基于旋轉(zhuǎn)分流的同向換向器流量測(cè)量模型及實(shí)驗(yàn)研究

馬龍博, 趙進(jìn)慧, 孫 斌, 梅從立, 羅云霞

(1. 浙江水利水電學(xué)院 浙江省農(nóng)村水利水電資源配置與調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310018;2. 中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

1 引 言

水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是各種液體流量計(jì)校準(zhǔn)和評(píng)價(jià)的重要裝置[1],而換向器又是水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的重要組成部分[2],用于流量?jī)x表校準(zhǔn)過(guò)程中控制水流換入、換出計(jì)量罐及計(jì)時(shí)開(kāi)始和結(jié)束,其工作質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到裝置精度的高低。換向器主要包括兩類(lèi):閉式換向器和開(kāi)式換向器[3]。閉式換向器與進(jìn)水管道直接相連,換向時(shí)內(nèi)置活塞運(yùn)行會(huì)短暫封堵進(jìn)水口,對(duì)進(jìn)水口及上游管道中水流產(chǎn)生較大擾動(dòng),影響了管道中水流穩(wěn)定性,限制了裝置測(cè)量精度的提升,在裝置中應(yīng)用逐漸減少；開(kāi)式換向器運(yùn)動(dòng)部件與噴嘴及進(jìn)水管道無(wú)接觸,在換向過(guò)程中對(duì)噴嘴及進(jìn)水管道中的水流無(wú)任何擾動(dòng),故對(duì)研制高精度水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),成為目前水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中廣泛使用的換向器和研究熱點(diǎn)。在開(kāi)式換向器研究方面,文獻(xiàn)[2,4]對(duì)不同向開(kāi)式換向器的檢定方法進(jìn)行了研究,分別提出了雙流流量計(jì)法和雙計(jì)時(shí)法檢定開(kāi)式換向器的方法,克服了傳統(tǒng)方法檢定換向器存在的一些問(wèn)題[5]；文獻(xiàn)[6,7]分別采用理論及實(shí)驗(yàn)方法對(duì)不同向開(kāi)式換向器的測(cè)量誤差問(wèn)題進(jìn)行了研究,提出換向擋板位置及噴嘴流速分布是不同向開(kāi)式換向器產(chǎn)生測(cè)量誤差的主要原因；文獻(xiàn)[8,9]為了提升換向器的不確定度水平,建立了基于伺服電機(jī)的換向器控制系統(tǒng),解決了換向器換向時(shí)的穩(wěn)定性問(wèn)題；文獻(xiàn)[10]提出了一種電動(dòng)換向器的雙光電計(jì)時(shí)定位方法,解決了換向器上電后分水器位置判斷和自動(dòng)定位問(wèn)題；文獻(xiàn)[11]提出了可變面積噴嘴結(jié)構(gòu)的不同向換向器,保證了噴嘴流速分布的均勻性,提升了不同向換向器的性能；文獻(xiàn)[12～16]提出了基于換入換出同向原理的不同結(jié)構(gòu)形式的換向器,解決了不同向換向器因換向擋板位置、噴嘴流速分布等因素影響帶來(lái)的換向器不確定度較大的問(wèn)題,降低了換向器引入的不確定度?？梢钥闯鯷4～17],同向型開(kāi)式換向器可從根本上解決不同向換向器引入的不確定度較大問(wèn)題,提升水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的精度,因此對(duì)同向型開(kāi)式換向器展開(kāi)研究具有重要意義。

本文研制了一種換入換出同向的旋轉(zhuǎn)分流型換向器,建立了換向器測(cè)量誤差理論模型,分析了噴嘴流速分布、光電脈沖觸發(fā)位置及換向時(shí)間等對(duì)換向器誤差特性的影響,并在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,取得了與理論分析相一致的結(jié)果。

