基于換入換出同向方法的開式換向器設計及不確定度評定方法研究

馬龍博，鄭建英，趙建亮

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

(浙江省計量科學研究院，杭州 310013)

0 引言

開式換向器是液體流量標準裝置的重要組成部分，是影響裝置計量準確度最關鍵的部件之一，其工作質量的好壞將直接影響裝置計量準確度高低。目前，水流量標準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點是對管道中的水流不產生擾動，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，這種分布不均勻將會使得換入/換出不同向換向器在換入/換出時間段內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間的方法來解決，而采用此方法又會造成檢定時間過長(一般檢定時間不低于60s)，工作效率低的問題，更重要的是在對大口徑的流量儀表進行檢定時，增加檢定時間的同時，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位置問題，由于不同流量時，換向器噴嘴的流速分布也不同，如果將脈沖觸發位置根據某一流量下的流速分布調整并置于一固定位置處，則在該流量下換向器引起的不確定度將會較小，而在其它流量下，流速分布及脈沖觸發位置導致換向器的不確定度會大大增加，根據不同流量不斷調整脈動觸發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關鍵因素；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，因此非常有必要對開式換向器進行研究，克服換入/換出不同向開式換向器存在的缺點。

在對換向器的研究方面，國內外學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/換出時向同一方向運行兩次，實現了換入/換出同向，這種運行方式改善了換入/換出不同向換向器換入/換出時向不同方向運行的弊端，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，但是換向時較難保證在相同狀態下向同一方向運行兩次，因而也具有一定局限性；Poeschel[2]等通過仿真設計出了一種特殊形狀的換向器進水管道（一般進水管道為封閉圓管）及高精度的電子轉換裝置，同時通過改變換向器工作時噴嘴的寬度，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現換向器的的準確度的提高，需要換向器在每一流量點下都要改變噴口的大小，這種噴口大小的改變，實現起來相對比較困難，因而具有一定的局限性；王家宜[3]發明了一種液體流量換向器，該換向器噴嘴上置有一個變噴嘴面積機構，使得換向時液體流速恒定，這種換向器雖然保證了換向時液體流速恒定，但是并沒有考慮液體流經換向器進水管然后流入換向器噴口時的流速分布，因而換向時仍然會產生較大的不確定度；Doihara[4]等研制了一種換入/換出同向的旋轉型換向器，該型換向器換向時通過向同一方向旋轉兩次實現了換入/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構原因，導致其只能應用在口徑較小，流速不高的場合；宗艷[5]發明了一種液體流量標準檢定裝置的換向器，它是在現有換向器氣缸的活塞桿上連接一個副氣缸，副氣缸的活塞桿與套筒上的連桿連接帶動套筒轉動，通過主氣缸和副氣缸的活塞桿的伸縮配合，使出水嘴進行三工位擺動，由于該換向裝置是在傳統單分流器換向裝置的基礎上對噴嘴進行的改進，因而其不確定度將與原換向裝置相比較，不會有所改善；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，因此需要對新型換向器展開研究，以滿足高準確度液體流量標準裝置的要求。

為更好的解決目前開式換向器中存在的問題，本文在總結前人研究的基礎上提出并研制了一種換入/換出同向換向器，該型換向器結構簡單、易于實現，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了，給出了新研制換向器換向流量數學模型，并對新研制開式換向器進行了不確定度評定。

1 換入/換出同向換向器設計

圖1是換入/換出不同向換向器的結構圖，主要包括：噴嘴、分流器、換向器殼體、換向器計時導桿、光電轉換器、氣動執行機構。

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上，增加一個分流器（該分流器稱為第二分流器）組成的，該型換向器結構如圖2所示。

圖1 換入/換出不同向換向器結構示意圖

圖2 換入/換出同向換向器結構示意圖

由圖2可以看出，新增加的第二分流器由三個分流腔構成，分別是第一分流腔、計量腔和第二分流腔。

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并通過第一導引管211進入第一換向流道31；

2）水平移動第二分流器6，使第一換向流道31的出水口對準第二分流器6的第一分流腔61的進水口且第二換向流道32的出水口對準第二分流器6的計量腔63的進水口，第一換向流道31內的水流由此經第一分流腔61流入循環水池；

