流量标准装置中同向型换向器设计及试验研究

马龙博，张宁宁，郑建英

（浙江省计量科学研究院 国家液体流量计量器具质量监督检验中心试验室，杭州 310018）

水流量标准装置中的换向器主要有2种：一是闭式换向器；二是传统不同向开式换向器。这2种换向器在一定程度上满足了当前仪表检测、检定的需要，但随着流量计量技术的发展，上述换向器已不能很好地满足仪表测量精度越来越高的要求，在使用中暴露出的问题也越来越多。

而从目前查到的文献资料来看，对水流量标准装置中换向器的研究相对较少。文献[1]对DN25换向器进行了最佳结构设计研究，给出了详细的设计指标，并对新设计的换向器进行了检定，取得了较好的试验结果；文献[2]对基于双计时原理的水表和换向器检定方法进行了研究，结果表明换向气动电磁阀不对称工作特性是换向器系统不确定度的主要来源；文献[3]对水流量标准装置设计中的若干问题进行了研究，并对换向器设计中应注意的问题提出了要求；文献[4]对液体流量标准装置中用到的开式和闭式换向器的工作原理进行了比较，分析了各自的优缺点；上述文献中的换向器仍然是传统的不同向开式换向器，因此存在着传统不同向开式换向器无法克服的缺点。

本文在总结前人研究的基础上[5～8]，研制了一种既不受计时脉冲触发位置及换向器喷口流速分布影响，又可以大大缩短检定时间的新型换向器，解决了传统不同向开式换向器 “换入/换出不同向”问题，实现了换向器的“换入/换出同向”，大大减小换向器换向引入的不确定度。

1 不同向开式换向器结构及换向模型

1.1 不同向开式换向器结构

不同向开式换向器的基本构成如图1所示。由图1可以看出，该型换向器包括换向喷嘴、第一分流器、第一换向流道、第二换向流道、换向器计时导杆和光电转换器。其中，第一分流器有相邻的第一分流漏斗和第二分流漏斗，第一分流漏斗和第二分流漏斗的下端分别对应有第一导引管和第二导引管；此外，第一导引管和第二导引管的下端分别对应地置于第一换向流道和第二换向流道中；换向器计时导杆与第一分流器固定连接并与光电转换器相配合产生计时控制信号。由于第一导引管和第二导引管、以及第一换向流道和第二换向流道的形状酷似“裤衩”，因此具有该种结构的开式换向器被称为“裤衩”式开式换向器。

图1 不同向开式换向器结构Fig.1 Structure of the reverse diverter

1.2 不同向开式换向器换向模型

图2给出了传统不同向开式换向器换向流量模型，由图2可以看出，该型换向器换入/换出过程可以分为以下几个阶段：①t0～t1阶段，在该阶段换向器开始换入，喷嘴喷出的水流由旁通管逐渐流入计量量器，此时计时器并未计时，该过程流入计量量器的水的累积量用A表示；②t1～t2阶段，在该阶段换向器逐渐完全换入，计时器开始由t1位置处计时，喷嘴喷出水流逐渐完全流入计量量器，该过程流入计量量器的水流累积量用B表示；③t2～t3阶段，在该阶段由喷嘴喷出的水流完全进入计量量器，计时器接续t1～t2阶段继续进行连续的计时，该过程流入计量量器的水流累积量用G表示；④t3～t4阶段，在该阶段换向器开式换出，喷嘴喷出的水流由计量量器逐渐流入旁通管，计时器接续t2～t3阶段继续进行连续的计时，该过程流入计量量器的水流累积量用E表示；⑤t4～t5阶段，在该阶段换向器逐渐完全换出，计时器在时刻t4停止计时，且喷嘴喷出的水流也逐渐完全流入旁通管，该过程流入计量量器的水流累积量用F表示。根据上述分析可知，在换向器换向的整个换入/换出过程中，实际流入计量量器的水流累积量为Q=A+B+G+E+F，计时时间段为t1～t4，因此可以得到换向器换向周期内的平均流量为q=Q/（t4-t1）。由于换向器喷嘴部分的流速分布不均匀，该流量并不是换向器换向周期内管道中的实际流量，管道中的实际流量应该为q1=（B+C+G+D+E）/（t4-t1）。要使得 q=q1，必须有：A+B+G+E+F=B+C+G+D+E，即A+F=C+D。实际上，由于换向器喷嘴部分流速分布不均匀，且换向器换入/换出不同向（即换入/换出方向相反），（A+F）并不等于（C+D），所以换向器换入/换出的一个周期内得到的平均流量与实际流量具有较大误差，这就是喷嘴流速分布不均匀引起的换向器误差及不确定度的根本原因，最终将该误差引入到到对流量计检定的结果上，也就是流量计的检定误差变大，重复性变差。