2 同向型換向器及流量測(cè)量模型

2.1 旋轉(zhuǎn)分流結(jié)構(gòu)的同向型換向器

研制的旋轉(zhuǎn)分流結(jié)構(gòu)的同向型換向器如圖1所示。由圖1可以看出,該型換向器由傳統(tǒng)開(kāi)式換向器(上半部分)結(jié)合旋轉(zhuǎn)分流裝置(下半部分)組成。其中,計(jì)量腔8和分流腔9共同組成旋轉(zhuǎn)分流器,與水平分流器3配合,實(shí)現(xiàn)液體在計(jì)量罐10和循環(huán)水池(圖中未示出,流入分流腔9的水流全部進(jìn)入循環(huán)水池)之間的分流。 圖1中L為換入(或換出)行程,A為行程中心左側(cè)距離行程中心L/4處,B為換入(或換出)行程中心,C為行程中心右側(cè)距離行程中心L/8處。

圖1 旋轉(zhuǎn)分流結(jié)構(gòu)同向換向器Fig.1 Unidirectional diverter with rotating shunt1—噴嘴; 2—?dú)鈩?dòng)執(zhí)行器; 3—水平分流器; 4—換向擋板; 5—光電轉(zhuǎn)換器; 6—換向器殼體;7—步進(jìn)電機(jī)及轉(zhuǎn)軸; 8—計(jì)量腔; 9—分流腔; 10—計(jì)量罐

旋轉(zhuǎn)分流結(jié)構(gòu)的同向型換向器工作原理為:

1) 控制步進(jìn)電機(jī)及轉(zhuǎn)軸7旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)分流器旋轉(zhuǎn),使分流腔9的進(jìn)水口對(duì)準(zhǔn)換向器殼體6右側(cè)分流通道出水口;噴嘴1噴出的水流先后經(jīng)由水平分流器3右側(cè)分流通道和換向器殼體6右側(cè)分流通道進(jìn)入分流腔9,并經(jīng)由分流腔9進(jìn)入循環(huán)水池。

2) 換向器換入,控制氣動(dòng)執(zhí)行器2拖動(dòng)水平分流器3水平右移,使水平分流器3左側(cè)分流通道對(duì)準(zhǔn)噴嘴1,噴嘴1噴出的水流先后經(jīng)由水平分流器3左側(cè)分流通道和換向器殼體6左側(cè)分流通道進(jìn)入計(jì)量腔8,并經(jīng)由計(jì)量腔8進(jìn)入計(jì)量罐10。在水平分流器3水平右移同時(shí),通過(guò)安裝在水平分流器3上的導(dǎo)桿帶動(dòng)換向擋板4右移,并與光電轉(zhuǎn)換器5配合產(chǎn)生一個(gè)光電脈沖信號(hào),控制計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。

3) 控制步進(jìn)電機(jī)及轉(zhuǎn)軸7旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)分流器旋轉(zhuǎn)1/4圓周,使分流腔9由換向殼體6右側(cè)分流通道下方轉(zhuǎn)出,而計(jì)量腔8轉(zhuǎn)入到同時(shí)位于殼體6左側(cè)和右側(cè)分流通道下方。

4) 控制氣動(dòng)執(zhí)行器2拖動(dòng)水平分流器3水平左移,使水平分流器3右側(cè)分流通道對(duì)準(zhǔn)噴嘴1,噴嘴1噴出的水流先后經(jīng)由水平分流器3右側(cè)通道和換向器殼體6右側(cè)分流通道進(jìn)入計(jì)量腔8,并經(jīng)由計(jì)量腔8進(jìn)入計(jì)量罐9。在水平分流器3水平左移同時(shí),通過(guò)安裝在水平分流器3上的導(dǎo)桿帶動(dòng)換向擋板4左移,并與光電轉(zhuǎn)換器5配合產(chǎn)生一個(gè)光電脈沖信號(hào),但該脈沖不作為計(jì)時(shí)器控制脈沖,計(jì)時(shí)器繼續(xù)計(jì)時(shí)。

5) 控制步進(jìn)電機(jī)及轉(zhuǎn)軸7旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)分流器再次同向旋轉(zhuǎn)1/4圓周,使分流腔9的進(jìn)水口對(duì)準(zhǔn)換向器殼體6左側(cè)分流通道出水口;噴嘴1噴出的水流仍先后經(jīng)由水平分流器3右側(cè)分流通道和換向器殼體6右側(cè)分流通道進(jìn)入計(jì)量腔8,并經(jīng)由計(jì)量腔8進(jìn)入計(jì)量罐9。

