本发明属于气动技术领域，涉及一种高压气动伺服阀质量流量特性测定装置和测定方法。
背景技术：
气动技术因其工作介质为压缩空气，具有低成本、能源清洁无污染、易操作等优点，其被广泛应用于现代工业的各个领域。相比于低压气动技术，高压气动技术有利于元件结构的小型化及执行机构高速化，因此，其成为当前国内外流体传动与控制领域的研究热点之一。
由于高压气动伺服控制技术可应用于国防工业高新技术领域，国外因保密与技术封锁原因鲜有报道。高压气动伺服阀是高压气动伺服系统的核心部件，其质量流量特性是伺服系统设计、分析、控制的基础，成为高压气动伺服系统研究与技术发展的瓶颈。
目前，已有一些气动元件流量特性测量方法。国际标准iso/dp6358提出用音速流导和临界压力比表示气动元件的流通能力，但该草案制定的实验方法对实验装置和测试仪器的精度要求较苛刻，测试成本高，耗气量太大，从节能及成本角度来说是不利的。
此外，日本学者提出了等温容腔排气法，一定程度上消除温度对元件流量特性及充放气特性的影响，但测试成本较高、难度较大，对实验装置和测试仪器的要求苛刻，且由于其等温性能的评价不便实现，实际测试过程中容器内气体变化难以等效为理想等温过程。
因此，亟需开发一种适用于高压气动伺服阀且成本低效率高的质量流量特性测定方法及测试装置。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高压气动伺服阀质量流量特性测定装置及方法，其消除了对高压气体质量流量计的依赖，测试装置结构简单、测量成本低，相应其测试方法准确度高、效率高、并且环保节能。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高压气动伺服阀质量流量特性测定装置，该装置基于阀口串联桥路音速排气原理，设计内部气路通道，通过改变气路方向，测量高压气动伺服阀的有效截面积与临界压力比，实现高压气动伺服阀质量流量特性高效、精确测量。该装置具体包括高压气源，分水滤气器，减压阀，气源压力表，油雾器，电磁开关阀，定容积容腔，容腔压力传感器,容腔温度传感器,电磁开关阀,位移传感器，驱动装置，控制器，a/d模块以及计算机。所述高压气源、分水滤气器，减压阀、气源压力表、油雾器、第一电磁开关阀依次串联后再与定容积容腔第一端口串联，容腔压力传感器和容腔温度传感器分别与定容积容腔连接，以用于测量定容积容腔的压力和温度，定容积容腔第二端口连通第二电磁开关阀，第二电磁开关阀同时还连接被测高压气动伺服阀的不同通气口，高压气动伺服阀具有五个通气口，五个通气口分别为e1口、a口、p口、b口、e2口。高压气动伺服阀的阀芯一端设置有位移传感器，用于测量阀芯的位移，高压气动伺服阀的阀芯另一端设置有驱动装置，用于驱动阀芯移动进而改变阀口开度，控制器连接驱动装置，以用于控制驱动装置按照设定的要求或者指令驱动阀芯，a/d模块同时连接位移传感器和计算机，控制器同时连接驱动装置和计算机。通过控制器控制驱动装置改变高压气动伺服阀的阀口开度，位移传感器和a/d模块获得高压气动伺服阀的阀芯位移，由计算机采集相应数据。
按照本发明的第二个方面，还提供一种高压气动伺服阀质量流量特性测定方法，本发明的高压气动伺服阀质量流量特性测定方法中，所述高压气动伺服阀为直驱式三位五通伺服阀，具有四个工作边，利用四边滑阀阀口匹配关系与桥路原理，设计内部气路通道，将伺服阀两个串联阀口可等效为通流截面积相等的串联节流口，充分利用流过两串联阀口的气体质量守恒原理，基于阀口串联桥路音速排气原理，改变气路方向，通过压力传感器和温度传感器分别测量定容积容腔内气体压力变化情况和稳态温度，获得壅塞流态下高压气动伺服阀的有效截面积与临界压力比，根据国际标准iso6358关于质量流量曲线椭圆假设，即可精确描述高压气动伺服阀质量流量特性，由此消除了对高压气体质量流量计的依赖，实现对高压气动伺服阀质量流量特性高效、精确测量。
具体的，执行高压气动伺服阀质量流量特性测定方法时，首先，测量所述高压气动伺服阀每个阀口的有效截面积s值，然后分别串联阀口测量临界压力比。
当阀芯左移时，p口与定容积容腔连接，a口直通大气，测量并计算得出伺服阀阀口r3的有效截面积；当阀芯右移时，e1口与定容积容腔连接，a口直通大气，测量并计算得出伺服阀阀口r4的有效截面积。由于a口与b口是相同的，因此测量阀口r3和r4即可得到阀口r1和r2的有效截面积。
阀芯左移时，先将e2口与定容积容腔连接，b口与p口连接，a口直通大气，可测量并计算得出阀口r1和r3串联时的有效截面积和阀口r3临界压力比；改变气路方向，阀口r1与r3交换方向，将p口与定容积容腔连接，a口与e口连接，b口直通大气，可测量并计算得出阀口r3和r1串联时的有效截面积和阀口r1临界压力比。
