液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中開(kāi)式換向器測(cè)量誤差實(shí)驗(yàn)研究

馬龍博 鄭建英 趙建亮

(浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，浙江 杭州 310013)

液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中開(kāi)式換向器測(cè)量誤差實(shí)驗(yàn)研究

馬龍博 鄭建英 趙建亮

(浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，浙江 杭州 310013)

針對(duì)液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中開(kāi)式換向器對(duì)流量測(cè)量帶來(lái)的誤差問(wèn)題，分析了開(kāi)式換向器換入/換出時(shí)間差作為換向器不確定度來(lái)源的不合理性。根據(jù)開(kāi)式換向器實(shí)際工作時(shí)換向擋板與計(jì)時(shí)器配合的實(shí)際情況，提出將換向擋板位置作為換向器的一個(gè)不確定度來(lái)源，并采用改變換向擋板位置的方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)流量為14.0 m3/h。結(jié)果表明，提出將換向擋板位置作為換向器的一個(gè)不確定度來(lái)源是合理的。

液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置 換向器 流量測(cè)量 不確定度 測(cè)量誤差 流量模型

0 引言

開(kāi)式換向器是液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中的重要部件，一般將換向器換入/換出行程差(換入/換出時(shí)間之差)、換入/換出重復(fù)性誤差作為換向器的主要不確定度來(lái)源[1～8]。

通常情況下，調(diào)整換向器繼電器換入和換出排氣口大小可將換入/換出行程差逐漸縮小直至接近于零。實(shí)際使用中，換向器引入的不確定度仍然較大(即使在換入/換出重復(fù)性引入的不確定度很小的情況下)。因此，將換入/換出行程差作為換向器的一個(gè)不確定度來(lái)源還存在一定缺陷，有必要對(duì)換向器不確定度來(lái)源進(jìn)行重新深入研究。

本文首先提出換向擋板在換入/換出行程上的位置作為開(kāi)式換向器的一個(gè)不確定度來(lái)源，并對(duì)換向擋板位置變化在流量測(cè)量中引入的測(cè)量誤差進(jìn)行了試驗(yàn)研究，取得了較好的研究結(jié)果。

1 換向速度對(duì)不確定度影響

1.1 開(kāi)式換向器結(jié)構(gòu)

開(kāi)式換向器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 開(kāi)式換向器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推動(dòng)分流器由左側(cè)向右側(cè)移動(dòng)時(shí)，噴嘴噴出的水流由旁通管流入工作量器，稱為開(kāi)式換向器換入，并將右側(cè)稱為換入側(cè)。當(dāng)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推動(dòng)分流器由右側(cè)向左側(cè)移動(dòng)時(shí)，噴嘴噴出的水流由工作量器流入旁通管，稱為開(kāi)式換向器換出，并將左側(cè)稱為換出側(cè)。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推動(dòng)分流器分別向右側(cè)、向左側(cè)移動(dòng)一次即可完成一個(gè)換入/換出換向周期。

1.2 對(duì)應(yīng)的換向流量模型

假定換向擋板位于換入/換出行程的中間位置，換向器噴嘴流速分布是均勻的，則開(kāi)式換向器的一個(gè)換入/換出換向周期對(duì)應(yīng)的原理性換向流量數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖2 開(kāi)式換向器換向流量模型

由圖2可以看出，開(kāi)式換向器的換入/換出過(guò)程可以包括如下幾個(gè)階段。

①t0～t10階段，在該階段換向器開(kāi)始換入，噴嘴噴出的水流由旁通管逐漸流入工作量器。此時(shí)計(jì)時(shí)器并未計(jì)時(shí)。該過(guò)程流入工作量器的水的累積量用A表示。

②t10～t20階段，在該階段換向器逐漸完全換入，計(jì)時(shí)器由t10位置處開(kāi)始計(jì)時(shí)，噴嘴噴出水流逐漸完全流入工作量器。該過(guò)程流入工作量器的水流累積量用B表示。

