中文翻译在液压系统中测量压力波传播速度.docx

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中文翻译在液压系统中测量压力波传播速度

毕业设计（论文）外文资料翻译

系别：

机电信息系

专业：

机械设计制造及其自动化

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外文出处:

WorldAcademyofScience,EngineeringandTechnology492009

附件:

1.原文；2.译文

2013年03月

在液压系统中测量压力波传播速度

拉里克拉,Vähäoja佩卡

摘要：

在使用压力电传感器没有消除积液的系统时，液压系统中的压力波速度才能被确定。

这和其他的研究结果比较，它是进行了一个较低的压力范围（0.2-0.6条）的测量。

与单独的测量设备相比这个方法是不准确的测量，但是流体在实际机器整个时间的影响下，如果空气是存在于该系统的，需考虑进入的空气。

通过计算空气的量并且与其进行对比，来进行估计其他的研究。

因此，这种测量设备也可以安装在现有的机器中，可以被编程，以便它实施使用，也可以用于控制阻尼器等。

关键词：

体积弹性模量、压力波、声速。

1.介绍

压力波速度是分析和设计液压系统的一个重要的因素。

它是许多模型动态码液压系统方程的一个参数，也是阻尼器液压系统尺寸的一个重要参数。

在压力波速度的帮助下液压系统的体积弹性模量可以被定义，反之亦然。

在许多研究中对于测量压力波速度都提出了许多不同的方法。

通常这些测量方法被采用于单独的测量设备中，这样就可以远离原来的机器来测量流体。

影响流体的某些因素有：

如空气或水分。

由于原始情况的不同，压力波速的测量结果可能不同。

单独的波速测量仪表往往是这样设计的：

测量流体至少可以删除夹带的空气。

因此，在不考虑带入空气影响的测量结果下，或者只注意到有溶气时，这都并不符合真实的系统。

因为空气是存在于流体中的，特别是在低压力下。

单独的压力波测量设备通常不能传输到机器，所以实时测量波速度是不可能的。

在许多早期的研究中压力波速度与超声波传感器一起测量。

超声波技术可能是基于飞行时间或回波脉冲原则。

这种方法非常准确，甚至可以精度到±0.005m/s[1]，虽然在文献[2]-[4]还提出超声波技术好处的大错误：

如长期稳定性、精度、灵敏度、光不透明、集中能力、电绝缘系统和自动化测量的可能性。

然而，仪表设计和样本研究可能影响该方法的准确性[5]。

另一种来定义压力波速度的方法是在基于测量液体体积弹性模量的使用方法下来确定体积变化样本的压缩或膨胀[6]-[9]。

使用这种技术，可以防止不必要周围系统的样本压力梯度。

有用的压力范围是宽度在（0.1-350MPa）。

夹带空气的量也可以被考虑，缺点是需要先确定在明显大气压力和要求测量密度的样品下，所有使用的特定压力。

因此，该方法不能用于连续的实时测量。

计算体积模量和压力波速度（声速），详细的介绍在第二章

（1）和

（2）。

一些研究人员已经在液压油中使用压力传感器来检测压力波速度。

Harms和Prinke[10]提出了一种基于相位差分的方法。

这种方法的激励应该不变，比如

泵荡漾，因为信号是在计算出这些信号时差的两个点和波形速度的比较值[10]。

Choetal[11]和Yuetal[12]测量波传播时间并计算出了一个压力信号的相关函数，方法是基于使压力测量成为可能，并使在考虑空气的影响下可以进行实时的测量。

另一个压力波速度方法的确定，被Apfel[13]提出。

该方法是一种样本数量极其微小的（4nl-4ul）绝热压缩系数和液体密度的测量技术。

压力波速度可以从这些数据中计算出。

这个方法是适用的，例如过冷或过热样品、生物或危险样品或当体积性质的液体在每一个案例必须确定小样本数量时。

流体研究的是在某个测试设备听觉上一个非混相液体的悬浮。

众所周知，一个参考测量流体的属性是在同一位置测量。

这个结果是相对准确的（由传统方法在一个2%的利润率相比下取相同的值）。

为了计算压力波速度，必须使用不同的设备测量密度。

显然，这种实验方法只适用于在实验室[13]-[14]里进行。

压力波速度（声速）可以用来评估各种液体的重要特征属性。

例如，它已经被用于确定油溶剂[4]的浓度，来计算液压的物理性质和其它润滑液体，以及估计燃油[7]和石油储集层[15]-[17]的流体结构、脂肪油[18]的力学性能、石油分馏[3]的物理性质、确定油水混合物[5]和乳剂[2]的组成或测量液体磁流变（MR）[19]的性能。

