高精度大流量开式换向装置设计与特性分析

潘云飞，罗德章，陈汉松，刘桂雄

(1.广州能源检测研究院，广东广州510170;2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640)

0 前言

闭式换向装置换向稳定性受到液流压力影响且换向过程会产生管道内真空现象，导致管内液流特性不稳定，换向误差较大，应用较少;而开式换向装置换向稳定性不受液流压力影响，换向稳定性与重复性高，应用广泛。开式换向装置主要分为换入换出同向型、换入换出反向型两种，换入换出同向指喷嘴/分流器换入/换出过程移动方向一致，换入换出反向指喷嘴/分流器换入/换出过程移动方向相反。

降低换向装置不确定度有利于提高液体流量标准装置测量精度［1］，ENGEL 等［2－4］基于大量实验证明换入换出时间误差是影响换入换出反向型换向装置不确定度关键因素之一。朱雷等人［5］通过高速摄像确定计时器最优启停时刻补偿喷嘴旋转、分流器固定式换入换出反向型换向装置换向流量误差，但即使保证换向重复性一致、计时器计时时刻设置合理、换入换出时间相同条件下，换入换出反向型换向装置仍会存在换向流量误差［6］。T SHIMADA［7－8］、I MARFENKO 等［9］分别设计喷嘴固定、分流器移动式换入换出同向型换向装置，改善喷嘴流速分布不均，液滴飞溅现象对于换向流量误差的影响，但都没有对计时器最优启停时刻进行研究，且换向装置结构复杂，对驱动功率需求高，占用空间大，仅适用于小流量液体流量标准装置。基于上述国内外研究背景，采用模块法［10］设计一种适用于大流量液体流量标准装置高精度开式换入换出同向换向装置。

1 开式换入换出反向型换向器分析

图1为管径1 000 mm大流量液体流量标准装置结构示意图，图中虚线框所示部分为开式换入换出反向型换向器结构。

图1 大流量液体流量标准装置结构示意图

如图1所示，其工作原理为:(1)喷嘴处于位置1，稳定液流经分流器左分流管道3流至回流罐;(2)启动气缸，流量表计时器启动计时，喷嘴从位置1旋转到位置2，液流由喷嘴经分流器右分流管道4流至称重罐，换向器完成换入过程;(3)经过检定时间后，再次启动气缸，流量表计时器停止计时，喷嘴由位置2旋转到位置1，换向器完成换出过程，至此换向装置一个完整换向周期结束。

图2为换入换出反向型换向器一个换向周期内称重罐瞬时流量数学模型。tTIstart与tTIstop分别表示换向装置换入开始与换入结束时刻，tMstart与tMstop分别表示流量计计时器计时开始与计时停止时刻，tTOstart与tTOstop分别表示换出开始与换出结束时刻，qin表示任意时刻称重罐瞬时流量，qconst表示称重罐恒定瞬时流量。

由于存在无法避免的计时器计时启停延后误差ΔtD1=tMstart－tTIstart、ΔtD2=tMstop－tTOstart，流量计实际计时时间 (即检定时间)为TC=tMstop－tMstart，换入、换出时间分别为TTI=tTIstop－tTIstart、TTO=tTOstop－tTOstart。

图2 一个换向周期内称重罐瞬时流量数学模型

那么，流量计实际流量QFreal、称重罐实际流入流量QTreal以及换向流量绝对误差QE可以分别表示为:

基于以上分析，可以得出如下基于开式换入换出反向型换向器特性及存在相关误差:

(1)换入换出过程喷嘴运动方向相反，换入换出重复性误差、换入换出时间误差、换向速率、换向过程喷嘴内部流场特性变化、挡板的位置与形状、液滴飞溅现象等因素，均会引起换向流量误差;

(2)加快换向速率、缩短换入换出时间，可减小换向流量误差，但使装置成本增加，且换向时间一般不会低于100 ms，改善效果不明显;

(3)减小换入换出时间误差可减小换向流量误差，但实际工程应用当中很难保证换向器双向运动重复性一致，换向器双向运动行程误差较大;

