基于換入換出同向方法的開式換向器設(shè)計(jì)及不確定度評(píng)定方法研究

馬龍博，鄭建英，趙建亮

MA Long-bo,ZHENG Jian-ying,ZHAO Jian-liang

(浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，杭州 310013)

0 引言

開式換向器是液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的重要組成部分，是影響裝置計(jì)量準(zhǔn)確度最關(guān)鍵的部件之一，其工作質(zhì)量的好壞將直接影響裝置計(jì)量準(zhǔn)確度高低。目前，水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中使用的換向器主要是換入/換出不同向的開式換向器，該型換向器最大的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)管道中的水流不產(chǎn)生擾動(dòng)，但在使用中仍存在一些問題：1)噴嘴噴出的水流流速分布不均勻問題，這種分布不均勻?qū)?huì)使得換入/換出不同向換向器在換入/換出時(shí)間段內(nèi)引起的裝置不確定度增大，為減小這種不確定度，一般采用增加檢定時(shí)間的方法來解決，而采用此方法又會(huì)造成檢定時(shí)間過長(一般檢定時(shí)間不低于60s)，工作效率低的問題，更重要的是在對(duì)大口徑的流量儀表進(jìn)行檢定時(shí)，增加檢定時(shí)間的同時(shí)，還必須增大工作量器的容積來容納更多的累積水量，而增大工作量器的容積則需要加大工作量器體積，加大工作量器的體積又會(huì)造成工作量器占用的空間過大；2)換入/換出不同向開式換向器的脈沖觸發(fā)位置問題，由于不同流量時(shí)，換向器噴嘴的流速分布也不同，如果將脈沖觸發(fā)位置根據(jù)某一流量下的流速分布調(diào)整并置于一固定位置處，則在該流量下?lián)Q向器引起的不確定度將會(huì)較小，而在其它流量下，流速分布及脈沖觸發(fā)位置導(dǎo)致?lián)Q向器的不確定度會(huì)大大增加，根據(jù)不同流量不斷調(diào)整脈動(dòng)觸發(fā)位置的方式又不具有可行性，因此這一問題也是影響換向器不確定度的一個(gè)關(guān)鍵因素；通過以上分析知道，換入/換出不同向開式換向器在使用中仍存在一些問題，因此非常有必要對(duì)開式換向器進(jìn)行研究，克服換入/換出不同向開式換向器存在的缺點(diǎn)。

在對(duì)換向器的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作，Shimada[1]等通過分析換入/換出不同向換向器換向的不足，研制了一種換入/換出同向的換向器，該換向器換入/換出時(shí)向同一方向運(yùn)行兩次，實(shí)現(xiàn)了換入/換出同向，這種運(yùn)行方式改善了換入/換出不同向換向器換入/換出時(shí)向不同方向運(yùn)行的弊端，降低了換向器的不確定度，這種換向方式盡管使得換向器的換向不確定度減小了，但是換向時(shí)較難保證在相同狀態(tài)下向同一方向運(yùn)行兩次，因而也具有一定局限性；Poeschel[2]等通過仿真設(shè)計(jì)出了一種特殊形狀的換向器進(jìn)水管道（一般進(jìn)水管道為封閉圓管）及高精度的電子轉(zhuǎn)換裝置，同時(shí)通過改變換向器工作時(shí)噴嘴的寬度，大大提高了換向器的性能，減小了不確定度，然而通過這種方式來實(shí)現(xiàn)換向器的的準(zhǔn)確度的提高，需要換向器在每一流量點(diǎn)下都要改變噴口的大小，這種噴口大小的改變，實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)比較困難，因而具有一定的局限性；王家宜[3]發(fā)明了一種液體流量換向器，該換向器噴嘴上置有一個(gè)變噴嘴面積機(jī)構(gòu)，使得換向時(shí)液體流速恒定，這種換向器雖然保證了換向時(shí)液體流速恒定，但是并沒有考慮液體流經(jīng)換向器進(jìn)水管然后流入換向器噴口時(shí)的流速分布，因而換向時(shí)仍然會(huì)產(chǎn)生較大的不確定度；Doihara[4]等研制了一種換入/換出同向的旋轉(zhuǎn)型換向器，該型換向器換向時(shí)通過向同一方向旋轉(zhuǎn)兩次實(shí)現(xiàn)了換入/換出同向，降低了換向器換向引入的不確定度，然而由于該型換向器結(jié)構(gòu)原因，導(dǎo)致其只能應(yīng)用在口徑較小，流速不高的場合；宗艷[5]發(fā)明了一種液體流量標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置的換向器，它是在現(xiàn)有換向器氣缸的活塞桿上連接一個(gè)副氣缸，副氣缸的活塞桿與套筒上的連桿連接帶動(dòng)套筒轉(zhuǎn)動(dòng)，通過主氣缸和副氣缸的活塞桿的伸縮配合，使出水嘴進(jìn)行三工位擺動(dòng)，由于該換向裝置是在傳統(tǒng)單分流器換向裝置的基礎(chǔ)上對(duì)噴嘴進(jìn)行的改進(jìn)，因而其不確定度將與原換向裝置相比較，不會(huì)有所改善；通過以上分析知道，目前研究或使用的換向器仍然具有較多的局限性，因此需要對(duì)新型換向器展開研究，以滿足高準(zhǔn)確度液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的要求。

