高精度大流量開(kāi)式換向裝置設(shè)計(jì)與特性分析

潘云飛，羅德章，陳漢松，劉桂雄

(1.廣州能源檢測(cè)研究院，廣東廣州510170;2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東廣州 510640)

0 前言

閉式換向裝置換向穩(wěn)定性受到液流壓力影響且換向過(guò)程會(huì)產(chǎn)生管道內(nèi)真空現(xiàn)象，導(dǎo)致管內(nèi)液流特性不穩(wěn)定，換向誤差較大，應(yīng)用較少;而開(kāi)式換向裝置換向穩(wěn)定性不受液流壓力影響，換向穩(wěn)定性與重復(fù)性高，應(yīng)用廣泛。開(kāi)式換向裝置主要分為換入換出同向型、換入換出反向型兩種，換入換出同向指噴嘴/分流器換入/換出過(guò)程移動(dòng)方向一致，換入換出反向指噴嘴/分流器換入/換出過(guò)程移動(dòng)方向相反。

降低換向裝置不確定度有利于提高液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量精度［1］，ENGEL 等［2－4］基于大量實(shí)驗(yàn)證明換入換出時(shí)間誤差是影響換入換出反向型換向裝置不確定度關(guān)鍵因素之一。朱雷等人［5］通過(guò)高速攝像確定計(jì)時(shí)器最優(yōu)啟停時(shí)刻補(bǔ)償噴嘴旋轉(zhuǎn)、分流器固定式換入換出反向型換向裝置換向流量誤差，但即使保證換向重復(fù)性一致、計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)刻設(shè)置合理、換入換出時(shí)間相同條件下，換入換出反向型換向裝置仍會(huì)存在換向流量誤差［6］。T SHIMADA［7－8］、I MARFENKO 等［9］分別設(shè)計(jì)噴嘴固定、分流器移動(dòng)式換入換出同向型換向裝置，改善噴嘴流速分布不均，液滴飛濺現(xiàn)象對(duì)于換向流量誤差的影響，但都沒(méi)有對(duì)計(jì)時(shí)器最優(yōu)啟停時(shí)刻進(jìn)行研究，且換向裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)驅(qū)動(dòng)功率需求高，占用空間大，僅適用于小流量液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。基于上述國(guó)內(nèi)外研究背景，采用模塊法［10］設(shè)計(jì)一種適用于大流量液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置高精度開(kāi)式換入換出同向換向裝置。

1 開(kāi)式換入換出反向型換向器分析

圖1為管徑1 000 mm大流量液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖中虛線(xiàn)框所示部分為開(kāi)式換入換出反向型換向器結(jié)構(gòu)。

圖1 大流量液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，其工作原理為:(1)噴嘴處于位置1，穩(wěn)定液流經(jīng)分流器左分流管道3流至回流罐;(2)啟動(dòng)氣缸，流量表計(jì)時(shí)器啟動(dòng)計(jì)時(shí)，噴嘴從位置1旋轉(zhuǎn)到位置2，液流由噴嘴經(jīng)分流器右分流管道4流至稱(chēng)重罐，換向器完成換入過(guò)程;(3)經(jīng)過(guò)檢定時(shí)間后，再次啟動(dòng)氣缸，流量表計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，噴嘴由位置2旋轉(zhuǎn)到位置1，換向器完成換出過(guò)程，至此換向裝置一個(gè)完整換向周期結(jié)束。

圖2為換入換出反向型換向器一個(gè)換向周期內(nèi)稱(chēng)重罐瞬時(shí)流量數(shù)學(xué)模型。tTIstart與tTIstop分別表示換向裝置換入開(kāi)始與換入結(jié)束時(shí)刻，tMstart與tMstop分別表示流量計(jì)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)開(kāi)始與計(jì)時(shí)停止時(shí)刻，tTOstart與tTOstop分別表示換出開(kāi)始與換出結(jié)束時(shí)刻，qin表示任意時(shí)刻稱(chēng)重罐瞬時(shí)流量，qconst表示稱(chēng)重罐恒定瞬時(shí)流量。

由于存在無(wú)法避免的計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)啟停延后誤差ΔtD1=tMstart－tTIstart、ΔtD2=tMstop－tTOstart，流量計(jì)實(shí)際計(jì)時(shí)時(shí)間 (即檢定時(shí)間)為T(mén)C=tMstop－tMstart，換入、換出時(shí)間分別為T(mén)TI=tTIstop－tTIstart、TTO=tTOstop－tTOstart。

