一种具有连续位置反馈的压差自适应流量计量装置

本发明涉及一种具有连续位置反馈功能的压差自适应流量计量装置及流量计量方法，属于流量调节领域，具体涉及在变节流面积流量计量装置中集成电位计式连续位置传感、并利用该连续位置信号实现节流面积连续调节、换位软着陆与卡滞在线诊断的装置与方法。本发明尤其适用于航空、舰船及地面燃气轮机燃油控制系统中，对流量计量精度、压力损失与运行可靠性均有较高综合要求的场合。

背景技术：

1、差压式流量计基于节流件前后压差与流量之间的确定关系实现计量，具有原理成熟、实时性好、测量范围宽等优点，在航空发动机、舰船及地面燃气轮机的燃油控制系统中得到广泛应用。为兼顾小流量下的计量分辨率与大流量下的低压力损失，变节流面积流量计量装置被提出并应用：其节流体沿导向轴轴向滑动，通过停靠于节流面积连续变化的节流段，使节流压差在全流量范围内维持于设定区间内。

2、授权公告号为cn111896059b的中国发明专利公开了一种差压式流量计的压差自适应计量段，其包括壳体、纺锤形节流体与弹性装置，利用弹性装置压缩量与节流体所受流体力的平衡关系，使节流压差随流量自适应变化，实现″小流量高压差、大流量低压差″的计量特性。然而，该类装置中节流体的换位依靠流体力与弹性装置的被动平衡实现，既无主动驱动与精确停靠能力，也没有任何获取节流体实际轴向位置的手段：控制器只能依据标定的压差-流量关系开环计量，无法获知节流面积的真实状态，更无法对节流体卡滞、磨损、积炭等故障进行在线识别。

3、为获得节流件的实时位置，授权公告号为cn113775452b的中国发明专利公开了一种发动机燃油分配装置，采用电液伺服阀驱动分配活门，并由外置的直线位移传感器采集活门位置实现闭环控制。该路线需在运动部件上安装传感元件或引出导线，传感器本体及其动线的密封在燃油浸没、强振动、宽温域的计量装置内部可靠性差，附加体积与重量大，失效点增多，且独立传感器与计量流道分离布置，结构不够紧凑。

4、综上所述，现有分段差压式流量计量装置至少存在以下问题：①节流体只能在若干离散节流段之间切换，工作状态为离散点，相邻两段之间缺乏连续的节流面积调节能力，计量分辨率与动态品质受限；②缺乏节流体位置的在线反馈，装置既无法实现位置闭环的精确停靠，也不具备卡滞、磨损、积炭的在线诊断能力；因此，亟需一种在不增设外置位移传感器、运动件无外接引线的前提下，能够实现节流体全行程连续位置反馈，并据此实现节流面积连续可调、换位软着陆与卡滞在线诊断的压差自适应流量计量装置。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有连续位置反馈的压差自适应流量计量装置及流量计量方法，将连续电位计式位移传感与分段压差计量一体化，在不增设外置位移传感器、节流体上无引出动线的前提下，实现全行程连续位置检测、节流面积连续可调、换位软着陆及卡滞在线诊断。

2、本发明的技术方案如下：导电金属壳体、固定设置于所述壳体内的导电金属导向轴、以及套设于所述导向轴上并可沿导向轴轴向滑动以改变节流面积的导电金属节流体；所述节流体的内孔与所述导向轴直接滑动接触，且所述壳体、导向轴与节流体均为相互导电接触的金属件。所述装置还包括连续位置反馈机构，所述连续位置反馈机构包括：用于将环形电阻体与导向轴电气隔离的绝缘环，敷设于所述绝缘环外表面并沿轴向连续延伸的环形电阻体，以及设置于所述节流体上、随其轴向移动而始终与所述环形电阻体外表面滑动接触的电刷触点；所述电刷触点由弹性元件提供指向环形电阻体的径向预紧力；所述环形电阻体的两端引线经所述导向轴的轴向内孔引出至控制器。

3、上述方案中，由于所述壳体、导向轴与节流体均为导电金属且依次直接接触，三者的金属本体自身即构成所述环形电阻体的返回支路，完整测量回路为：控制器→壳体→导向轴→节流体→电刷触点→环形电阻体→两端引线→控制器。所述节流体上除电刷触点外无任何外接引线，控制器仅经所述壳体即可获得节流体的连续位置信号。

