基于電磁閥的小流量換向器修正方法研究

張永勝，于華偉，張毅治

(航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095)

0 引言

液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置作為流量參數(shù)量值統(tǒng)一與傳遞的標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，能夠?yàn)橐后w流量計(jì)的量值傳遞準(zhǔn)確、統(tǒng)一提供重要保證；液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是對(duì)流量計(jì)進(jìn)行型式評(píng)價(jià)、計(jì)量校準(zhǔn)的評(píng)判準(zhǔn)繩。換向器是靜態(tài)質(zhì)量法或容積法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的重要組成部分，是影響裝置準(zhǔn)確度的關(guān)鍵部件之一。JJG 164-2000《液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程》明確指出[3]，換向器的不確定度、衡器(或工作量器)的不確定度、計(jì)時(shí)器的不確定度是靜態(tài)質(zhì)量法(或容積法)裝置最為主要三項(xiàng)不確定度分量。合理控制換向器引入的不確定度是保證液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置整體性能重要環(huán)節(jié)。

根據(jù)換向器結(jié)構(gòu)形式可分為閉式換向器和開式換向器兩種[4-5]，兩種形式的換向器DN10口徑以上都有較為成熟行業(yè)專用產(chǎn)品可供選擇，但在流量小于500 mL/min的微小流量范圍無(wú)滿意成熟專用產(chǎn)品。電磁閥作為成熟工業(yè)產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于氣動(dòng)、液壓、水壓等系統(tǒng)內(nèi)，用于系統(tǒng)內(nèi)調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥具有很高響應(yīng)速度，響應(yīng)時(shí)間可小于10 ms；二位三通電磁閥和閉式換向器具有相同工作原理[6-7]。研究中采用二位三通電磁閥作為換向器，依據(jù)JJG 164-2000《液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程》中換向時(shí)間檢定方法對(duì)電磁閥換向時(shí)間差進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)，并給出換向時(shí)間差修正方法降低其引入不確定度。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)壓縮空氣排出壓力容器中的工作介質(zhì)，圖1是試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)內(nèi)工作介質(zhì)為純凈水，壓力容器內(nèi)注入工作介質(zhì)，壓縮空氣經(jīng)過(guò)減壓后進(jìn)入壓力容器形成穩(wěn)定的壓力，根據(jù)要求開啟必要閥門形成回路，利用流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量。系統(tǒng)內(nèi)流量計(jì)輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)，利用電子天平對(duì)流經(jīng)流量計(jì)和電磁閥的介質(zhì)進(jìn)行稱量。試驗(yàn)系統(tǒng)管路內(nèi)徑約為Ф4 mm，流量范圍是3～600 mL/min，電子天平最大稱量重量為1600 g，分辨力為0.01 g。

試驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)流動(dòng)方向具有兩種工作狀態(tài)，即工作介質(zhì)由壓力容器1流入壓力容器2(方式一)和由壓力容器2流入壓力容器1(方式二)，根據(jù)工作狀態(tài)確定開關(guān)閥開啟或關(guān)閉。方式一：開啟V1，V4，V6，V7，V9(或V10)，關(guān)閉V2，V3，V8；方式二：開啟V2，V3，V5，V8，V9(或V10)，關(guān)閉V1，V4，V7。

1.2 二位三通電磁閥

研究選用電磁閥是ASCO二位三通電磁閥，電磁閥管徑為1/4吋，內(nèi)部通徑為4.4 mm。圖2和圖3分別是電磁閥實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)圖。電磁閥內(nèi)通孔1與出口1聯(lián)通，通孔2與出口2聯(lián)通。斷電狀態(tài)下，在彈簧作用下密封件2封堵住通孔2，通孔1打開，進(jìn)口與出口1聯(lián)通，斷電狀態(tài)下，試驗(yàn)系統(tǒng)工作介質(zhì)直接進(jìn)入回流容器器內(nèi)；通電狀態(tài)，在電磁線圈驅(qū)動(dòng)下動(dòng)鐵芯，密封件2與通孔2脫離，密封件1封堵住通孔1，使進(jìn)口和出口2接通，通電狀態(tài)下，流體介質(zhì)流入稱量容器，可由電子天平進(jìn)行稱重。

圖2 電磁閥實(shí)物圖

圖3 電磁閥結(jié)構(gòu)圖

1.3 測(cè)試方法

依據(jù)JJG 164-2000《液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程》中“流量計(jì)檢定法”對(duì)電磁閥換向時(shí)間差進(jìn)行測(cè)量。首先對(duì)系統(tǒng)中某支流量計(jì)檢定1次，記錄電子天平示值B11、測(cè)量時(shí)間t11和流量計(jì)脈沖數(shù)N11；在與t11大致相同的時(shí)間內(nèi)造作電磁閥，使電磁閥換向m(m≥10)次，記錄電子天平示值B21、累積測(cè)量時(shí)間t21和流量計(jì)累積脈沖數(shù)N21。完成1次測(cè)量。重復(fù)進(jìn)行n次，研究中n=3，記錄B1i，B2i，t1i，t2i，N1i和N2i，則第i次換向時(shí)間差Δti可通過(guò)式(1)計(jì)算。

(1)

通過(guò)式(2)、式(3)、式(4)計(jì)算換向時(shí)間差平均值Δt，A類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度s和B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u。A類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度s通過(guò)極值法進(jìn)行計(jì)算，研究中取dn=1.69。

