流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中同向型換向器設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

馬龍博，張寧寧，鄭建英

（浙江省計(jì)量科學(xué)研究院 國(guó)家液體流量計(jì)量器具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心試驗(yàn)室，杭州 310018）

水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中的換向器主要有2種：一是閉式換向器；二是傳統(tǒng)不同向開式換向器。這2種換向器在一定程度上滿足了當(dāng)前儀表檢測(cè)、檢定的需要，但隨著流量計(jì)量技術(shù)的發(fā)展，上述換向器已不能很好地滿足儀表測(cè)量精度越來(lái)越高的要求，在使用中暴露出的問(wèn)題也越來(lái)越多。

而從目前查到的文獻(xiàn)資料來(lái)看，對(duì)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中換向器的研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[1]對(duì)DN25換向器進(jìn)行了最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，并對(duì)新設(shè)計(jì)的換向器進(jìn)行了檢定，取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果；文獻(xiàn)[2]對(duì)基于雙計(jì)時(shí)原理的水表和換向器檢定方法進(jìn)行了研究，結(jié)果表明換向氣動(dòng)電磁閥不對(duì)稱工作特性是換向器系統(tǒng)不確定度的主要來(lái)源；文獻(xiàn)[3]對(duì)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題進(jìn)行了研究，并對(duì)換向器設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題提出了要求；文獻(xiàn)[4]對(duì)液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中用到的開式和閉式換向器的工作原理進(jìn)行了比較，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)；上述文獻(xiàn)中的換向器仍然是傳統(tǒng)的不同向開式換向器，因此存在著傳統(tǒng)不同向開式換向器無(wú)法克服的缺點(diǎn)。

本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上[5～8]，研制了一種既不受計(jì)時(shí)脈沖觸發(fā)位置及換向器噴口流速分布影響，又可以大大縮短檢定時(shí)間的新型換向器，解決了傳統(tǒng)不同向開式換向器 “換入/換出不同向”問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了換向器的“換入/換出同向”，大大減小換向器換向引入的不確定度。

1 不同向開式換向器結(jié)構(gòu)及換向模型

1.1 不同向開式換向器結(jié)構(gòu)

不同向開式換向器的基本構(gòu)成如圖1所示。由圖1可以看出，該型換向器包括換向噴嘴、第一分流器、第一換向流道、第二換向流道、換向器計(jì)時(shí)導(dǎo)桿和光電轉(zhuǎn)換器。其中，第一分流器有相鄰的第一分流漏斗和第二分流漏斗，第一分流漏斗和第二分流漏斗的下端分別對(duì)應(yīng)有第一導(dǎo)引管和第二導(dǎo)引管；此外，第一導(dǎo)引管和第二導(dǎo)引管的下端分別對(duì)應(yīng)地置于第一換向流道和第二換向流道中；換向器計(jì)時(shí)導(dǎo)桿與第一分流器固定連接并與光電轉(zhuǎn)換器相配合產(chǎn)生計(jì)時(shí)控制信號(hào)。由于第一導(dǎo)引管和第二導(dǎo)引管、以及第一換向流道和第二換向流道的形狀酷似“褲衩”，因此具有該種結(jié)構(gòu)的開式換向器被稱為“褲衩”式開式換向器。

圖1 不同向開式換向器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the reverse diverter