為更好的解決目前開式換向器中存在的問題，本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上提出并研制了一種換入/換出同向換向器，該型換向器結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，能很好克服換入/換出不同向換向器存在的問題。另外，在分析新研制換向器工作原理的基礎(chǔ)了，給出了新研制換向器換向流量數(shù)學(xué)模型，并對(duì)新研制開式換向器進(jìn)行了不確定度評(píng)定。

1 換入/換出同向換向器設(shè)計(jì)

圖1是換入/換出不同向換向器的結(jié)構(gòu)圖，主要包括：噴嘴、分流器、換向器殼體、換向器計(jì)時(shí)導(dǎo)桿、光電轉(zhuǎn)換器、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

本文提出并研制的換入/換出同向開式換向器是在圖1所示換入/換出不同向開式換向器的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)分流器（該分流器稱為第二分流器）組成的，該型換向器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 換入/換出不同向換向器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 換入/換出同向換向器結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2可以看出，新增加的第二分流器由三個(gè)分流腔構(gòu)成，分別是第一分流腔、計(jì)量腔和第二分流腔。

新研制的換向器工作原理如下：

1）水平移動(dòng)第一分流器2，使換向噴嘴1噴出的水流流入第一分流器2的第一分流漏斗21并通過第一導(dǎo)引管211進(jìn)入第一換向流道31；

2）水平移動(dòng)第二分流器6，使第一換向流道31的出水口對(duì)準(zhǔn)第二分流器6的第一分流腔61的進(jìn)水口且第二換向流道32的出水口對(duì)準(zhǔn)第二分流器6的計(jì)量腔63的進(jìn)水口，第一換向流道31內(nèi)的水流由此經(jīng)第一分流腔61流入循環(huán)水池；

3）水平移動(dòng)第一分流器2，使換向噴嘴1噴出的水流流入第一分流器2的第二分流漏斗22并通過第二導(dǎo)引管222及第二換向流道32流入第二分流器6的計(jì)量腔63，再由計(jì)量腔63底部的出水口進(jìn)入工作量器；在第一分流器2水平移動(dòng)的同時(shí)，該第一分流器2帶動(dòng)換向器計(jì)時(shí)導(dǎo)桿4運(yùn)動(dòng)，使換向器計(jì)時(shí)導(dǎo)桿4與光電轉(zhuǎn)換器5配合輸出一脈沖信號(hào)以控制計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)；