6) 換向器換出,控制氣動(dòng)執(zhí)行器2拖動(dòng)水平分流器3水平右移,使水平分流器3左側(cè)分流通道對(duì)準(zhǔn)噴嘴1,噴嘴1噴出的水流先后經(jīng)由水平分流器3左側(cè)通道和換向器殼體6左側(cè)分流通道進(jìn)入分流腔9,并經(jīng)由分流腔9流入循環(huán)水池。在水平分流器3水平右移同時(shí),通過(guò)安裝在水平分流器3上的導(dǎo)桿帶動(dòng)換向擋板4右移,并與光電轉(zhuǎn)換器5配合產(chǎn)生一個(gè)光電脈沖信號(hào),控制計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí),至此一個(gè)同向換向過(guò)程結(jié)束。

2.2 流量測(cè)量模型

換向過(guò)程對(duì)應(yīng)的流經(jīng)計(jì)量腔-分流腔的瞬時(shí)流量隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。

圖2 換向器換向過(guò)程中流量-時(shí)間曲線Fig.2 Flow-time curve of the unidirectional diverter during diverting process

圖2中,f1(t)為換向器換入時(shí)流經(jīng)計(jì)量腔的瞬時(shí)流量變化曲線,f2(t)為換向器換出時(shí)流經(jīng)分流腔的流量變化曲線,t11為換向器開(kāi)始換入對(duì)應(yīng)的時(shí)刻,t12為換向器換入時(shí)換向擋板與光電轉(zhuǎn)換器配合產(chǎn)生觸發(fā)脈沖并控制計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)的時(shí)刻,t13為換向器完全換入的時(shí)刻,t21為換向器開(kāi)始換出時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻,t22為換向器換出時(shí)換向擋板與光電轉(zhuǎn)換器配合產(chǎn)生觸發(fā)脈沖并控制計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)的時(shí)刻,t23為換向器完全換出對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。

由于換向器換入-換出同向,且脈沖觸發(fā)位置、用于時(shí)間累積的計(jì)時(shí)器及拖動(dòng)水平分流器移動(dòng)的氣動(dòng)執(zhí)行器均相同,故在氣源壓力和噴嘴噴出的水流量不變條件下(保證換向動(dòng)作的重復(fù)性),可以得到:

(1)

(2)

(3)

由于噴嘴噴出的水流在換向過(guò)程中不變,因此表示噴嘴流量大小的線段BE及其反向延長(zhǎng)線BA為平行于時(shí)間軸t的直線,再結(jié)合式(1)可得到,ABt13t12和DEt23t22均為矩形,且全等,即:

SABt13t12=SDEt23t22

(4)

式中:SABt13t12表示t12到t13時(shí)間段內(nèi)流入計(jì)量罐和循環(huán)水池的總累積水量;SDEt23t22表示t22到t23時(shí)間段內(nèi)流入計(jì)量罐和循環(huán)水池的總累積水量。

根據(jù)式(3)和式(4)可以得到:

(5)

SABF=SDEG

(6)

式中:SABF表示t12到t13時(shí)間段內(nèi)流入循環(huán)水池的累積水量;SDEG表示t22到t23時(shí)間段內(nèi)流入計(jì)量罐的累積水量。

實(shí)際工作時(shí),利用水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置得到的標(biāo)準(zhǔn)流量q是t11到t23時(shí)間段內(nèi)流入計(jì)量罐的累積水量與時(shí)間差t22-t12的比值,即:

(7)

式中，SBCt21t13為t13到t21時(shí)間段內(nèi)流入計(jì)量罐的累積水量。

將式(2)和式(6)代入式(7),得:

(8)

由流量測(cè)量模型的推導(dǎo)結(jié)果可以看出,新研制換向器在換向過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了換入-換出同向,在保證噴嘴流量大小、計(jì)時(shí)器和氣動(dòng)執(zhí)行器重復(fù)性不變的條件下,得到的標(biāo)準(zhǔn)流量大小不再受光電脈沖觸發(fā)位置、噴嘴流速分布結(jié)構(gòu)、換入-換出時(shí)間長(zhǎng)短等的影響,較好地解決了換入-換出不同向換向器帶來(lái)的測(cè)量誤差問(wèn)題。