4、所述控制器采用分压比方式测量位置：向环形电阻体两端施加基准电压uref，经金属本体返回支路以高输入阻抗采样电路读取电刷触点处分压uout，节流体的相对位置x/l＝uout/uref，该位置测量结果与基准电压幅值无关，并通过s＝f(x)换算出节流面积。

5、进一步地，所述绝缘环将环形电阻体与导向轴电气隔离，使环形电阻体仅经其两端引线与控制器连通、而经电刷触点与金属本体连通，二者互不短路；所述绝缘环的兼作节流体轴向行程的限位面，并限定电刷触点在环形电阻体上的行驶范围，避免电刷越程脱离电阻膜，连续位置反馈机构与限位机构一体化；全部引线均布置于静止件内部。

6、进一步地，所述节流体的内孔与所述导向轴上设有沿轴向排列、通流面积递进变化的节流型面，构成若干离散节流段，相邻节流段之间为连续过渡段；在连续位置反馈下，节流体既可精确停靠于各离散节流段对应的名义位置，又可在相邻两段之间的过渡段内任意位置悬停，使装置在保持低节流损失的同时获得覆盖全行程的连续可调节流面积，兼顾小流量下的计量分辨率与大流量下的低压损。

7、进一步地，所述控制器在节流体换位过程中，以所述连续位置反馈为闭环反馈量进行位置环控制，在接近目标位置时按预设减速曲线降低节流体运动速度，实现软着陆停靠；所述减速通过位置前馈加速度限制实现，着陆速度被控制在设定阈值以下。

8、进一步地，所述控制器同时采集节流段前后的压差δp与电刷触点处分压uout，按s＝f(x)计算几何节流面积，并按孔口流量公式由压差δp与流量q反算等效节流面积，二者实时比对；当偏差超过设定阈值并持续设定时间以上时，判定节流体卡滞、磨损或积炭，并输出告警或执行保护。

9、需要说明的是，现有可变节流面积压差式计量装置的导向轴常采用绝缘材料，而本发明要求导向轴为导电材料，并通过绝缘环将环形电阻体与导向轴电气隔离，这是金属本体能够充当返回支路的结构前提；所述绝缘环仅隔离环形电阻体与导向轴，并不隔断导向轴与节流体之间经内孔滑动接触面形成的导电通路。

10、作为分压比测量的替代方案，亦可直接测量电刷触点至环形电阻体一端之间的电阻值以判断位置，该方式电路更简单，但精度受接触电阻影响，适用于精度要求较低的场合。

11、本发明还提供一种压差自适应流量计量方法，采用上述装置，包括：向环形电阻体两端施加基准电压，经壳体一导向轴一节流体导电本体一环形电阻体一引线构成的返回支路读取电刷触点电位，按分压比得到节流体连续轴向位置，并计算等效节流面积，由标定的面积、压差一流量关系计算流量；根据设定压差区间调节线圈电流，驱动节流体停靠于目标位置区间，使压差始终处于设定压差范围内；换位过程中以所述连续位置反馈为反馈量进行软着陆闭环控制；并将由位置、压差δp与线圈电流i分别反推得到的差压力和电磁力进行比对，以诊断卡滞或磨损。

12、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

13、①运动件无外接引线：复用装置固有的金属本体构成测量返回支路，节流体上除电刷触点外无任何引出导线，避免了从燃油浸没的运动件上拖拽引线的可靠性问题；

14、②全行程连续位置反馈：本发明面向可变节流面积压差式计量装置中节流体的直线行程测量，并将连续位置与节流面积连续调节、δp/q计量诊断整体集成，属于新的应用场景与功能组合；相较于外置位移传感器方案，不增设独立传感器、不引出动线，结构紧凑、耐油可靠；

15、③节流面积连续可调：装置工作状态由n个离散工作点扩展为连续域，计量分辨率与动态品质显著提升，突破了传统压差式计量装置只能在离散工作点间切换的局限；

16、④在线诊断：位置-δp/q双源比对提供卡滞、磨损、积炭的在线诊断能力，支撑视情维护；

17、⑤结构集成度高：绝缘环兼作行程限位，一件多能；上述连续调节、软着陆与在线诊断三项功能由同一连续位置信号驱动，无需分别增设传感器或行程开关，零件数与失效点不增反减；控制器可在一个控制周期内完成位置解算、面积比对与软着陆判决，实时性满足燃油调节系统毫秒级控制节拍，且测量精度不受电源波动、温漂及返回支路接触电阻的影响。