液體流量標準裝置中開式換向器測量誤差實驗研究

馬龍博 鄭建英 趙建亮

(浙江省計量科學研究院，浙江 杭州 310013)

液體流量標準裝置中開式換向器測量誤差實驗研究

馬龍博 鄭建英 趙建亮

(浙江省計量科學研究院，浙江 杭州 310013)

針對液體流量標準裝置中開式換向器對流量測量帶來的誤差問題，分析了開式換向器換入/換出時間差作為換向器不確定度來源的不合理性。根據開式換向器實際工作時換向擋板與計時器配合的實際情況，提出將換向擋板位置作為換向器的一個不確定度來源，并采用改變換向擋板位置的方法進行了試驗驗證，試驗流量為14.0 m3/h。結果表明，提出將換向擋板位置作為換向器的一個不確定度來源是合理的。

液體流量標準裝置 換向器 流量測量 不確定度 測量誤差 流量模型

0 引言

開式換向器是液體流量標準裝置中的重要部件，一般將換向器換入/換出行程差(換入/換出時間之差)、換入/換出重復性誤差作為換向器的主要不確定度來源[1～8]。

通常情況下，調整換向器繼電器換入和換出排氣口大小可將換入/換出行程差逐漸縮小直至接近于零。實際使用中，換向器引入的不確定度仍然較大(即使在換入/換出重復性引入的不確定度很小的情況下)。因此，將換入/換出行程差作為換向器的一個不確定度來源還存在一定缺陷，有必要對換向器不確定度來源進行重新深入研究。

本文首先提出換向擋板在換入/換出行程上的位置作為開式換向器的一個不確定度來源，并對換向擋板位置變化在流量測量中引入的測量誤差進行了試驗研究，取得了較好的研究結果。

1 換向速度對不確定度影響

1.1 開式換向器結構

開式換向器的結構圖如圖1所示。

圖1 開式換向器結構圖

當氣動執行機構推動分流器由左側向右側移動時，噴嘴噴出的水流由旁通管流入工作量器，稱為開式換向器換入，并將右側稱為換入側。當氣動執行機構推動分流器由右側向左側移動時，噴嘴噴出的水流由工作量器流入旁通管，稱為開式換向器換出，并將左側稱為換出側。氣動執行機構推動分流器分別向右側、向左側移動一次即可完成一個換入/換出換向周期。

1.2 對應的換向流量模型

假定換向擋板位于換入/換出行程的中間位置，換向器噴嘴流速分布是均勻的，則開式換向器的一個換入/換出換向周期對應的原理性換向流量數學模型如圖2所示。

圖2 開式換向器換向流量模型

由圖2可以看出，開式換向器的換入/換出過程可以包括如下幾個階段。

①t0～t10階段，在該階段換向器開始換入，噴嘴噴出的水流由旁通管逐漸流入工作量器。此時計時器并未計時。該過程流入工作量器的水的累積量用A表示。

②t10～t20階段，在該階段換向器逐漸完全換入，計時器由t10位置處開始計時，噴嘴噴出水流逐漸完全流入工作量器。該過程流入工作量器的水流累積量用B表示。

③t20～t30階段，在該階段由噴嘴噴出的水流完全進入工作量器，計時器接續t10～t20階段繼續進行連續計時。該過程流入工作量器的水流累積量用G表示。

④t30～t40階段，在該階段換向器開始換出，噴嘴噴出的水流由工作量器逐漸流入旁通管，計時器接續t20～t30階段繼續進行連續的計時，該過程流入工作量器的水流累積量用E表示。

⑤t40～t50階段，在該階段換向器逐漸完全換出，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。該過程流入工作量器的水流累積量用F表示。

根據對換向器換入/換出換向周期的分析可以看出，該換向周期中既包括換向計時部分，也包括換向不計時部分。因此本文定義換向計時部分為換向器換入/換出計時周期。該周期包括換向器換入時間T1(即圖2所示中的t10～t20)和換出時間T2(即圖2所示中的t30～t40)，一般情況下，可通過調整換向器繼電器排氣孔將T1和T2調整到非常接近的數值，即T1≈T2。

同時,根據對換向器換入/換出過程的分析知道，在換向器換向的整個換入/換出過程中，實際流入工作量器的水流累積量為Q=A+B+G+E+F，計時時間段為t10～t40。因此可以得到換向器換向周期內的平均流量為q=Q/(t40-t10)。該流量即是通常采用的標準裝置的實際流量。

理論上，管道中的標準流量應該為：q1=(B+C+G+D+E)/(t40-t10)。圖2所示流量模型中，A和C、D和F是對稱的，故A=C，D=F，因此有：A+B+G+E+F=B+C+G+D+E，即A+F=C+D，所以Q=B+C+G+E+D，q=q1。由此看出，在換向擋板位于換入/換出行程的中心，噴嘴流速分布均勻的假設下，通常采用的標準裝置的實際流量與理論上的標準流量是相等的。

1.3 換向速度對不確定度影響

為了更好地研究開式換向器換入/換出速度對開式換向器不確定度的影響，假定換向擋板位于換入/換出行程中心位置，換向器噴嘴處水流的流速分布是均勻的，調整換向器換入速度為換出速度的1/l，則換向器的流量模型可由圖3來表示。由于換入速度為換出速度的1/l，則換入時間變為換出時間的l倍，即lT1≈T2，且lT1和T2分別對應于圖3中的t10～t20和t30～t40。