4）水平移動(dòng)第二分流器6，使第一換向流道31的出水口對(duì)準(zhǔn)計(jì)量腔63的進(jìn)水口；

5）水平移動(dòng)第一分流器2，使換向噴嘴1噴出的水流流入第一分流漏斗21并通過第一導(dǎo)引管211及第一換向流道31流入第二分流器6的計(jì)量腔63，再由計(jì)量腔63底部的出水口進(jìn)入工作量器。在該步驟中計(jì)時(shí)器不停止計(jì)時(shí)；

6）水平移動(dòng)第二分流器6，使第二換向流道32的出水口對(duì)準(zhǔn)第二分流器6的第二分流腔62的進(jìn)水口；

7）水平移動(dòng)第一分流器2，使換向噴嘴1噴出的水流流入第二分流漏斗22并通過第二導(dǎo)引管222及第二換向流道32流入第二分流器6的第二分流腔62后，再流入循環(huán)水池；在第一分流器2水平移動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)換向器計(jì)時(shí)導(dǎo)桿4運(yùn)動(dòng)，使換向器計(jì)時(shí)導(dǎo)桿4與光電轉(zhuǎn)換器5配合輸出一脈沖信號(hào)以控制計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。

根據(jù)上述工作原理可得到新研制換向器的換向流量數(shù)學(xué)模型如圖3所示：

圖3 換入/換出同向開式換向器換向流量數(shù)學(xué)模型

由圖3可以看出該型換向器的工作過程可以分為以下幾個(gè)階段：1）t0-t10階段，在該階段換向器開始由旁通管向計(jì)量罐換入，噴嘴噴出的水流由旁通管逐漸流入計(jì)量罐，此時(shí)計(jì)時(shí)器并未計(jì)時(shí)，該過程流入計(jì)量罐的水的累積量用A表示；2）t10-t20階段，在該階段換向器逐漸完全換入，計(jì)時(shí)器開始由t10時(shí)刻計(jì)時(shí)，噴嘴噴出水流逐漸完全流入計(jì)量罐，該過程流入計(jì)量罐的水流累積量用B表示；3）t20-t30階段，在該階段換向器換向結(jié)束，噴嘴噴出的水流完全進(jìn)入計(jì)量罐，計(jì)時(shí)器接續(xù)t10-t20階段繼續(xù)進(jìn)行連續(xù)的計(jì)時(shí)，該過程流入計(jì)量罐的水流累積量用G表示；4）t30-t40階段，在該階段換向器開始由計(jì)量罐向旁通管換出，噴嘴噴出的水流由計(jì)量罐逐漸流入旁通管，計(jì)時(shí)器接續(xù)t20-t30階段繼續(xù)進(jìn)行連續(xù)的計(jì)時(shí)，該過程流入計(jì)量罐的水流累積量用E表示；5）t40-t50階段，在該階段換向器逐漸由計(jì)量罐向旁通管完全換出，計(jì)時(shí)器在時(shí)刻t40停止計(jì)時(shí)，且噴嘴噴出的水流也逐漸完全流入旁通管，該過程流入計(jì)量罐的水流累積量用F表示。上述換入/換出過程中流入工作量器中的水流累積量為Q=A+B+G+E+F，計(jì)時(shí)時(shí)間段為t10-t40，由此可以得到新研制換向器換向周期內(nèi)的平均流量為q=Q/(t40-t10)。同樣的，可以得到管道中的實(shí)際流量為：q1=(B+C+G+D+E)/(t40-t10)。

根據(jù)新研制換向器的換向過程可以看出，新研制換向器的整個(gè)換向過程可以分為換入和換出兩個(gè)過程，這兩個(gè)過程為方向相同的過程，因此該型換向器換向的整個(gè)過程中換入/換出是同向的，因此稱為換入/換出同向換向器。