③t20～t30階段，在該階段由噴嘴噴出的水流完全進(jìn)入工作量器，計(jì)時(shí)器接續(xù)t10～t20階段繼續(xù)進(jìn)行連續(xù)計(jì)時(shí)。該過(guò)程流入工作量器的水流累積量用G表示。

④t30～t40階段，在該階段換向器開(kāi)始換出，噴嘴噴出的水流由工作量器逐漸流入旁通管，計(jì)時(shí)器接續(xù)t20～t30階段繼續(xù)進(jìn)行連續(xù)的計(jì)時(shí)，該過(guò)程流入工作量器的水流累積量用E表示。

⑤t40～t50階段，在該階段換向器逐漸完全換出，計(jì)時(shí)器在時(shí)刻t40停止計(jì)時(shí)，且噴嘴噴出的水流也逐漸完全流入旁通管。該過(guò)程流入工作量器的水流累積量用F表示。

根據(jù)對(duì)換向器換入/換出換向周期的分析可以看出，該換向周期中既包括換向計(jì)時(shí)部分，也包括換向不計(jì)時(shí)部分。因此本文定義換向計(jì)時(shí)部分為換向器換入/換出計(jì)時(shí)周期。該周期包括換向器換入時(shí)間T1(即圖2所示中的t10～t20)和換出時(shí)間T2(即圖2所示中的t30～t40)，一般情況下，可通過(guò)調(diào)整換向器繼電器排氣孔將T1和T2調(diào)整到非常接近的數(shù)值，即T1≈T2。

同時(shí),根據(jù)對(duì)換向器換入/換出過(guò)程的分析知道，在換向器換向的整個(gè)換入/換出過(guò)程中，實(shí)際流入工作量器的水流累積量為Q=A+B+G+E+F，計(jì)時(shí)時(shí)間段為t10～t40。因此可以得到換向器換向周期內(nèi)的平均流量為q=Q/(t40-t10)。該流量即是通常采用的標(biāo)準(zhǔn)裝置的實(shí)際流量。

理論上，管道中的標(biāo)準(zhǔn)流量應(yīng)該為：q1=(B+C+G+D+E)/(t40-t10)。圖2所示流量模型中，A和C、D和F是對(duì)稱的，故A=C，D=F，因此有：A+B+G+E+F=B+C+G+D+E，即A+F=C+D，所以Q=B+C+G+E+D，q=q1。由此看出，在換向擋板位于換入/換出行程的中心，噴嘴流速分布均勻的假設(shè)下，通常采用的標(biāo)準(zhǔn)裝置的實(shí)際流量與理論上的標(biāo)準(zhǔn)流量是相等的。

1.3 換向速度對(duì)不確定度影響

為了更好地研究開(kāi)式換向器換入/換出速度對(duì)開(kāi)式換向器不確定度的影響，假定換向擋板位于換入/換出行程中心位置，換向器噴嘴處水流的流速分布是均勻的，調(diào)整換向器換入速度為換出速度的1/l，則換向器的流量模型可由圖3來(lái)表示。由于換入速度為換出速度的1/l，則換入時(shí)間變?yōu)閾Q出時(shí)間的l倍，即lT1≈T2，且lT1和T2分別對(duì)應(yīng)于圖3中的t10～t20和t30～t40。

圖3 調(diào)整速度后的換向器流量模型

由圖3可得到以下結(jié)論。

① 因換向器換出速度未變化，故換向器換出時(shí)的流量模型與圖2相比未發(fā)生變化。

② 因換入速度變慢，導(dǎo)致了換入時(shí)間變長(zhǎng)，即換入時(shí)間變?yōu)檎{(diào)整換入速度前的l倍，這一變化直接影響A、B和C增大。

③ 盡管A、B和C增大，但A與C仍是對(duì)稱的，故A=C,進(jìn)而可知q=q1仍然成立。由此看出q與q1的等量關(guān)系不隨換向器換入速度的變化而變化，也就是不隨換入時(shí)間的變化而變化。同樣的，q與q1的等量關(guān)系不隨換向器換出速度的變化而變化，也就是不隨換出時(shí)間的變化而變化。

