基于旋转分流的同向换向器流量测量模型及实验研究

马龙博, 赵进慧, 孙 斌, 梅从立, 罗云霞

(1. 浙江水利水电学院 浙江省农村水利水电资源配置与调控关键技术重点实验室, 浙江 杭州 310018;2. 中国计量大学 计量测试工程学院, 浙江 杭州 310018)

1 引 言

水流量标准装置是各种液体流量计校准和评价的重要装置[1],而换向器又是水流量标准装置的重要组成部分[2],用于流量仪表校准过程中控制水流换入、换出计量罐及计时开始和结束,其工作质量的优劣直接影响到装置精度的高低。换向器主要包括两类:闭式换向器和开式换向器[3]。闭式换向器与进水管道直接相连,换向时内置活塞运行会短暂封堵进水口,对进水口及上游管道中水流产生较大扰动,影响了管道中水流稳定性,限制了装置测量精度的提升,在装置中应用逐渐减少；开式换向器运动部件与喷嘴及进水管道无接触,在换向过程中对喷嘴及进水管道中的水流无任何扰动,故对研制高精度水流量标准装置具有独特的优势,成为目前水流量标准装置中广泛使用的换向器和研究热点。在开式换向器研究方面,文献[2,4]对不同向开式换向器的检定方法进行了研究,分别提出了双流流量计法和双计时法检定开式换向器的方法,克服了传统方法检定换向器存在的一些问题[5]；文献[6,7]分别采用理论及实验方法对不同向开式换向器的测量误差问题进行了研究,提出换向挡板位置及喷嘴流速分布是不同向开式换向器产生测量误差的主要原因；文献[8,9]为了提升换向器的不确定度水平,建立了基于伺服电机的换向器控制系统,解决了换向器换向时的稳定性问题；文献[10]提出了一种电动换向器的双光电计时定位方法,解决了换向器上电后分水器位置判断和自动定位问题；文献[11]提出了可变面积喷嘴结构的不同向换向器,保证了喷嘴流速分布的均匀性,提升了不同向换向器的性能；文献[12～16]提出了基于换入换出同向原理的不同结构形式的换向器,解决了不同向换向器因换向挡板位置、喷嘴流速分布等因素影响带来的换向器不确定度较大的问题,降低了换向器引入的不确定度。可以看出[4～17],同向型开式换向器可从根本上解决不同向换向器引入的不确定度较大问题,提升水流量标准装置的精度,因此对同向型开式换向器展开研究具有重要意义。

本文研制了一种换入换出同向的旋转分流型换向器,建立了换向器测量误差理论模型,分析了喷嘴流速分布、光电脉冲触发位置及换向时间等对换向器误差特性的影响,并在水流量标准装置上进行了实验研究,取得了与理论分析相一致的结果。

2 同向型换向器及流量测量模型

2.1 旋转分流结构的同向型换向器

研制的旋转分流结构的同向型换向器如图1所示。由图1可以看出,该型换向器由传统开式换向器(上半部分)结合旋转分流装置(下半部分)组成。其中,计量腔8和分流腔9共同组成旋转分流器,与水平分流器3配合,实现液体在计量罐10和循环水池(图中未示出,流入分流腔9的水流全部进入循环水池)之间的分流。 图1中L为换入(或换出)行程,A为行程中心左侧距离行程中心L/4处,B为换入(或换出)行程中心,C为行程中心右侧距离行程中心L/8处。

图1 旋转分流结构同向换向器Fig.1 Unidirectional diverter with rotating shunt1—喷嘴; 2—气动执行器; 3—水平分流器; 4—换向挡板; 5—光电转换器; 6—换向器壳体;7—步进电机及转轴; 8—计量腔; 9—分流腔; 10—计量罐

旋转分流结构的同向型换向器工作原理为:

1) 控制步进电机及转轴7旋转带动旋转分流器旋转,使分流腔9的进水口对准换向器壳体6右侧分流通道出水口;喷嘴1喷出的水流先后经由水平分流器3右侧分流通道和换向器壳体6右侧分流通道进入分流腔9,并经由分流腔9进入循环水池。

2) 换向器换入,控制气动执行器2拖动水平分流器3水平右移,使水平分流器3左侧分流通道对准喷嘴1,喷嘴1喷出的水流先后经由水平分流器3左侧分流通道和换向器壳体6左侧分流通道进入计量腔8,并经由计量腔8进入计量罐10。在水平分流器3水平右移同时,通过安装在水平分流器3上的导杆带动换向挡板4右移,并与光电转换器5配合产生一个光电脉冲信号,控制计时器开始计时。