3）水平移動第一分流器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并通過第二導引管222及第二換向流道32流入第二分流器6的計量腔63，再由計量腔63底部的出水口進入工作量器；在第一分流器2水平移動的同時，該第一分流器2帶動換向器計時導桿4運動，使換向器計時導桿4與光電轉換器5配合輸出一脈沖信號以控制計時器開始計時；

4）水平移動第二分流器6，使第一換向流道31的出水口對準計量腔63的進水口；

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

6）水平移動第二分流器6，使第二換向流道32的出水口對準第二分流器6的第二分流腔62的進水口；

7）水平移動第一分流器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，再流入循環水池；在第一分流器2水平移動的同時帶動換向器計時導桿4運動，使換向器計時導桿4與光電轉換器5配合輸出一脈沖信號以控制計時器停止計時。

根據上述工作原理可得到新研制換向器的換向流量數學模型如圖3所示：

圖3 換入/換出同向開式換向器換向流量數學模型

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階段：1）t0-t10階段，在該階段換向器開始由旁通管向計量罐換入，噴嘴噴出的水流由旁通管逐漸流入計量罐，此時計時器并未計時，該過程流入計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，計時器開始由t10時刻計時，噴嘴噴出水流逐漸完全流入計量罐，該過程流入計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束，噴嘴噴出的水流完全進入計量罐，計時器接續t10-t20階段繼續進行連續的計時，該過程流入計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量罐向旁通管換出，噴嘴噴出的水流由計量罐逐漸流入旁通管，計時器接續t20-t30階段繼續進行連續的計時，該過程流入計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量罐向旁通管完全換出，計時器在時刻t40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，計時時間段為t10-t40，由此可以得到新研制換向器換向周期內的平均流量為q=Q/(t40-t10)。同樣的，可以得到管道中的實際流量為：q1=(B+C+G+D+E)/(t40-t10)。

根據新研制換向器的換向過程可以看出，新研制換向器的整個換向過程可以分為換入和換出兩個過程，這兩個過程為方向相同的過程，因此該型換向器換向的整個過程中換入/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時換入/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的形狀和結構是相同的，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的流量和管道中的實際流量等，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定

由前述分析可以知道，換入/換出換向器檢定流量計時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現，對使用該型換向器檢定流量計時，能夠對檢定流量產生誤差的因素主要是換向器換入和換出的重復性。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性和換出時的重復性引入的A類不確定度。

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

表1 換入/換出同向換向器換入時間和換出時的時間數據

根據表2給出的數據可以分別計算得到換入/換出同向換向器換入時間和換出時間的平均值分別為：

則換入/換出同向換向器的A類標準不確定度為：

式中，ur(t1)為換向器換入重復性引入的不確定度。

式中，ur(t2)為換向器換出重復性引入的不確定度。

相對合成標準不確定度為：

式中，ur(t)為換向器的A類合成標準不確定度。

擴展不確定度為：

根據換入/換出同向換向器不確定度評定結果可以看出，該型換向器對裝置引入的擴展不確定度不超過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，能夠滿足液體流量標準裝置中水流換向的要求。

3 結論

本文在分析和研究現有各種換向器設計方法及存在的優缺點基礎上，按照同向換入/換出的基本思想，設計了一種基于同向換入/換出原理的開式換向器。該型換向器具有結構簡單易于實現、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；在分析新研制換向器工作原理的基礎上，建立了新研制換向器換向流量數學模型，并對新研制開式換向器進行了不確定度評定。結果表明，新研制換向器對裝置引入的擴展不確定度不超過0.01%，能較好克服了換入/換出不同向換向器的缺點，滿足液體流量標準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.

[2] W. Poeschel,R. Engel,D. Dopheide,et al. A Unique Fluid Diverter Design for Water Flow Calibration Facilities,Proceedings of the 10th International Conference on Flow Measurement(FLOMEKO 2000),Salvador,June5-8,2000.

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

[4] R. Doihara,T. Shimada,Y. Terao,et al. Development of Weighing Tank System Employing Rotating Double Wing Diverter,Flow Meas. Instrum.,17(2006)141-152.

[5] 宗艷.液體流量標準檢定裝置的換向器[P].200620093386.6.