基于换入换出同向方法的开式换向器设计及不确定度评定方法研究

马龙博，郑建英，赵建亮

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

(浙江省计量科学研究院，杭州 310013)

0 引言

开式换向器是液体流量标准装置的重要组成部分，是影响装置计量准确度最关键的部件之一，其工作质量的好坏将直接影响装置计量准确度高低。目前，水流量标准装置中使用的换向器主要是换入/换出不同向的开式换向器，该型换向器最大的优点是对管道中的水流不产生扰动，但在使用中仍存在一些问题：1)喷嘴喷出的水流流速分布不均匀问题，这种分布不均匀将会使得换入/换出不同向换向器在换入/换出时间段内引起的装置不确定度增大，为减小这种不确定度，一般采用增加检定时间的方法来解决，而采用此方法又会造成检定时间过长(一般检定时间不低于60s)，工作效率低的问题，更重要的是在对大口径的流量仪表进行检定时，增加检定时间的同时，还必须增大工作量器的容积来容纳更多的累积水量，而增大工作量器的容积则需要加大工作量器体积，加大工作量器的体积又会造成工作量器占用的空间过大；2)换入/换出不同向开式换向器的脉冲触发位置问题，由于不同流量时，换向器喷嘴的流速分布也不同，如果将脉冲触发位置根据某一流量下的流速分布调整并置于一固定位置处，则在该流量下换向器引起的不确定度将会较小，而在其它流量下，流速分布及脉冲触发位置导致换向器的不确定度会大大增加，根据不同流量不断调整脉动触发位置的方式又不具有可行性，因此这一问题也是影响换向器不确定度的一个关键因素；通过以上分析知道，换入/换出不同向开式换向器在使用中仍存在一些问题，因此非常有必要对开式换向器进行研究，克服换入/换出不同向开式换向器存在的缺点。

在对换向器的研究方面，国内外学者做了大量的研究工作，Shimada[1]等通过分析换入/换出不同向换向器换向的不足，研制了一种换入/换出同向的换向器，该换向器换入/换出时向同一方向运行两次，实现了换入/换出同向，这种运行方式改善了换入/换出不同向换向器换入/换出时向不同方向运行的弊端，降低了换向器的不确定度，这种换向方式尽管使得换向器的换向不确定度减小了，但是换向时较难保证在相同状态下向同一方向运行两次，因而也具有一定局限性；Poeschel[2]等通过仿真设计出了一种特殊形状的换向器进水管道（一般进水管道为封闭圆管）及高精度的电子转换装置，同时通过改变换向器工作时喷嘴的宽度，大大提高了换向器的性能，减小了不确定度，然而通过这种方式来实现换向器的的准确度的提高，需要换向器在每一流量点下都要改变喷口的大小，这种喷口大小的改变，实现起来相对比较困难，因而具有一定的局限性；王家宜[3]发明了一种液体流量换向器，该换向器喷嘴上置有一个变喷嘴面积机构，使得换向时液体流速恒定，这种换向器虽然保证了换向时液体流速恒定，但是并没有考虑液体流经换向器进水管然后流入换向器喷口时的流速分布，因而换向时仍然会产生较大的不确定度；Doihara[4]等研制了一种换入/换出同向的旋转型换向器，该型换向器换向时通过向同一方向旋转两次实现了换入/换出同向，降低了换向器换向引入的不确定度，然而由于该型换向器结构原因，导致其只能应用在口径较小，流速不高的场合；宗艳[5]发明了一种液体流量标准检定装置的换向器，它是在现有换向器气缸的活塞杆上连接一个副气缸，副气缸的活塞杆与套筒上的连杆连接带动套筒转动，通过主气缸和副气缸的活塞杆的伸缩配合，使出水嘴进行三工位摆动，由于该换向装置是在传统单分流器换向装置的基础上对喷嘴进行的改进，因而其不确定度将与原换向装置相比较，不会有所改善；通过以上分析知道，目前研究或使用的换向器仍然具有较多的局限性，因此需要对新型换向器展开研究，以满足高准确度液体流量标准装置的要求。