3) 控制步进电机及转轴7旋转带动旋转分流器旋转1/4圆周,使分流腔9由换向壳体6右侧分流通道下方转出,而计量腔8转入到同时位于壳体6左侧和右侧分流通道下方。

4) 控制气动执行器2拖动水平分流器3水平左移,使水平分流器3右侧分流通道对准喷嘴1,喷嘴1喷出的水流先后经由水平分流器3右侧通道和换向器壳体6右侧分流通道进入计量腔8,并经由计量腔8进入计量罐9。在水平分流器3水平左移同时,通过安装在水平分流器3上的导杆带动换向挡板4左移,并与光电转换器5配合产生一个光电脉冲信号,但该脉冲不作为计时器控制脉冲,计时器继续计时。

5) 控制步进电机及转轴7旋转带动旋转分流器再次同向旋转1/4圆周,使分流腔9的进水口对准换向器壳体6左侧分流通道出水口;喷嘴1喷出的水流仍先后经由水平分流器3右侧分流通道和换向器壳体6右侧分流通道进入计量腔8,并经由计量腔8进入计量罐9。

6) 换向器换出,控制气动执行器2拖动水平分流器3水平右移,使水平分流器3左侧分流通道对准喷嘴1,喷嘴1喷出的水流先后经由水平分流器3左侧通道和换向器壳体6左侧分流通道进入分流腔9,并经由分流腔9流入循环水池。在水平分流器3水平右移同时,通过安装在水平分流器3上的导杆带动换向挡板4右移,并与光电转换器5配合产生一个光电脉冲信号,控制计时器停止计时,至此一个同向换向过程结束。

2.2 流量测量模型

换向过程对应的流经计量腔-分流腔的瞬时流量随时间变化曲线如图2所示。

图2 换向器换向过程中流量-时间曲线Fig.2 Flow-time curve of the unidirectional diverter during diverting process

图2中,f1(t)为换向器换入时流经计量腔的瞬时流量变化曲线,f2(t)为换向器换出时流经分流腔的流量变化曲线,t11为换向器开始换入对应的时刻,t12为换向器换入时换向挡板与光电转换器配合产生触发脉冲并控制计时器开始计时的时刻,t13为换向器完全换入的时刻,t21为换向器开始换出时对应的时刻,t22为换向器换出时换向挡板与光电转换器配合产生触发脉冲并控制计时器停止计时的时刻,t23为换向器完全换出对应的时刻。

由于换向器换入-换出同向,且脉冲触发位置、用于时间累积的计时器及拖动水平分流器移动的气动执行器均相同,故在气源压力和喷嘴喷出的水流量不变条件下(保证换向动作的重复性),可以得到:

(1)

(2)

(3)

由于喷嘴喷出的水流在换向过程中不变,因此表示喷嘴流量大小的线段BE及其反向延长线BA为平行于时间轴t的直线,再结合式(1)可得到,ABt13t12和DEt23t22均为矩形,且全等,即:

SABt13t12=SDEt23t22

(4)

式中:SABt13t12表示t12到t13时间段内流入计量罐和循环水池的总累积水量;SDEt23t22表示t22到t23时间段内流入计量罐和循环水池的总累积水量。

根据式(3)和式(4)可以得到:

(5)

SABF=SDEG

(6)

式中:SABF表示t12到t13时间段内流入循环水池的累积水量;SDEG表示t22到t23时间段内流入计量罐的累积水量。

实际工作时,利用水流量标准装置得到的标准流量q是t11到t23时间段内流入计量罐的累积水量与时间差t22-t12的比值,即:

(7)

式中，SBCt21t13为t13到t21时间段内流入计量罐的累积水量。

将式(2)和式(6)代入式(7),得:

(8)

由流量测量模型的推导结果可以看出,新研制换向器在换向过程中实现了换入-换出同向,在保证喷嘴流量大小、计时器和气动执行器重复性不变的条件下,得到的标准流量大小不再受光电脉冲触发位置、喷嘴流速分布结构、换入-换出时间长短等的影响,较好地解决了换入-换出不同向换向器带来的测量误差问题。

3 实验装置及条件

为了验证流量模型及更深入地研究同向换向器在水流量标准装置应用中的计量性能,对新研制的旋转结构的同向换向器在如图3所示的水流量标准装置上进行了实验,实验工质为水。实验条件为:管道内径50 mm;稳压装置的压力为0.4 MPa;实验温度为常温;水的密度为996.9 kg/m3。

图3 水流量标准装置原理图Fig.3 Schematic diagram of waterflow standard facilitity1—循环水池; 2—水泵; 3—开关阀; 4—稳压装置; 5—开关球阀; 6—涡轮流量计; 7—夹紧装置; 8—开关阀; 9—流量调节阀; 10—指示流量计; 11—同向换向器; 12—计量罐; 13—电子称; 14—排水蝶阀

