CN113202951A - 气动换向阀、质量流量检定装置及检定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气动换向阀，包括外壳，与外壳内壁相配合的柱塞，与柱塞后端相连的推杆及气缸，气缸通过气管和压力源相连，在外壳的前部设置有第一出口通道，在外壳的侧面设置有入口通道，在外壳的侧面的比入口通道更靠后的位置设置有第二出口通道；在柱塞内设置有沟槽，沟槽包括前后两个环形槽和连通两个环形槽的横沟；在推杆的后部固定有磁性物体，在气缸内的两个不同位置固定有第一磁性开关和第二磁性开关，两个磁性开关与信号采集电路电性相连，用于对推杆上固定的磁性物体进行位置检测。本发明同时提供使用此种换向阀的质量流量检定装置及检定方法。

Description

气动换向阀、质量流量检定装置及检定方法

技术领域

本发明涉及一种换向阀，尤其适用于微小流量检定领域。

背景技术

动态(flying)启停法通过换向器实现通道的切换，当检定开始的同时，换向器通过移动入口位置切换回路，检定结束移回初始位置，发出指令的上位机或换向器附带的传感器能得到始末的时间点。但是，这种方法会在在管口残留液滴，液滴的大小难以估计。在使用DN4口径管道的条件下，一个液滴的质量在56mg以下，会导致几十毫克的误差。而微小流量的测量范围是小于10mg/min，误差会是实际流量的数倍。为了给整个微小流量动态启停检定过程提供时间的不确定度和切换控制，本文开发了新型的密闭换向阀，该换向阀通过全封闭的设计规避了传统换向器的问题，而且为适应微小流量高精度的特点做了改良，尽可能减小误差。

目前虽然有很多规格的换向器，但是针对微小流量条件的装置还很少，在微小流量条件下传统换向器已经不能适用。市面上的气动换向器结构相近，工艺成熟，但该类装置的存在下面的缺陷：

1.装置不封闭，蒸发造成误差；

2.切换过程有液体残留在管口，不适用于微小流量；

3.液体无法双向流动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于微小流量检定的换向装置。该装置利用柱塞的移动形成管路的切换，并利用磁性开关的变化测得精确的通断时间，实现切换和计时。本发明的技术方案如下：

一种气动换向阀，包括外壳2，与外壳2内壁相配合的柱塞1，与柱塞1后端相连的推杆4及气缸3，气缸3通过气管5和压力源相连，其特征在于，在外壳2的前部设置有第一出口通道7，在外壳2的侧面设置有入口通道6，在外壳2的侧面的比入口通道6更靠后的位置设置有第二出口通道8；在柱塞1内设置有沟槽，沟槽包括前后两个环形槽和连通两个环形槽的横沟；在推杆4的后部固定有磁性物体10，在气缸内的两个不同位置固定有第一磁性开关11和第二磁性开关12，两个磁性开关与信号采集电路电性相连，用于对推杆4上固定的磁性物体10进行位置检测；在柱塞1处于切入状态，第一出口通道7被堵塞，入口通道6与靠前部的环形槽连通，第二出口通道8与靠后部的环形槽连通，推杆4上固定的磁性物体10位于与第二磁性开关12相近的位置；在柱塞1处于切出状态，柱塞1退后到使得入口通道6与第一出口通道7连通的位置，沟槽被堵塞，推杆4上固定的磁性物体10位于与第一磁性开关11相近的位置。

进一步地，柱塞1的沟槽两侧，均设置有密封圈，用于与外壳内壁密封连接。

本发明同时提供一种质量流量检定装置，包括上述的气动换向阀、注射泵、称量液体质量的仪器、储存待测液体的容器、待测表，其中，

注射泵，能够稳定的输出或吸入液体，输出的液体作为检定的流量源；

称量液体质量的仪器、用于称量检定过程中通过待测表的液体质量，从而得到标准的质量流量；

储存待测液体的容器，通过换向阀与注射泵相连；

待测表，需要检定的流量测量仪器，通过快插接头接入检定装置；

换向阀，控制管路切换的器件，记录切换的时刻从而得到检定时间。

本发明还提供采用上述检定装置实现的两种质量流量检定方法，

一种为：

(1)管路连接：将换向阀的气缸连接至气源上，将注射泵上的注射管与换向阀的入口通道相连接，换向阀的第一出口通道与水箱相连，换向阀的第二出口通道与称量液体质量的仪器的支路相连；

(2)检定前准备：事先排空注射管内的气体，将注射泵调至吸水模式；控制气缸动作，使换向阀保持在切出状态；之后启动注射泵，将容器中储存的待测液体吸入注射管；称量液体质量的仪器，校准清零；

(3)将注射泵调整至输水模式，启动注射泵，记录下称量液体质量的仪器的数值；再次控制气缸动作，使换向阀切换至在切入状态，通过信号采集电路记录下电压突变的时刻，作为检定的起点；达到检定时长，控制气缸动作，使换向阀切换至切出状态，通过信号采集电路记录下电压突变的时刻，作为检定的终点；记录称量液体质量的仪器最终的数值，计算标准的质量流量，与待测表的示值进行对比。

另一种为：

(1)管路连接：将换向阀的气缸连接至气源上，将注射泵上的注射管与换向阀的入口通道相连接，换向阀的第一出口通道与水箱相连，换向阀的第二出口通道与称量液体质量的仪器的支路相连；将待测表与标准表串联；

