基于伺服電機(jī)的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置換向器精度的研究

孟 濤樊尚春任 蕾

(1.北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191； 2.中國計(jì)量科學(xué)研究院,北京 100029)

水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是流量傳感器的測(cè)試、計(jì)量設(shè)備。提高流量計(jì)量檢定精度對(duì)工業(yè)生產(chǎn)、居民生活有著重要意義，換向器是影響水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置精度的關(guān)鍵因素[1-2]。換向器引起的不確定度是整個(gè)裝置不確定度的主要來源[3]。因此，對(duì)提高換向器不確定度的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的精度提出了更高的需求，流量標(biāo)準(zhǔn)裝置換向器的性能提升成為了流量計(jì)量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和主要的研究方向[4]。其中，精確同步換向器的觸發(fā)方式是換向器精度研究的重要環(huán)節(jié)。

氣缸驅(qū)動(dòng)的換向器具有簡單可靠的優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)超過90%的換向器采用這種結(jié)構(gòu)，但這種驅(qū)動(dòng)方式的換向器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無法控制，無法實(shí)現(xiàn)精確換向。中國水利水電科學(xué)研究院的朱雷等人研究了機(jī)械連桿推動(dòng)換向器實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)換向進(jìn)行控制的換向器，通過提高換向速度來縮短換向時(shí)間，從而降低了計(jì)時(shí)誤差[5]。天津大學(xué)孫立軍等研制了一種通過控制三相混合式步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)分流器運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)換向的換向器，并使用光電開關(guān)完成同步觸發(fā)操作[4]。德國物理工程研究院的Engel等人研制了一種水平運(yùn)動(dòng)換向器，采用PLC控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)線性軸承方式換向，并利用絕對(duì)角度式光電開關(guān)完成同步觸發(fā)操作[6-7]。

本文的研究對(duì)象為中國計(jì)量科學(xué)研究院的靜態(tài)質(zhì)量法熱水水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，換向器是裝置的重要組成[8]。伺服電機(jī)具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)向精度高等優(yōu)點(diǎn)，通過采集其編碼器反饋的位置信息可以實(shí)現(xiàn)精確換向與連續(xù)可調(diào)的同步觸發(fā)[9]?；谒欧姍C(jī)的以上特點(diǎn)，本文研究并實(shí)現(xiàn)了一種伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的換向器，取代原有的氣缸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

1 換向器概述

換向器是主要由噴嘴、驅(qū)動(dòng)器、分流器及同步觸發(fā)組件組成的機(jī)械電子系統(tǒng)。其本質(zhì)是利用分流器的結(jié)構(gòu)改變液體的流動(dòng)方向并發(fā)出同步觸發(fā)信號(hào)，使水流在旁通管路與稱重管路內(nèi)實(shí)現(xiàn)切換，并實(shí)現(xiàn)待測(cè)流量計(jì)的計(jì)時(shí)同步。圖1(a)、圖1(b)分別為換向器基本組成及運(yùn)行原理示意圖[10]。換向器的運(yùn)行過程為：水由待檢表經(jīng)過上游管路及過渡段到達(dá)換向器噴嘴，形成射流，通過分流器的分流選擇進(jìn)入旁通管路或稱重管路。

圖1 換向器基本組成及運(yùn)行原理示意圖

圖2展示的是換向的理想過程時(shí)間t、量Q的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線

圖2 理想換向過程時(shí)間-流量關(guān)系圖

圖2兩圖描述了換向換入過程中，水由旁通管路換入稱重管路的時(shí)間流量關(guān)系圖，曲線描述了進(jìn)入稱重器內(nèi)的流量與時(shí)間的關(guān)系，曲線與坐標(biāo)所圍陰影面積表示進(jìn)入稱重器內(nèi)的累積質(zhì)量/體積。圖(2)b是圖2(a)為便于理解計(jì)時(shí)關(guān)系的簡化版，t1和t2分別為換入換出時(shí)間，tR1和tR2分別是啟動(dòng)和停止計(jì)時(shí)同步觸發(fā)位置時(shí)間點(diǎn)，陰影面積A1為實(shí)際進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)器的液體累積流量，陰影面積A2為計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)期間理論液體累積流量。在理想的換向過程中，應(yīng)得到A1=A2，但現(xiàn)實(shí)換向過程中流量曲線以及信號(hào)觸發(fā)位置都會(huì)受到很多因素影響，導(dǎo)致在測(cè)量開始和結(jié)束的換向過程中所引起的這兩個(gè)累積流量的不相等,并由此引起不確定度。

