基于電磁閥的小流量換向器修正方法研究

張永勝，于華偉，張毅治

(航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京 100095)

0 引言

液體流量標準裝置作為流量參數量值統一與傳遞的標準[1-2]，能夠為液體流量計的量值傳遞準確、統一提供重要保證；液體流量標準裝置是對流量計進行型式評價、計量校準的評判準繩。換向器是靜態質量法或容積法流量標準裝置的重要組成部分，是影響裝置準確度的關鍵部件之一。JJG 164-2000《液體流量標準裝置檢定規程》明確指出[3]，換向器的不確定度、衡器(或工作量器)的不確定度、計時器的不確定度是靜態質量法(或容積法)裝置最為主要三項不確定度分量。合理控制換向器引入的不確定度是保證液體流量標準裝置整體性能重要環節。

根據換向器結構形式可分為閉式換向器和開式換向器兩種[4-5]，兩種形式的換向器DN10口徑以上都有較為成熟行業專用產品可供選擇，但在流量小于500 mL/min的微小流量范圍無滿意成熟專用產品。電磁閥作為成熟工業產品，廣泛應用于氣動、液壓、水壓等系統內，用于系統內調整介質的方向、流量、速度和其他的參數。電磁閥具有很高響應速度，響應時間可小于10 ms；二位三通電磁閥和閉式換向器具有相同工作原理[6-7]。研究中采用二位三通電磁閥作為換向器，依據JJG 164-2000《液體流量標準裝置檢定規程》中換向時間檢定方法對電磁閥換向時間差進行了測試評價，并給出換向時間差修正方法降低其引入不確定度。

1 試驗方法

1.1 試驗系統

試驗系統通過壓縮空氣排出壓力容器中的工作介質，圖1是試驗系統示意圖。系統內工作介質為純凈水，壓力容器內注入工作介質，壓縮空氣經過減壓后進入壓力容器形成穩定的壓力，根據要求開啟必要閥門形成回路，利用流量調節閥調節流量。系統內流量計輸出信號為脈沖信號，利用電子天平對流經流量計和電磁閥的介質進行稱量。試驗系統管路內徑約為Ф4 mm，流量范圍是3～600 mL/min，電子天平最大稱量重量為1600 g，分辨力為0.01 g。

試驗系統根據流動方向具有兩種工作狀態，即工作介質由壓力容器1流入壓力容器2(方式一)和由壓力容器2流入壓力容器1(方式二)，根據工作狀態確定開關閥開啟或關閉。方式一：開啟V1，V4，V6，V7，V9(或V10)，關閉V2，V3，V8；方式二：開啟V2，V3，V5，V8，V9(或V10)，關閉V1，V4，V7。

1.2 二位三通電磁閥

研究選用電磁閥是ASCO二位三通電磁閥，電磁閥管徑為1/4吋，內部通徑為4.4 mm。圖2和圖3分別是電磁閥實物圖和結構圖。電磁閥內通孔1與出口1聯通，通孔2與出口2聯通。斷電狀態下，在彈簧作用下密封件2封堵住通孔2，通孔1打開，進口與出口1聯通，斷電狀態下，試驗系統工作介質直接進入回流容器器內；通電狀態，在電磁線圈驅動下動鐵芯，密封件2與通孔2脫離，密封件1封堵住通孔1，使進口和出口2接通，通電狀態下，流體介質流入稱量容器，可由電子天平進行稱重。

圖2 電磁閥實物圖

圖3 電磁閥結構圖

1.3 測試方法

依據JJG 164-2000《液體流量標準裝置檢定規程》中“流量計檢定法”對電磁閥換向時間差進行測量。首先對系統中某支流量計檢定1次，記錄電子天平示值B11、測量時間t11和流量計脈沖數N11；在與t11大致相同的時間內造作電磁閥，使電磁閥換向m(m≥10)次，記錄電子天平示值B21、累積測量時間t21和流量計累積脈沖數N21。完成1次測量。重復進行n次，研究中n=3，記錄B1i，B2i，t1i，t2i，N1i和N2i，則第i次換向時間差Δti可通過式(1)計算。

(1)

