CN112268654B - 一种用于气动阀应力测试校准的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于气动阀应力测试校准的方法，属于工业自动化控制技术领域。该方法中，气动阀在启动时，由于本身预紧力的存在使得气动执行机构提供的拉力需抵消掉预紧力才可以启动阀门，所以在气动阀启动之前，所受的拉力变化等于气室提供的拉力变化；气关阀在完全关闭时，为防止内漏，被测阀气室需继续施加拉力压紧阀芯，此时阀芯所受的压力变化等于被测阀气室提供的压力变化；应变片在一定范围内收到拉力时电阻的变换近似线性，因此可以使用两次测得气室压力差值作为矫正的放大倍数。解决了气动阀做载荷性能测试时，应变片直接测试应力与真实受到的应力存在增益误差的问题。

Description

一种用于气动阀应力测试校准的方法

技术领域

本发明属于工业自动化控制技术领域，具体涉及一种用于气动阀应力测试校准的方法。

背景技术

工业过程控制中载荷性能是对控制阀执行机构部分的描述，研究控制阀在渐变信号的作用下，执行机构的执行能力、运动过程中阀杆的受力情况以及力的传递、输入信号与阀杆位移的关系。这些特性与控制在一定的工作条件下能否正常工作起到关键性的作用。

目前载荷性能测试面临一些困难：应变片的粘贴状态，阀杆在运动过程中，与填料之间的摩擦而产生温度变化，和阀杆收到不平衡力发生的弯矩变化都对应力的测量带来困难；阀杆在运动过程中产生的微小型变对于应变片的灵敏度要求很高；控制阀运用在很多不同的领域，阀杆材料有很多种，不同材料的弹性模量、泊松比等参数均影响应力测量；以往使用的测量与调理电路误差很大，精度低。为克服以上难题，本文提出了一种用于气动阀应力测试校准的方法。

发明内容

本发明针对气动阀做载荷性能测试时，应变片直接测试应力与真实受到的应力存在增益误差，设计了一种用于气动阀应力测试校准的方法。

本发明提供如下技术方案：一种用于气动阀应力测试校准的方法，气动阀包括被测阀气室、被测阀阀杆、被测阀阀体、气室膜片托盘及弹簧，所述气室膜片托盘上设置有气室膜片；

其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、将应变片按惠斯通电桥全桥三的方式贴在被测阀阀杆上；

步骤2、在作为外部气源的储气罐上连接减压阀，将减压阀的另一端通过气压表与被测阀气室相连接；

步骤3、任意选取两个气压值，所述两个气压值小于气动阀最低气压；

步骤4、调节减压阀，使其输出的气压值分别为步骤3中选取的两个气压值，分别采集选取的两个气压值下的被测阀气室的气压及阀杆应力；

步骤5、利用步骤4中采集的两个被测阀气室气压与气室膜片的有效面积，通过F1＝P1*S1计算出对应的阀杆所受力，其中，F1为阀杆所受力，P1为被测阀气室气压，S1为气室膜片的有效面积；

步骤6、在给被测阀气室送入两次不同气压的条件下，分别采集步骤1)中应变片与被测阀阀杆组合形成的电桥的输出电压，利用公式计算应力。

步骤7、利用步骤5中计算出的两次被测阀气室的阀杆所受力之间的差值与步骤6中得到的两个应力之间的差值做比值，该比值即为校准系数。

所述的一种用于气动阀应力测试校准的方法，其特征在于所述气动阀为气开式气动调节阀，步骤3中气动阀最低气压为最低启动气压。

所述的一种用于气动阀应力测试校准的方法，其特征在于所述气动阀为气关式气动调节阀，步骤3中气动阀最低气压为最低关闭气压。

所述的一种用于气动阀应力测试校准的方法，其特征在于所述步骤4中，气动阀启动前，所述被测阀气室的气压与阀杆应力相等。

所述的一种用于气动阀应力测试校准的方法，其特征在于所述步骤6中，通过以下公式计算应力：

其中，E为弹性体弹性模量、D为弹性体截面直径、ε为应变量；

其中，ν为泊松比、k为应变率、Vo为输出电压、Vs为激励电压。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明中采用的应变片上的阻值变化，是随着压力变化而变化的，并且在其使用范围内，阻值变化随着压力是呈线性变化的，通过实验直接测得应变力与真实应力，两者之间有偏差，相差一个增益倍数，该增益倍数为被测阀气室气压变化差值与测得应力差值的比值，以此作为最后的校准系数，最后将压力表测得的数据与校准系数相乘，即可得出真实应力；该方法解决了气动阀做载荷性能测试时，应变片直接测试应力与真实受到的应力存在增益误差的问题。