④ 調(diào)整換向器換出速度為換入速度的1/l，可得到與上述分析相同的結(jié)論。

⑤ 根據(jù)上述分析可以知道，換向器換向?qū)ρb置帶來(lái)的誤差與換向器換入、換出時(shí)間無(wú)關(guān)，因此以換向器換入/換出時(shí)間之差作為換向器的一個(gè)不確定度來(lái)源是不合理的。

為了更好地研究換向器帶來(lái)的不確定度，本文提出了換向擋板位置作為開(kāi)式換向器的一個(gè)主要來(lái)源，并進(jìn)行了誤差試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)裝置及條件

為驗(yàn)證“換向擋板位置為開(kāi)式換向器的一個(gè)主要來(lái)源”，本文對(duì)開(kāi)式換向器換向擋板位置改變時(shí)帶來(lái)的測(cè)量誤差進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置示意圖如圖4所示，主要由動(dòng)力設(shè)備、水源穩(wěn)壓設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，前直管段、試驗(yàn)段、后直管段、背壓管段、開(kāi)式換向器及工作量器等九部分組成。試驗(yàn)工質(zhì)為水，試驗(yàn)中水由水泵導(dǎo)入水源穩(wěn)壓裝置，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓裝置穩(wěn)定后，經(jīng)過(guò)一個(gè)足夠長(zhǎng)的直管段，進(jìn)入試驗(yàn)段，再經(jīng)過(guò)一個(gè)足夠長(zhǎng)的后直管段及背壓管段，通過(guò)雙分流器開(kāi)式換向器進(jìn)入稱重量器。在試驗(yàn)段安裝有被檢電磁流量計(jì)，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)，具有脈沖輸出。試驗(yàn)管路內(nèi)徑D=50 mm，水的密度為998 kg/m，試驗(yàn)溫度為常溫。

圖4 試驗(yàn)裝置示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用改變開(kāi)式換向器換向擋板位置的方法，在流量為14 m3/h條件下，對(duì)換向擋板分別位于換入側(cè)與換入/換出行程中心的距離為1/4×換入/換出行程、換出側(cè)與換入/換出行程中心的距離為1/4×換入/換出行程及換向器換入/換出行程中心位置時(shí)，換向器引入的流量測(cè)量誤差進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 換向擋板位置改變的試驗(yàn)結(jié)果

由表1可得到以下結(jié)論。

① 換向擋板位于換入側(cè)與換入/換出行程中心的距離為1/4×換入/換出行程時(shí)，開(kāi)式換向器對(duì)電磁流量計(jì)進(jìn)行檢定試驗(yàn)的平均相對(duì)誤差為0.84%。換向擋板換出側(cè)與換入/換出行程中心的距離為1/4×換入/換出行程時(shí)，開(kāi)式換向器對(duì)電磁流量計(jì)進(jìn)行檢定試驗(yàn)時(shí)的平均相對(duì)誤差為0.24%。換向擋板位于換向器換入/換出行程中心位置時(shí)，開(kāi)式換向器對(duì)電磁流量計(jì)進(jìn)行檢定試驗(yàn)時(shí)的平均相對(duì)誤差為0.49%。上述情況說(shuō)明，開(kāi)式換向器對(duì)流量計(jì)進(jìn)行檢定試驗(yàn)時(shí)，換向擋板的位置將會(huì)對(duì)流量計(jì)相對(duì)示值誤差產(chǎn)生較大影響。位于換入側(cè)時(shí)，檢定試驗(yàn)得到的流量計(jì)相對(duì)示值誤差將會(huì)增大;位于換出側(cè)時(shí)，檢定試驗(yàn)得到的流量計(jì)相對(duì)示值誤差將會(huì)減小。

② 流速分布不均勻可以等同為換向擋板位置的改變。因此,流速分布不均勻時(shí)，開(kāi)式換向器同樣會(huì)對(duì)被檢定流量計(jì)計(jì)量性能造成較大的影響。