由于換向過程中存在換向速度隨流量變化、水利中心與同步觸發(fā)點(diǎn)不一致等問題、噴嘴出口流暢不穩(wěn)定、不均勻等問題，實(shí)際的換向過程中的時(shí)間-流量對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置實(shí)際的標(biāo)定中，tR1和tR2時(shí)刻通常利用人為判斷與手動(dòng)微調(diào)結(jié)合的方式獲得。在固定的流量點(diǎn)下對(duì)圖3的tR1和tR2進(jìn)行調(diào)整使其更加接近圖2中的tR1和tR2，更加接近近似的換向過程。本文研究的是利用伺服電機(jī)的精確可控性使得tR1和tR2的判斷接近理想過程。

圖3 實(shí)際換向過程時(shí)間-流量關(guān)系

2 熱水流量裝置換向器

本文所研究的熱水流量裝置換向器利用伺服電機(jī)通過n型架與換向器外殼連接，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的輸出軸通過梅花聯(lián)軸器與經(jīng)過伺服電機(jī)的減速器相連，梅花聯(lián)軸換向器的爆炸圖如圖4所示。

圖4 換向器主要零件爆炸圖

圖3展示了換向器換向過程的時(shí)間-流量對(duì)應(yīng)關(guān)系，曲線可以細(xì)化為5個(gè)過程，通過圖5可以建立起實(shí)物與換向過程曲線的關(guān)系。動(dòng)過程對(duì)應(yīng)了5個(gè)典型的時(shí)刻，分別為：換向起始時(shí)刻t0；運(yùn)動(dòng)至水利中心點(diǎn)過程的計(jì)時(shí)觸發(fā)時(shí)刻t1；水利中心時(shí)刻t2；計(jì)時(shí)觸發(fā)終止時(shí)刻t3；運(yùn)動(dòng)終止時(shí)刻t4。5個(gè)狀態(tài)依次對(duì)應(yīng)圖5的5張圖。

圖5 換向器換向過程示意圖

裝置整體裝配圖如圖6所示，該設(shè)計(jì)的伺服電機(jī)與換向器之間的無縫連接，梅花聯(lián)軸器最大限度地降低了機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來的影響。經(jīng)過減速器的伺服電機(jī)直接與換向器相連，減少了輸出扭矩的損失，可以保證換向器的穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)，可盡可能地減少噴嘴出口在不同流量點(diǎn)下不一致對(duì)轉(zhuǎn)速的影響，提高了換向器的不確定度水平。在裝置中加入了光電開關(guān)，作為換向器分流器擋片實(shí)際位置。實(shí)際搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖7所示。

圖6 裝置整體裝配圖

該型換向器通過實(shí)際的搭建與測(cè)試應(yīng)用，證明了該結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)平穩(wěn)換向的功能需求，可以實(shí)現(xiàn)完整的換向過程，為換向器精準(zhǔn)換向與觸發(fā)奠定基礎(chǔ)。

3 基于伺服電機(jī)的換向器系統(tǒng)組成

伺服電機(jī)的換向器系統(tǒng)主要由換向器、伺服電機(jī)、光電開關(guān)流量積算儀及用于控制、測(cè)量的單片機(jī)組成。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置搭建圖