最重要的是此研究的目的是开发一个压力波速度三位测量方法，这是使实时测量成为必要所需的，例如，实时液压控制系统的构造。

另一个目标是将亥姆霍兹谐振器附加到该系统，为未来的研究收集数据。

2.理论压力波速度的确定

弹性材料的体积弹性模量B被定义为是压力变化和相对体积变化压力变化的之比，其中P是压力、V是体积[20]。

B=-dp/dv/v

（1）

在本文中认为产生可听见的声音波是相似的压力波。

因此，连续生产和扩张的那个介质作为处理纵向振动分子前后方向移动传播的压力波。

这使那些在条纹中纵向波所产生的密度相似。

正如在很多研究中的那样，本文也提到了，是通过限制一维下的波浪，考虑回避数学难度[21]。

值得注意的是，一个不携带材料的横波，只是波和它的能量在移动。

Choetal[11]提出了散装模量的三个定义，这已广泛应用在许多教科书中。

这些定义只适用于他们自己特定的条件，它介绍了声波和体积弹性模量

（2），使用具有相同的值作为绝热体积弹性模量。

声波的体积弹性模量B来源于声波速度在流体的密度[11]、[20]。

B=ρa2

（2）在本文中ρ是密度，a是波速度（声速）。

方程

（2）可以计算出体积弹性模量或波速度，这就取决于哪一个是已知的因素。

在本文中密度是已知的，波速可以测量，所以体积弹性模量也是可以计算出的。

但随着相同的参数的影响，波速度也受到影响。

而此时考虑的是理论上的体积弹性模量。

有效体积的主要影响因素是流体压力和温度价值模量的液压系统。

他们的效果呈现在图1中。

其他影响有效体积弹性模量值的因素有，例如流体空气的含量，管刚度和接口条件之间的流体空气[12]等。

图1在液压系统中温度和压力波速度之间的作用

示例：

●335.1K，■370.7K，▲402.1K[5]

夹带的空气中部分空气含量溶于一个分子，以小气泡的形式存在。

只有一点点影响到了体积弹性模量[11]，但在一个流体夹带的空气体积是评估一个体积弹性模量最具影响力的变量。

已经证明，夹带空气的百分之一可以降低有效体积弹性模量的1085MPa，它对应减少了75%流体[22]。

应该指出的是，不仅有空气，还有其他气体都影响体积弹性模量和波速度，确定数量的气体比这种气体类型有一个更大的效应。

低处油分子的重量越小，对波速度的影响越大[23]。

流体压力大部分作用于体积弹性模量，尤其是在较低的压力范围。

影响气压体积弹性模量的原因是夹带的空气含量和流体溶解气之间的关系。

当压力增加时一些夹带的空气变为溶解气[12]，也可以在分子水平上进行讨论压力。

如果在研究低压力的流体，此时和其他每个液体分子是容易配合的，大量的自由空间仍然是可用的。

流体压缩的自由空间在较低压力时会降低的很快。

当压力系统高时，自由空间几乎是可以忽略不计的。

流体分子体积进一步下降及其相邻分子之间的相互作用[24]。

如果一个液压系统的压力超过50条，自由的空气只有微量的[9]。

气泡在流体和等效流体的压缩性下，空气密度影响流体温度的大小。

在分子水平上温度增大会引起流体的变化。

发生更多剧烈的碰撞分子，可能最终会改变分子结构，此时减少它们的有效体积是有可能的[24]。

从而温度对体积弹性模量和声波速度有一个重要的影响，特别是在动态的情况下，对这个温度的影响进行了研究[23]。

他们研究包括温度区间-30°C到130°C的影响，温度对声波速度的影响似乎是重要的。

然而流体受温度影响，可以忽略流体温度常数[12]，并且在许多研究中都这样采取。

此外，体积弹性模量的润滑油温度在低压力时几乎可以独立存在[25]。

密度和体积模量的固体部分（如管道），当温度和压力变化时不会随千差万别的密度流体变[10]。

因此，如果假定在一个液压系统中，体积弹性模量可以忽略管道刚度的影响[12]，压力波速度确定，流体的含水率也就扮演了一定的角色；它会稍稍降低压力波速度的值[23]。