圖3 調整速度后的換向器流量模型

由圖3可得到以下結論。

① 因換向器換出速度未變化，故換向器換出時的流量模型與圖2相比未發生變化。

② 因換入速度變慢，導致了換入時間變長，即換入時間變為調整換入速度前的l倍，這一變化直接影響A、B和C增大。

③ 盡管A、B和C增大，但A與C仍是對稱的，故A=C,進而可知q=q1仍然成立。由此看出q與q1的等量關系不隨換向器換入速度的變化而變化，也就是不隨換入時間的變化而變化。同樣的，q與q1的等量關系不隨換向器換出速度的變化而變化，也就是不隨換出時間的變化而變化。

④ 調整換向器換出速度為換入速度的1/l，可得到與上述分析相同的結論。

⑤ 根據上述分析可以知道，換向器換向對裝置帶來的誤差與換向器換入、換出時間無關，因此以換向器換入/換出時間之差作為換向器的一個不確定度來源是不合理的。

為了更好地研究換向器帶來的不確定度，本文提出了換向擋板位置作為開式換向器的一個主要來源，并進行了誤差試驗研究。

2 試驗裝置及條件

為驗證“換向擋板位置為開式換向器的一個主要來源”，本文對開式換向器換向擋板位置改變時帶來的測量誤差進行了試驗。試驗裝置示意圖如圖4所示，主要由動力設備、水源穩壓設備、標準流量計，前直管段、試驗段、后直管段、背壓管段、開式換向器及工作量器等九部分組成。試驗工質為水，試驗中水由水泵導入水源穩壓裝置，經過穩壓裝置穩定后，經過一個足夠長的直管段，進入試驗段，再經過一個足夠長的后直管段及背壓管段，通過雙分流器開式換向器進入稱重量器。在試驗段安裝有被檢電磁流量計，準確度等級為0.5級，具有脈沖輸出。試驗管路內徑D=50 mm，水的密度為998 kg/m，試驗溫度為常溫。

圖4 試驗裝置示意圖

3 試驗結果分析

采用改變開式換向器換向擋板位置的方法，在流量為14 m3/h條件下，對換向擋板分別位于換入側與換入/換出行程中心的距離為1/4×換入/換出行程、換出側與換入/換出行程中心的距離為1/4×換入/換出行程及換向器換入/換出行程中心位置時，換向器引入的流量測量誤差進行了試驗，結果如表1所示。

表1 換向擋板位置改變的試驗結果

由表1可得到以下結論。

① 換向擋板位于換入側與換入/換出行程中心的距離為1/4×換入/換出行程時，開式換向器對電磁流量計進行檢定試驗的平均相對誤差為0.84%。換向擋板換出側與換入/換出行程中心的距離為1/4×換入/換出行程時，開式換向器對電磁流量計進行檢定試驗時的平均相對誤差為0.24%。換向擋板位于換向器換入/換出行程中心位置時，開式換向器對電磁流量計進行檢定試驗時的平均相對誤差為0.49%。上述情況說明，開式換向器對流量計進行檢定試驗時，換向擋板的位置將會對流量計相對示值誤差產生較大影響。位于換入側時，檢定試驗得到的流量計相對示值誤差將會增大;位于換出側時，檢定試驗得到的流量計相對示值誤差將會減小。

② 流速分布不均勻可以等同為換向擋板位置的改變。因此,流速分布不均勻時，開式換向器同樣會對被檢定流量計計量性能造成較大的影響。

③ 根據表1中給出的換向擋板位于不同位置時檢定得到的流量計平均相對誤差，并以換向擋板位于換入/換出中心位置時為基數(即為零)，可以計算得到換向擋板分別位于換入側與換入/換出行程中心的距離為1/4×換入/換出行程、換出側與換入/換出行程中心的距離為1/4×換入/換出行程及換向器換入/換出行程中心位置時換向器引入的誤差,如表2所示。

表2 換向器引入的誤差

由表2可以看出,換向擋板位于換入側與換入/換出行程中心的距離為1/4×換入/換出行程距離時，試驗得到的換向器引入的誤差和理論計算得到的換向器引入的誤差分別為0.35%和0.29%。這一情況說明換向擋板位置是導致換向器帶來測量誤差的一個重要因素，驗證了本文提出的換向擋板位置為開式換向器不確定度的一個主要來源。

4 結束語

本文在分析和研究目前液體流量標準裝置中開式換向器不確定度評定方法存在的局限性的基礎上，分析了開式換向器換入/換出時間差作為換向器不確定度來源的不合理性。

本文根據開式換向器實際工作時換向擋板與計時器實際配合情況，提出將換向擋板位置作為換向器不確定度的一個不確定度來源，并進行了試驗驗證。試驗結果表明，本文提出的換向擋板位置作為換向器不確定度的一個不確定度來源是合理的，具有很好的推廣應用價值。

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Experimental Research on the Measurement Error Caused by Open Type Commutator in the Liquid Flow Calibration Facilities

In liquid flow standard facilities, the open type commutators may cause error in flow measurement, aiming at this problem, the unreasonableness of considering the time difference between IN/OUT of the open type commutator as a source of uncertainty of the commulator is analyzed. In accordance with the practical coordination situation of the damper and timer in commutator while operating, the concept of considering the position of damper as a source of uncertainty is proposed, and the experimental verification by using the method of changing damper position is conducted under the flow rate of 14.0 m3/h. The result indicates that the concept proposed is reasonable.

Liquid flow calibration facilities Commutator Flow measurement Uncertainty Measurement error Flow model

浙江省質量技術監督系統重大基金資助項目(編號：20100103)。

馬龍博(1975-)，男，2007年畢業于浙江大學控制科學與工程專業，獲博士學位，高級工程師；主要從事流量計量技術方面的研究。

TH71/89

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504016

修改稿收到日期：2014-10-08.