CN107131930B - 一种同向型开式流体切换装置及流体切换和计时的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同向型开式流体切换装置及流体切换和计时的方法。本发明中的步进电机通过联轴器与转动轴连接；圆盘开有能够透光的狭缝，并安装在转动轴上；第一光电转换器和第二光电转换器安装在固定支架上，与计时计频装置相连接；第一分流板和第二分流板对称安装在转动轴两侧，且垂直通过半圆柱管直径，组成半圆柱管的侧面封闭板；整流面为半圆锥形，上端与转动轴连接。通过适当控制步进电机旋转，驱动转动轴并带动圆盘、第一分流档板、第二分流挡板、半圆柱管和整流面转动，可较好实现同向型流体切换装置的运动机构在相同运动方向上对流体切换。本发明大大减小了装置切换流体过程中引入的不确定度，提高了液体流量标准装置的测量准确度。

Description

一种同向型开式流体切换装置及流体切换和计时的方法
技术领域
本发明涉及一种液体流量装置中的同向型开式流体切换装置及流体切换和计时的方法。
背景技术
目前的国内外计量技术机构中，液体流量标准装置使用的流体切换装置主要有两种：一是闭式流体切换装置；二是不同向型开式流体切换装置。这两种流体切换装置在一定程度上满足了当前检测、检定中的量值传递要求，但随着液体流量计量技术的发展，上述流体切换装置已不能很好的满足仪表测量精度越来越高的要求，因此在使用中暴露出的问题也越来越多。如闭式流体切换装置的流体扰动问题，在闭式流体切换装置对流体突然进行切换时，管道中的流体流速和压强都将发生急剧变化，产生较强流体波动，这种流体波动将会沿管道向管道入口传播，因而造成稳定流动状态的流体的扰动，进而影响流量计的计量性能。由于上述流体扰动问题是闭式切换装置无法克服的严重缺陷，因此该型流体切换装置在液体流量标准装置中的使用量越来越少，逐渐被对流体不产生扰动的不同向型开式流体切换装置取代。
图1给出了不同向型开式开式流体切换装置结构组成。图1中，不同向型开式流体切换装置包括换向喷嘴(1)、分流器(17)、第一切换流道(181)、第二切换流道(182)、切换装置计时导杆(19)和光电转换器(20)。其中，分流器(17)有相邻的第一分流漏斗(171)和第二分流漏斗(172)，第一分流漏斗(171)和第二分流漏斗(172)的下端分别对应有第一导引管(1711)和第二导引管(1722)；此外，第一导引管(1711)和第二导引管(1722)的下端分别对应地置于第一换向流道(181)和第二换向流道(182)中。流体切换装置计时导杆(19)与分流器(17)固定连接并与光电转换器(20)相配合产生计时控制信号。该型流体切换装置的工作原理及对应的流体切换流量模型可由图2表示。由图2可以看出该型流体切换装置的工作过程可以分为以下几个阶段：
①t 0—t 10阶段，在该阶段流体切换装置开始将流体由旁通管向工作量器切换，喷嘴喷出的流体由旁通管逐渐切换流入工作量器，此时计时器并未计时，该过程流入工作量器的流体的累积量用A表示。
② t 10—t 20阶段，在该阶段流体切换装置逐渐将流体完全切换进入工作量器，并且计时器开始由t 10时刻计时，该过程中流入工作量器的流体累积量用B表示。
③ t 20—t 30阶段，在该阶段流体切换装置对流体的切换结束，喷嘴喷出的流体完全进入工作量器，计时器接续t 10—t 20阶段继续进行连续的计时，该过程流入工作量器的流体累积量用G表示。
④ t 30—t 40阶段，在该阶段流体切换装置开始由工作量器向旁通管切换出，喷嘴喷出的流体由工作量器逐渐流入旁通管，计时器接续t 20—t 30阶段继续进行连续的计时，该过程流入工作量器的流体累积量用E表示。
