基于电磁阀的小流量换向器修正方法研究

张永胜，于华伟，张毅治

(航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095)

0 引言

液体流量标准装置作为流量参数量值统一与传递的标准[1-2]，能够为液体流量计的量值传递准确、统一提供重要保证；液体流量标准装置是对流量计进行型式评价、计量校准的评判准绳。换向器是静态质量法或容积法流量标准装置的重要组成部分，是影响装置准确度的关键部件之一。JJG 164-2000《液体流量标准装置检定规程》明确指出[3]，换向器的不确定度、衡器(或工作量器)的不确定度、计时器的不确定度是静态质量法(或容积法)装置最为主要三项不确定度分量。合理控制换向器引入的不确定度是保证液体流量标准装置整体性能重要环节。

根据换向器结构形式可分为闭式换向器和开式换向器两种[4-5]，两种形式的换向器DN10口径以上都有较为成熟行业专用产品可供选择，但在流量小于500 mL/min的微小流量范围无满意成熟专用产品。电磁阀作为成熟工业产品，广泛应用于气动、液压、水压等系统内，用于系统内调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀具有很高响应速度，响应时间可小于10 ms；二位三通电磁阀和闭式换向器具有相同工作原理[6-7]。研究中采用二位三通电磁阀作为换向器，依据JJG 164-2000《液体流量标准装置检定规程》中换向时间检定方法对电磁阀换向时间差进行了测试评价，并给出换向时间差修正方法降低其引入不确定度。

1 试验方法

1.1 试验系统

试验系统通过压缩空气排出压力容器中的工作介质，图1是试验系统示意图。系统内工作介质为纯净水，压力容器内注入工作介质，压缩空气经过减压后进入压力容器形成稳定的压力，根据要求开启必要阀门形成回路，利用流量调节阀调节流量。系统内流量计输出信号为脉冲信号，利用电子天平对流经流量计和电磁阀的介质进行称量。试验系统管路内径约为Ф4 mm，流量范围是3～600 mL/min，电子天平最大称量重量为1600 g，分辨力为0.01 g。

试验系统根据流动方向具有两种工作状态，即工作介质由压力容器1流入压力容器2(方式一)和由压力容器2流入压力容器1(方式二)，根据工作状态确定开关阀开启或关闭。方式一：开启V1，V4，V6，V7，V9(或V10)，关闭V2，V3，V8；方式二：开启V2，V3，V5，V8，V9(或V10)，关闭V1，V4，V7。

1.2 二位三通电磁阀

研究选用电磁阀是ASCO二位三通电磁阀，电磁阀管径为1/4吋，内部通径为4.4 mm。图2和图3分别是电磁阀实物图和结构图。电磁阀内通孔1与出口1联通，通孔2与出口2联通。断电状态下，在弹簧作用下密封件2封堵住通孔2，通孔1打开，进口与出口1联通，断电状态下，试验系统工作介质直接进入回流容器器内；通电状态，在电磁线圈驱动下动铁芯，密封件2与通孔2脱离，密封件1封堵住通孔1，使进口和出口2接通，通电状态下，流体介质流入称量容器，可由电子天平进行称重。

图2 电磁阀实物图

图3 电磁阀结构图

1.3 测试方法

依据JJG 164-2000《液体流量标准装置检定规程》中“流量计检定法”对电磁阀换向时间差进行测量。首先对系统中某支流量计检定1次，记录电子天平示值B11、测量时间t11和流量计脉冲数N11；在与t11大致相同的时间内造作电磁阀，使电磁阀换向m(m≥10)次，记录电子天平示值B21、累积测量时间t21和流量计累积脉冲数N21。完成1次测量。重复进行n次，研究中n=3，记录B1i，B2i，t1i，t2i，N1i和N2i，则第i次换向时间差Δti可通过式(1)计算。

(1)