單片機(jī)用于采集換向器伺服電機(jī)編碼器的位置信息以及光電開關(guān)的計(jì)數(shù)觸發(fā)信號(hào)，單片機(jī)對(duì)觸發(fā)信號(hào)與編碼脈沖進(jìn)行處理后完成對(duì)流量積算儀的計(jì)數(shù)開始與結(jié)束操作計(jì)數(shù)[11]，同時(shí)可通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)同步觸發(fā)操作，提升觸發(fā)精度。核心的控制器單片機(jī)采集并控制的流程圖如圖8所示。

圖8 單片機(jī)測(cè)量、控制流程圖

伺服電機(jī)自身所帶的編碼器為增量式編碼器，分辨力達(dá)0.036°。裝置通過采集編碼器返回脈沖，可準(zhǔn)確得到換向器轉(zhuǎn)動(dòng)位置。

系統(tǒng)中一個(gè)光電開關(guān)作為觸發(fā)計(jì)數(shù)源，當(dāng)電機(jī)正向單片機(jī)接收到正轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)計(jì)為換入，當(dāng)觸發(fā)光電開關(guān)為進(jìn)入換向階段，開始對(duì)編碼器脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，連續(xù)可調(diào)脈沖信號(hào)作為同步觸發(fā)流量積算儀的門控信號(hào)。單片機(jī)對(duì)編碼器采集到的脈沖數(shù)進(jìn)行采集可以檢測(cè)到有效邊沿的數(shù)量，完成換向器的精確同步觸發(fā)，通過標(biāo)定使觸發(fā)位置盡可能接近真實(shí)的水利中心線。

圖9展示了連續(xù)可調(diào)的同步觸發(fā)過程中編碼器脈沖數(shù)和觸發(fā)信號(hào)的關(guān)系。N1、N2為調(diào)整脈沖數(shù)，脈沖數(shù)為電機(jī)編碼器的反饋至單片機(jī)的脈沖數(shù)，光電開關(guān)發(fā)出的脈沖信號(hào)上升沿為調(diào)整前的同步觸發(fā)信號(hào)?；谒欧姍C(jī)的換向器通過單片機(jī)進(jìn)行對(duì)電機(jī)編碼器脈沖采集與調(diào)整并完成同步觸發(fā)。

流量積算儀作用是采集記錄標(biāo)準(zhǔn)表流量，即標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)發(fā)出脈沖數(shù)。圖11為流量積算儀與標(biāo)準(zhǔn)表、單片機(jī)控制器以及電機(jī)的關(guān)系。當(dāng)正向換向時(shí)，到達(dá)同步觸發(fā)位置，單片機(jī)通過流量積算儀外控口發(fā)送高電平信號(hào)，觸發(fā)開始對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表記錄脈沖數(shù)；換出開始時(shí)，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)束，達(dá)到光電開關(guān)同步觸發(fā)位置時(shí)，單片機(jī)通過外控接口向流量積算儀發(fā)送低電平信號(hào)，下降沿觸發(fā)流量積算儀停止對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表的脈沖計(jì)數(shù)。

圖9 可調(diào)同步觸發(fā)過程原理圖[12]

圖10 單片機(jī)控制器實(shí)物圖

圖11 系統(tǒng)接線圖

在同步觸發(fā)模塊中，可對(duì)伺服電機(jī)自身編碼器的反饋脈沖進(jìn)行采集。觸發(fā)節(jié)點(diǎn)為光電開關(guān)發(fā)出信號(hào)的上升沿，利用邊沿計(jì)數(shù)的方式，對(duì)脈沖數(shù)進(jìn)行采集，上升沿?cái)?shù)即為脈沖數(shù)。

4 同步觸發(fā)實(shí)驗(yàn)

同步觸發(fā)位置所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為

(1)

式中，t1為電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)到觸發(fā)光電開關(guān)經(jīng)過時(shí)間；t為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖周期；N為觸發(fā)光電開始到同步觸發(fā)位調(diào)整設(shè)定的脈沖數(shù)。根據(jù)電機(jī)參數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周輸出100000個(gè)脈沖，當(dāng)電機(jī)在32.5 r/min下轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖周期為t=1.8/100000 s，由此可得

(2)

