量就是流量调节的作用。

Claims (3)

1.一种针栓环缝通道等效通径标注方法，其特征在于，该标注方法如下：

具有环缝通道(7)的流量调节阀安装于气罐(8)的出口处，所述环缝通道(7)的有效截面积为A；所述气罐(8)的容积为V₀，所述气罐(8)内传动介质气体的压强为P₀；

将所述气罐(8)内的气体通过所述环缝通道(7)向外界放气，且使所述针栓环缝通道(7)处的气体流动状态为壅塞状态；在放气过程中，测得所述气罐(8)内气体的压强为P，温度为T，气体质量为m，外界压强为P_a，环境温度为T_w，在时间dt秒时间内，放出的气体质量为dm，所述气罐(8)内气体的压力和温度分别下降了dP和dT；放气终止时，所述气罐(8)内的稳定压强为P₁；

得出针栓环缝通道理论等效通径d为：

实际的等效通径d_实为：

d_实＝α·d (6)；

其中：α为修正系数；

t为气罐(8)内满足音速排气时间；

k为比热比；

T’为放气过程中任意时刻的下一时刻，所述气罐(8)内气体的温度。

2.根据权利要求1所述的一种针栓环缝通道等效通径标注方法，其特征在于，所述修正系数α的确定过程如下：在所述气罐(8)放气出口安装一标准孔径d_b的孔板，所述气罐(8)内传动介质气体的压强为P”，然后放气，经时间t₁，得气罐(8)内终止压强为Py，将所测得的数据代入所述公式(5)中，得d，将d_b和d代入公式(6)中，得α，α＝d_b/d。

3.据权利要求1或2所述的一种针栓环缝通道等效通径标注方法，其特征在于，t的求解过程如下：

由于放气后，所述气罐(8)内剩余气体满足公式(1)：

在放气过程的任一瞬间，气体的一元定常等熵流动体积流量为：

由公式(1)和(2)，得：

求得气罐(8)内满足音速排气时间t：

其中：

R_g为气体常数；

τ为时间因子，

P’为放气过程中任意时刻的下一时刻，所述气罐(8)内气体的压强；

T’为放气过程中任意时刻的下一时刻，所述气罐(8)内气体的温度；

所述气罐(8)内气体的温度与压力的变化关系为

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