图2 不同向开式换向器换向流量模型Fig.2 Flow model of the reverse diverter

2 同向型换向器结构原理及换向模型

2.1 同向型开式换向器的结构

图3给出了同向型开式换向器的结构。由图3可以看出，该型换向器完全摒弃了图2所示传统不同向开式换向器的设计结构，采用了一种比图2所示换向器更为简单的结构，其主要特点如下：①该型换向器主要包括换向喷嘴、分流器、螺母、丝杠、伺服电机、计时挡板、第一光电转换器、第二光电转换器、固定支架；②分流器由相互隔离的第一分流腔、计量腔和第二分流腔，计量腔位于第一分流腔和第二分流腔之间；③换向喷嘴置于分流器的上方，且第一分流腔、计量腔、第二分流腔中的其中一个的进水口与换向喷嘴的出水口相对；④丝杠的端部与伺服电机的输出轴固定联接；⑤计时挡板与螺母固定联接，且2个光电转换器间隔固定安装在固定支架上。

图3 同向型开式换向器结构Fig.3 Structure of the syntropy diverter

2.2 同向型开式换向器的换向方法

在利用图3所示的同向型开式换向器对流量计进行检定或校准时，分流器的水平移动速度由伺服电机的转动速度控制；分流器的水平移动方向由伺服电机的转动方向控制。检定或校准的开始与结束信号分别由第一光电转换器和第二光电转换器来控制。

由图3所示的同向型开式换向器可以确定该型换向器的工作过程如下：

（1）利用伺服电机控制丝杠运动，由丝杠和螺母配合拖动分流器进行水平移动直至第一分流腔的进水口对准换向喷嘴的出水口，使换向喷嘴喷出的水流经由第一分流腔流入循环水池。

（2）利用伺服电机正向旋转控制丝杠运动，由丝杠和螺母配合拖动分流器进行水平移动直至计量腔的进水口对准换向喷嘴的出水口，使换向喷嘴喷出的水流流入计量腔，再由计量腔底部的出水口进入计量罐；在分流器水平移动的同时，计时挡板朝第一光电转换器所在方向运动，计时器在第一光电转换器发出脉冲信号时开始计时。

（3）利用伺服电机正向旋转控制丝杠运动，由丝杠和螺母配合拖动分流器进行水平移动直至第二分流腔的进水口对准换向喷嘴的出水口，使换向喷嘴喷出的水流流入第二分流腔，再流入循环水池；在分流器水平移动的同时，计时挡板朝第二光电转换器所在方向运动，计时器在第二光电转换器发出脉冲信号时停止计时，此时完成一个换向过程。

（4）利用伺服电机控制丝杠运动，由丝杠和螺母配合拖动分流器进行水平移动直至第二分流腔的进水口对准换向喷嘴的出水口，使换向喷嘴喷出的水流流入第二分流腔，再流入循环水池。

（5）利用伺服电机反向旋转控制丝杠运动，由丝杠和螺母配合拖动分流器进行水平移动直至计量腔的进水口对准换向喷嘴的出水口，使换向喷嘴喷出的水流流入计量腔，再由计量腔底部的出水口进入计量罐；在分流器水平移动的同时，计时挡板朝第二光电转换器所在方向运动，计时器在第二光电转换器发出脉冲信号时开始计时。

（6）利用伺服电机反向旋转控制丝杠运动，由丝杠和螺母配合拖动分流器进行水平移动直至第一分流腔的进水口对准换向喷嘴的出水口，使换向喷嘴喷出的水流流入第一分流腔，再流入循环水池；在分流器水平移动的同时，计时挡板朝第一光电转换器所在方向运动，计时器在第一光电转换器发出脉冲信号时停止计时，此时完成另一个换向过程。

2.3 同向型开式换向器的换向流量模型

图4给出了图3所示同向型开式换向器装置换向过程对应的流量模型。由图4可以看出，由于该流量模型是“换入/换出同向”模型，因此同向型开式换向器换出流量曲线与图2中所示的不同向开式换向器的换出流量曲线具有本质的差别，并且由于图3所示的同向型开式换向器的换向过程实现了 “换入/换出同向”， 所以满足了A=D，C=F，A+F=C+D，克服了不同向开式换向器难以实现的A+F=C+D问题，因此最终实现了换向器一个换向周期的计时时间段内平均流量与实际流量相等，即：q1=（B+C+G+D+E）/（t4-t1）=（A+B+G+E+F）/（t4-t1）=q。 由此看出，同向型开式换向器可以完全克服不同向开式换向器因喷嘴流速分布不均匀引起的换向器误差及不确定度，不再将误差引入到到对流量计检定的结果上。