通過式(2)、式(3)、式(4)計算換向時間差平均值Δt，A類相對標準不確定度s和B類相對標準不確定度u。A類相對標準不確定度s通過極值法進行計算，研究中取dn=1.69。

(2)

(3)

(4)

2 修正方法研究

2.1 測試結果

研究中在4.5～594 mL/min范圍內對電磁閥換向時間差進行了測量，圖4是電磁閥換向時間差、A類相對標準不確定度及B類相對標準不確定度隨流量變化曲線。電磁閥換向時間差具有以下變化趨勢：①在試驗流量范圍內，換向時間差為負值，且隨著流量變小，換向時間差絕對值增大；②在大于80 mL/min的范圍，換向時間差基本小于0.1 s，變化梯度較小；30～80 mL/min為過渡范圍，變化梯度逐漸增大；在小于30 mL/min范圍內，時間差變化梯度迅速增大，時間差絕對值迅速增加；③在大于200 mL/min范圍內，A類與B類標準不確定度權重接近；在小于200 mL/min范圍內，由于換向時間差變化梯度增大，B類不確定度權重迅速增加；④A類不確定度變化范圍遠小于B類不確定度變化變化范圍，兩類不確定度變化范圍分別是0.01%～0.12%和0.02%～0.45%；⑤B類不確定度與時間差絕度值變化趨勢一致，在大于200 mL/min范圍，B類不確定度不大于0.06%，在小于200 mL/min范圍內，B類不確定度迅速增大，在最小流量點處達到0.45%。

圖4 換向時間差和不確定隨流量變化曲線

試驗中存在排入稱量容器的管路末端懸垂水滴在電磁閥通電瞬間吸回管路的現象，排入稱量容器的管路是與電磁閥出口2連接。水滴吸入管路后經過一段時間δt后，流體介質才會重新流出并進入稱量容器。所經過的時間δt與流量相關，流量越小時間δt越長。出現該現象的原因在于，通電瞬間動鐵芯帶動密封件2高速遠離通孔2，由于流體介質的粘性，導致密封件底部通孔2內流體微團反向流出通孔2，使得通孔2內壓力低于出口2連接管末端的大氣壓，進而使懸垂的水滴反流回管內。動鐵芯動作完成后，經過時間δt后，通過上游流體進行補充，重新建立穩定流場和壓力后，流體再次從出口2連接管中流出。顯然通孔2內流體補充時間導致換向時間差為負值，且該時間隨流量減小而增大。

2.2 修正方法

研究中采用雙指數衰減函數對換向時間差與流量關系進行曲線擬合，雙指數衰減函數由式(5)表示。表2是擬合曲線系數。通過R-square值對擬合度進行評估，擬合優度值約為0.996，擬合結果非常好。圖5是時間差與流量關系擬合曲線圖。

Δt=A1e-q/t1+A2e-q/t2+Δt0 (5)

圖5 換向時間差和流量擬合函數曲線

2.3 修正方法驗證

通過雙指數衰減函數對電磁閥換向時間差進行修正，再次利用流量計檢定方法對電磁閥流量計換向時間差進行測試。圖6是修正后換向時間差和不確定隨流量變化曲線。試驗針對250 mL/min以下流量范圍展開，驗證試驗結果表明，電磁閥換向時間差和B類不確定度大幅度降低。最小流量點5.2 mL/min，換向時間差為0.83 s，B類標準不確定度是0.11%；除去最小流量點，其他各點B類不確定度最大值是0.074%；修正前后A類不確定度無明顯變化。

圖6 修正后換向時間差和不確定隨流量變化曲線

3 結論

研究中對電磁閥在小流量液體流量標準裝置作為換向器的性能進行試驗，并給出了基于雙指數衰減函數時間差修正方法，并對修正方法進行驗證。研究結果表明：當不使用修正方法時根據流量范圍選擇適當口徑和流量系數的電磁閥，可將換向器引入的不確定度控制在較小的范圍內；對于寬流量范圍標準裝置可通過多個電磁閥并聯實現。使用修正方法時采用合理的修正方法可有效減小電磁閥換向時間差，并大幅度降低時間差引入B類不確定度，進而擴展電磁閥適用的流量范圍。