③ 根據(jù)表1中給出的換向擋板位于不同位置時(shí)檢定得到的流量計(jì)平均相對(duì)誤差，并以換向擋板位于換入/換出中心位置時(shí)為基數(shù)(即為零)，可以計(jì)算得到換向擋板分別位于換入側(cè)與換入/換出行程中心的距離為1/4×換入/換出行程、換出側(cè)與換入/換出行程中心的距離為1/4×換入/換出行程及換向器換入/換出行程中心位置時(shí)換向器引入的誤差,如表2所示。

表2 換向器引入的誤差

由表2可以看出,換向擋板位于換入側(cè)與換入/換出行程中心的距離為1/4×換入/換出行程距離時(shí)，試驗(yàn)得到的換向器引入的誤差和理論計(jì)算得到的換向器引入的誤差分別為0.35%和0.29%。這一情況說(shuō)明換向擋板位置是導(dǎo)致?lián)Q向器帶來(lái)測(cè)量誤差的一個(gè)重要因素，驗(yàn)證了本文提出的換向擋板位置為開(kāi)式換向器不確定度的一個(gè)主要來(lái)源。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析和研究目前液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中開(kāi)式換向器不確定度評(píng)定方法存在的局限性的基礎(chǔ)上，分析了開(kāi)式換向器換入/換出時(shí)間差作為換向器不確定度來(lái)源的不合理性。

本文根據(jù)開(kāi)式換向器實(shí)際工作時(shí)換向擋板與計(jì)時(shí)器實(shí)際配合情況，提出將換向擋板位置作為換向器不確定度的一個(gè)不確定度來(lái)源，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的換向擋板位置作為換向器不確定度的一個(gè)不確定度來(lái)源是合理的，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] 騰文盛,程亞杰,騰穎,等.質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量不確定度評(píng)定[J].工業(yè)計(jì)量,2013,23(4):64-65.

[2] 段慧明,翟秀貞,王自和，等.JJG 164-2000液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2000.

[3] 趙偉均,馬學(xué)條.質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的測(cè)量不確定度分析[J].計(jì)量技術(shù),2011(1):69-71.

[4] 李金海,蘇彥勛.液體流量裝置中有關(guān)換向器和穩(wěn)定性檢測(cè)的不確定度[J].計(jì)量學(xué)報(bào),2008,29(5):437-440.

[5] Yeh T T,Yende N P,Johnson A,et al.Error free liquid flow diverters for calibration facilities[C]∥Proceedings of ASME FEDSM’02,2002.

[6] Terao Y,Takamoto M.Uncertainty analysis of the large water flow calibration facility[C]∥Proceedings of the 9thInternational Conference on Flow Measurement,1999.

[7] Gowda V,Yeh T T,Espina P I,ea al.The new NIST water flow calibration facility[C]∥Proceedings of 11thFLMEKO,2003.

[8] Rainer E.Modeling the uncertainty in liquid flowmeter calibration and application-Requirement and their technical realization for PTB’s national water flow standard[C]∥Sensor Conference 2007 Proceedings II,2007.

[9] 陳曉敏,馬龍博,李東升.換入換出同向型換向器[J].自動(dòng)化儀表,2013,34(3):63-70.

Experimental Research on the Measurement Error Caused by Open Type Commutator in the Liquid Flow Calibration Facilities

In liquid flow standard facilities, the open type commutators may cause error in flow measurement, aiming at this problem, the unreasonableness of considering the time difference between IN/OUT of the open type commutator as a source of uncertainty of the commulator is analyzed. In accordance with the practical coordination situation of the damper and timer in commutator while operating, the concept of considering the position of damper as a source of uncertainty is proposed, and the experimental verification by using the method of changing damper position is conducted under the flow rate of 14.0 m3/h. The result indicates that the concept proposed is reasonable.

Liquid flow calibration facilities Commutator Flow measurement Uncertainty Measurement error Flow model

浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督系統(tǒng)重大基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：20100103)。

馬龍博(1975-)，男，2007年畢業(yè)于浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，高級(jí)工程師；主要從事流量計(jì)量技術(shù)方面的研究。

TH71/89

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504016

修改稿收到日期：2014-10-08.