1.2 不同向開式換向器換向模型

圖2給出了傳統(tǒng)不同向開式換向器換向流量模型，由圖2可以看出，該型換向器換入/換出過(guò)程可以分為以下幾個(gè)階段：①t0～t1階段，在該階段換向器開始換入，噴嘴噴出的水流由旁通管逐漸流入計(jì)量量器，此時(shí)計(jì)時(shí)器并未計(jì)時(shí)，該過(guò)程流入計(jì)量量器的水的累積量用A表示；②t1～t2階段，在該階段換向器逐漸完全換入，計(jì)時(shí)器開始由t1位置處計(jì)時(shí)，噴嘴噴出水流逐漸完全流入計(jì)量量器，該過(guò)程流入計(jì)量量器的水流累積量用B表示；③t2～t3階段，在該階段由噴嘴噴出的水流完全進(jìn)入計(jì)量量器，計(jì)時(shí)器接續(xù)t1～t2階段繼續(xù)進(jìn)行連續(xù)的計(jì)時(shí)，該過(guò)程流入計(jì)量量器的水流累積量用G表示；④t3～t4階段，在該階段換向器開式換出，噴嘴噴出的水流由計(jì)量量器逐漸流入旁通管，計(jì)時(shí)器接續(xù)t2～t3階段繼續(xù)進(jìn)行連續(xù)的計(jì)時(shí)，該過(guò)程流入計(jì)量量器的水流累積量用E表示；⑤t4～t5階段，在該階段換向器逐漸完全換出，計(jì)時(shí)器在時(shí)刻t4停止計(jì)時(shí)，且噴嘴噴出的水流也逐漸完全流入旁通管，該過(guò)程流入計(jì)量量器的水流累積量用F表示。根據(jù)上述分析可知，在換向器換向的整個(gè)換入/換出過(guò)程中，實(shí)際流入計(jì)量量器的水流累積量為Q=A+B+G+E+F，計(jì)時(shí)時(shí)間段為t1～t4，因此可以得到換向器換向周期內(nèi)的平均流量為q=Q/（t4-t1）。由于換向器噴嘴部分的流速分布不均勻，該流量并不是換向器換向周期內(nèi)管道中的實(shí)際流量，管道中的實(shí)際流量應(yīng)該為q1=（B+C+G+D+E）/（t4-t1）。要使得 q=q1，必須有：A+B+G+E+F=B+C+G+D+E，即A+F=C+D。實(shí)際上，由于換向器噴嘴部分流速分布不均勻，且換向器換入/換出不同向（即換入/換出方向相反），（A+F）并不等于（C+D），所以換向器換入/換出的一個(gè)周期內(nèi)得到的平均流量與實(shí)際流量具有較大誤差，這就是噴嘴流速分布不均勻引起的換向器誤差及不確定度的根本原因，最終將該誤差引入到到對(duì)流量計(jì)檢定的結(jié)果上，也就是流量計(jì)的檢定誤差變大，重復(fù)性變差。

圖2 不同向開式換向器換向流量模型Fig.2 Flow model of the reverse diverter

2 同向型換向器結(jié)構(gòu)原理及換向模型

2.1 同向型開式換向器的結(jié)構(gòu)

圖3給出了同向型開式換向器的結(jié)構(gòu)。由圖3可以看出，該型換向器完全摒棄了圖2所示傳統(tǒng)不同向開式換向器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，采用了一種比圖2所示換向器更為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)如下：①該型換向器主要包括換向噴嘴、分流器、螺母、絲杠、伺服電機(jī)、計(jì)時(shí)擋板、第一光電轉(zhuǎn)換器、第二光電轉(zhuǎn)換器、固定支架；②分流器由相互隔離的第一分流腔、計(jì)量腔和第二分流腔，計(jì)量腔位于第一分流腔和第二分流腔之間；③換向噴嘴置于分流器的上方，且第一分流腔、計(jì)量腔、第二分流腔中的其中一個(gè)的進(jìn)水口與換向噴嘴的出水口相對(duì)；④絲杠的端部與伺服電機(jī)的輸出軸固定聯(lián)接；⑤計(jì)時(shí)擋板與螺母固定聯(lián)接，且2個(gè)光電轉(zhuǎn)換器間隔固定安裝在固定支架上。

圖3 同向型開式換向器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the syntropy diverter

2.2 同向型開式換向器的換向方法

在利用圖3所示的同向型開式換向器對(duì)流量計(jì)進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)時(shí)，分流器的水平移動(dòng)速度由伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制；分流器的水平移動(dòng)方向由伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制。檢定或校準(zhǔn)的開始與結(jié)束信號(hào)分別由第一光電轉(zhuǎn)換器和第二光電轉(zhuǎn)換器來(lái)控制。

由圖3所示的同向型開式換向器可以確定該型換向器的工作過(guò)程如下：

（1）利用伺服電機(jī)控制絲杠運(yùn)動(dòng)，由絲杠和螺母配合拖動(dòng)分流器進(jìn)行水平移動(dòng)直至第一分流腔的進(jìn)水口對(duì)準(zhǔn)換向噴嘴的出水口，使換向噴嘴噴出的水流經(jīng)由第一分流腔流入循環(huán)水池。

（2）利用伺服電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)控制絲杠運(yùn)動(dòng)，由絲杠和螺母配合拖動(dòng)分流器進(jìn)行水平移動(dòng)直至計(jì)量腔的進(jìn)水口對(duì)準(zhǔn)換向噴嘴的出水口，使換向噴嘴噴出的水流流入計(jì)量腔，再由計(jì)量腔底部的出水口進(jìn)入計(jì)量罐；在分流器水平移動(dòng)的同時(shí)，計(jì)時(shí)擋板朝第一光電轉(zhuǎn)換器所在方向運(yùn)動(dòng)，計(jì)時(shí)器在第一光電轉(zhuǎn)換器發(fā)出脈沖信號(hào)時(shí)開始計(jì)時(shí)。

