胡澄、沈渊、鲍慧卉
杭州市质量技术监督检测院 310000
摘要:现代社会对流量测量技术的精度要求不断增加，液体流量标准装置是流量测量技术的重要基础，其重要组成部分是换向器，换向器的研发设计对流量稳定性有着重要的影响，通过问题导向、理论推导和实验分析，现在已经提出了稳定性不确定度的评定方式，也可以通过不同算法进行稳定性的计算，在大流量和小流量点都可以达到较高的稳定性。
关键词：液体流量装置、换向器、稳定性、不确定度
液体流量装置中的换向器
液体流量装置是流量测量技术的重要基础，流量测量技术在能源计量、环境保护方面都发挥着重要作用。流量计量是实现流量单位一致、量值精确可靠传递的过程，包括流量仪表的开发研究、流量校准和检定装置的建立、流量装置的国内外比对以及流量标准和检定规程的制定等等。
换向器是流量测量技术的重要组成部件，如图1所示，水流量标准装置由三个系统构成，分别是流量生成系统、标准器系统和测控系统，主要的性能指标有扩展不确定度、流速范围、流量稳定性、重复性、复现性和稳定性。换向器的不确定度对液体流量标准装置的整体不确定度有重要影响。
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流量计技术水平的提高对换向器不确定度提出了更高的要求，图2为换向器示意图，传统换向器主要采用气动执行机构，电磁阀线圈得电后带动电磁阀阀芯换向，气缸进气推动活塞带动分水器，换向完成，活塞到最大处，电磁阀线圈断电，气缸再次进气，推动分水器回到初始位置。这种传统的换向器的推力为恒力，无法控制大小。图中所示的换向器用电磁铁2使截留隔板绕轴5旋转，换向器转动时，轴5折光板折挡脉冲信号发出器6的光束，光电信息传给计时器4，控制了计时器的开关。
现在出现了很多精度更高的换向器，天津大学蔡兵新提出了一种利用双光电计时器，实现换向器自动定位分水器自动复位的闭式电动换向器，使用PLC，电动换向器步进电机可以进行加、减速换向过程控制。
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液体流量标准装置稳定性的计算方法
流量稳定性是评价一个流量标准装置十分重要的性能指标，对于流量量值传递等起到十分重要的作用。不确定度研究方面，国内外学者把换向器的行程差作为影响流量测量误差的重要因素。计算标准会给予两种计算方式，一个是累积时间内的计算，一个是累积时间之间的计算。目前少有对几种稳定性计算公式进行直接的对比的研究。于陆军等人按照规定方式进行数据处理，通过压力数据计算流量稳定性，主要是利用伯努利方程对液体流量和管道压力的关系进行了推导。累积时间内稳定性的计算是在一次测量时间内，以1秒至少一次的频率，连续记录的n个测量信号进行计算，累积时间之间的稳定性测量是在循环10min的检测流量后测量连续n次每一个周期的平均流量值。
李金海等人应用理论推导和实验，研究分析了液体流量标准装置产生的不确定性对流量测量的影响，对于平均流量时间间隔在截流过程中出现了过渡过程，这一过程影响了计时器的不确定度，通过计算可以得到换向时流量测量的B类不确定度理论计算公式。李金海通过对正行程和反行程进行记录，计算得到其不确定度，与国际标准计算的不确定度一致，通过实验证明推导公式正确可靠。
对于基于压力测量的稳定性是利用流体力学的基本方程——伯努利方程得到管道的体积流量，在同一高度管道内通过测量压力来计算体积流量q的变化量得到流量稳定性。
于陆军等人通过实验分析得到了不同流量点的三种稳定性计算结果，结果如表1所示，三种测量方法和计算方法的小流量稳定性相对于大流量都较低，主要原因是小流量的离心泵会出现回流失速等问题，泵内流动性较差，规律性也较低，因为根据流量的基本定义，只有在循环系统的稳定性提高的基础上才能更好地应用基础方程，而在流量点较小地情况下，循环系统的稳定性本身较低，所以使用基础方程时会和实际情况有所偏差。另外，基于压力测量出的稳定性更差，有0.342%，主要是由于离心泵的压力传导到稳压管出口，管道压力出现了大幅度的波动。但这三种稳定性计算结果差距不大，都处于相同的数量级。
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针对小流量控制稳定性较差的问题，许新淮进行了分析，对于变频-泵-流量对象，利用相似模拟，首先进行稳态特性检测，先采用了常规的PID算法进行控制，但是许新淮发现随着流量下降，流量稳定控制度也随之下降，并且最大稳态误差值增加，从另一个角度反映了流量稳定度控制效果下降，在这个基础上，许新淮给出了一种模糊PID控制算法，相较于传统的PID算法，模糊PID控制算法对数据进行了模糊控制和加权因子进行融合计算，选择7个模糊子集来描述流量偏差的论域和论域的变化率，在选择控制经验时，当误差较大时，选择以消除误差为主的控制量，在误差较小时，选择维护系统稳定性的控制量。
通过变频-泵-流量系统进行控制以及C++编程进行计算可以得到一组实验数据，流量稳定性得到了较大的提高，作者通过微调控制，调整了稳压管入口的回流阀，在泵-变频-稳压管达到一个理论上的平衡态之后自动停止变频调节，但这种平衡态由于只是理论上的平衡态，因此还会有细小的扰乱，需要适当调节管路调节阀，减小细微误差，使系统的稳定性重新达到我们的要求。通过流量检定发现新的模糊控制的PID算法能够有效提高流量控制的品质，液体流量标准装置在不同的工作点流量下精度都可以有所保证。
小结：
本文在对流量计中换向器种类进行研究的基础上阐述了换向器带来的流量稳定性的计算问题，其不确定度取决于流量点的大小和算法，经过不同的算法其稳定性也会有所不同，相对而言，流量点小的流量计其稳定度控制效果下降，误差较大，其原因也是多方面的，主要是泵的对液体的影响变大，水流变得不规则，系统循环变得不再稳定。为改变这种情况，提高小流量计量的精确度和稳定性，可以使用模糊PID算法，引入加权因子对稳定性进行控制。本文在实验和理论综述方面提供了一定的参考。
参考文献：
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[2]于陆军,赵伟,舒心,张思聪,陶冬香.液体流量标准装置稳定性计算方法的实验研究与分析[J].计量技术,2020(01):28-31.
[1]许新淮.静态质量法水流量标准装置微小流量稳定性控制[J].工业计量,2019,29(01):25-28+46.