CN112611490A - 一种超精密气体静压节流器能效测量方法 - Google Patents

一种超精密气体静压节流器能效测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超精密气体静压节流器能效测量方法，本发明通过测量并记录流入气体静压节流器的压缩空气的流量、温度、压强；气体静压节流器的工作时间、承载力，在此基础上引入压缩因子、平均摩尔质量、真实气体密度，使测量的压缩空气更接近于其真实状态，大大提高了测量的精度，本发明弥补了超精密气体静压节流器能效测量方法的不足问题，可实现对不同气体静压节流器能效的测量。

Description

一种超精密气体静压节流器能效测量方法
技术领域
本发明涉及节流器能效测量方法领域，具体地说是一种超精密气体静压节流器能效测量方法。
背景技术
在润滑技术领域，气体润滑可以用在比润滑油和润滑脂更高或更低的温度下来润滑轴承，摩擦系数很低，轴承的稳定性很高。采用微米级厚度压缩空气膜来润滑支撑运动部件并具有承载效力的空气静压节流器，由于在高运动定位精度、摩擦小、使用寿命长、低污染等性能方面都实现了相当大的改进，空气静压节流器目前已广泛应用于各个行业。例如纺织业、电子及半导体、计量学及超精密制造工艺。
对于气体静压节流器，以往的测量研究多集中于其承载力特性、气膜刚度特性、气膜压力分布和气膜温度分布等静态特性，缺少对其能耗特性、能效特性的测量研究，不利于气体静压节流器的研究生产、能源的有效利用、节能减排政策的实施。
为解决存在的上述问题，有必要采用新型的超精密气体静压节流器能效测量方法。
发明内容
本发明针对现有技术及处理方法的不足，提供了一种超精密气体静压节流器能效测量方法，解决了气体静压节流器能源利用问题，弥补了气体静压节流器能效测量方法的不足，同时成本较低，效率较高，性价比较高。
为解决上述问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种超精密气体静压节流器能效测量方法，包括以下步骤：
步骤一：安装气体静压节流器并设定气源压强ps、气膜厚度h，测量次数H；
步骤二：在气体静压节流器工作的同时，分别测量流入的压缩空气流量Qi(i＝1,2,…,H)、温度Ti、进气压强pi、气体静压节流器的承载力Fi、工作时间t；
步骤三：分别计算步骤二中流量、温度、进气压强、承载力的平均值，以此平均值作为实际流入气体静压节流器的压缩空气流量Q、温度T、进气压强p、实际气体静压节流器的承载力F，如下：
Figure BDA0002826721010000021
Figure BDA0002826721010000022
Figure BDA0002826721010000023
Figure BDA0002826721010000024
其中：H为气体静压节流器工作过程中测量的流量、温度、进气压强、承载力次数；
步骤四：根据步骤三中的进气压强p、温度T，计算空气的对比参数，如下：
Figure BDA0002826721010000025
Figure BDA0002826721010000026
其中：pc、Tc为气体的临界参数，对于空气，pc＝3.766MPa、Tc＝-140.5℃(132.65K)；pr、Tr为相应实测压强和温度下的对比参数，根据对比参数结合普遍化压缩因子图得到压缩因子Z；
步骤五：根据空气各成分的体积分数αi、摩尔质量Mi计算压缩空气的平均摩尔质量M；根据步骤三中的温度T，进气压强p，步骤四中的压缩因子Z，计算流入气体静压节流器的压缩空气真实摩尔体积Vm(real)，如下：
Figure BDA0002826721010000031
Figure BDA0002826721010000032
其中：U为空气中的组分数；R为气体常数；
步骤六：根据步骤三中的进气压强p，温度T，计算实际流动中流入气体静压节流器的压缩空气密度ρreal，如下：
Figure BDA0002826721010000033
其中pa为标准物理大气压；
步骤七：根据步骤二中的工作时间t，步骤三中的流量Q，步骤五中的平均摩尔质量M，步骤六中的密度ρreal，计算流入气体静压节流器的压缩空气的物质的量n；
步骤八：根据步骤二中的工作时间t，步骤三中的流量Q、温度T、进气压强p，步骤四中的压缩因子Z，步骤五中的平均摩尔质量M，步骤六中的密度ρreal，计算真实流动中流入气体静压节流器的压缩空气真实体积Vreal；
步骤九：根据步骤二中的工作时间t，步骤三中的进气压强p，步骤八中的真实体积Vreal，计算真实流动中流入气体静压节流器的压缩空气的压缩能Ereal，压缩功率Preal；
步骤十：根据步骤一中的气膜厚度h，步骤二中的工作时间t，步骤三中的承载力F，计算工作时间t内的总承载势能EF、承载功率PF；
步骤十一：根据步骤九中的压缩能Ereal，步骤十中的总承载势能EF(或步骤九中的压缩功率Preal，步骤十中的承载功率PF)，计算气体静压节流器的能效η。
进一步地，在所述步骤七中，物质的量n为：
Figure BDA0002826721010000041
进一步地，在所述步骤八中，工作时间t内流入气体静压节流器的压缩空气真实体积Vreal为：
Figure BDA0002826721010000042
进一步地，在所述步骤九中，压缩能Ereal，压缩功率Preal分别为：