（3）利用伺服電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)控制絲杠運(yùn)動(dòng)，由絲杠和螺母配合拖動(dòng)分流器進(jìn)行水平移動(dòng)直至第二分流腔的進(jìn)水口對(duì)準(zhǔn)換向噴嘴的出水口，使換向噴嘴噴出的水流流入第二分流腔，再流入循環(huán)水池；在分流器水平移動(dòng)的同時(shí)，計(jì)時(shí)擋板朝第二光電轉(zhuǎn)換器所在方向運(yùn)動(dòng)，計(jì)時(shí)器在第二光電轉(zhuǎn)換器發(fā)出脈沖信號(hào)時(shí)停止計(jì)時(shí)，此時(shí)完成一個(gè)換向過(guò)程。

（4）利用伺服電機(jī)控制絲杠運(yùn)動(dòng)，由絲杠和螺母配合拖動(dòng)分流器進(jìn)行水平移動(dòng)直至第二分流腔的進(jìn)水口對(duì)準(zhǔn)換向噴嘴的出水口，使換向噴嘴噴出的水流流入第二分流腔，再流入循環(huán)水池。

（5）利用伺服電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)控制絲杠運(yùn)動(dòng)，由絲杠和螺母配合拖動(dòng)分流器進(jìn)行水平移動(dòng)直至計(jì)量腔的進(jìn)水口對(duì)準(zhǔn)換向噴嘴的出水口，使換向噴嘴噴出的水流流入計(jì)量腔，再由計(jì)量腔底部的出水口進(jìn)入計(jì)量罐；在分流器水平移動(dòng)的同時(shí)，計(jì)時(shí)擋板朝第二光電轉(zhuǎn)換器所在方向運(yùn)動(dòng)，計(jì)時(shí)器在第二光電轉(zhuǎn)換器發(fā)出脈沖信號(hào)時(shí)開始計(jì)時(shí)。

（6）利用伺服電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)控制絲杠運(yùn)動(dòng)，由絲杠和螺母配合拖動(dòng)分流器進(jìn)行水平移動(dòng)直至第一分流腔的進(jìn)水口對(duì)準(zhǔn)換向噴嘴的出水口，使換向噴嘴噴出的水流流入第一分流腔，再流入循環(huán)水池；在分流器水平移動(dòng)的同時(shí)，計(jì)時(shí)擋板朝第一光電轉(zhuǎn)換器所在方向運(yùn)動(dòng)，計(jì)時(shí)器在第一光電轉(zhuǎn)換器發(fā)出脈沖信號(hào)時(shí)停止計(jì)時(shí)，此時(shí)完成另一個(gè)換向過(guò)程。

2.3 同向型開式換向器的換向流量模型

圖4給出了圖3所示同向型開式換向器裝置換向過(guò)程對(duì)應(yīng)的流量模型。由圖4可以看出，由于該流量模型是“換入/換出同向”模型，因此同向型開式換向器換出流量曲線與圖2中所示的不同向開式換向器的換出流量曲線具有本質(zhì)的差別，并且由于圖3所示的同向型開式換向器的換向過(guò)程實(shí)現(xiàn)了 “換入/換出同向”， 所以滿足了A=D，C=F，A+F=C+D，克服了不同向開式換向器難以實(shí)現(xiàn)的A+F=C+D問(wèn)題，因此最終實(shí)現(xiàn)了換向器一個(gè)換向周期的計(jì)時(shí)時(shí)間段內(nèi)平均流量與實(shí)際流量相等，即：q1=（B+C+G+D+E）/（t4-t1）=（A+B+G+E+F）/（t4-t1）=q。 由此看出，同向型開式換向器可以完全克服不同向開式換向器因噴嘴流速分布不均勻引起的換向器誤差及不確定度，不再將誤差引入到到對(duì)流量計(jì)檢定的結(jié)果上。

圖4 同向型開式換向器換向流量模型Fig.4 Flow model of the syntropy diverter

3 同向型開式換向器的試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置及條件

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。由圖5可以看出，該裝置主要由動(dòng)力設(shè)備、水源穩(wěn)壓設(shè)備、前直管段、試驗(yàn)段、后直管段、背壓管段、同向型開式換向器及工作量器八部分組成。試驗(yàn)工質(zhì)為水，試驗(yàn)中水由水泵導(dǎo)入水源穩(wěn)壓裝置，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓裝置穩(wěn)定后經(jīng)過(guò)一個(gè)足夠長(zhǎng)的直管段，然后進(jìn)入試驗(yàn)段，再經(jīng)過(guò)一個(gè)足夠長(zhǎng)的后直管段及背壓管段，最后通過(guò)同向型開式換向器進(jìn)入工作量器。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig.5 Structure of the experiment system