流体的粘度也影响了压力波速度[26]，但流体粘度取决于其在第一个地方的分子结构，因此随不同的液体黏性效应对压力波速度有一定的影响。

3.测试设备

测试设备和测量的原理在图2和3中分别描述，测量使用压电传感器在两个点P1和P2进行识别一个压力脉冲。

两点之间的距离P1和P2（变量L在图3）和被用于测试的两个不同的距离是已知的。

短的距离是2.75米，长是4.26米的，总是在1.03米至0.11米。

压力波通过活塞在管道中是兴奋的，这使系统能够激发一个纯粹的压力波。

因为避免了不必要的接口，这样反射和传输的波是最小的。

这个活塞杆轻轻推但能迅速返回。

球面旋塞阀和可调阀被安装在测试设备上，可测量控制流量和压力。

这个属性是进行了在测量两个测量系列时使用。

第一个是恒压下完成，两个阀门关闭没有节流。

第二个是完成了节流，这样（压力）流量控制与可调阀的影响在波速度中是无关紧要的，在文本之后会出现。

测量进行了两天，可以假定温度为常数。

测试设备不包括温度传感器，但测试设备是在同一个实验室进行的，以便使周围的流体温度可以认为是一样的。

使用最低的压力是0.2条和最高的是6.1条，和这些执行的545个测量值之间的限制。

测量结果的实例在图4和5进行分别描述。

测量系统包括一个KyowaPG-20KU压力传感器（参考压力），两个KuliteHKM-375M-7barVG压力传感器（用于在两个点识别一个压力波），KyowaDPM-6H应变放大器（Kyowa压力传感器），一个Thandar30V-2A精度电源（Kulite压力传感器），一个国家仪器的USB-6211输入16（16位250kS/s）DAQ卡，一个惠普笔记本电脑nx9010与微软WindowsXP，DasyLabv.8.00.004测量软件和v.4.1.0.3001Measurement&Automation探险家。

