低压交变负荷装置的探讨

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在某工地的设备安装调试中，急需-台可提供低压交变负荷的简易疲劳试验装置。目前已有的低压交变负荷设备，多采用喷嘴挡板形式。此类设备需要压缩空气站或附带的空气压缩机提供压缩空气，气体需要量大，噪声也很大。同时挡板运动受到机械运动限制，其产生的压力波形较差。

通过市场调研和分析，利用该公司生产弹性元件的优势，对这种低压交变负荷装置提出了-种新的设计思路，并作了-些具体的探索和研究。

1 基本原理根据低压交变负荷装置具体使用要求，其基本功能是设备能够产生符合标准要求的、预定的波形和幅度的交变压力，对接受试验的仪器仪表或者其他装置完成规定的交变负荷试验。要求该装置具有工作安全可靠，压力波形及幅度稳定，维护容易且操收稿 日期：2013-04-O2作者简介：樊华(1971)女，江苏吴江人，工程师，-直从事仪器仪表的销售 、设计安装与调试工作。

作方便等特点。并能提供多种交变压力范围，具有更广泛的适用性。

在较低压力的前提下，理想气体P-V-T为：PVRT (1)式中：Jp是气体的绝对压力， 是气体的摩尔体积，是气体的绝对温度， 是通用气体常数，其数值与P、V、T的单位相对应。

在密闭系统中，-定量的气体，在温度恒定时，符合玻意尔 -马略特定律：P P0Vo (2)式中：P 为 t时刻的绝对压力， 为 t时刻的气体体积， 为初始测定的绝对压力， 为初始测定的气体体积。

式(2)说明，当-定质量的气体温度保持不变时，它的压力与容积的乘积为常数。若改变其容积，将导致其压力的相应变化。下面将 用 与容积的变化量 表示为： Vo ；P 用P。与压力的变化量 P 表示为：P ：P。P ，于是式(2)可以写成：(PoP )×( )PoVo (3)可得：P -P。 (4)2013年第 3期 工业仪表与 自动化装置 ·55·又得： ：- (5)J n 1 -设 /voA为相对容积的变化比，则有：PA- (6)P - Po (7)由此得到压力变化与容积变化的函数关系式。

根据上述讨论可知，对于-定质量的气体，可以通过改变气体容积的方法，得到相应的压力。从而可以通过按-定规律改变容积，得到期望规律的压力变化，比如正弦波形的压力：P PDsinogt (8)由式(4)可知，P 的变化规律可以由 的相应规律来实现。

要得到精确地正弦压力，可由式(9)的容积变化 得到： - -P-Dsin-ogtVo PoPDsin-ogt (9) - -如果设法按照式(9)控制容积变化规律，就能获得如式(8)所示的准确的正弦压力波形。所需不同的压力幅度 P ，可以通过式(7)由不同的/4值，即不同的 、 组合来实现。

根据上述讨论 ，采用封闭气体系统，使封闭的容积按式(9)的规律做周期变化，即通过压缩机构对封闭容积进行强制的压缩或扩张，就能使封闭系统中的气体压力符合正弦规律的变化。对于不同负荷需要的压力幅度，则可以通过调整封闭系统中的或 (也可以同时调整 和 )来实现。

2 参数修正目前国内多数低微压设备及仪表，大都采用膜盒、膜片作为敏感元件。当受到压力时，膜盒、膜片会产生变形，中心部位发生位移。这样，由于敏感部件在-定的压力范围内，发生了对应的位置偏移，从而使得试验设备初始设定的容积发生变化。因此初设的容积需进行-定的修正。

设由此产生的变化为 ，则：VhKP (10)式中：K为与敏感元件特性有关的参数，在-定的量程和精确度范围内，K视为常数。

按前述的原理，在封闭的系统中，改变容积产生压力变化，敏感元件的中心位移产生的容积变化将对 形成消减作用。要想得到理想的 P ，必须通过增加-定量的容积变化量 以补偿消减变形的 带来的容积损失。

综合考虑上述因素， 和P 可以表示为： Vo (1 1)P PoP (12)根据玻意尔 -马略特定律，式(2)则变成：(PoP )(Vo Vh)P0Vo (13)醌 P - P。 (14 可得： - ( 1 ) (15)将式(10)带人式(15)得：- ( (16)同前，令 ： ，，则：- (17)P -P。 (18)这样就得到了压力幅度调整的依据。

要使 P 按正弦规律变化，即P P。sinwt，则需要 -( Vo K)PDsin (19)通过上面的研究可以得到这样的结论：在产生微压的交变负荷装置上，可以通过控制容积按正弦规律变化，来实现压力的精确的正弦波形。

3 实验装置系统方案根据现场的实际应用，要求交变负荷的幅度为控压测量范围的25% ～75%，其压力值为2 500 Pa，依照上面的论述，需要对应-个相应的振幅P 。为了适用范围更广，考虑该装置需要有-个比较大的调整范围。

采用膜盒压力表模拟被测对象，将压力表、压缩管及挠性管等部件连接成-个模拟的密闭系统。假设封闭的系统的体积为 ，挠性软管的可变体积为，再通过电机和机械部件保证其运动的规律。

1)密闭室：主要用来形成封闭的空间，并通过活塞及连杆的运动，对密闭的气体产生压缩和扩张，形成交变压力。它的内部可以充入-定量的液体，用来调整封闭系统的体积为 。在外部可以通过可视窗口及标尺，来观察和调整液体的多少。输出端连接压力表，输入端与挠性软管部件连接。

· 56· 工业仪表与自动化装置 2013年第 3期2)挠性软管部件：-部分包括软管、手控丝杠等，用来预置初始压力及微调容积；另-部分随凸轮机构规律的变化，将压力传递到密闭室。

3)凸轮结构：提供动力，并决定挠性软管的容积变化规律，偏心凸轮匀速转动时，输出正弦运动驱动力，驱动软管按正弦规律运动。

4)原动力：由电机、减速机、皮带轮等组成，可以输出几种不同的匀速转动。

表 1 实验数据实验中，通过初值压力的改变，误差率也会有所改善。由此可以证明，利用设计的装置，可以得到压力的正弦变化。

4 结束语根据上面论述的理论及实验结果可以得到：选择合适的参数及零部件，通过合理的结构设计，利用简单的正弦运动系统实现复杂的数学公式所描述的运动规律是可行的。该装置较喷嘴式交变设备具有更高的精确性，而且安全可靠，易于控制和实现。该文成功地完成了低压交变负荷的简易疲劳装置的设计和试验任务，为某工地设备安装调试的顺利进行做出了应有的贡献，也为低压产品提供了高质量的试验设备。