試驗(yàn)條件如下：試驗(yàn)的管路內(nèi)徑D=50 mm，試驗(yàn)中水的密度為998 kg·m-3，試驗(yàn)介質(zhì)溫度為常溫。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用新研制的換入/換出同向換向器并通過(guò)改變檢定試驗(yàn)時(shí)間的方式將換向器對(duì)渦輪流量傳感器計(jì)量性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)采用的渦輪流量傳感器準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)，試驗(yàn)流量為36 m3·h-1，檢定試驗(yàn)時(shí)間分別為 30 s、60 s和 90 s。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

同一流量點(diǎn)下，不同的檢定時(shí)間得到的平均儀表系數(shù)中的最大值Kmax和最小值Kmin之差與Kmax和Kmin之和的比值定義為儀表系數(shù)偏移量：

表1 同向型換向器檢定試驗(yàn)時(shí)間對(duì)渦輪流量傳感器計(jì)量性能的影響Tab.1 Influence of verification time of same direction commutator on metrological performance of turbine flow sensor

根據(jù)式（1）可以得到同一流量點(diǎn)下，不同檢定時(shí)間內(nèi)得到的儀表系數(shù)偏移量為0.039%。

根據(jù)表1和式（1）的計(jì)算結(jié)果可以看出：

（1）在相同的流量點(diǎn)下，檢定試驗(yàn)時(shí)間分別為90 s、60 s和30 s時(shí)得到的渦輪流量傳感器單點(diǎn)儀表系數(shù)的重復(fù)性分別為0.037、0.040和0.039；由此看出，隨著檢定試驗(yàn)時(shí)間的縮短，得到的渦輪流量傳感器儀表系數(shù)的重復(fù)性仍較好，重復(fù)性變化也較小,說(shuō)明采用本文研制的同向型開式換向器對(duì)流量計(jì)進(jìn)行檢定，不僅可以取得較好的流量計(jì)計(jì)量重復(fù)性，而且還可以消除檢定時(shí)間對(duì)流量計(jì)計(jì)量重復(fù)性的影響；

（2）在相同的流量點(diǎn)下，檢定試驗(yàn)時(shí)間分別為90 s、60 s和30 s時(shí)得到的渦輪流量傳感器單點(diǎn)儀表系數(shù)分別為：7.8290、7.8230和7.8245；而得到的儀表系數(shù)偏移量為0.039%。由此看出，隨檢定試驗(yàn)時(shí)間的縮短，得到的相同流量點(diǎn)下的流量計(jì)儀表系數(shù)變化較小，偏移量?jī)H為0.039%，說(shuō)明采用本文研制的同向型開式換向器對(duì)流量計(jì)進(jìn)行檢定，可以較好地消除檢定試驗(yàn)時(shí)間對(duì)流量計(jì)的計(jì)量性能的影響；

（3）根據(jù)前述分析可知，利用本文新研制的同向型開式換向器對(duì)流量計(jì)進(jìn)行檢定時(shí)，檢定時(shí)間對(duì)流量計(jì)的重復(fù)性、儀表系數(shù)的影響均較小，因此將本文新研制的同向型開式換向器應(yīng)用于水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，可以大大縮短檢定時(shí)間，提高水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的檢定效率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)不同向開式換向器結(jié)構(gòu)、原理及存在問(wèn)題分析的基礎(chǔ)上，得出換向器“換入/換出”不同向是引起不同向開式換向器不確定度較大的根本原因。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種既不受計(jì)時(shí)脈沖觸發(fā)位置及換向器噴口流速分布影響，又可以大大縮短檢定時(shí)間新型開式換向器——同向型開式換向器，通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)分流器的水平移動(dòng)，再由換向擋板配合第一和第二光電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生計(jì)時(shí)開始與結(jié)束的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了換向器工作時(shí)“換入/換出”的同向，同時(shí)給出了該型換向器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及換向流量模型，最終實(shí)現(xiàn)了換向器一個(gè)換向周期的計(jì)時(shí)時(shí)間段內(nèi)平均流量與實(shí)際流量相等，可以大大消除因“換入/換出”不同向引入的不確定度。另外，將新研制的同向型開式換向器在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明利用本文新研制的同向型開式換向器對(duì)流量計(jì)進(jìn)行檢定，檢定時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)流量計(jì)的重復(fù)性、儀表系數(shù)的影響均較??；這一試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步證明了本文新研制的同向型開式換向器“換入/換出”同向模型的正確性，并可以大大縮短檢定時(shí)間，提高水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的檢定效率。

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