⑤ t 40—t 50阶段，在该阶段流体切换装置逐渐将流体由工作量器完全切换进入旁通管，计时器在时刻t 40停止计时，该过程流入工作量器的流体累积量用F表示。
根据上述分析知道，流体切换装置对流体的整个切换过程可以分为切换入/切换出两个过程，该型流体切换装置的这两个流体切换过程为方向相反的过程，因此该型流体切换装置的整个流体切换过程中，切换入/切换出是不同向的。根据该型流体切换装置的工作过程及计时的开始与结束时刻，可以得到该型流体切换装置在切换入/切换出过程中流入工作量器中的流体累积量为Q=A+B+G+E+F，计时时间段为t 10 — t 40，由此可以得到该型流体切换装置流体切换周期内的平均流量为q=Q/( t 40 - t 10)。由于该型流体切换装置喷嘴部分的流体流速分布不均匀及该型流体切换装置对流体切换时切换入/切换出不同向，导致上述流量并不是该型流体切换装置流体切换周期内管道中的实际流量，管道中的实际流量应该为：q 1=(B+C+G+D+E)/(t 4 -t 1)。要使得q=q 1，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，必须根据流体流速分布对计时器的脉冲触发位置进行调整。
实际上，流量不同时，流体切换装置喷嘴喷出的流体流速分布也不同，如果将脉冲触发位置根据某一流量下的流体流速分布进行调整并置于一固定位置处，则在该流量下流体切换装置引起的不确定度将会较小，而在其它流量下，流速分布及脉冲触发位置导致流体切换装置引起的不确定度将会大大增加，根据不同流量不断调整脉冲触发位置的方式又不具有可行性，因此这种该型流体切换装置很难实现A+F=C+D，所以该型流体切换装置对流体切换时切换入/切换出的一个周期内得到的平均流量与实际流量具有较大误差，这就给液体流量标准装置带来较大的不确定度。要想较好的解决不同向型开式流体切换装置对流体切换时由“切换入/切换出”不同向带来的不确定度较大问题，比较可行的办法就是使得开式流体切换装置对流体切换时的“切换入/切换出”同方向，本发明就是为解决该问题而提出的一种“切换入/切换出”同方向的流体切换装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种液体流量标准装置中的同向型开式流体切换装置及流体切换和计时的方法。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
本发明主要包括喷嘴，步进电机，联轴器，转动轴，圆盘，透光狭缝，第一光电转换器，第二光电转换器，计时计频装置，第一分流挡板，第二分流挡板，半圆柱管，整流面，旁通管，壳体，工作量器。所述步进电机通过联轴器与转动轴相连接；圆盘开有能够透光的狭缝，固定安装在转动轴上；第一光电转换器和第二光电转换器分别对称地安装在任一固定的支架上，通过屏蔽线与计时计频装置相连接；第一分流板和第二分流板对称地固定安装在转动轴两侧，且垂直通过半圆柱管直径，与转动轴一起组成半圆柱管的侧面封闭板；半圆柱管为圆柱体的一半，垂直穿过壳体底部，其中壳体底部以上的进液部分及以下的出液部分均为半圆柱管，与壳体底部接触部分为全圆柱管；半圆柱管出液部分最下端的出液口与工作量器进液口相对；全圆柱管与壳体底部的接触部分采用密封材料进行密封，密封要求应达到半(全)圆柱管与壳体底部进行相对旋转运动时，流体不会由密封处渗漏；整流面为半圆锥形，其最下端与壳体底部间留有间隙，轴线与转动轴固定连接；半圆柱管与整流面对称地固定在转动轴两侧；壳体位于工作量器上方，固定在任意支架上，底部开有出液口与旁通管相连接。
使用本发明的同向型开式流体切换装置进行流体切换和计时的方法主要包括如下步骤：