由于新研制換向器檢定流量計(jì)時(shí)換入/換出同向，因此該型換向器換向過程中引入的誤差不在受換向擋板位置、噴嘴流速分布等因素的影響，也即在任何情況下圖3中abt0t10和cdt40t50的形狀和結(jié)構(gòu)是相同的，即A=D、C=F，所以有：A+F=C+D，A+B+G+E+F=B+C+G+D+E。因此有q=q1，說明新研制換向器能夠保證換向器換向周期內(nèi)的流量和管道中的實(shí)際流量等，能夠較好克服換入/換出不同向換向器存在的缺陷。

2 換入/換出同向換向器不確定度評(píng)定

由前述分析可以知道，換入/換出換向器檢定流量計(jì)時(shí)引入的誤差不再受換向擋板位置、流速分布等的影響，成為完全獨(dú)立于換向擋板位置、流速分布等的換向器。因此，換向擋板位置、流速分布等不再成為換入/換出換向器的一個(gè)不確定度分量。綜合分析換入/換出同向換向器的換向原理及換向過程可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)使用該型換向器檢定流量計(jì)時(shí)，能夠?qū)z定流量產(chǎn)生誤差的因素主要是換向器換入和換出的重復(fù)性。因而，換入/換出同向換向器的不確定度分量主要是換向器換入的重復(fù)性和換出時(shí)的重復(fù)性引入的A類不確定度。

設(shè)裝置一次檢定時(shí)間為t=30s，將流量調(diào)到檢定流量，穩(wěn)定10min。分別在換入/換出同向換向器換入（此時(shí)水流經(jīng)第一分流器和第二分流器改變方向后由旁通管進(jìn)入工作量器）和換出時(shí)的（此時(shí)水流經(jīng)第一分流器和第二分流器改變方向后進(jìn)入旁通管）條件下，重復(fù)操作第一分流器往復(fù)10次，測量該換向器換入和換出時(shí)的時(shí)間如表1所示。

表1 換入/換出同向換向器換入時(shí)間和換出時(shí)的時(shí)間數(shù)據(jù)

根據(jù)表2給出的數(shù)據(jù)可以分別計(jì)算得到換入/換出同向換向器換入時(shí)間和換出時(shí)間的平均值分別為：

則換入/換出同向換向器的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

式中，ur(t1)為換向器換入重復(fù)性引入的不確定度。

式中，ur(t2)為換向器換出重復(fù)性引入的不確定度。

相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

式中，ur(t)為換向器的A類合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

擴(kuò)展不確定度為：

根據(jù)換入/換出同向換向器不確定度評(píng)定結(jié)果可以看出，該型換向器對(duì)裝置引入的擴(kuò)展不確定度不超過0.01%，因此新研制的換入/換出同向換向器較好克服了換入/換出不同向換向器的缺點(diǎn)，能夠滿足液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中水流換向的要求。

3 結(jié)論

本文在分析和研究現(xiàn)有各種換向器設(shè)計(jì)方法及存在的優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，按照同向換入/換出的基本思想，設(shè)計(jì)了一種基于同向換入/換出原理的開式換向器。該型換向器具有結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)、換向效果良好及有效克服換向擋板位置、流速分布不均勻帶來的缺陷等特點(diǎn)；在分析新研制換向器工作原理的基礎(chǔ)上，建立了新研制換向器換向流量數(shù)學(xué)模型，并對(duì)新研制開式換向器進(jìn)行了不確定度評(píng)定。結(jié)果表明，新研制換向器對(duì)裝置引入的擴(kuò)展不確定度不超過0.01%，能較好克服了換入/換出不同向換向器的缺點(diǎn)，滿足液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中水流換向的要求。

[1] T. Shimada,S. Oda,Y. Terao,et al. Development of a New Diverter System for Liquid Flow Calibration Facilities,Flow Meas. Instrum.,14(2003)89-96.

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[3] 王家宜.液體流量換向器及換向誤差確定方法[P].CN98110972.1.

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[5] 宗艷.液體流量標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置的換向器[P].200620093386.6.