Figure BDA0002826721010000043
Figure BDA0002826721010000044
进一步地，在所述步骤十中，总承载势能EF、承载功率PF分别为：
Figure BDA0002826721010000045
Figure BDA0002826721010000046
进一步地，在所述步骤十一中，能效η为：
Figure BDA0002826721010000047
本发明具有以下有益效果：
(1)提供的超精密气体静压节流器能效测量方法弥补了气体静压节流器能效测量的不足。
(2)测量过程自动化，减少人为因素的影响，并为今后实现全自动化以及与生产线无缝连接预留了升级空间。
(3)测量数据电子化，便于存档、统计与质量分析。
(4)通用性强，可通过更换管径、气体静压节流器、进气压强等进行不同条件下的测量，为气体静压节流器的深入研究提供了一定的基础。
(5)所用测量设备价格较低，性价比较高。
(6)所选数字热式流量计、S型力传感器、光纤温度传感器等测量设备性能稳定，精度高。
附图说明
图1是本发明中的能效测量方法流程图。
图2是本发明中具体实施例所使用的装置图。
图3是本发明中记录测量数据及数据处理详细流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图2所示，本发明中具体实施例所使用的装置包括调节装置1、S型力传感器2、电感测微仪3、流量计4、压力传感器5、减压阀6、温度传感器7、气体静压节流器8、工作平台9、计算机10，S型力传感器2的灵敏度为(2.0±0.05)mV/V，非线性小于等于±0.03％FS，滞后小于等于±0.03％FS，重复性小于等于±0.03％FS，量程为(0-150)kg；电感测微仪3的量程为±2000μm，精度为0.2μm，最大分辨率为0.01μm，单向重复误差为0.01μm；流量计4的量程为(0-1.2)slpm，精度为±0.5％FS；压力传感器5的量程为绝压(0-500)kPa，精度为±0.4％；减压阀6的压力设定范围为(0.005-0.9)MPa，功耗低；温度传感器7的量程为(0-50)℃，精度为0.05％FS；上述传感器都可进行实时稳定测量且精度高，本装置只用以说明本发明的具体技术方案。
具体的，超精密气体静压节流器能效测量方法，如图1、图3所示，对于尺寸为(60×30)mm的双U型气体静压节流器(长×宽)，包括以下步骤：
步骤一：安装气体静压节流器8在工作平台9上，设定减压阀6的气源压强ps为0.5MPa，打开减压阀6、流量计4，通气，利用调节装置1使得气体静压节流器8的气膜厚度h为5μm，即使通气前后电感测微仪3的示数差为5μm，设定测量次数H为10次；
步骤二：S型力传感器2、流量计4、压力传感器5、温度传感器7分别同时测量气体静压节流器8的承载力Fi、流入气体静压节流器8的压缩空气流量Qi、气压pi、温度Ti，测量一次花费时间1s，重复测量10次，即i＝1,2,3，…，10，得到工作时间t＝10s；
步骤三：计算步骤二中的温度Ti、气压pi、流量Qi、承载力Fi的平均值，得到如下值：
Figure BDA0002826721010000061
Figure BDA0002826721010000062
Figure BDA0002826721010000063
Figure BDA0002826721010000064
以此作为实际流入气体静压节流器8的压缩空气流量Q、温度T、进气压强p、实际气体静压节流器8的承载力F；
步骤四：根据步骤三中的进气压强p、温度T计算此状态下压缩空气的对比参数pr、Tr，得到如下值：
Figure BDA0002826721010000071
Figure BDA0002826721010000072
根据对比参数pr、Tr并结合普遍化压缩因子图得到压缩因子Z＝0.97；
步骤五：根据空气各成分的体积分数，氮气为78.09％、氧气为20.95％、稀有气体为0.932％、二氧化碳为0.034％，计算空气的平均摩尔质量M，根据步骤三中的温度T，进气压强p，步骤四中的压缩因子Z，计算流入气体静压节流器8的压缩空气的真实摩尔体积Vm(real)，得到如下值：
M＝28.959
Figure BDA0002826721010000073
步骤六：根据步骤三中的进气压强p、温度T，计算实际流动中流入气体静压节流器8的压缩空气密度ρreal，得到如下值：
Figure BDA0002826721010000074
步骤七：根据步骤二中的工作时间t，步骤三中的流量Q，步骤五中的平均摩尔质量M，步骤六中的密度ρreal，计算流入气体静压节流器8的压缩空气的物质的量n，得到如下值：
Figure BDA0002826721010000075
步骤八：根据步骤二中的工作时间t，步骤三中的流量Q、温度T，进气压强p，步骤四中的压缩因子Z，步骤五中的平均摩尔质量M，步骤六中的密度ρreal，计算真实流动中流入气体静压节流器8的压缩空气真实体积Vreal，得到如下值：
Figure BDA0002826721010000081
Vreal＝4.667×10-7(m3)
步骤九：根据步骤二中的工作时间t，步骤三中的温度T、流量Q、进气压强p，步骤四中的压缩因子Z，步骤五中的平均摩尔质量M，步骤六中的密度ρreal，计算真实流动中流入气体静压节流器8的压缩空气的压缩能Ereal，压缩功率Preal，得到如下值：