为更好的解决目前开式换向器中存在的问题，本文在总结前人研究的基础上提出并研制了一种换入/换出同向换向器，该型换向器结构简单、易于实现，能很好克服换入/换出不同向换向器存在的问题。另外，在分析新研制换向器工作原理的基础了，给出了新研制换向器换向流量数学模型，并对新研制开式换向器进行了不确定度评定。

1 换入/换出同向换向器设计

图1是换入/换出不同向换向器的结构图，主要包括：喷嘴、分流器、换向器壳体、换向器计时导杆、光电转换器、气动执行机构。

本文提出并研制的换入/换出同向开式换向器是在图1所示换入/换出不同向开式换向器的基础上，增加一个分流器（该分流器称为第二分流器）组成的，该型换向器结构如图2所示。

图1 换入/换出不同向换向器结构示意图

图2 换入/换出同向换向器结构示意图

由图2可以看出，新增加的第二分流器由三个分流腔构成，分别是第一分流腔、计量腔和第二分流腔。

新研制的换向器工作原理如下：

1）水平移动第一分流器2，使换向喷嘴1喷出的水流流入第一分流器2的第一分流漏斗21并通过第一导引管211进入第一换向流道31；

2）水平移动第二分流器6，使第一换向流道31的出水口对准第二分流器6的第一分流腔61的进水口且第二换向流道32的出水口对准第二分流器6的计量腔63的进水口，第一换向流道31内的水流由此经第一分流腔61流入循环水池；

3）水平移动第一分流器2，使换向喷嘴1喷出的水流流入第一分流器2的第二分流漏斗22并通过第二导引管222及第二换向流道32流入第二分流器6的计量腔63，再由计量腔63底部的出水口进入工作量器；在第一分流器2水平移动的同时，该第一分流器2带动换向器计时导杆4运动，使换向器计时导杆4与光电转换器5配合输出一脉冲信号以控制计时器开始计时；

4）水平移动第二分流器6，使第一换向流道31的出水口对准计量腔63的进水口；

5）水平移动第一分流器2，使换向喷嘴1喷出的水流流入第一分流漏斗21并通过第一导引管211及第一换向流道31流入第二分流器6的计量腔63，再由计量腔63底部的出水口进入工作量器。在该步骤中计时器不停止计时；

6）水平移动第二分流器6，使第二换向流道32的出水口对准第二分流器6的第二分流腔62的进水口；

7）水平移动第一分流器2，使换向喷嘴1喷出的水流流入第二分流漏斗22并通过第二导引管222及第二换向流道32流入第二分流器6的第二分流腔62后，再流入循环水池；在第一分流器2水平移动的同时带动换向器计时导杆4运动，使换向器计时导杆4与光电转换器5配合输出一脉冲信号以控制计时器停止计时。

根据上述工作原理可得到新研制换向器的换向流量数学模型如图3所示：

图3 换入/换出同向开式换向器换向流量数学模型

由图3可以看出该型换向器的工作过程可以分为以下几个阶段：1）t0-t10阶段，在该阶段换向器开始由旁通管向计量罐换入，喷嘴喷出的水流由旁通管逐渐流入计量罐，此时计时器并未计时，该过程流入计量罐的水的累积量用A表示；2）t10-t20阶段，在该阶段换向器逐渐完全换入，计时器开始由t10时刻计时，喷嘴喷出水流逐渐完全流入计量罐，该过程流入计量罐的水流累积量用B表示；3）t20-t30阶段，在该阶段换向器换向结束，喷嘴喷出的水流完全进入计量罐，计时器接续t10-t20阶段继续进行连续的计时，该过程流入计量罐的水流累积量用G表示；4）t30-t40阶段，在该阶段换向器开始由计量罐向旁通管换出，喷嘴喷出的水流由计量罐逐渐流入旁通管，计时器接续t20-t30阶段继续进行连续的计时，该过程流入计量罐的水流累积量用E表示；5）t40-t50阶段，在该阶段换向器逐渐由计量罐向旁通管完全换出，计时器在时刻t40停止计时，且喷嘴喷出的水流也逐渐完全流入旁通管，该过程流入计量罐的水流累积量用F表示。上述换入/换出过程中流入工作量器中的水流累积量为Q=A+B+G+E+F，计时时间段为t10-t40，由此可以得到新研制换向器换向周期内的平均流量为q=Q/(t40-t10)。同样的，可以得到管道中的实际流量为：q1=(B+C+G+D+E)/(t40-t10)。