1) 利用步进电机通过联轴器驱动转动轴顺时针转动，转动轴顺时针转动带动圆盘、第一分流挡板、第二分流挡板、半圆柱管、整流面顺时针转动直至整流面位于旁通管一侧，半圆柱管位于旁通管另一侧，该位置定义为同向型开式流体切换装置的正向0°位置；在该位置处，喷嘴喷出的流体经整流面分流后汇集到壳体底部，并经壳体底部的出液口进入旁通管，流入循环液池。
2) 利用步进电机通过联轴器驱动转动轴匀速连续顺时针转动，转动轴匀速连续顺时针转动带动圆盘、第一分流挡板、第二分流挡板、半圆柱管、整流面由正向0°位置匀速连续顺时针旋转，直至转动角度达到正向180°时停止，该位置定义为同向型开式流体切换装置的正向180°位置。在该位置处，半圆柱管位于旁通管一侧喷嘴的下方，整流面位于旁通管另一侧，喷嘴喷出的水流通过半圆柱管流入工作量器。在圆盘匀速连续顺时针旋转角度达到正向90°时，透光狭缝与第一光电转换器配合产生光电脉冲，送入计时计频装置开始计时。
3) 利用步进电机通过联轴器驱动转动轴匀速连续顺时针转动，转动轴匀速连续顺时针转动带动圆盘、第一分流挡板、第二分流挡板、半圆柱管、整流面由正向180°位置匀速连续顺时针旋转，直至转动角度达到正向360°时停止，该位置与正向0°位置刚好重合，这一位置仍然定义为正向0°位置。在该位置处，整流面位于旁通管一侧，半圆柱管位于旁通管另一侧，喷嘴喷出的流体经整流面分流后汇集到壳体底部，并经壳体底部的出液口进入旁通管，流入循环液池。在圆盘匀速连续顺时针旋转角度达到正向270°时，透光狭缝与第二光电转换器配合产生光电脉冲，送入计时计频装置停止计时；此时，完成同向型开式流体切换装置的一个流体切换入/换换出过程。
另外，控制步进电机通过联轴器驱动转动轴匀速连续逆时针转动，同样可完成一个反向流体切换过程。
与现有技术相比，本发明所述的同向型开式流体切换装置及流体切换和计时的方法具有结构简单、换向鲁棒性好的优点，不仅解决了流体切换装置在同方向上对流体进行切换的问题，更重要的是通过该装置实现的同向流体切换，大大减小了流体切换引起的不确定度，提高了液体流量标准装置的测量准确度。
附图说明
图1是不同向型开式流体切换装置的结构图；
图2是不同向型开式流体切换装置的流体切换流量模型图；
图3是本发明同向型开式流体切换装置的结构图；
图4是本发明同向型开式流体切换装置的流体切换流量模型图；
图5~图7是本发明同向型开式流体切换装置流体切换过程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
本发明完全摒弃了传统的不同向型开式流体切换装置的设计结构，采用了一种全新的设计结构。如图3所示，主要包括喷嘴1，步进电机2，联轴器3，转动轴4，圆盘5，透光狭缝6，第一光电转换器7，第二光电转换器8，计时计频装置9，第一分流挡板10，第二分流挡板11，半圆柱管12，整流面13，旁通管14，壳体15，工作量器16。
使用本发明的流体切换装置时，可将步进电机2通过联轴器3与转动轴4相连接；开有能够透光的狭缝6的圆盘5，固定安装在转动轴4上；第一光电转换器7和第二光电转换器8分别对称地安装在任一固定的支架上，通过屏蔽线与计时计频装置9相连接；第一分流档板10和第二分流档板11对称地固定安装在转动轴4两侧，且垂直通过半圆柱管12直径，与转动轴4一起组成半圆柱管12的侧面封闭板；半圆柱管12为圆柱体的一半，垂直穿过壳体15底部，其中壳体15底部以上的进液部分及以下的出液部分均为半圆柱管12，与壳体15底部接触部分为全圆柱管；半圆柱管12出液部分最下端的出液口与工作量器16进液口相对；全圆柱管与壳体15底部的接触部分采用密封材料进行密封，密封要求应达到半(全)圆柱管12与壳体15底部进行相对旋转运动时，流体不会由密封处渗漏；整流面13为半圆锥形，其最下端与壳体15底部间留有间隙，轴线与转动轴4固定连接；半圆柱管12与整流面13对称地固定在转动轴4两侧；壳体15位于工作量器上方，固定在任意支架上，底部开有出液口与旁通管14相连接。