图4 同向型开式换向器换向流量模型Fig.4 Flow model of the syntropy diverter

3 同向型开式换向器的试验

3.1 试验装置及条件

试验系统如图5所示。由图5可以看出，该装置主要由动力设备、水源稳压设备、前直管段、试验段、后直管段、背压管段、同向型开式换向器及工作量器八部分组成。试验工质为水，试验中水由水泵导入水源稳压装置，经过稳压装置稳定后经过一个足够长的直管段，然后进入试验段，再经过一个足够长的后直管段及背压管段，最后通过同向型开式换向器进入工作量器。

图5 试验系统框图Fig.5 Structure of the experiment system

试验条件如下：试验的管路内径D=50 mm，试验中水的密度为998 kg·m-3，试验介质温度为常温。

3.2 试验结果分析

采用新研制的换入/换出同向换向器并通过改变检定试验时间的方式将换向器对涡轮流量传感器计量性能的影响进行了试验研究。试验采用的涡轮流量传感器准确度等级为0.5级，试验流量为36 m3·h-1，检定试验时间分别为 30 s、60 s和 90 s。试验结果如表1所示。

同一流量点下，不同的检定时间得到的平均仪表系数中的最大值Kmax和最小值Kmin之差与Kmax和Kmin之和的比值定义为仪表系数偏移量：

表1 同向型换向器检定试验时间对涡轮流量传感器计量性能的影响Tab.1 Influence of verification time of same direction commutator on metrological performance of turbine flow sensor

根据式（1）可以得到同一流量点下，不同检定时间内得到的仪表系数偏移量为0.039%。

根据表1和式（1）的计算结果可以看出：

（1）在相同的流量点下，检定试验时间分别为90 s、60 s和30 s时得到的涡轮流量传感器单点仪表系数的重复性分别为0.037、0.040和0.039；由此看出，随着检定试验时间的缩短，得到的涡轮流量传感器仪表系数的重复性仍较好，重复性变化也较小,说明采用本文研制的同向型开式换向器对流量计进行检定，不仅可以取得较好的流量计计量重复性，而且还可以消除检定时间对流量计计量重复性的影响；

（2）在相同的流量点下，检定试验时间分别为90 s、60 s和30 s时得到的涡轮流量传感器单点仪表系数分别为：7.8290、7.8230和7.8245；而得到的仪表系数偏移量为0.039%。由此看出，随检定试验时间的缩短，得到的相同流量点下的流量计仪表系数变化较小，偏移量仅为0.039%，说明采用本文研制的同向型开式换向器对流量计进行检定，可以较好地消除检定试验时间对流量计的计量性能的影响；

（3）根据前述分析可知，利用本文新研制的同向型开式换向器对流量计进行检定时，检定时间对流量计的重复性、仪表系数的影响均较小，因此将本文新研制的同向型开式换向器应用于水流量标准装置，可以大大缩短检定时间，提高水流量标准装置的检定效率。

4 结语

本文在对不同向开式换向器结构、原理及存在问题分析的基础上，得出换向器“换入/换出”不同向是引起不同向开式换向器不确定度较大的根本原因。在此基础上设计了一种既不受计时脉冲触发位置及换向器喷口流速分布影响，又可以大大缩短检定时间新型开式换向器——同向型开式换向器，通过伺服电机带动分流器的水平移动，再由换向挡板配合第一和第二光电转换器产生计时开始与结束的脉冲信号，实现了换向器工作时“换入/换出”的同向，同时给出了该型换向器的基本结构、工作原理及换向流量模型，最终实现了换向器一个换向周期的计时时间段内平均流量与实际流量相等，可以大大消除因“换入/换出”不同向引入的不确定度。另外，将新研制的同向型开式换向器在水流量标准装置上进行了试验研究，结果表明利用本文新研制的同向型开式换向器对流量计进行检定，检定时间的长短对流量计的重复性、仪表系数的影响均较小；这一试验结果，进一步证明了本文新研制的同向型开式换向器“换入/换出”同向模型的正确性，并可以大大缩短检定时间，提高水流量标准装置的检定效率。

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