(4)求解最优计时启停延迟Δt1，保证换向装置换入换出过程运动重复性一致、换入时间与换出时间相同，即TTI=TTO= Δt1+Δt2、Q1=Q3、Δt2=tTIstoptMstart。只对Δt1进行求解即可，只引入一次误差且Δt1求解简单，但由于换向过程喷嘴内部流场特性变化导致称重罐换入换出瞬时流量曲线不对称，Q4≠Q6，由式 (1)仍存在换向流量绝对误差QE≠0;

(5)求解最优计时启停延迟Δt1、Δt2，使得Q1=Q3、Q4=Q6，由式 (1)可得理论上换向流量绝对误差QE=0，但需对Δt1、Δt2进行求解，引入二次误差，且无法确保每次换向运动重复性一致，最优计时器启停时刻求解困难、实际设置操作误差较大，液滴飞溅现象仍会导致换向流量误差。

2 换入换出同向型换向装置分析

图3、图4分别为笔者提出的大流量开式换入换出同向型换向装置、大流量液体流量标准装置结构示意图。

图3 大流量换入换出同向型换向装置结构示意图

图4 大流量液体流量标准装置结构示意图

图中记回流罐为RT，称重罐为WT，换向装置由3个单一换入换出反向型换向器模块组成，模块A对液流进行回流罐至称重罐之间相互切换，模块B、C只改变液流流动轨迹而没有对液流进行回流罐至称重罐之间相互切换，故称模块A为换向器，模块B、C为换流器。

图3中分流器A左、右分流管道3、4分别下接换流器B、C，分流器B、C左分流管道3'、3″与右分流管道4'、4″分别下接回流罐与称重罐。令喷嘴 A、B、C 位于位置 1、1'、1″，2、2'、2″时分别记换向器 A、换流器 B、C处于状态Al、Bl、Cl，Ar、Br、Cr。

由图3、图4可得换向装置工作原理如下:

(1)稳定水流由换向器A上方管道经喷嘴A、分流器A左分流管道3流至换流器B，再由喷嘴B经分流器B左分流管道3'流至回流罐 (RT)，此时液流轨迹为1→3→1'→3'→RT，换向装置状态为AlBlCl;

(2)气缸C启动，喷嘴C由位置1″移动至位置2″，换流器C由状态Cl切换至状态Cr，换向器A与换流器B状态不变，仍为Al、Bl，液流轨迹不变，仍为1→3→1'→3'→RT，换向装置由状态AlBlCl切换至状态AlBlCr;

(3)气缸A启动，计时器启动计时，喷嘴A由位置1移动至位置2，换向器A由状态Al切换至状态Ar，换流器B、C状态不变，仍为Bl、Cr，液流轨迹变为2→4→2″→4″→WT，换向装置由状态AlBlCr切换至状态ArBlCr，换向装置将液流由回流罐切换至称重罐，完成换入过程;

(4)气缸B启动，喷嘴B由位置1'移动至位置2'，换流器B由状态Bl切换至状态Br，换向器A与换流器C状态不变，仍为Ar、Cr，液流轨迹不变，仍为2→4→2″→4″→WT，换向装置由状态ArBlCr切换至状态ArBrCr;

(5)气缸A启动，喷嘴A由位置2移动至位置1，换流器A由状态Ar切换至状态Al，换流器B、C状态不变，仍为Br、Cr，液流轨迹变为1→3→2'→4'→WT，换向装置由状态ArBrCr切换至状态AlBrCr。换向器A虽然发生了状态切换，但液流仍流向称重罐，对液体流量标准装置检定过程没有影响;

(6)气缸C启动，喷嘴C由位置2″移动至位置1″，换流器C由状态Cr切换至状态Cl，换向器A与换流器B状态不变，仍为Al、Br，液流轨迹不变，仍为1→3→2'→4'→WT，换向装置由状态AlBrCr切换至状态AlBrCl;

(7)气缸A启动，计时器停止计时，喷嘴A由位置1移动至位置2，换向器A由状态Al切换至状态Ar，换流器B、C状态不变，仍为Br、Cl，液流轨迹变为2→4→1″→3″→RT，换向装置由状态AlBrCl切换至状态ArBrCl，换向装置将液流由称重罐切换至回流罐，完成换出过程;