根据新研制换向器的换向过程可以看出，新研制换向器的整个换向过程可以分为换入和换出两个过程，这两个过程为方向相同的过程，因此该型换向器换向的整个过程中换入/换出是同向的，因此称为换入/换出同向换向器。

由于新研制换向器检定流量计时换入/换出同向，因此该型换向器换向过程中引入的误差不在受换向挡板位置、喷嘴流速分布等因素的影响，也即在任何情况下图3中abt0t10和cdt40t50的形状和结构是相同的，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，说明新研制换向器能够保证换向器换向周期内的流量和管道中的实际流量等，能够较好克服换入/换出不同向换向器存在的缺陷。

2 换入/换出同向换向器不确定度评定

由前述分析可以知道，换入/换出换向器检定流量计时引入的误差不再受换向挡板位置、流速分布等的影响，成为完全独立于换向挡板位置、流速分布等的换向器。因此，换向挡板位置、流速分布等不再成为换入/换出换向器的一个不确定度分量。综合分析换入/换出同向换向器的换向原理及换向过程可以发现，对使用该型换向器检定流量计时，能够对检定流量产生误差的因素主要是换向器换入和换出的重复性。因而，换入/换出同向换向器的不确定度分量主要是换向器换入的重复性和换出时的重复性引入的A类不确定度。

设装置一次检定时间为t=30s，将流量调到检定流量，稳定10min。分别在换入/换出同向换向器换入（此时水流经第一分流器和第二分流器改变方向后由旁通管进入工作量器）和换出时的（此时水流经第一分流器和第二分流器改变方向后进入旁通管）条件下，重复操作第一分流器往复10次，测量该换向器换入和换出时的时间如表1所示。

表1 换入/换出同向换向器换入时间和换出时的时间数据

根据表2给出的数据可以分别计算得到换入/换出同向换向器换入时间和换出时间的平均值分别为：

则换入/换出同向换向器的A类标准不确定度为：

式中，ur(t1)为换向器换入重复性引入的不确定度。

式中，ur(t2)为换向器换出重复性引入的不确定度。

相对合成标准不确定度为：

式中，ur(t)为换向器的A类合成标准不确定度。

扩展不确定度为：

根据换入/换出同向换向器不确定度评定结果可以看出，该型换向器对装置引入的扩展不确定度不超过0.01%，因此新研制的换入/换出同向换向器较好克服了换入/换出不同向换向器的缺点，能够满足液体流量标准装置中水流换向的要求。

3 结论

本文在分析和研究现有各种换向器设计方法及存在的优缺点基础上，按照同向换入/换出的基本思想，设计了一种基于同向换入/换出原理的开式换向器。该型换向器具有结构简单易于实现、换向效果良好及有效克服换向挡板位置、流速分布不均匀带来的缺陷等特点；在分析新研制换向器工作原理的基础上，建立了新研制换向器换向流量数学模型，并对新研制开式换向器进行了不确定度评定。结果表明，新研制换向器对装置引入的扩展不确定度不超过0.01%，能较好克服了换入/换出不同向换向器的缺点，满足液体流量标准装置中水流换向的要求。

[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.液体流量换向器及换向误差确定方法[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] 宗艳.液体流量标准检定装置的换向器[P].200620093386.6.