圖2 一個(gè)換向周期內(nèi)稱(chēng)重罐瞬時(shí)流量數(shù)學(xué)模型

那么，流量計(jì)實(shí)際流量QFreal、稱(chēng)重罐實(shí)際流入流量QTreal以及換向流量絕對(duì)誤差QE可以分別表示為:

基于以上分析，可以得出如下基于開(kāi)式換入換出反向型換向器特性及存在相關(guān)誤差:

(1)換入換出過(guò)程噴嘴運(yùn)動(dòng)方向相反，換入換出重復(fù)性誤差、換入換出時(shí)間誤差、換向速率、換向過(guò)程噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)特性變化、擋板的位置與形狀、液滴飛濺現(xiàn)象等因素，均會(huì)引起換向流量誤差;

(2)加快換向速率、縮短換入換出時(shí)間，可減小換向流量誤差，但使裝置成本增加，且換向時(shí)間一般不會(huì)低于100 ms，改善效果不明顯;

(3)減小換入換出時(shí)間誤差可減小換向流量誤差，但實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中很難保證換向器雙向運(yùn)動(dòng)重復(fù)性一致，換向器雙向運(yùn)動(dòng)行程誤差較大;

(4)求解最優(yōu)計(jì)時(shí)啟停延遲Δt1，保證換向裝置換入換出過(guò)程運(yùn)動(dòng)重復(fù)性一致、換入時(shí)間與換出時(shí)間相同，即TTI=TTO= Δt1+Δt2、Q1=Q3、Δt2=tTIstoptMstart。只對(duì)Δt1進(jìn)行求解即可，只引入一次誤差且Δt1求解簡(jiǎn)單，但由于換向過(guò)程噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)特性變化導(dǎo)致稱(chēng)重罐換入換出瞬時(shí)流量曲線(xiàn)不對(duì)稱(chēng)，Q4≠Q(mào)6，由式 (1)仍存在換向流量絕對(duì)誤差QE≠0;

(5)求解最優(yōu)計(jì)時(shí)啟停延遲Δt1、Δt2，使得Q1=Q3、Q4=Q6，由式 (1)可得理論上換向流量絕對(duì)誤差QE=0，但需對(duì)Δt1、Δt2進(jìn)行求解，引入二次誤差，且無(wú)法確保每次換向運(yùn)動(dòng)重復(fù)性一致，最優(yōu)計(jì)時(shí)器啟停時(shí)刻求解困難、實(shí)際設(shè)置操作誤差較大，液滴飛濺現(xiàn)象仍會(huì)導(dǎo)致?lián)Q向流量誤差。

2 換入換出同向型換向裝置分析

圖3、圖4分別為筆者提出的大流量開(kāi)式換入換出同向型換向裝置、大流量液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 大流量換入換出同向型換向裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 大流量液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖中記回流罐為RT，稱(chēng)重罐為WT，換向裝置由3個(gè)單一換入換出反向型換向器模塊組成，模塊A對(duì)液流進(jìn)行回流罐至稱(chēng)重罐之間相互切換，模塊B、C只改變液流流動(dòng)軌跡而沒(méi)有對(duì)液流進(jìn)行回流罐至稱(chēng)重罐之間相互切換，故稱(chēng)模塊A為換向器，模塊B、C為換流器。

圖3中分流器A左、右分流管道3、4分別下接換流器B、C，分流器B、C左分流管道3'、3″與右分流管道4'、4″分別下接回流罐與稱(chēng)重罐。令噴嘴 A、B、C 位于位置 1、1'、1″，2、2'、2″時(shí)分別記換向器 A、換流器 B、C處于狀態(tài)Al、Bl、Cl，Ar、Br、Cr。

由圖3、圖4可得換向裝置工作原理如下:

(1)穩(wěn)定水流由換向器A上方管道經(jīng)噴嘴A、分流器A左分流管道3流至換流器B，再由噴嘴B經(jīng)分流器B左分流管道3'流至回流罐 (RT)，此時(shí)液流軌跡為1→3→1'→3'→RT，換向裝置狀態(tài)為AlBlCl;