3 實(shí)驗(yàn)裝置及條件

為了驗(yàn)證流量模型及更深入地研究同向換向器在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置應(yīng)用中的計(jì)量性能,對(duì)新研制的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的同向換向器在如圖3所示的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為水。實(shí)驗(yàn)條件為:管道內(nèi)徑50 mm;穩(wěn)壓裝置的壓力為0.4 MPa;實(shí)驗(yàn)溫度為常溫;水的密度為996.9 kg/m3。

圖3 水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置原理圖Fig.3 Schematic diagram of waterflow standard facilitity1—循環(huán)水池; 2—水泵; 3—開(kāi)關(guān)閥; 4—穩(wěn)壓裝置; 5—開(kāi)關(guān)球閥; 6—渦輪流量計(jì); 7—夾緊裝置; 8—開(kāi)關(guān)閥; 9—流量調(diào)節(jié)閥; 10—指示流量計(jì); 11—同向換向器; 12—計(jì)量罐; 13—電子稱(chēng); 14—排水蝶閥

實(shí)驗(yàn)時(shí),水流由水泵導(dǎo)入穩(wěn)壓裝置,經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓裝置穩(wěn)定后的水流經(jīng)過(guò)一個(gè)足夠長(zhǎng)的前直管段；然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段,在實(shí)驗(yàn)段安裝有性能穩(wěn)定的渦輪流量計(jì),水流經(jīng)渦輪流量計(jì)測(cè)量后再經(jīng)過(guò)1個(gè)足夠長(zhǎng)的后直管段后進(jìn)入背壓管,并由背壓管上安裝的參考流量計(jì)對(duì)流過(guò)的水流進(jìn)行流量測(cè)量指示；經(jīng)過(guò)流量測(cè)量指示后的水流再流入新研制的換向器,由換向器將水流在計(jì)量罐和循環(huán)水池之間進(jìn)行切換,實(shí)現(xiàn)裝置中水流的同向換向。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 流量測(cè)量重復(fù)性

設(shè)q1、q2、…、qn為一組流量值，n≥3，則該組測(cè)量值的平均值為:

(9)

根據(jù)貝塞爾公式,可以得到該組流量值的重復(fù)性為:

(10)

4.2 新型換向器流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)

在不同的流量下,分別進(jìn)行了光電脈沖觸發(fā)位置影響、噴嘴流速分布影響及換入-換出時(shí)間影響實(shí)驗(yàn)。其中,光電脈沖觸發(fā)位置影響實(shí)驗(yàn)流量為24 m3/h,如圖1所示將光電脈沖觸發(fā)位置分別置于換向器換入(或換出)行程中心(圖1中B)、行程中心左側(cè)距離行程中心L/4(圖1中A)及行程中心右側(cè)距離行程中心L/8(圖1中C)位置處,得到了3組對(duì)應(yīng)位置處的流量測(cè)量值;噴嘴流速分布影響實(shí)驗(yàn)流量為32 m3/h,采用改變噴嘴面積結(jié)構(gòu)來(lái)改變流速分布的方式,得到了2組不同流速分布下的流量測(cè)量值;換入-換出時(shí)間影響實(shí)驗(yàn)流量為64 m3/h,采用改變換入-換出時(shí)間的方式,得到了2組不同換入-換出時(shí)間長(zhǎng)度的流量測(cè)量值。

根據(jù)各組流量測(cè)量值,再結(jié)合式(9)和式(10)可以計(jì)算每組的流量測(cè)量平均值及重復(fù)性,結(jié)果如表1、表2和表3所示。

生長(zhǎng)發(fā)育是一個(gè)連續(xù)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，了解增長(zhǎng)的速度有時(shí)比絕對(duì)身高更為重要，更容易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。如果兒童每年的增長(zhǎng)速度低于正常應(yīng)有增長(zhǎng)值的70%，或生長(zhǎng)曲線逐漸變平，都需要找醫(yī)生查原因。

表1 光電觸發(fā)位置影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results influenced by photoelectric trigger position

表2 噴嘴流速分布影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results influenced by velocity profile

表3 換入-換出時(shí)間影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results influenced by diverting time