通过式(2)、式(3)、式(4)计算换向时间差平均值Δt，A类相对标准不确定度s和B类相对标准不确定度u。A类相对标准不确定度s通过极值法进行计算，研究中取dn=1.69。

(2)

(3)

(4)

2 修正方法研究

2.1 测试结果

研究中在4.5～594 mL/min范围内对电磁阀换向时间差进行了测量，图4是电磁阀换向时间差、A类相对标准不确定度及B类相对标准不确定度随流量变化曲线。电磁阀换向时间差具有以下变化趋势：①在试验流量范围内，换向时间差为负值，且随着流量变小，换向时间差绝对值增大；②在大于80 mL/min的范围，换向时间差基本小于0.1 s，变化梯度较小；30～80 mL/min为过渡范围，变化梯度逐渐增大；在小于30 mL/min范围内，时间差变化梯度迅速增大，时间差绝对值迅速增加；③在大于200 mL/min范围内，A类与B类标准不确定度权重接近；在小于200 mL/min范围内，由于换向时间差变化梯度增大，B类不确定度权重迅速增加；④A类不确定度变化范围远小于B类不确定度变化变化范围，两类不确定度变化范围分别是0.01%～0.12%和0.02%～0.45%；⑤B类不确定度与时间差绝度值变化趋势一致，在大于200 mL/min范围，B类不确定度不大于0.06%，在小于200 mL/min范围内，B类不确定度迅速增大，在最小流量点处达到0.45%。

图4 换向时间差和不确定随流量变化曲线

试验中存在排入称量容器的管路末端悬垂水滴在电磁阀通电瞬间吸回管路的现象，排入称量容器的管路是与电磁阀出口2连接。水滴吸入管路后经过一段时间δt后，流体介质才会重新流出并进入称量容器。所经过的时间δt与流量相关，流量越小时间δt越长。出现该现象的原因在于，通电瞬间动铁芯带动密封件2高速远离通孔2，由于流体介质的粘性，导致密封件底部通孔2内流体微团反向流出通孔2，使得通孔2内压力低于出口2连接管末端的大气压，进而使悬垂的水滴反流回管内。动铁芯动作完成后，经过时间δt后，通过上游流体进行补充，重新建立稳定流场和压力后，流体再次从出口2连接管中流出。显然通孔2内流体补充时间导致换向时间差为负值，且该时间随流量减小而增大。

2.2 修正方法

研究中采用双指数衰减函数对换向时间差与流量关系进行曲线拟合，双指数衰减函数由式(5)表示。表2是拟合曲线系数。通过R-square值对拟合度进行评估，拟合优度值约为0.996，拟合结果非常好。图5是时间差与流量关系拟合曲线图。

Δt=A1e-q/t1+A2e-q/t2+Δt0 (5)

图5 换向时间差和流量拟合函数曲线

2.3 修正方法验证

通过双指数衰减函数对电磁阀换向时间差进行修正，再次利用流量计检定方法对电磁阀流量计换向时间差进行测试。图6是修正后换向时间差和不确定随流量变化曲线。试验针对250 mL/min以下流量范围展开，验证试验结果表明，电磁阀换向时间差和B类不确定度大幅度降低。最小流量点5.2 mL/min，换向时间差为0.83 s，B类标准不确定度是0.11%；除去最小流量点，其他各点B类不确定度最大值是0.074%；修正前后A类不确定度无明显变化。

图6 修正后换向时间差和不确定随流量变化曲线

3 结论

研究中对电磁阀在小流量液体流量标准装置作为换向器的性能进行试验，并给出了基于双指数衰减函数时间差修正方法，并对修正方法进行验证。研究结果表明：当不使用修正方法时根据流量范围选择适当口径和流量系数的电磁阀，可将换向器引入的不确定度控制在较小的范围内；对于宽流量范围标准装置可通过多个电磁阀并联实现。使用修正方法时采用合理的修正方法可有效减小电磁阀换向时间差，并大幅度降低时间差引入B类不确定度，进而扩展电磁阀适用的流量范围。