阀芯右移时，e1口与定容积容腔连接，a口与e口连接，b口直接通大气，可测量并计算得出阀口r4和r2串联时的有效截面积和阀口r2临界压力比；改变气路方向，阀口r2与r4交换方向，p口与定容积容腔连接，b口与p口连接，a口直接通大气，可测量并计算得出阀口r4和r2串联时的有效截面积和阀口r4临界压力比。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明基于串联桥路音速排气原理与四边滑阀阀口匹配关系，通过改变气路方向建立两个有效截面积相同的节流口，通过测量壅塞流态下高压气动伺服阀的有效截面积和临界压力比，间接测量流量值，实现对高压气动伺服阀质量流量特性高效、精确测量。该测量方法与装置结构简单、测量成本低、效率高、节能且测量精确。本发明方法和装置适用于高压气动伺服技术。
附图说明
图1是本发明的直驱式三位五通高压气动伺服阀质量流量特性测量装置的结构原理图；
图2是本发明方法中测量单独阀口有效截面积系统等效桥路原理示意图；如图2(a)所示，其为当阀芯左移时原理示意图；如图2(b)所示，其为当阀芯右移时原理示意图；
图3是本发明方法中阀口r1和r3串联音速排气测量系统等效桥路原理示意图；
图4是本发明方法中阀口r2和r4串联音速排气测量系统等效桥路原理示意图；
其中，相同的附图标记自始至终表示相同的零部件或者结构，具体为：
1、高压气源，2、分水滤气器，3、减压阀、4、气源压力表、5、油雾器，6、第一电磁开关阀，7、定容积容腔，8、容腔压力传感器,9、容腔温度传感器,10、第二电磁开关阀,11、高压气动伺服阀，12、位移传感器，13、驱动装置，14、控制器，15、a/d模块，16、计算机。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开了一种高压气动伺服阀质量流量特性测定方法及装置。电气方法原理是：基于阀口串联桥路音速排气原理与四边滑阀阀口匹配关系，设计内部气路通道，将伺服阀的两个串联阀口等效为通流截面积相等的串联节流口。通过改变气路方向实现两串联阀口气体流通顺序的变化，充分利用流过两串联阀口气体质量守恒原理，采用定容积停止排气法，通过压力传感器和温度传感器分别测量定容积容腔内气体压力变化和稳态温度，经理论推导计算获得高压气动伺服阀的有效通流截面积与临界压力比，从而精确描述高压气动伺服阀质量流量特性。
为了论证本发明方法和装置在原理上的正确性，下面阐述如下：
直驱式三位五通高压气动伺服阀具有四个工作边，将伺服阀阀口等效为可变节流口，根据国际标准iso6358关于将质量流量方程形式等效为椭圆方程的假设，流经每个阀口的气体质量流量可由式(1)、(2)表示：
式中，ae-伺服阀矩形阀口有效通流面积，ae＝4cdbxv，(cd为伺服阀流量系数，b为阀套矩形窗口宽度，xv为阀芯位移)；
qmmax-最大气体质量流量；
qm-气体质量流量；
p1-阀口上游压力；
p2-阀口下游压力；
σ-阀口压力比，σ＝p2/p1；
k-绝热常数，k＝1.4；
r-完全气体常数，r＝287j/kg·k；
t1-上游气体温度；
σcr-临界压力比；
由式(1)、(2)可知，采用壅塞流态下的有效截面积ae和临界压力比σcr两个特征参数可以完整表达高压气动伺服阀的质量流量特性。
基于音速排气法，通过压力传感器和温度传感器分别测量定容积容腔内气体压力变化和稳态温度，综合考虑绝热排气过程与等容过程热力学方程、气体动力学方程，可由式(3)得出每个阀口的有效截面积s：
其中，v-定容积容腔的容积；
t-放气时间；
t0-定容积容腔内稳态温度；
p10-定容积容腔初始压力；
p∞-放气后定容积容腔压力稳定值。
充分利用四边滑阀阀口匹配特性，基于阀口串联桥路音速排气原理与四边滑阀阀口匹配关系，设计内部气路通道，将伺服阀的两个串联阀口等效为通流截面积相等的串联节流口，测量系统等效桥路原理如图3所示。阀口r1与r3交换顺序前，当伺服阀阀芯向左移动时，伺服阀e口与定容积容腔连接，b口与p口连接，a口直接通大气。
阀口r1与r3顺序交换后，改变气路方向，p口与定容积容腔连接，a口与e口连接，b口直接通大气。
由此可获得壅塞流态下高压气动伺服阀阀口的临界压力比，所得阀口r3临界压力比σ1cr可由式(4)表示：
其中，s12-阀口1和阀口2串联后等效截面积；
s1-阀口1等效通流面积；
s2-阀口2等效通流面积；
所得阀口r1临界压力比可由式(5)表示：
其中，s21-阀口2和阀口1串联后等效截面积；