本发明的流体切换装置具体工作过程如下：
1）如图5所示，利用步进电机2通过联轴器3驱动转动轴4顺时针转动，转动轴4顺时针转动带动圆盘5、第一分流挡板10、第二分流挡板11、半圆柱管12、整流面13顺时针转动直至整流面13位于旁通管14一侧，半圆柱管12位于旁通管14另一侧，该位置定义为同向型开式流体切换装置的正向0°位置；在该位置处，喷嘴1喷出的流体经整流面13分流后汇集到壳体15底部，并经壳体15底部的出液口进入旁通管，流入循环液池。
2）如图6所示，利用步进电机2通过联轴器3驱动转动轴4匀速连续顺时针转动，转动轴4 匀速连续顺时针转动带动圆盘5、第一分流挡板10、第二分流挡板11、半圆柱管12、整流面13由正向0°位置匀速连续顺时针旋转，直至转动角度达到正向180°时停止，该位置定义为同向型开式流体切换装置的正向180°位置。在该位置处，半圆柱管12位于旁通管14一侧喷嘴1的下方，整流面13位于旁通管14另一侧，喷嘴1喷出的流体通过半圆柱管12流入工作量器16。在圆盘5匀速连续顺时针旋转角度达到正向90°时，透光狭缝6与第一光电转换器7配合产生光电脉冲，送入计时计频装置9开始计时。
3）如图7所示，利用步进电机2通过联轴器3驱动转动轴4匀速连续顺时针转动，转动轴4匀速连续顺时针转动带动圆盘5、第一分流挡板10、第二分流挡板11、半圆柱管12、整流面13由正向180°位置匀速连续顺时针旋转，直至转动角度达到正向360°时停止，该位置与正向0°位置刚好重合，这一位置仍然定义为正向0°位置。在该位置处，整流面13位于旁通管14一侧，半圆柱管12位于旁通管14另一侧，喷嘴1喷出的流体经整流面13分流后汇集到壳体15底部，并经壳体15底部的出液口进入旁通管，流入循环液池。在圆盘5匀速连续顺时针旋转角度达到正向270°时，透光狭缝6与第二光电转换器8配合产生光电脉冲，送入计时计频装置9停止计时；此时，完成同向型开式流体切换装置的一个切换入/切换出过程；控制步进电机通过联轴器驱动转动轴匀速连续逆时针转动，同样可完成另一个流体切换过程。
本发明同向型开式流体切换装置的上述结构及其相应的工作过程实现了同向型开式流体切换装置的计时开始（对应上述工作过程的步骤2）和计时结束（对应上述工作过程的步骤3）在同一方向同一位置处完成，即同向型开式流体切换装置在同方向上实现了对流体的 “切换入/切换出”。图4所示的流体切换流量模型为本发明的同向型开式流体切换装置切换流体过程对应的流量模型。由图4可以知道，由于该流量模型是流体切换装置在同方向上实现的流体“切换入/切换出”对应的流体模型，所以实现了A=D，C=F，A+ F=C +D，克服了不同向开式流体切换装置在不同方向上“切换入/切换出”流体难以实现的A+F=C+D问题，因此最终实现了流体切换的一个周期的计时时间段内平均流量与实际流量相等：q 1=(B+C+G+D+E)/(t 4-t 1)=(A+B+G+E+F)/(t 4-t 1)=q。

Claims (2)

1.一种使用同向型开式流体切换装置对流体进行切换和计时的方法，该方法中的同向型开式流体切换装置，包括喷嘴(1)，步进电机(2)，联轴器(3)，转动轴(4)，圆盘(5)，透光狭缝(6)，第一光电转换器(7)，第二光电转换器(8)，计时计频装置(9)，第一分流挡板(10)，第二分流挡板(11)，半圆柱管(12)，整流面(13)，旁通管(14)，壳体(15)和工作量器(16)；