(2)氣缸C啟動(dòng)，噴嘴C由位置1″移動(dòng)至位置2″，換流器C由狀態(tài)Cl切換至狀態(tài)Cr，換向器A與換流器B狀態(tài)不變，仍為Al、Bl，液流軌跡不變，仍為1→3→1'→3'→RT，換向裝置由狀態(tài)AlBlCl切換至狀態(tài)AlBlCr;

(3)氣缸A啟動(dòng)，計(jì)時(shí)器啟動(dòng)計(jì)時(shí)，噴嘴A由位置1移動(dòng)至位置2，換向器A由狀態(tài)Al切換至狀態(tài)Ar，換流器B、C狀態(tài)不變，仍為Bl、Cr，液流軌跡變?yōu)?→4→2″→4″→WT，換向裝置由狀態(tài)AlBlCr切換至狀態(tài)ArBlCr，換向裝置將液流由回流罐切換至稱(chēng)重罐，完成換入過(guò)程;

(4)氣缸B啟動(dòng)，噴嘴B由位置1'移動(dòng)至位置2'，換流器B由狀態(tài)Bl切換至狀態(tài)Br，換向器A與換流器C狀態(tài)不變，仍為Ar、Cr，液流軌跡不變，仍為2→4→2″→4″→WT，換向裝置由狀態(tài)ArBlCr切換至狀態(tài)ArBrCr;

(5)氣缸A啟動(dòng)，噴嘴A由位置2移動(dòng)至位置1，換流器A由狀態(tài)Ar切換至狀態(tài)Al，換流器B、C狀態(tài)不變，仍為Br、Cr，液流軌跡變?yōu)?→3→2'→4'→WT，換向裝置由狀態(tài)ArBrCr切換至狀態(tài)AlBrCr。換向器A雖然發(fā)生了狀態(tài)切換，但液流仍流向稱(chēng)重罐，對(duì)液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定過(guò)程沒(méi)有影響;

(6)氣缸C啟動(dòng)，噴嘴C由位置2″移動(dòng)至位置1″，換流器C由狀態(tài)Cr切換至狀態(tài)Cl，換向器A與換流器B狀態(tài)不變，仍為Al、Br，液流軌跡不變，仍為1→3→2'→4'→WT，換向裝置由狀態(tài)AlBrCr切換至狀態(tài)AlBrCl;

(7)氣缸A啟動(dòng)，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，噴嘴A由位置1移動(dòng)至位置2，換向器A由狀態(tài)Al切換至狀態(tài)Ar，換流器B、C狀態(tài)不變，仍為Br、Cl，液流軌跡變?yōu)?→4→1″→3″→RT，換向裝置由狀態(tài)AlBrCl切換至狀態(tài)ArBrCl，換向裝置將液流由稱(chēng)重罐切換至回流罐，完成換出過(guò)程;

(8)氣缸B啟動(dòng)，噴嘴B由位置2'移動(dòng)至位置1'，換流器B由狀態(tài)Br切換至狀態(tài)Bl，換向器A與換流器C狀態(tài)不變，仍為Ar、Cl，液流軌跡不變，仍為2→4→1″→3″→RT，換向裝置由狀態(tài)ArBrCl切換至狀態(tài)ArBlCl;

(9)氣缸A啟動(dòng)，噴嘴A由位置2移動(dòng)至位置1，換流器A由狀態(tài)Ar切換至狀態(tài)Al，換流器B、C狀態(tài)不變，仍為Bl、Cl，液流軌跡變?yōu)?→3→1'→3'→RT，換向裝置由狀態(tài)ArBlCl切換至狀態(tài)AlBlCl。換向器A雖然發(fā)生了狀態(tài)切換，但液流仍流向回流罐，對(duì)液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定過(guò)程沒(méi)有影響。雖然至此換向裝置一個(gè)完整換向周期完成，但是換向裝置實(shí)際于步驟 (3)、(7)就已經(jīng)完成換入、換出過(guò)程。

圖5、圖6分別為換向周期狀態(tài)循環(huán)切換流程與對(duì)應(yīng)液流流動(dòng)軌跡示意圖。如圖所示，該換向裝置一共有8個(gè)狀態(tài)，其中包括換入、換出狀態(tài)各3個(gè)，待切換狀態(tài)2個(gè)。