1) 如表1所示,不同的光電脈沖觸發(fā)位置時(shí)得到的各組流量平均值分別為:24.962,24.964,24.956 m3/h,各組平均值之間差值較小,最大差值為0.008 m3/h,說(shuō)明不同光電脈沖觸發(fā)位置對(duì)流量測(cè)量值的影響較小。得到的各組流量測(cè)量值的重復(fù)性分別為:0.023%、0.028%、0.028%,各組的組內(nèi)重復(fù)性均較小,說(shuō)明光電脈沖觸發(fā)位置固定在在任一位置時(shí),換向器均具有較好的測(cè)量重復(fù)性;各組間重復(fù)性差值也較小,最大差值為0.005%,說(shuō)明不同脈沖觸發(fā)位置對(duì)換向器的測(cè)量重復(fù)性影響也較小。

2) 如表2所示,噴嘴結(jié)構(gòu)面積由3.4×10-3m2變?yōu)?.0×10-3m2時(shí),同一流量下噴嘴中的水流速度由2.61 m/s變?yōu)?.44 m/s,實(shí)現(xiàn)了變噴嘴結(jié)構(gòu)面積法對(duì)同一流量下的噴嘴流速分布的改變。每一結(jié)構(gòu)面積噴嘴測(cè)量得到的平均流量分別為32.081 m3/h、32.092 m3/h,2組平均流量值相差較小,差值為0.011 m3/h,說(shuō)明流速分布對(duì)同向換向器影響較小;每一結(jié)構(gòu)面積噴嘴對(duì)應(yīng)的流量測(cè)量重復(fù)性分別為0.039%和0.034%,兩組測(cè)量值的組內(nèi)重復(fù)性均較小,說(shuō)明在同一換向過(guò)程中流速分布不變時(shí),換向器具有較好的重復(fù)性;兩組測(cè)量值的組間重復(fù)性相差也較小,差值為0.005%,說(shuō)明不同的流速分布(但應(yīng)保持同一換向過(guò)程中流速分布不變)對(duì)同向換向器產(chǎn)生影響較小。

3) 結(jié)合圖2,定義同一個(gè)換向過(guò)程中換向器換入開(kāi)始計(jì)時(shí)時(shí)刻t12至換向器換出停止計(jì)時(shí)時(shí)刻t22之間的時(shí)間長(zhǎng)度為換入-換出時(shí)間。如表3所示,換入-換出時(shí)間為35.2 s、70.8 s時(shí),對(duì)應(yīng)的流量測(cè)量平均值分別為63.797 m3/h和63.801 m3/h,兩組流量平均值相差較小,差值為0.004 m3/h,說(shuō)明換入-換出時(shí)間對(duì)流量測(cè)量值產(chǎn)生影響的影響較小;對(duì)應(yīng)時(shí)間下的兩組流量測(cè)量值的重復(fù)性分別為0.020%和0.018%,兩組測(cè)量值的組內(nèi)重復(fù)性均較小,說(shuō)明換向器具有較好的測(cè)量重復(fù)性;兩組測(cè)量值的組間重復(fù)性相差也較小,差值為0.002%,說(shuō)明換入-換出時(shí)間對(duì)換向器的測(cè)量重復(fù)性影響較小。

4) 根據(jù)光電脈沖位置影響、噴嘴流速分布影響及換入-換出時(shí)間影響實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果可以得到如下結(jié)論:新研制同向換向器不再受光電脈沖觸發(fā)位置、噴嘴流速分布結(jié)構(gòu)、換入-換出時(shí)間長(zhǎng)短等的影響。該結(jié)論對(duì)理論模型起到了很好地支撐作用,能夠解決不同向開(kāi)式換向器帶來(lái)的測(cè)量誤差問(wèn)題。

5 結(jié) 語(yǔ)

在分析新研制同向換向器結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上,建立了同向換向器流量測(cè)量模型,分析了同向換向器光電脈沖觸發(fā)位置、噴嘴流速分布及換入-換出時(shí)間等因素對(duì)流量測(cè)量的影響,并在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上對(duì)這些影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:新研制同向換向器由于實(shí)現(xiàn)了換入-換出同向,用于水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行流量測(cè)量時(shí),不再受光電脈沖觸發(fā)位置、噴嘴流速分布結(jié)構(gòu)、換入-換出時(shí)間長(zhǎng)短等的影響,能夠解決換入-換出不同向換向器帶來(lái)的測(cè)量誤差問(wèn)題。