馬龍博，張寧寧，鄭建英

（浙江省計量科學研究院 國家液體流量計量器具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心試驗室，杭州 310018）

水流量標準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前儀表檢測、檢定的需要，但隨著流量計量技術的發(fā)展，上述換向器已不能很好地滿足儀表測量精度越來越高的要求，在使用中暴露出的問題也越來越多。

而從目前查到的文獻資料來看，對水流量標準裝置中換向器的研究相對較少。文獻[1]對DN25換向器進行了最佳結構設計研究，給出了詳細的設計指標，并對新設計的換向器進行了檢定，取得了較好的試驗結果；文獻[2]對基于雙計時原理的水表和換向器檢定方法進行了研究，結果表明換向氣動電磁閥不對稱工作特性是換向器系統(tǒng)不確定度的主要來源；文獻[3]對水流量標準裝置設計中的若干問題進行了研究，并對換向器設計中應注意的問題提出了要求；文獻[4]對液體流量標準裝置中用到的開式和閉式換向器的工作原理進行了比較，分析了各自的優(yōu)缺點；上述文獻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法克服的缺點。

本文在總結前人研究的基礎上[5～8]，研制了一種既不受計時脈沖觸發(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”問題，實現(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構及換向模型

1.1 不同向開式換向器結構

不同向開式換向器的基本構成如圖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、換向器計時導桿和光電轉換器。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應有第一導引管和第二導引管；此外，第一導引管和第二導引管的下端分別對應地置于第一換向流道和第二換向流道中；換向器計時導桿與第一分流器固定連接并與光電轉換器相配合產(chǎn)生計時控制信號。由于第一導引管和第二導引管、以及第一換向流道和第二換向流道的形狀酷似“褲衩”，因此具有該種結構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構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/換出過程可以分為以下幾個階段：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量量器，此時計時器并未計時，該過程流入計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，計時器開始由t1位置處計時，噴嘴噴出水流逐漸完全流入計量量器，該過程流入計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入計量量器，計時器接續(xù)t1～t2階段繼續(xù)進行連續(xù)的計時，該過程流入計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量量器逐漸流入旁通管，計時器接續(xù)t2～t3階段繼續(xù)進行連續(xù)的計時，該過程流入計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，計時器在時刻t4停止計時，且噴嘴噴出的水流也逐漸完全流入旁通管，該過程流入計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換入/換出過程中，實際流入計量量器的水流累積量為Q=A+B+G+E+F，計時時間段為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)管道中的實際流量，管道中的實際流量應該為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/換出的一個周期內(nèi)得到的平均流量與實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流量計檢定的結果上，也就是流量計的檢定誤差變大，重復性變差。

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 同向型換向器結構原理及換向模型

2.1 同向型開式換向器的結構

圖3給出了同向型開式換向器的結構。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計結構，采用了一種比圖2所示換向器更為簡單的結構，其主要特點如下：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、計時擋板、第一光電轉換器、第二光電轉換器、固定支架；②分流器由相互隔離的第一分流腔、計量腔和第二分流腔，計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、計量腔、第二分流腔中的其中一個的進水口與換向噴嘴的出水口相對；④絲杠的端部與伺服電機的輸出軸固定聯(lián)接；⑤計時擋板與螺母固定聯(lián)接，且2個光電轉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構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流量計進行檢定或校準時，分流器的水平移動速度由伺服電機的轉動速度控制；分流器的水平移動方向由伺服電機的轉動方向控制。檢定或校準的開始與結束信號分別由第一光電轉換器和第二光電轉換器來控制。

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程如下：

（1）利用伺服電機控制絲杠運動，由絲杠和螺母配合拖動分流器進行水平移動直至第一分流腔的進水口對準換向噴嘴的出水口，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）利用伺服電機正向旋轉控制絲杠運動，由絲杠和螺母配合拖動分流器進行水平移動直至計量腔的進水口對準換向噴嘴的出水口，使換向噴嘴噴出的水流流入計量腔，再由計量腔底部的出水口進入計量罐；在分流器水平移動的同時，計時擋板朝第一光電轉換器所在方向運動，計時器在第一光電轉換器發(fā)出脈沖信號時開始計時。

（3）利用伺服電機正向旋轉控制絲杠運動，由絲杠和螺母配合拖動分流器進行水平移動直至第二分流腔的進水口對準換向噴嘴的出水口，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；在分流器水平移動的同時，計時擋板朝第二光電轉換器所在方向運動，計時器在第二光電轉換器發(fā)出脈沖信號時停止計時，此時完成一個換向過程。