圖5 換向周期狀態(tài)循環(huán)切換流程圖

圖6 換向周期各狀態(tài)對(duì)應(yīng)液流流動(dòng)軌跡示意圖

圖7、圖8分別為換入換出同向型換向裝置一個(gè)換向周期內(nèi)稱(chēng)重罐與回流罐瞬時(shí)流量數(shù)學(xué)模型。

如圖所示，一個(gè)換向周期內(nèi)，對(duì)于任意時(shí)刻t≥0與任意時(shí)間段T=t'－t(0≤t＜t')，稱(chēng)重罐與回流罐瞬時(shí)流量之和恒定且等于噴嘴入口穩(wěn)定瞬時(shí)流量，稱(chēng)重罐與回流罐凈流量之和恒定且等于噴嘴入口凈流量，即:

圖7 一個(gè)換向周期內(nèi)稱(chēng)重罐瞬時(shí)流量數(shù)學(xué)模型

圖8 一個(gè)換向周期內(nèi)回流罐瞬時(shí)流量數(shù)學(xué)模型

由式 (2)，可得對(duì)于任意 ΔtD1、ΔtD2、TTI－ΔtD1、TTO－ΔtD2，有:

因此，在保證噴嘴單方向運(yùn)動(dòng)重復(fù)性一致、計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)啟停延遲一致條件下，有TTI=TTO、ΔtD1=ΔtD2、TTI－ΔtD1=TTO－ΔtD2，稱(chēng)重罐換入、換出瞬時(shí)流量數(shù)學(xué)模型與回流罐換出、換入瞬時(shí)流量數(shù)學(xué)模型完全一致，這時(shí)有:

聯(lián)合式 (3)，可得:

同理，有:

聯(lián)合式 (3)，得:

結(jié)合式 (1)、(4)、(5)，最終可得換向流量絕對(duì)誤差QE=Q1－Q3+Q4－Q6=Q1－Q6+Q4－Q3=0，這表示作者所提出的開(kāi)式換入換出同向型換向裝置結(jié)構(gòu)在一定條件下?lián)Q向流量絕對(duì)誤差QE為0。

基于以上分析，可得出如下開(kāi)式換入換出同向型換向裝置特性:

(1)無(wú)需求解最優(yōu)計(jì)時(shí)器啟停時(shí)刻，沒(méi)有引入額外誤差，設(shè)置一致計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)啟停延遲容易實(shí)現(xiàn)。在保證噴嘴單方向運(yùn)動(dòng)重復(fù)性一致、計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)啟停延遲一致條件下，換入換出時(shí)間相同，開(kāi)式換入換出同向型換向裝置不存在換向流量誤差，換向流量誤差與換向速率、噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)特性變化、擋板的位置與形狀、液滴飛濺現(xiàn)象等因素?zé)o關(guān);

(2)換入換出噴嘴運(yùn)動(dòng)方向相同，只需要減小噴嘴單方向運(yùn)動(dòng)重復(fù)性誤差便可以減小換入換出時(shí)間誤差，實(shí)際工程運(yùn)用中通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)單方向行程重復(fù)性誤差可以減小噴嘴單方向運(yùn)動(dòng)重復(fù)性誤差直至忽略不計(jì);

(3)相比于同類(lèi)型開(kāi)式換入換出同向型換向裝置，其橫向尺寸顯著減小，結(jié)構(gòu)緊湊且占用空間小;換向流量誤差與換向速率無(wú)關(guān)，對(duì)換向速率要求不高;不需要移動(dòng)分流器，驅(qū)動(dòng)負(fù)載小，對(duì)驅(qū)動(dòng)功率要求低，大大節(jié)省空間資源與裝置成本，更適用于大流量液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。

3 結(jié)論

基于瞬態(tài)啟停原理，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，提出一種高精度大流量開(kāi)式換入換出同向型換向裝置，其優(yōu)越性在于:(1)相比于傳統(tǒng)換入換出不同向型換向器，在保證噴嘴單方向運(yùn)動(dòng)重復(fù)性一致、計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)啟停延遲一致條件下，換入換出時(shí)間相同，開(kāi)式換入換出同向型換向裝置不存在換向流量誤差，其換向流量誤差與換向速率、噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)特性變化、擋板的位置與形狀、液滴飛濺現(xiàn)象等因素?zé)o關(guān);(2)相比于同類(lèi)換入換出同向型換向裝置，其結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，對(duì)驅(qū)動(dòng)要求不高，更適用于大流量液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。

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