所述步进电机(2)通过联轴器(3)与转动轴(4)相连接；圆盘(5)开有能够透光的狭缝(6)，固定安装在转动轴(4)上；第一光电转换器(7)和第二光电转换器(8)分别对称地安装在任一固定的支架上，通过屏蔽线与计时计频装置(9)相连接；第一分流档板(10)和第二分流档板(11)对称地固定安装在转动轴(4)两侧，且垂直通过半圆柱管(12)直径，与转动轴(4)一起组成半圆柱管(12)的侧面封闭板；半圆柱管(12)为圆柱体的一半，垂直穿过壳体(15)底部，其中壳体(15)底部以上的进水部分及以下的出水部分均为半圆柱管(12)，与壳体(15)底部接触部分为全圆柱管；半圆柱管(12)最下端的出液口与工作量器(16)进液口相对；全圆柱管与壳体(15)底部的接触部分采用密封材料进行密封，密封要求应达到半圆柱管(12)或全圆柱管与壳体(15)底部进行相对旋转运动时，流体不会由密封处渗漏；整流面(13)为半圆锥形，其最下端与壳体(15)底部间留有间隙，轴线与转动轴(4)固定连接；半圆柱管(12)与整流面(13)对称地固定在转动轴(4)两侧；壳体(15)位于工作量器上方，固定在任意支架上，底部开有出液口与旁通管(14)相连接；
其特征在于包括如下步骤：
1) 利用步进电机(2)通过联轴器(3)驱动转动轴(4)顺时针转动，转动轴(4)顺时针转动带动圆盘(5)、第一分流挡板(10)、第二分流挡板(11)、半圆柱管(12)、整流面(13)顺时针转动直至整流面(13)位于旁通管(14)一侧，半圆柱管(12)位于旁通管(14)另一侧，该位置定义为同向型流体切换装置的正向0°位置；在该位置处，喷嘴(1)喷出的流体经整流面(13)分流后汇集到壳体(15)底部，并经壳体(15)底部的出液口进入旁通管，流入循环液池；
2) 利用步进电机(2)通过联轴器(3)驱动转动轴(4)匀速连续顺时针转动，转动轴(4)匀速连续顺时针转动带动圆盘(5)、第一分流挡板(10)、第二分流挡板(11)、半圆柱管(12)、整流面(13) 由正向0°位置匀速连续顺时针旋转，直至转动角度达到正向180°时停止，该位置定义为同向型流体切换装置的正向180°位置；在该位置处，半圆柱管(12)位于旁通管(14)一侧喷嘴(1)的下方，整流面(13)位于旁通管(14)另一侧，喷嘴(1)喷出的液流通过半圆柱管(12)流入工作量器(16)；在圆盘(5)匀速连续顺时针旋转角度达到正向90°时，透光狭缝(6)与第一光电转换器(7)配合产生光电脉冲，送入计时计频装置(9)开始计时；
3) 利用步进电机(2)通过联轴器(3)驱动转动轴(4)匀速连续顺时针转动，转动轴(4)匀速连续顺时针转动带动圆盘(5)、第一分流挡板(10)、第二分流挡板(11)、半圆柱管(12)、整流面(13) 由正向180°位置匀速连续顺时针旋转，直至转动角度达到正向360°时停止，该位置与正向0°位置刚好重合，这一位置仍然定义为正向0°位置；在该位置处，整流面(13)位于旁通管(14)一侧，半圆柱管(12)位于旁通管(14)另一侧，喷嘴(1)喷出的液流经整流面(13)分流后汇集到壳体(15)底部，并经壳体(15)底部的出水口进入旁通管，流入循环液池；在圆盘(5)匀速连续顺时针旋转角度达到正向270°时，透光狭缝(6)与第二光电转换器(8)配合产生光电脉冲，送入计时计频装置(9)停止计时；此时，完成同向型开式流体切换装置的一个流体换向过程。
2.一种使用同向型开式流体切换装置对流体进行切换和计时的方法，该方法中的同向型开式流体切换装置，包括喷嘴(1)，步进电机(2)，联轴器(3)，转动轴(4)，圆盘(5)，透光狭缝(6)，第一光电转换器(7)，第二光电转换器(8)，计时计频装置(9)，第一分流挡板(10)，第二分流挡板(11)，半圆柱管(12)，整流面(13)，旁通管(14)，壳体(15)和工作量器(16)；