（4）利用伺服電機控制絲杠運動，由絲杠和螺母配合拖動分流器進行水平移動直至第二分流腔的進水口對準換向噴嘴的出水口，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）利用伺服電機反向旋轉控制絲杠運動，由絲杠和螺母配合拖動分流器進行水平移動直至計量腔的進水口對準換向噴嘴的出水口，使換向噴嘴噴出的水流流入計量腔，再由計量腔底部的出水口進入計量罐；在分流器水平移動的同時，計時擋板朝第二光電轉換器所在方向運動，計時器在第二光電轉換器發(fā)出脈沖信號時開始計時。

（6）利用伺服電機反向旋轉控制絲杠運動，由絲杠和螺母配合拖動分流器進行水平移動直至第一分流腔的進水口對準換向噴嘴的出水口，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；在分流器水平移動的同時，計時擋板朝第一光電轉換器所在方向運動，計時器在第一光電轉換器發(fā)出脈沖信號時停止計時，此時完成另一個換向過程。

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程對應的流量模型。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程實現(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現(xiàn)的A+F=C+D問題，因此最終實現(xiàn)了換向器一個換向周期的計時時間段內(nèi)平均流量與實際流量相等，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流量計檢定的結果上。

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

3.1 試驗裝置及條件

試驗系統(tǒng)如圖5所示。由圖5可以看出，該裝置主要由動力設備、水源穩(wěn)壓設備、前直管段、試驗段、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。試驗工質(zhì)為水，試驗中水由水泵導入水源穩(wěn)壓裝置，經(jīng)過穩(wěn)壓裝置穩(wěn)定后經(jīng)過一個足夠長的直管段，然后進入試驗段，再經(jīng)過一個足夠長的后直管段及背壓管段，最后通過同向型開式換向器進入工作量器。

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

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

3.2 試驗結果分析

采用新研制的換入/換出同向換向器并通過改變檢定試驗時間的方式將換向器對渦輪流量傳感器計量性能的影響進行了試驗研究。試驗采用的渦輪流量傳感器準確度等級為0.5級，試驗流量為36 m3·h-1，檢定試驗時間分別為 30 s、60 s和 90 s。試驗結果如表1所示。

同一流量點下，不同的檢定時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時間對渦輪流量傳感器計量性能的影響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下，不同檢定時間內(nèi)得到的儀表系數(shù)偏移量為0.039%。

根據(jù)表1和式（1）的計算結果可以看出：

（1）在相同的流量點下，檢定試驗時間分別為90 s、60 s和30 s時得到的渦輪流量傳感器單點儀表系數(shù)的重復性分別為0.037、0.040和0.039；由此看出，隨著檢定試驗時間的縮短，得到的渦輪流量傳感器儀表系數(shù)的重復性仍較好，重復性變化也較小,說明采用本文研制的同向型開式換向器對流量計進行檢定，不僅可以取得較好的流量計計量重復性，而且還可以消除檢定時間對流量計計量重復性的影響；

（2）在相同的流量點下，檢定試驗時間分別為90 s、60 s和30 s時得到的渦輪流量傳感器單點儀表系數(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，隨檢定試驗時間的縮短，得到的相同流量點下的流量計儀表系數(shù)變化較小，偏移量僅為0.039%，說明采用本文研制的同向型開式換向器對流量計進行檢定，可以較好地消除檢定試驗時間對流量計的計量性能的影響；

（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流量計進行檢定時，檢定時間對流量計的重復性、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用于水流量標準裝置，可以大大縮短檢定時間，提高水流量標準裝置的檢定效率。

4 結語

本文在對不同向開式換向器結構、原理及存在問題分析的基礎上，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。在此基礎上設計了一種既不受計時脈沖觸發(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間新型開式換向器——同向型開式換向器，通過伺服電機帶動分流器的水平移動，再由換向擋板配合第一和第二光電轉換器產(chǎn)生計時開始與結束的脈沖信號，實現(xiàn)了換向器工作時“換入/換出”的同向，同時給出了該型換向器的基本結構、工作原理及換向流量模型，最終實現(xiàn)了換向器一個換向周期的計時時間段內(nèi)平均流量與實際流量相等，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準裝置上進行了試驗研究，結果表明利用本文新研制的同向型開式換向器對流量計進行檢定，檢定時間的長短對流量計的重復性、儀表系數(shù)的影響均較??；這一試驗結果，進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間，提高水流量標準裝置的檢定效率。

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