(2)

(3)

(4)

2 修正方法研究

2.1 測(cè)試結(jié)果

研究中在4.5～594 mL/min范圍內(nèi)對(duì)電磁閥換向時(shí)間差進(jìn)行了測(cè)量，圖4是電磁閥換向時(shí)間差、A類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度及B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度隨流量變化曲線。電磁閥換向時(shí)間差具有以下變化趨勢(shì)：①在試驗(yàn)流量范圍內(nèi)，換向時(shí)間差為負(fù)值，且隨著流量變小，換向時(shí)間差絕對(duì)值增大；②在大于80 mL/min的范圍，換向時(shí)間差基本小于0.1 s，變化梯度較??；30～80 mL/min為過(guò)渡范圍，變化梯度逐漸增大；在小于30 mL/min范圍內(nèi)，時(shí)間差變化梯度迅速增大，時(shí)間差絕對(duì)值迅速增加；③在大于200 mL/min范圍內(nèi)，A類與B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度權(quán)重接近；在小于200 mL/min范圍內(nèi)，由于換向時(shí)間差變化梯度增大，B類不確定度權(quán)重迅速增加；④A類不確定度變化范圍遠(yuǎn)小于B類不確定度變化變化范圍，兩類不確定度變化范圍分別是0.01%～0.12%和0.02%～0.45%；⑤B類不確定度與時(shí)間差絕度值變化趨勢(shì)一致，在大于200 mL/min范圍，B類不確定度不大于0.06%，在小于200 mL/min范圍內(nèi)，B類不確定度迅速增大，在最小流量點(diǎn)處達(dá)到0.45%。

圖4 換向時(shí)間差和不確定隨流量變化曲線

試驗(yàn)中存在排入稱量容器的管路末端懸垂水滴在電磁閥通電瞬間吸回管路的現(xiàn)象，排入稱量容器的管路是與電磁閥出口2連接。水滴吸入管路后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間δt后，流體介質(zhì)才會(huì)重新流出并進(jìn)入稱量容器。所經(jīng)過(guò)的時(shí)間δt與流量相關(guān)，流量越小時(shí)間δt越長(zhǎng)。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于，通電瞬間動(dòng)鐵芯帶動(dòng)密封件2高速遠(yuǎn)離通孔2，由于流體介質(zhì)的粘性，導(dǎo)致密封件底部通孔2內(nèi)流體微團(tuán)反向流出通孔2，使得通孔2內(nèi)壓力低于出口2連接管末端的大氣壓，進(jìn)而使懸垂的水滴反流回管內(nèi)。動(dòng)鐵芯動(dòng)作完成后，經(jīng)過(guò)時(shí)間δt后，通過(guò)上游流體進(jìn)行補(bǔ)充，重新建立穩(wěn)定流場(chǎng)和壓力后，流體再次從出口2連接管中流出。顯然通孔2內(nèi)流體補(bǔ)充時(shí)間導(dǎo)致?lián)Q向時(shí)間差為負(fù)值，且該時(shí)間隨流量減小而增大。

2.2 修正方法

研究中采用雙指數(shù)衰減函數(shù)對(duì)換向時(shí)間差與流量關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，雙指數(shù)衰減函數(shù)由式(5)表示。表2是擬合曲線系數(shù)。通過(guò)R-square值對(duì)擬合度進(jìn)行評(píng)估，擬合優(yōu)度值約為0.996，擬合結(jié)果非常好。圖5是時(shí)間差與流量關(guān)系擬合曲線圖。

Δt=A1e-q/t1+A2e-q/t2+Δt0 (5)

圖5 換向時(shí)間差和流量擬合函數(shù)曲線

2.3 修正方法驗(yàn)證

通過(guò)雙指數(shù)衰減函數(shù)對(duì)電磁閥換向時(shí)間差進(jìn)行修正，再次利用流量計(jì)檢定方法對(duì)電磁閥流量計(jì)換向時(shí)間差進(jìn)行測(cè)試。圖6是修正后換向時(shí)間差和不確定隨流量變化曲線。試驗(yàn)針對(duì)250 mL/min以下流量范圍展開，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，電磁閥換向時(shí)間差和B類不確定度大幅度降低。最小流量點(diǎn)5.2 mL/min，換向時(shí)間差為0.83 s，B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度是0.11%；除去最小流量點(diǎn)，其他各點(diǎn)B類不確定度最大值是0.074%；修正前后A類不確定度無(wú)明顯變化。

圖6 修正后換向時(shí)間差和不確定隨流量變化曲線

3 結(jié)論

研究中對(duì)電磁閥在小流量液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置作為換向器的性能進(jìn)行試驗(yàn)，并給出了基于雙指數(shù)衰減函數(shù)時(shí)間差修正方法，并對(duì)修正方法進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：當(dāng)不使用修正方法時(shí)根據(jù)流量范圍選擇適當(dāng)口徑和流量系數(shù)的電磁閥，可將換向器引入的不確定度控制在較小的范圍內(nèi)；對(duì)于寬流量范圍標(biāo)準(zhǔn)裝置可通過(guò)多個(gè)電磁閥并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。使用修正方法時(shí)采用合理的修正方法可有效減小電磁閥換向時(shí)間差，并大幅度降低時(shí)間差引入B類不確定度，進(jìn)而擴(kuò)展電磁閥適用的流量范圍。