液体流量标准装置中开式换向器测量误差模型研究*

马龙博，郑建英，赵建亮

（浙江省计量科学研究院，杭州 310000）

液体流量标准装置中开式换向器测量误差模型研究*

马龙博*，郑建英，赵建亮

（浙江省计量科学研究院，杭州 310000）

针对液体流量标准装置中开式换向器对流量测量带来误差问题，分析了目前开式换向器测量不确定度分析中存在的局限性；在考虑换向挡板位置及喷嘴流速分布实际情况的基础上，建立了换向挡板在换入/换出行程的不同位置时引入的开式换向器流量测量误差模型。采用改变换向挡板位置的方法，并基于新建模型对开式换向器在流量测量中引入的测量误差进行了理论计算，计算结果与试验数据进行了比对，取得了较好的一致性。结果表明，本文建立的换向挡板在换入/换出行程的不同位置时引入的测量误差数学模型是合理的，能够满足开式换向器流量测量误差的分析计算。

流量测量；换向器；误差模型；液体流量标准装置

液体流量标准装置作为流量单位量值统一与传递的标准，可以为液体流量计的量值传递准确、统一提供重要保证，同时为经济核算、贸易仲裁等工作提供可靠依据。此外，在对各种液体流量计进行型式评价及检定、校准时，液体流量标准装置是流量计计量性能判别的准绳，为质监部门及计量技术机构提供可靠的技术依据。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。开式换向器工作质量的好坏可以用测量不确定度进行评判，其大小又是装置不确定度的主要分量，因此开式换向器成为装置不确定度评定中的主要来源之一。开式换向器工作过程中存在多个影响流量测量误差的因素，这些影响因素可直接影响流量计的流量测量误差，特别对高准确度的流量计更加明显，因此展开开式换向器对流量测量带来的不确定度研究是非常必要的。

在开式换向器对流量测量误差带来的不确定度研究方面，目前国内外学者普遍将开式换向器换入/换出行程差作为开式换向器影响流量测量误差的一个主要因素，并把该因素作为换向器不确定度的主要来源之一［1-10］。然而，通过对开式换向器工作原理及其对流量测量带来误差的更深入研究，发现将开式换向器换入/换出行程差作为开式换向器影响流量测量误差的一个主要来源具有较大局限性，主要表现为：开式换向器的行程差是换入时间和换出时间之差的绝对值，换入/换出时间分别由换向器的换入速度和换出速度决定，换入速度和换出速度又由换向器继电器的换入排气口和换出排气口的排气速度决定，换入排气口和换出排气口排气速度可通过对相应排气口大小进行调整控制，排气口大小又由相应排气口旋钮进行调节，由此看出通过调节相应排气口旋钮即可将换向器换入/换出行程差缩小至很小甚至为零，而排气旋钮一旦调整到既定的换入/换出零位置，则在气源压力不变条件下，换向器的换入/换出行程差将不再发生变化，也即换向器换入/换出行程差将会一直保持为零。因此，将开式换向器换入/换出行程差作为影响流量测量误差的一个主要来源不具有科学性和合理性，非常有必要对开式换向器做更进一步的研究，从而较好解决开式换向器的对流量测量带来的不确定度问题。

为更好的研究开式换向器对流量测量带来的影响，本文在总结前人研究的基础上提出换向挡板在换入/换出行程上的位置作为开式换向器影响流量测量误差的一个主要来源，同时建立了换向挡板位置对流量测量带来的误差数学模型，并基于新建模型对开式换向器在流量测量中引入的测量误差进行了理论计算和实验研究，取得了较好的研究结果。

1 开式换向器带来的流量测量误差理论模型及试验

1.1 开式换向器结构及对应的换向流量模型

图1 开式换向器结构图

开式换向器的结构图如图1所示。由图1可以看出，气动执行机构推动分流器向右移动，则喷嘴喷出的水流由旁通管流入工作量器，称为开式换向器换入；气动执行机构推动分流器向左移动，则喷嘴喷出的水流由工作量器流入旁通管，称为开式换向器换出。气动执行机构推动分流器分别向右、向左移动一次即可完成一个换入/换出周期。