附图说明

图1为本发明的应变连接示意图；

图2为本发明的应变粘贴示意图；

图3为本发明的台架试验装置结构示意图。

图中：1、储气罐；2、减压阀；3、气压表；4、被测阀气室；5、被测阀阀杆；6、被测阀阀体；7、气室膜片托盘；8、弹簧。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

请参阅图1-3，一种用于气动阀应力测试校准的方法，气动阀包括被测阀气室4、被测阀阀杆5、被测阀阀体6、气室膜片托盘7及弹簧8，所述气室膜片托盘7上设置有气室膜片；

所述方法包括以下步骤：

步骤1、将应变片按惠斯通电桥全桥三的方式贴在被测阀阀杆5上；

步骤2、在作为外部气源的储气罐1上连接减压阀2，将减压阀2的另一端通过气压表3与被测阀气室4相连接；

步骤3、任意选取两个气压值，所述两个气压值小于气动阀最低气压，气动阀分为气开式气动调节阀、气关式气动调节阀，气动阀最低气压分别为对应的最低启动气压、最低关闭气压；

步骤4、调节减压阀2，使其输出的气压值分别为步骤3中选取的两个气压值，分别采集选取的两个气压值下的被测阀气室4的气压及阀杆应力；

步骤5、利用步骤4中采集的两个被测阀气室4气压与气室膜片的有效面积，通过F1＝P1*S1计算出对应的阀杆所受力，其中，F1为阀杆所受力，P1为被测阀气室4气压，S1为气室膜片的有效面积；

步骤6、在给被测阀气室4送入两次不同气压的条件下，分别采集步骤1中应变片与被测阀阀杆5组合形成的电桥的输出电压，利用公式计算应力；

计算公式为：

其中，E为弹性体弹性模量、D为弹性体截面直径、ε为应变量。

上述公式依据拉应力τ公式推算而来，拉应力τ公式如下：

ε计算公式如下：

其中，ν为泊松比、k为应变率、Vo为输出电压、Vs为激励电压。

步骤7、利用步骤5中计算出的两次被测阀气室4的阀杆所受力之间的差值与步骤6中得到的两个应力之间的差值做比值，该比值即为校准系数。

由于气动阀的预紧力存在，如气开阀在启动时，被测阀气室4气压需要完全抵消掉阀门预紧力才能带动阀芯运动，在阀芯运动之前，被测阀阀杆5所受的拉应力变化等于被测阀气室4气压提供的拉力变化。

步骤7中利用气压差值与应力差值的比值作为校准系数，在气动阀运动之前，气室气压提供的拉力变化等于阀杆上应力的变化，利用气室提供的拉力差值与采集应力差值做比值，作为矫正系数。

气动阀在启动时，由于本身预紧力的存在使得气动执行机构提供的拉力需抵消掉预紧力才可以启动阀门，该执行机构为将气压信号或者电信号转换为控制阀阀杆直线位移或阀轴角位移的装置，所以在气动阀启动之前，发生所受的拉力变化等于气室提供的拉力变化；气关阀在完全关闭时，为防止内漏，被测阀气室4需继续施加拉力压紧阀芯，此时阀芯所受的压力变化等于被测阀气室4提供的压力变化；应变片在一定范围内收到拉力时电阻的变换近似线性，因此可以使用两次测得气室压力差值作为矫正的放大倍数。