实验时,水流由水泵导入稳压装置,经过稳压装置稳定后的水流经过一个足够长的前直管段；然后进入实验段,在实验段安装有性能稳定的涡轮流量计,水流经涡轮流量计测量后再经过1个足够长的后直管段后进入背压管,并由背压管上安装的参考流量计对流过的水流进行流量测量指示；经过流量测量指示后的水流再流入新研制的换向器,由换向器将水流在计量罐和循环水池之间进行切换,实现装置中水流的同向换向。

4 实验结果及分析

4.1 流量测量重复性

设q1、q2、…、qn为一组流量值，n≥3，则该组测量值的平均值为:

(9)

根据贝塞尔公式,可以得到该组流量值的重复性为:

(10)

4.2 新型换向器流量测量实验

在不同的流量下,分别进行了光电脉冲触发位置影响、喷嘴流速分布影响及换入-换出时间影响实验。其中,光电脉冲触发位置影响实验流量为24 m3/h,如图1所示将光电脉冲触发位置分别置于换向器换入(或换出)行程中心(图1中B)、行程中心左侧距离行程中心L/4(图1中A)及行程中心右侧距离行程中心L/8(图1中C)位置处,得到了3组对应位置处的流量测量值;喷嘴流速分布影响实验流量为32 m3/h,采用改变喷嘴面积结构来改变流速分布的方式,得到了2组不同流速分布下的流量测量值;换入-换出时间影响实验流量为64 m3/h,采用改变换入-换出时间的方式,得到了2组不同换入-换出时间长度的流量测量值。

根据各组流量测量值,再结合式(9)和式(10)可以计算每组的流量测量平均值及重复性,结果如表1、表2和表3所示。

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表1 光电触发位置影响实验结果Tab.1 Experimental results influenced by photoelectric trigger position

表2 喷嘴流速分布影响实验结果Tab.2 Experimental results influenced by velocity profile

表3 换入-换出时间影响实验结果Tab.3 Experimental results influenced by diverting time

1) 如表1所示,不同的光电脉冲触发位置时得到的各组流量平均值分别为:24.962,24.964,24.956 m3/h,各组平均值之间差值较小,最大差值为0.008 m3/h,说明不同光电脉冲触发位置对流量测量值的影响较小。得到的各组流量测量值的重复性分别为:0.023%、0.028%、0.028%,各组的组内重复性均较小,说明光电脉冲触发位置固定在在任一位置时,换向器均具有较好的测量重复性;各组间重复性差值也较小,最大差值为0.005%,说明不同脉冲触发位置对换向器的测量重复性影响也较小。

2) 如表2所示,喷嘴结构面积由3.4×10-3m2变为2.0×10-3m2时,同一流量下喷嘴中的水流速度由2.61 m/s变为4.44 m/s,实现了变喷嘴结构面积法对同一流量下的喷嘴流速分布的改变。每一结构面积喷嘴测量得到的平均流量分别为32.081 m3/h、32.092 m3/h,2组平均流量值相差较小,差值为0.011 m3/h,说明流速分布对同向换向器影响较小;每一结构面积喷嘴对应的流量测量重复性分别为0.039%和0.034%,两组测量值的组内重复性均较小,说明在同一换向过程中流速分布不变时,换向器具有较好的重复性;两组测量值的组间重复性相差也较小,差值为0.005%,说明不同的流速分布(但应保持同一换向过程中流速分布不变)对同向换向器产生影响较小。

3) 结合图2,定义同一个换向过程中换向器换入开始计时时刻t12至换向器换出停止计时时刻t22之间的时间长度为换入-换出时间。如表3所示,换入-换出时间为35.2 s、70.8 s时,对应的流量测量平均值分别为63.797 m3/h和63.801 m3/h,两组流量平均值相差较小,差值为0.004 m3/h,说明换入-换出时间对流量测量值产生影响的影响较小;对应时间下的两组流量测量值的重复性分别为0.020%和0.018%,两组测量值的组内重复性均较小,说明换向器具有较好的测量重复性;两组测量值的组间重复性相差也较小,差值为0.002%,说明换入-换出时间对换向器的测量重复性影响较小。

4) 根据光电脉冲位置影响、喷嘴流速分布影响及换入-换出时间影响实验的测量结果可以得到如下结论:新研制同向换向器不再受光电脉冲触发位置、喷嘴流速分布结构、换入-换出时间长短等的影响。该结论对理论模型起到了很好地支撑作用,能够解决不同向开式换向器带来的测量误差问题。

5 结 语

在分析新研制同向换向器结构原理的基础上,建立了同向换向器流量测量模型,分析了同向换向器光电脉冲触发位置、喷嘴流速分布及换入-换出时间等因素对流量测量的影响,并在水流量标准装置上对这些影响因素进行了实验研究。结果表明:新研制同向换向器由于实现了换入-换出同向,用于水流量标准装置进行流量测量时,不再受光电脉冲触发位置、喷嘴流速分布结构、换入-换出时间长短等的影响,能够解决换入-换出不同向换向器带来的测量误差问题。