开式换向器的一个换入/换出周期对应的原理性换向流量数学模型如图2所示。

图2 开式换向器换向流量模型

由图2可以看出，开式换向器的换入/换出过程可以包括如下几个阶段：①t0～t10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工作量器，此时计时器并未计时，该过程流入工作量器的水的累积量用A表示；②t10～t20阶段，在该阶段换向器逐渐完全换入，计时器开始由t10位置处计时，喷嘴喷出水流逐渐完全流入工作量器，该过程流入工作量器的水流累积量用B表示；③t20～t30阶段，在该阶段由喷嘴喷出的水流完全进入工作量器，计时器接续t10～t20阶段继续进行连续的计时，该过程流入工作量器的水流累积量用G表示；④t30～t40阶段，在该阶段换向器开式换出，喷嘴喷出的水流由工作量器逐渐流入旁通管，计时器接续t20～t30阶段继续进行连续的计时，该过程流入工作量器的水流累积量用E表示；⑤t40～t50阶段，在该阶段换向器逐渐完全换出，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，该过程流入工作量器的水流累积量用F表示。根据上述分析知道，在换向器换向的整个换入/换出过程中，实际流入工作量器的水流累积量为Q=A+B+G+E+F，计时时间段为t10～t40，因此可以得到换向器换向周期内的平均流量为q=Q/（t40～t10）。该流量即是通常采用的标准装置的标准流量。

实际上由于换向器换向挡板位置难以调整到合理位置且换向器换入/换出不同向，导致上述标准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）/（t40～t10）。要使得q=q1，必须有：A+B+G+E+F=B+C+G+ D+E，即A+F=C+D。要满足A+F=C+D，必须根据流速分布对计时器的换向挡板位置进行对称性调整。实际上，流量不同时，换向器喷嘴喷出的水流流速分布也不同，如果将换向挡板位置根据某一流量下的流速分布进行对称性调整并置于一固定位置处，则在该流量下换向器引起的测量误差将会较小，而在其他流量下，流速分布的改变又会导致换向挡板对称性的变化，进而导致换向器引起的测量误差大大增加，根据不同流量不断调整换向挡板位置的方式又不具有可行性，因此这种换向器很难实现A+F=C+D，所以换向器换入/换出的一个周期内由装置得到的平均流量与管道内实际流量具有较大误差，这就给流量测量带来较大的误差。另外，对被检流量计进行检定时，实际利用误差计算公式计算被检流量计的误差时，用到的是由装置得到的平均流量，而由于换向器换入/换出的一个周期内由装置得到的平均流量与管道内实际流量具有较大误差，因此根据误差计算公式得到的流量计的误差与流量计的实际误差将会产生较大偏离。

1.2 开式换向器对流量测量带来的误差模型

换向挡板是开式换向器的一个重要部件，该部件与光电转换器配合，可以在开式换向器换入/换出时较好的控制计时器计时的开始与结束。

如图1所示，换入/换出行程是指换向挡板由换入侧开始换入的起始位置移动到换出侧结束换入的终止位置之间的距离或由换出侧开始换出的起始位置移动到换入侧结束换出的终止位置之间的距离。由于换向挡板开始换入的起始位置与结束换出的终止位置及开始换出的起始位置与结束换入的终止位置是重合的，因此换入/换出行程是唯一的一个值，大小用L表示。

由于换向挡板位置决定了计时器计时开始与结束时刻的位置，因此换向挡板位置成为影响换向流量数学模型结构的重要因素，也即成为开式换向器带来的流量测量误差的重要来源。为更好的对换向挡板位置作为开式换向器测量不确定度的一个主要来源进行分析，本文分3种情况讨论换向挡板位置不同时开式换向器引入的流量测量误差模型。

1.2.1 换向挡板位于换入/换出行程的中间位置的流量测量误差模型

假定换向挡板位于换入/换出行程内的中间位置，则换向模型如图2所示，t10时刻和t40时刻将分别位于t0～t20段和t30～t50段中间，由于A=C，D=F，故满足A+F=C+D，因此，换向器引入的流量测量误差将很小或接近于零，可以实现q=q1。

1.2.2 换向挡板位于换入/换出行程的换入侧时的流量测量误差模型

如果换向挡板位于换向器换入侧，且与换入/换出行程中间位置的距离为换入/换出行程的l/L（L为换入/换出行程；l为换向挡板距离换入/换出行程中心位置的长度），则换向模型如图3所示，t10时刻和t40时刻将分别位于距离 t20时刻和 t30时刻的（1/2+l/L）（t20-t0）处和（1/2+l/L）（t50-t30）处，则有