气动阀为气开式气动调节阀时，在气开式气动调节阀启动时，由于阀本身预紧力的存在，其实需要提供足够大的拉力才可以将阀门打开，在阀门启动气压以下，被测阀阀杆5所受力向上的力由阀座对阀芯的向上推力与执行机构对被测阀阀杆5向上的拉力组成，该拉力由被测阀气室4提供的向上的拉力、弹簧8向下的变形弹力、气室膜片托盘7向下的重力三个力合成，此时阀芯没有发生相对运动，弹簧弹力与托盘的重力不发生变化，故被测阀阀杆5所受向上拉力的变化，等于被测阀气室4提供的向上的拉力的变化，拉力与被测阀气室4的气压有关，利用拉力传感器直接测得气室气压，与膜片面积相乘计算出被测阀气室4提供的拉力；在这个过程中没有发生相对位移，所以被测阀阀杆5上的应力变化等于被测阀阀杆5受到的向上的拉力变化；

气动阀为气关式气动调节阀，在气关式气动调节阀完全关闭时，为防止发生内漏现象，继续向其室内内增加气压，保证阀芯牢牢地压紧在阀座上，该为阀座调节阀阀体部分，阀芯起到内部节流作用，与阀杆直接相连，可上下移动，属于阀内件；此时被测阀阀杆5所受向下的压力为执行机构提供的压力，压力由被测阀气室4向下的压力，气室膜片托盘7向下的重力与弹簧8向上的变形弹力三个力合成，阀芯没有发生相对位移，弹簧8弹力不变，被测阀阀杆5所受的压力变化等于气室阀提供的压力变化，其实压力由仪表测得的气压与膜片面积乘积得出，被测阀阀杆5上的应力变化等于被测阀气室4的压力变化。

应变片上的阻止变化，是随着压力变化而变化的，并且在其使用范围内，阻值变化随着压力是呈线性变化的。实验直接测得应变力与真实应力有偏差，相差一个增益倍数，增益倍数由气压变化差值，与测得应力差值的比值，作为最后的校准系数。最后将测得数据与校准系数相乘，得出真实应力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于气动阀应力测试校准的方法，气动阀包括被测阀气室(4)、被测阀阀杆(5)、被测阀阀体(6)、气室膜片托盘(7)及弹簧(8)，所述气室膜片托盘(7)上设置有气室膜片；

其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、将应变片按惠斯通电桥全桥三的方式贴在被测阀阀杆(5)上；

步骤2、在作为外部气源的储气罐(1)上连接减压阀(2)，将减压阀(2)的另一端通过气压表(3)与被测阀气室(4)相连接；

步骤3、任意选取两个气压值，所述两个气压值小于气动阀最低气压；

步骤4、调节减压阀(2)，使其输出的气压值分别为步骤3中选取的两个气压值，分别采集选取的两个气压值下的被测阀气室(4)的气压及阀杆应力；

步骤5、利用步骤4中采集的两个被测阀气室(4)气压与气室膜片的有效面积，通过F1＝P1*S1计算出对应的阀杆所受力，其中，F1为阀杆所受力，P1为被测阀气室(4)气压，S1为气室膜片的有效面积；

步骤6、在给被测阀气室(4)送入两次不同气压的条件下，分别采集步骤1中应变片与被测阀阀杆(5)组合形成的电桥的输出电压，利用公式计算应力；

步骤7、利用步骤5中计算出的两次被测阀气室(4)的阀杆所受力之间的差值与步骤6中得到的两个应力之间的差值做比值，该比值即为校准系数。

2.根据权利要求1所述的一种用于气动阀应力测试校准的方法，其特征在于所述气动阀为气开式气动调节阀，步骤3中气动阀最低气压为最低启动气压。

3.根据权利要求1所述的一种用于气动阀应力测试校准的方法，其特征在于所述气动阀为气关式气动调节阀，步骤3中气动阀最低气压为最低关闭气压。

4.根据权利要求1所述的一种用于气动阀应力测试校准的方法，其特征在于所述步骤4中，气动阀启动前，所述被测阀气室(4)的气压与阀杆应力相等。

5.根据权利要求1所述的一种用于气动阀应力测试校准的方法，其特征在于所述步骤6中，通过以下公式计算应力：

其中，E为弹性体弹性模量、D为弹性体截面直径、ε为应变量；

其中，v为泊松比、k为应变率、Vo为输出电压、Vs为激励电压。

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