(8)气缸B启动，喷嘴B由位置2'移动至位置1'，换流器B由状态Br切换至状态Bl，换向器A与换流器C状态不变，仍为Ar、Cl，液流轨迹不变，仍为2→4→1″→3″→RT，换向装置由状态ArBrCl切换至状态ArBlCl;

(9)气缸A启动，喷嘴A由位置2移动至位置1，换流器A由状态Ar切换至状态Al，换流器B、C状态不变，仍为Bl、Cl，液流轨迹变为1→3→1'→3'→RT，换向装置由状态ArBlCl切换至状态AlBlCl。换向器A虽然发生了状态切换，但液流仍流向回流罐，对液体流量标准装置检定过程没有影响。虽然至此换向装置一个完整换向周期完成，但是换向装置实际于步骤 (3)、(7)就已经完成换入、换出过程。

图5、图6分别为换向周期状态循环切换流程与对应液流流动轨迹示意图。如图所示，该换向装置一共有8个状态，其中包括换入、换出状态各3个，待切换状态2个。

图5 换向周期状态循环切换流程图

图6 换向周期各状态对应液流流动轨迹示意图

图7、图8分别为换入换出同向型换向装置一个换向周期内称重罐与回流罐瞬时流量数学模型。

如图所示，一个换向周期内，对于任意时刻t≥0与任意时间段T=t'－t(0≤t＜t')，称重罐与回流罐瞬时流量之和恒定且等于喷嘴入口稳定瞬时流量，称重罐与回流罐净流量之和恒定且等于喷嘴入口净流量，即:

图7 一个换向周期内称重罐瞬时流量数学模型

图8 一个换向周期内回流罐瞬时流量数学模型

由式 (2)，可得对于任意 ΔtD1、ΔtD2、TTI－ΔtD1、TTO－ΔtD2，有:

因此，在保证喷嘴单方向运动重复性一致、计时器计时启停延迟一致条件下，有TTI=TTO、ΔtD1=ΔtD2、TTI－ΔtD1=TTO－ΔtD2，称重罐换入、换出瞬时流量数学模型与回流罐换出、换入瞬时流量数学模型完全一致，这时有:

联合式 (3)，可得:

同理，有:

联合式 (3)，得:

结合式 (1)、(4)、(5)，最终可得换向流量绝对误差QE=Q1－Q3+Q4－Q6=Q1－Q6+Q4－Q3=0，这表示作者所提出的开式换入换出同向型换向装置结构在一定条件下换向流量绝对误差QE为0。

基于以上分析，可得出如下开式换入换出同向型换向装置特性:

(1)无需求解最优计时器启停时刻，没有引入额外误差，设置一致计时器计时启停延迟容易实现。在保证喷嘴单方向运动重复性一致、计时器计时启停延迟一致条件下，换入换出时间相同，开式换入换出同向型换向装置不存在换向流量误差，换向流量误差与换向速率、喷嘴内部流场特性变化、挡板的位置与形状、液滴飞溅现象等因素无关;

(2)换入换出喷嘴运动方向相同，只需要减小喷嘴单方向运动重复性误差便可以减小换入换出时间误差，实际工程运用中通过控制驱动单方向行程重复性误差可以减小喷嘴单方向运动重复性误差直至忽略不计;

(3)相比于同类型开式换入换出同向型换向装置，其横向尺寸显著减小，结构紧凑且占用空间小;换向流量误差与换向速率无关，对换向速率要求不高;不需要移动分流器，驱动负载小，对驱动功率要求低，大大节省空间资源与装置成本，更适用于大流量液体流量标准装置。

3 结论

基于瞬态启停原理，采用模块化设计方法，提出一种高精度大流量开式换入换出同向型换向装置，其优越性在于:(1)相比于传统换入换出不同向型换向器，在保证喷嘴单方向运动重复性一致、计时器计时启停延迟一致条件下，换入换出时间相同，开式换入换出同向型换向装置不存在换向流量误差，其换向流量误差与换向速率、喷嘴内部流场特性变化、挡板的位置与形状、液滴飞溅现象等因素无关;(2)相比于同类换入换出同向型换向装置，其结构紧凑，占用空间小，对驱动要求不高，更适用于大流量液体流量标准装置。

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