则

则换入/换出引入的流量测量误差模型为：

假定一次测量最短时间为t，则有：

图3 换向挡板位于开式换向器换入/换出行程的换入侧

由于换向挡板位置的改变，导致图3模型中的（t40-t10）大于图2模型中的（t40-t10），故根据公式q= Q/（t40-t10）计算得到的图3模型所示的开式换向器换向周期内的平均流量小于开式换向器换向周期内管道内的平均流量。如果利用图3模型和相对误差计算公式计算被检流量计的示值误差，由于所得到的q小于换向周期内管道内的实际平均流量，所以计算得到的流量计的示值误差将会增大。也即换向挡板位于开式换向器换入/换出行程的换入侧情况下，由换入/换出引入的流量测量示值误差将增大。

1.2.3 换向挡板位于换入/换出行程的换出侧时的流量测量误差模型

如果换向挡板位于换向器换出侧，且与换入/换出行程中间位置的距离为换入/换出行程的l/L（L为换入/换出行程；l为换向挡板距离换入/换出行程中间位置的长度），则换向模型如图4所示，因此：t10时刻和t40时刻将分别位于距离t20时刻和t30时刻的（1/2-l/L）（t20-t0）处和（1/2-l/L）（t50-t30）处，则

所以

则换入/换出引入的流量测量误差模型为：

假定一次测量最短时间为t，则有

图4 换向挡板位于开式换向器换入/换出行程的换出侧

由于换向挡板位置的改变，导致图4模型中的（t40-t10）小于图2模型中的（t40-t10），故根据公式q= Q/（t40-t10）计算得到的图4模型所示的开式换向器换向周期内的平均流量大于开式换向器换向周期内管道内的平均流量。如果利用图4模型和相对误差计算公式计算被检流量计的示值误差，由于所得到的q大于换向周期内管道内的实际平均流量，所以计算得到的流量计的示值误差将会减小。也即换向挡板位于开式换向器换入/换出行程的换出侧情况下，由换入/换出引入的流量测量误差将会减小。

综合以上3种换向挡板位置改变及换入/换出周期内平均流量的变化的情况，可以得到如下结论：

①如果换向挡板位于换入/换出行程内的中间位置，则换向器带来的流量测量误差将很小，且开式换向器换向周期内的平均流量等于开式换向器换向周期内管道内的平均流量；

②如果换向挡板位于换向器换入侧，则换向器将带来较大的流量测量误差，且随距离换向器换入/换出行程的中间位置的增大，带来的流量测量误差也增大；另外换向挡板位于换向器换入侧，还将引起开式换向器换向周期内的平均流量小于开式换向器换向周期内管道内的平均流量，且随距离换向器换入/换出行程的中间位置的增大，开式换向器换向周期内的平均流量与开式换向器换向周期内管道内的平均流量相比也逐渐减小；在利用开式换向器换向周期内的平均流量计算示值误差时，得到的流量计的示值误差将会将会随开式换向器换向周期内的平均流量的减小而增大；

③如果换向挡板位于换向器换出侧，则换向器将带来较大的流量测量误差，且随距离换向器换入/换出行程的中间位置的增大，带来的流量测量误差也增大；另外换向挡板位于换向器换出侧，还将引起开式换向器换向周期内的平均流量大于开式换向器换向周期内管道内的平均流量，且随距离换向器换入/换出行程的中间位置的增大，开式换向器换向周期内的平均流量与开式换向器换向周期内管道内的平均流量相比也逐渐增大；在利用开式换向器换向周期内的平均流量计算示值误差时，得到的流量计的示值误差将会随开式换向器换向周期内的平均流量的增大而减小。

1.3 开式换向器流量测量误差理论计算及试验结果对比

1.3.1 开式换向器流量测量误差理论计算

假定换向器的换入时间为177.55 ms，换出时间为176.04 ms，一次测量最短时间为30 s，则基于本文新建立的换向器流量测量误差数学模型，在换向挡板位于换入侧与换入/换出行程中心的距离为：2/3×换入/换出行程、1/2×换入/换出行程、1/4×换入/换出行程，换向挡板位于换入/换出行程内的中间位置、换向挡板位于换出侧与换入/换出行程中心的距离为：2/3×换入/换出行程、1/2×换入/换出行程、1/4×换入/换出行程时，根据模型式（1）和式（2）分别对换向器引入的流量测量误差进行了理论计算，结果如表1所示。