所述步进电机(2)通过联轴器(3)与转动轴(4)相连接；圆盘(5)开有能够透光的狭缝(6)，固定安装在转动轴(4)上；第一光电转换器(7)和第二光电转换器(8)分别对称地安装在任一固定的支架上，通过屏蔽线与计时计频装置(9)相连接；第一分流档板(10)和第二分流档板(11)对称地固定安装在转动轴(4)两侧，且垂直通过半圆柱管(12)直径，与转动轴(4)一起组成半圆柱管(12)的侧面封闭板；半圆柱管(12)为圆柱体的一半，垂直穿过壳体(15)底部，其中壳体(15)底部以上的进水部分及以下的出水部分均为半圆柱管(12)，与壳体(15)底部接触部分为全圆柱管；半圆柱管(12)最下端的出液口与工作量器(16)进液口相对；全圆柱管与壳体(15)底部的接触部分采用密封材料进行密封，密封要求应达到半圆柱管(12)或全圆柱管与壳体(15)底部进行相对旋转运动时，流体不会由密封处渗漏；整流面(13)为半圆锥形，其最下端与壳体(15)底部间留有间隙，轴线与转动轴(4)固定连接；半圆柱管(12)与整流面(13)对称地固定在转动轴(4)两侧；壳体(15)位于工作量器上方，固定在任意支架上，底部开有出液口与旁通管(14)相连接；
其特征在于包括如下步骤：
1) 利用步进电机(2)通过联轴器(3)驱动转动轴(4)逆时针转动，转动轴(4)逆时针转动带动圆盘(5)、第一分流挡板(10)、第二分流挡板(11)、半圆柱管(12)、整流面(13)逆时针转动直至整流面(13)位于旁通管(14)一侧，半圆柱管(12)位于旁通管(14)另一侧，该位置定义为流体切换装置的反向0°位置；在该位置处，喷嘴(1)喷出的液流经整流面(13)分流后汇集到壳体(15)底部，并经壳体(15)底部的出液口进入旁通管，流入循环液池；
2) 利用步进电机(2)通过联轴器(3)驱动转动轴(4)匀速连续逆时针转动，转动轴(4)匀速连续逆时针转动带动圆盘(5)、第一分流挡板(10)、第二分流挡板(11)、半圆柱管(12)、整流面(13) 由反向0°位置匀速连续逆时针旋转，直至转动角度达到反向180°时停止，该位置定义为反向180°位置；在该位置处，半圆柱管(12)位于旁通管(14)一侧喷嘴(1)的下方，整流面(13)位于旁通管(14)另一侧，喷嘴(1)喷出的液流通过半圆柱管(12)流入工作量器(16)；在圆盘(5)匀速连续逆时针旋转角度达到反向90°时，透光狭缝(6)与第一光电转换器(7)配合产生光电脉冲，送入计时计频装置(9)开始计时；
3) 利用步进电机(2)通过联轴器(3)驱动转动轴(4)匀速连续逆时针转动，转动轴(4)匀速连续逆时针转动带动圆盘(5)、第一分流挡板(10)、第二分流挡板(11)、半圆柱管(12)、整流面(13) 由反向180°位置匀速连续逆时针旋转，直至转动角度达到反向360°时停止，该位置与反向0°位置刚好重合，这一位置仍然定义为反向0°位置；在该位置处，整流面(13)位于旁通管(14)一侧，半圆柱管(12)位于旁通管(14)另一侧，喷嘴(1)喷出的液流经整流面(13)分流后汇集到壳体(15)底部，并经壳体(15)底部的出液口进入旁通管，流入循环液池；在圆盘(5)匀速连续逆时针旋转角度达到反向270°时，透光狭缝(6)与第二光电转换器(8)配合产生光电脉冲，送入计时计频装置(9)停止计时；此时，完成另一个同向型开式流体切换装置流体切换过程。
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