Figure BDA0002826721010000082
Ereal＝0.373(J)
Figure BDA0002826721010000083
步骤十：根据步骤一中的气膜厚度h，步骤二中的工作时间t，步骤三中的承载力F，计算工作时间t内的总承载势能EF、承载功率PF，得到如下值：
Figure BDA0002826721010000084
Figure BDA0002826721010000085
步骤十一：根据步骤八中的压缩能Ereal，总承载势能EF(或压缩功率Preal，承载功率PF)，计算气体静压节流器8的能效η，得到如下值：
Figure BDA0002826721010000086
数据处理结果显示在计算机10上。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种超精密气体静压节流器能效测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：安装气体静压节流器并设定气源压强ps，气膜厚度h，测量次数H；
步骤二：在气体静压节流器工作的同时，分别测量流入的压缩空气的流量Qi(i＝1,2,…,H)、温度Ti、气压pi、气体静压节流器的承载力Fi、工作时间t；
步骤三：分别计算步骤二中流量、温度、气压、承载力的平均值，以此平均值作为实际流入气体静压节流器的压缩空气流量Q、温度T、进气压强p、实际气体静压节流器的承载力F，如下：
Figure FDA0002826719000000011
Figure FDA0002826719000000012
Figure FDA0002826719000000013
Figure FDA0002826719000000014
其中：H为气体静压节流器工作过程中测量的流量、温度、承载力次数；
步骤四：根据步骤三中的进气压强p、温度T，计算空气的对比参数，如下：
Figure FDA0002826719000000021
Figure FDA0002826719000000022
其中：pc、Tc为气体的临界参数，对于空气，pc＝3.766MPa、Tc＝-140.5℃(132.65K)；pr、Tr为相应实测压强和温度下的对比参数，根据对比参数结合普遍化压缩因子图得到压缩因子Z；
步骤五：根据空气各成分的体积分数αi、摩尔质量Mi计算压缩空气的平均摩尔质量M；根据步骤三中的温度T，进气压强p，步骤四中的压缩因子Z，计算流入气体静压节流器的压缩空气真实摩尔体积Vm(real)，如下：
Figure FDA0002826719000000023
Figure FDA0002826719000000024
其中：U为空气中的组分数；R为气体常数；
步骤六：根据步骤三中的进气压强p，温度T，计算实际流动中流入气体静压节流器的压缩空气密度ρreal，如下：
Figure FDA0002826719000000025
其中pa为标准物理大气压；
步骤七：根据步骤二中的工作时间t，步骤三中的流量Q，步骤五中的平均摩尔质量M，步骤六中的密度ρreal，计算流入气体静压节流器的压缩空气的物质的量n；
步骤八：根据步骤二中的工作时间t，步骤三中的流量Q、温度T，进气压强p，步骤四中的压缩因子Z，步骤五中的平均摩尔质量M，步骤六中的密度ρreal，计算真实流动中流入气体静压节流器的压缩空气真实体积Vreal；
步骤九：根据步骤二中的工作时间t，步骤三中的进气压强p，步骤八中的真实体积Vreal，计算真实流动中流入气体静压节流器的压缩空气的压缩能Ereal，压缩功率Preal；
步骤十：根据步骤一中的气膜厚度h，步骤二中的工作时间t，步骤三中的承载力F，计算工作时间t内的总承载势能EF、承载功率PF；
步骤十一：根据步骤九中的压缩能Ereal，步骤十中的总承载势能EF(或步骤九中的压缩功率Preal，步骤十中的承载功率PF)，计算气体静压节流器的能效η。
2.根据权利要求1所述的一种超精密气体静压节流器能效测量方法，其特征在于，所述步骤七中，物质的量n为：
Figure FDA0002826719000000031
3.根据权利要求1所述的一种超精密气体静压节流器能效测量方法，其特征在于，所述步骤八中，工作时间t内流入气体静压节流器的压缩空气真实体积Vreal为：
Figure FDA0002826719000000032
4.根据权利要求1所述的一种超精密气体静压节流器能效测量方法，其特征在于，所述步骤九中，压缩能Ereal，压缩功率Preal分别为：
Figure FDA0002826719000000041
Figure FDA0002826719000000042
5.根据权利要求1所述的一种超精密气体静压节流器能效测量方法，其特征在于，所述步骤十中，总承载势能EF、承载功率PF分别为：
Figure FDA0002826719000000043
Figure FDA0002826719000000044
6.根据权利要求1所述的一种超精密气体静压节流器能效测量方法，其特征在于，所述步骤十一中，能效η为：
Figure FDA0002826719000000045
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