表1 理论计算得到的换向器引入的误差

1.3.2 开式换向器流量测量误差试验

采用改变开式换向器换向挡板位置的方法，在流量为14 m3/h条件下，对换向挡板位于换入侧与换入/换出行程中心的距离为：2/3×换入/换出行程、1/2×换入/换出行程、1/4×换入/换出行程，换向挡板位于换入/换出行程内的中间位置、换向挡板位于换出侧与换入/换出行程中心的距离为：2/3×换入/换出行程、1/2×换入/换出行程、1/4×换入/换出行程时，换向器引入的流量测量误差进行了试验，试验系统如图5所示，试验结果如表2所示。

图5 实验系统框图

表2 试验得到的换向器引入的误差

如果将试验时得到的换向挡板位于换入/换出中间位置时得到的流量计误差作为该流量计固有误差，且假定在整个试验过程中该流量计误差保持不变，则可以得到换向器引入的误差，即表2中的每次试验得到的流量计误差与换向挡板位于换入/换出中间位置时得到的流量计误差之差，即可得到换向器引入的误差如表2所示。

1.3.3 开式换向器误差理论计算及试验结果对比

由表1和表2可以看出：

换向挡板位于换入侧与换入/换出行程中心的距离为：2/3×换入/换出行程、1/2×换入/换出行程、1/4×换入/换出行程时，理论计算得到的换向器引入的误差分别为：0.80%、0.60%、0.29%；试验得到的换向器引入的误差分别为：0.84%、0.62%、0.35%。换向挡板位于换入/换出中间位置时，得到的换向器误差为0；换向挡板位于换出侧与换入/换出行程中心的距离为：2/3×换入/换出行程、1/2×换入/换出行程、1/4×换入/换出行程时，理论计算得到的换向器引入的误差为：-0.80%、-0.60%、-0.29%；试验得到的换向器引入的误差分别为：-0.77%、-0.58%、-0.24%。

由上述数据可以看出，理论计算得到的换向器引入的误差与试验得到的换向器引入的误差具有较好一致性。该一致性表明本文建立的数学模型是正确的、合理的，能够实现开式换向器测量误差的计算。

2 结语

本文在分析和研究目前开式换向器不确定度评定方法局限性的基础上，分析了开式换向器换入/换出不同向、换向挡板位置调整不到位及喷嘴流速分布不均匀对开式换向器检定流量计时带来误差的原因。根据开式换向器实际工作时换向挡板与计时器实际配合情况及喷嘴流速分布的实际情况，建立了换向挡板在换入/换出行程的不同位置时，由换向挡板引入的开式换向器流量测量误差数学模型。经过理论计算与试验结果对比表明本文建立的换向挡板在换入/换出行程的不同位置时引入的测量误差数学模型是合理的，能够满足开式换向器流量测量误差的分析计算。

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马龙博（1975），男，2007年毕业于浙江大学控制科学与工程专业，获博士学位。目前在就职于浙江省计量科学研究院，技术职称高级工程师；主要从事流量计量技术方面的研究。

Research on the Flow Measurement Error Model of the Diverter in the Liquid Flow Calibration Facilities*

MA Longbo*，ZHENG Jianying，ZHAO Jianliang
（Zhejiang Province Institute of Metrology，Hangzhou 310000，China）

To overcome the error calculation difficulties of the diverter in the liquid flow calibration facilities，the limitations had been analyzed in the uncertainty model of the diverter at present.Based on considering the diversion damper situation and the jet flow velocity profile，a measurement error model of the diverter was developed in which the different location of the damper in the mid-travel was considered.The measurement error brought by the diverter was calculated based on the new measurement error model.Calculated results show that，the establishment of the new measurement uncertainty model of divert about the diversion damper situation was reasonable and could meet the error calculation of the divert.

flow measurement；diverter；uncertainty model；liquid flow calibration facilities

TP31

A

1004-1699（2015）04-0515-06

7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.04.011

项目来源：浙江省质监系统重大科研项目（20120104）

2014-09-18 修改日期：2015-01-23