單片機(jī)采集編碼器反饋脈沖數(shù)，通過單片機(jī)程序判斷同步觸發(fā)點(diǎn)，并發(fā)送電平控制信號(hào)。初步根據(jù)估算水利中心位置與光電觸發(fā)點(diǎn)間的角度來計(jì)算并調(diào)整同步觸發(fā)數(shù)。在3個(gè)流量點(diǎn)下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可得正向、反向的同步數(shù)，根據(jù)式(1)計(jì)算得到t1，如表1所示。

表1 正、反向下觸發(fā)數(shù)與時(shí)間

為驗(yàn)證伺服電機(jī)在實(shí)際換向過程中理論與實(shí)際參數(shù)的偏差是否滿足同步觸發(fā)需求，在同步觸發(fā)硬件平臺(tái)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，對(duì)于電機(jī)1°轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)為277.8，實(shí)驗(yàn)中正向、反向?qū)嶒?yàn)與理論的絕對(duì)差值分別為1、1.8，均遠(yuǎn)小于0.01°，轉(zhuǎn)動(dòng)精度證明了設(shè)置方法的正確性。

5 實(shí)驗(yàn)及不確定度分析評(píng)估

5.1 伺服電機(jī)的最佳速度

最佳轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)為確定伺服電機(jī)穩(wěn)定性、重復(fù)性好的換向器轉(zhuǎn)速。

理論要求換向時(shí)間不得大于1 s[8]，研究對(duì)象設(shè)備換向器換向角度為18°，換向速度不得小于3.75 r/min，因此，試驗(yàn)換向最佳轉(zhuǎn)速在最小速度的10倍區(qū)間內(nèi)進(jìn)行。在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置常用流量點(diǎn)11 m3/h下進(jìn)行換向最佳速度試驗(yàn)，其余條件按照檢定換向器進(jìn)行配置。在電機(jī)轉(zhuǎn)速理論范圍內(nèi)選擇37.5，32.5，23.5，12.5，3.75 r/min 5個(gè)典型轉(zhuǎn)速，進(jìn)行常用流量點(diǎn)下的換向器檢定實(shí)驗(yàn)，換向時(shí)間差的A類不確定度(重復(fù)性)作為判定依據(jù)。37.5，32.5，23.5，12.5，3.75 r/min5個(gè)典型轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的換向時(shí)間分別為0.08，0.092，0.13，0.24，0.8 s根據(jù)JJG 164-2000《液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程》[13]，A類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度s為

(3)

37.5，32.5，23.5，12.5，3.75 r/min 5個(gè)典型轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的換向誤差分別為-0.200007，0.008909，0.089839，-0.026100，0.287304 s。根據(jù)式(3)可得A類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度s分別為0.007%，0.005%，0.007%，0.008%，0.006%。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擬合得到的不確定度隨流量變化曲線，在轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的函數(shù)為

y=5×10-8x4-3×10-6x3+6×10-5x2-10-4x+0.0058

(4)

通過求取擬合函數(shù)的極小值點(diǎn)可以大致確定，伺服電機(jī)換向器轉(zhuǎn)速在32.5 r/min下，換向器換向時(shí)間引入的A類不確定度最小為0.005%，說明在該轉(zhuǎn)速下，伺服電機(jī)換向器換向平穩(wěn)，多次轉(zhuǎn)動(dòng)的一致性良好，性能較為穩(wěn)定。綜上，選取32.5 r/min作為試驗(yàn)確定的最佳轉(zhuǎn)動(dòng)速度，可保證換向器換向運(yùn)動(dòng)的完整性，可通過連續(xù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)換向器精度的提升。

圖12 不確定度隨流量變化

5.2 換向器的不確定度評(píng)估

當(dāng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速為32.5 r/min，又編碼器一周對(duì)應(yīng)100000個(gè)脈沖，電機(jī)脈沖周期為1.85×10-6s。Δti既為檢定得到的時(shí)間誤差又為待調(diào)整的同步觸發(fā)時(shí)間，通過Δti可以確定調(diào)整的同步觸發(fā)脈沖數(shù)，其關(guān)系為

(5)