从而能间接获得流量值，由此减小了对流量计的依赖，实现对高压气动伺服阀质量流量特性高效、精确测量。
图1是本发明的直驱式三位五通高压气动伺服阀质量流量特性测量装置的结构原理图，由图可知，高压气动伺服阀质量流量特性测定装置如图1所示，包括高压气源，分水滤气器，减压阀，气源压力表，油雾器，定容积容腔，容腔压力传感器，容腔温度传感器，电磁开关阀，位移传感器，驱动装置，控制器以及a/d模块以及计算机。所述高压气源1、分水滤气器2，减压阀3、气源压力表4、油雾器5、第一电磁开关阀6依次串联后再与定容积容腔7第一端口串联，容腔压力传感器8和容腔温度传感器9分别用于测量定容积容腔7的压力和温度，定容积容腔7第二端口连通第二电磁开关阀10，第二电磁开关阀10同时还连接被测高压气动伺服阀11的不同通气口(高压气动伺服阀11具有五个通气口，五个通气口分别为e1、a、p、b、e2)，通过控制器14控制驱动装置13改变高压气动伺服阀11的阀口开度(具体为，通过调节或者改变阀芯的位移，从而调节阀口开度)，位移传感器12和a/d模块15获得高压气动伺服阀的阀芯位移，由计算机16采集数据。
图2是本发明方法中测量单独阀口有效截面积系统等效桥路原理示意图，如图2(a)所示，当阀芯左移时，p口与定容积容腔7连接，a口直通大气，测量并计算得出伺服阀阀口r3(具体为气体由p口流至a口形成的节流口)的有效截面积s1；如图2(b)所示，当阀芯右移时，e1口与定容积容腔7连接，a口直通大气，测量并计算得出伺服阀阀口r4(具体为气体由e1口流至a口形成的节流口)的有效截面积s2。由于a口与b口是相同的，因此测量阀口r3和r4即可得到阀口r1和r2的有效截面积。其中，r1为气体由e2口流至b口形成的节流口，r2为气体由p口流至b口形成的节流口，r3为气体由p口流至a口形成的节流口，r4为气体由e1口流至a口形成的节流口。
图3是本发明方法中阀口r1和r3串联音速排气测量系统等效桥路原理示意图，如图3所示，阀芯左移时，先将e2口与定容积容腔连7接，b口与p口连接，a口直通大气，可测量并计算得出阀口r1(具体为气体由e2口流至b口形成的节流口)和r3(具体为气体由p口流至a口形成的节流口)串联时的有效截面积s12和阀口r3临界压力比；改变气路方向，阀口r1与r3交换方向，将p口与定容积容腔7连接，a口与e口连接，b口直通大气，可测量并计算得出阀口r3和r1串联时的有效截面积s21和阀口r1临界压力比。
图4是本发明方法中阀口r2和r4串联音速排气测量系统等效桥路原理示意图，如图4所示，阀芯右移时，e1口与定容积容腔7连接，a口与e口连接，b口直接通大气，可测量并计算得出阀口r4(具体为气体由e1口流至a口形成的节流口)和r2(具体为气体由p口流至b口形成的节流口)串联时的有效截面积s12和阀口r2临界压力比；改变气路方向，阀口r2与r4交换方向，p口与定容积容腔7连接，b口与p口连接，a口直接通大气，可测量并计算得出阀口r4和r2串联时的有效截面积s21和阀口r4临界压力比。
忽略气流与管壁的摩擦换热，且容腔排气时间尽可能短，保证与外界环境无热交换，即实现等熵音速排气。两个阀口串联，通流面积一致或相差较小，保证高压气体在第一个阀口流道内是亚音速，而在第二个阀口流道内为音速，即临界截面在第二个阀口处。通过测量壅塞流态下高压气动伺服阀的有效截面积和临界压力比，从而测得高压气动伺服阀质量流量特性。
应用本发明装置进行高压气动伺服阀质量流量特性测定的方法如下：
首先，将被测高压气动伺服阀阀口连接到本测试装置上，运行数据采集工作，启动高压气源，调定容腔内气体初始压力为pl0，记录压力稳定后容腔内气体温度值；
将高压气动伺服阀开启至设定开度，打开放气开关阀，通过信号发生器准确控制放气时间，当容腔内气体经被测阀口排气2s后关闭放气开关阀，停止放气(经大量实验得出：2s内放气过程中容腔内气体与外界热交换可以忽略，认为是绝热排气过程，大于2s后以绝热处理会有误差，且随放气时间延长误差增大)；
停止放气后容腔内气体状态变化满足等容定律，经大量实验证明，每次停止放气后容腔内气体与外界环境充分换热时间至少为2分钟，最终压力达到稳定值p1∝；
测试完毕后然后由式(3)、(4)、(5)即可计算得各被测阀口的s值和σcr值，
最后通过式(1)、(2)得到高压气动伺服阀的质量流量特性。
本发明方法消除了对高压气体质量流量计的依赖，测试方法与装置具有结构简单、测量成本低、准确度高、效率高及节能等特点。
本领域的技术人员容易理解，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。