测量频率是25千赫（0.04ms）、位数是1024位的。

图2测试设备

图3测量原理

图4在检波点（上、虚线）和两个（低,虚线）反应的压力波。

因为流量检测，注意区别压力。

图5相同时间检测的差异

体积流量测试设备可以与Hagen-Poiseulle方程（3）[27]被估计，其中d是管直径、η是动态粘度，l是管长度，P1和P2是压力点1和压力点2。

（3）

从零到0.5条（管长度2.75米）或（管长度4.26米）时测量压力会有所不同。

这意味着是最大绝对流量，甚至故意高估了这些在18°C的温度下及其甚至不到1.2升/分钟（0.4m/s）的影响结果。

流体粘度是通过使用特定的重量法（在所需的温度下称重准确体积的流体）布鲁克菲尔德DV-2+旋转粘度来计算密度。

在18°C的温度下流体密度是874千克/立方米和在温度40°C下为864千克/立方米。

动态流体的粘度在相应的温度是121cP和42cP。

流体是一个商业矿物油的液压油。

4.测量的结果

共对545个测量进行了分析。

平均压力的测量是2.9条和平均压力波速（声速）的测量是1377m/s。

所有的测量结果呈现在图6，这表明压力范围在0.2条和6条下波速的重要性。

在图6中流动情况和非流动情况的测量结果是分开的，但作为计算之前识别流体的效果，这个测量的安排是不够准确的。

因此，所有的结果都从此处处理。

图6545个所有的测量结果。

●测量流动■测定非流动

所有的结果在表中显示，测量压力的精度可达到0.1条，计算测量圆面积的压力下的平均波速。

注意压力总是使用传感器的参考压力（见参照图3中）。

因此，在表中压力的第一列（p），测量数量的压力范围在-0.05≤pi≤0.14条。

在第二列（n）和平均波速度的测量压力都在第三列（一个）。

结果在表中，见图7。

表1在不同压力下的压力波速度。

P=压力的系统（条），N=数量的测量，A=确定的压力波速度（米/秒）

图7压力介于0.2和6.1条下计算平均压力的波速

通过压力传感器的放水螺丝测量消除空气的开始系统。

在空气被开始测量从最低合理的压力（0.2条）和压力增大后大约每三个就影响5条。

只对以上的5条进行了测量，因为压力传感器的最大压力是7条。

这就解释了为什么在该地区会有从5条到6条相对更多的测量。

所以，在进行每一个第三次冲击压力直到输出水平降低。

这“斜坡测量”是重复的四次，使用两个不同的测量距离和两个流动和非流动情况。

应该指出的是，可调阀不是绝对紧的，它允许一些压力泄漏的影响。

这意味着在非流动的情况下，这三个压力减少了一点点影响。

哪里的压力是常数就不存在流动的情况。

这就解释了为什么一些压力包括更多的其他测量方法。

尽管测量频率是25kHz，不讨论这么准确的结果。

在压力的结果下讨论了使用精度为0.1条、误差在0.1毫秒（10kHz）。

这意味着测量结果应该比短管更准确，因为速度差受0.1ms影响，如果波速度大约是1377米/秒，约是45米/秒的长管和70m/s的短管。

不再减少管的结果，这是真的，但值得注意的是，管子不能太长，因为脉冲是在流体阻尼和阻尼脉冲不出现大幅变化时的脉冲。

看图4和5，起点的两段脉冲是清晰的。

另一个原因可能是因为减少色散的空气。

当压力上升时，空气的体积百分比降低，相互之间脉冲测量系统的结果更稳定。

5.比较的结果

测量的平均压力波速度是1377米/秒。

因此，在室温是1.65的平均绩点下使用液体来计算体积弹性模量的值。

在使用油时不好的是，我们没有散装模量和波速度的确切值。

然而，它可能的测量结果与其他研究者的结果进行了比较，以此来估计准确性的测量。

在Tatetal的论文中[15]，提出了用方程来计算密度、体积弹性模量和声速。

作为一个函数在室温下的压力（21±1C）。

结果显示为表2，Δ意味着区别两个不同压力的计算结果。

例如，不同的波速度（声速）介于1条和5条之间是0.11%。

在这研究中安排测试，意味着以±0.11%的差异测量波速度出为12m/s。

它是不可能使用的，尽管在图7中波速度它有一个提升的趋势。

表2乙酯的性能[15]

Dzida和Prusakiewicz[17]在他们的论文中提出了实测波速和用生物柴油密度作为温度的压力函数，在表3中体现出，这Δa意味着波速之间的差别计算结果，在两个不同的压力（列）或两个不同温度下（行）、Δρ意味着区别两种不同温度下的密度。

表3生物柴油的性能[17]

这个是体积为1.76平均绩点的生物柴油。

表3是在一个压力5条和一个温度20°C下用来解决波速度的结果。

插入波速度的值5条是1417米/秒，当压力改为5条时，这表明不同的波速度只有2米/秒。

表2和3提出的密度是接近这研究中使用油的密度，所以他们可以使用至少在一个粗略的比较结果。

介绍的示例结果表明，波速应当在1400m/s、体积弹性模量应该接近1.72的平均绩点。

这项研究的结果有一点小差异，原因是不准确的，可能是测量或溶解夹带的空气所影响的。

这里与在分子水平上的液体相比，可能它也发挥了某些差异角色。

然而，由于缺乏时间和所需要的设备，这不能被完全检查。

现在预计测量的值（1377m/s和1.65GPa）是正确的，与其他研究人员结果的区别是由于空气系统内部。

这个数量的空气可以被估计使用（4）[27]。

Bfluid是流体的体积，Vcyl是气缸的体积，Vtot是系统的总量，Bcyl是汽缸的体积弹性模量，Vp是管道体积，Bp是管道的体积弹性模量，Vh是软管、Bh是体积弹性模量的软管，Bair是空气的体积弹性模量。

这里汽缸的体积弹性模量、管和软管的液体体积的液体可以忽略不计。

该系统也预期是绝热的。

所以（5）可以用来估计散装模量的空气[27]。

（5）P是压力。

（6）B是1650MPa（测量结果），Bfluid是1720MPa（测量结果）、Vtot是1.78*104立方米（如果距离L是2.75米的话，主要管从活塞到阀见图3）、Bair是0.406MPa（压力假定为2.9条）。

现在有可能解决的空气体积：

这是主要管的0.001%体积。

显然，这计算只是一个估计，因为准确的油的属性用于这项研究是未知的。

空气的影响在图8中描绘。

图8分析空气含量对计算波速度效果的影响

6.结论

其他研究人员使用不同的方法获得，在测试设备中压力波速度（声速）是成功来衡量发达方法的结果。

例如一个超声技术。

提出的比较值（表2），压力波速度的变化介于0和5条是微不足道的，使用测量技术提出研究它不能被检测到。

然而，即使控制系统继续开发半主动阻尼器的过程，这种精度是足够的，也需要一个准确的传感器以单独的测量误差携入空气的影响来判断下一阶段的压力波。

此外，准确温度控制将有利于未来的研究。

致谢

来自以“动力学和控制直接驱动辊（SMARTROLL）”为题的项目的支持，这是对这项研究开始的可能性极大地承认。

作者也非常感谢KalleVahataini先生在测量方面很有价值的帮助。

参考文献

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