式中，N0為待調(diào)整的脈沖數(shù)；Δti=0，可理解為換向觸發(fā)剛好位于水利中心點(diǎn)，Δti>0，說明時(shí)機(jī)觸發(fā)時(shí)機(jī)晚于設(shè)置的觸發(fā)時(shí)機(jī)，需提前開始/終止脈沖數(shù)，反之需錯(cuò)后開始/終止脈沖數(shù)。由于不同流量點(diǎn)下出口流場(chǎng)存在差異，會(huì)造成不同流量點(diǎn)下的同步觸發(fā)位置有所差異，這種方式為不同流量點(diǎn)下進(jìn)行觸發(fā)調(diào)整提供了可能，可以提升在不同流量點(diǎn)下的不確定度水平。在換向器轉(zhuǎn)速為37.5 r/min下進(jìn)行同步觸發(fā)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。分別在最大流量點(diǎn)30 m3/h、常用流量點(diǎn)11 m3/h、小流量點(diǎn)4m3/h這3種流量點(diǎn)下根據(jù)規(guī)程對(duì)換向器的計(jì)時(shí)誤差進(jìn)行檢定實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)規(guī)程，換向過程中的時(shí)間差Δti和平均值Δt分別為

(6)

(7)

式中，t1為一次換向時(shí)間；t2為10次換向時(shí)間；B1為1次換向中經(jīng)過換算后標(biāo)準(zhǔn)器記錄的換入稱的水流量的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量；B2為10次換向中經(jīng)過換算后標(biāo)準(zhǔn)器記錄的累積換入稱的水流量的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量；N1為1次換向中流量積算儀的讀數(shù);N2為10次換向中流量積算儀的累積讀數(shù)。對(duì)于換向誤差引入的A類和B類不確定度的公式為

(8)

(9)

由式(8)，對(duì)3個(gè)流量點(diǎn)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。換向器時(shí)間差引入的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定可通過式(9)得到。根據(jù)不確定度合成公式，換向器的綜合不確定度為

(10)

在3個(gè)流量點(diǎn)下，時(shí)間差、A類不確定度、換向時(shí)間差引入的不確定度、換向器引入的不確定度分別對(duì)應(yīng)如表2所示。

表2 3個(gè)流量點(diǎn)下時(shí)間差及不確定度

根據(jù)計(jì)算得到的3個(gè)流量點(diǎn)下的不確定度指標(biāo)可以得到，重復(fù)性表征的A類相對(duì)不確定度最大為0.005%，說明換向器在換向過程中穩(wěn)定性好，一致性高，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的換向器能夠保證在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中可靠且穩(wěn)定地運(yùn)行。在標(biāo)定可調(diào)脈沖后換向器的不確定度水平有所提高，其B類不確定度達(dá)0.001%，證明了連續(xù)可調(diào)同步觸發(fā)方式的有效性，提升了換向器的精度。對(duì)檢定實(shí)驗(yàn)得到的不確定度進(jìn)行綜合分析。綜上，該換向器的不確定度水平為0.005%。目前國內(nèi)同量級(jí)的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的換向器的不確定度普遍在0.01%以上。在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的換向器配合連續(xù)可調(diào)觸發(fā)的設(shè)計(jì)下，有效提升了設(shè)備性能，使水裝置的換向器不確定度水平達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

6 結(jié)束語

本文在中國計(jì)量科學(xué)研究院的熱水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上研究了一種基于伺服電機(jī)的換向器，利用伺服電機(jī)的編碼器改變其計(jì)時(shí)觸發(fā)時(shí)間，通過檢定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在3種不同流量點(diǎn)下具有很小的換向時(shí)間差。通過對(duì)比A類不確定度確定了32.5 r/min為伺服電機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速，在最佳速度基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)得到了基于伺服電機(jī)的換向器不確定度在不同流量下引入的不確定度最大僅為0.005%。驗(yàn)證了基于伺服電機(jī)的換向器同步觸發(fā)機(jī)制對(duì)于提升裝置性能的顯著作用。