(2)检定前准备：事先排空注射管内的气体，将注射泵调至吸水模式；控制气缸动作，使换向阀保持在切出状态；之后启动注射泵，将容器中储存的待测液体吸入注射管；

(3)将注射泵调整至输水模式，启动注射泵；再次控制气缸动作，使换向阀切换至在切入状态；检定过程中，记录待测表和标准表的读数；达到检定时长，控制气缸动作，使换向阀切换至切出状态，检定结束；最终将待测表与标准表的示值进行比较。

本发明的换向装置，具有以下优点：

(1)装置封闭，可隔绝空气；

(2)切换过程迅速，对称性好；

(3)可以获得很高的时间精度

(4)切换动作在微小流量条件下可做到无误差。

附图说明：

图1信号采集电路原理图

图中标号说明：R1—2kΩ电阻；R2—5kΩ电阻；E—直流24V电源。

图2换向阀切出状态的纵剖面构造图

图中标号说明：1—柱塞；2—外壳；3—气缸；4—推杆；5—气管；6—入口通道；7—出口通道1；8—出口通道2；9—O圈；10—磁性物体；11—磁性开关1；12—磁性开关2；13—沟槽。

图3换向阀切出状态的纵剖面构造图

图中标号说明：同上。

图4使用换向阀的检定装置结构图

图中标号说明：同上。

具体实施方式

参见图1，电阻R1(2kΩ)、电阻R2(5kΩ)与电压源E(DC24V)串联，R1、R2分压，同时R2与磁性开关并联，数据采集卡测量R1两端的电压，通过电压变化检测磁性开关的状态。磁性开关能感应到磁性物体，当磁性物体靠近时磁性开关导通，R2被短路，数据板卡采集到R1两端电压24V；当磁性物体离开磁性开关断开，R1与R2串联，数据板卡采集到R1两端电压6.8V。通过采集到的电压可反映磁性物体的位置。

参见图2，换向阀处于切出状态。换向阀由柱塞1与外壳2组成，通过气缸3带动推杆4驱动，气缸3通过气管5和压力源相连。液体从入口通道6进入，第一出口通道7排出，柱塞1上有O圈9实现密封。在未到位情况下入口通道6被柱塞1堵塞。因为推杆4尾部装有磁性物体10，在切出状态下，后置的第一磁性开关11导通，前置的第二磁性开关12关断，信号采集电路分别采到24V、6.8V电压。

参见图3，换向阀处于切入状态。液体从入口通道6进入，第二出口通道8排出，液体通过柱塞上的沟槽13，沟槽由两个环状和一道横沟组成，可旋转沿任意方向安装。沟槽在运动过程中无法与入口通道6、第一出口通道7对接，只有柱塞1向左运动到位之后，才有流体排出到称重容器中，所以柱塞1左右运动的过程中对称重容器中水的质量没有影响。在切出状态下，前置的第二磁性开关12导通，后置的第一磁性开关11关断，信号采集电路分别采到6.8V、24V电压。

参见图4，使用换向阀的检定装置结构图。该方法采用动态(flying)质量启停法进行流量检定，整个装置的管道选用4mm外径的PVC管，通过快插接头相连接，此流量检定装置包括：

注射泵，由电机、传动装置和注射管组成，能够稳定的输出或吸入液体，输出的液体可作为检定的流量源；

天平，称量检定过程中通过待测表的液体质量，从而得到标准的质量流量；

水箱，储存待测液体的容器，通过换向阀与注射泵相连；

待测表，需要检定的流量测量仪器，通过快插接头接入检定装置；

标准表，与待测表相比有更高精度等级的流量测量仪器，标准表的结果同样可以作为标准的质量流量；

换向阀，控制管路切换的器件，同时可以记录切换的时刻从而得到检定时间；

采用如下的方法进行质量流量的检定：

(1)管路连接：将本装置置于水平、平稳的位置，将换向阀的气缸连接至0.2～0.3MPa的气源上，将注射泵上的注射管与换向阀的入口通道6相连接，换向阀的第一出口通道7与水箱相连，换向阀的第二出口通道8与天平的支路相连；将出水的管口固定在天平中的容器里，管口浸没在液面下，需要避免管道与天平的壁面有接触；

(2)检定前准备：事先排空注射管内的气体，将注射泵调至吸水模式；控制气缸动作，使换向阀保持在切出状态(图2)；之后启动注射泵，将水箱中的液体吸入注射管；启动天平，校准清零；

(3)动态启停法检定过程：将注射泵调整至输水模式，启动注射泵，计算机记录下天平的数值；再次控制气缸动作，使换向阀切换至在切入状态(图3)，通过信号采集电路记录下电压突变的时刻，作为检定的起点；达到检定时长，控制气缸动作，使换向阀切换至切出状态(图2)，通过信号采集电路记录下电压突变的时刻，作为检定的终点；计算机记录下天平最终的数值，除以两电压变化时刻的差值，得到标准的质量流量，与待测表的示值进行对比；

(4)标准表法检定过程：将注射泵调整至输水模式，启动注射泵；再次控制气缸动作，使换向阀切换至在切入状态(图3)；检定过程中，计算机记录待测表和标准表的读数；达到检定时长，控制气缸动作，使换向阀切换至切出状态(图2)，检定结束；最终将待测表与标准表的示值进行比较。

Claims (5)

1.一种气动换向阀，包括外壳，与外壳内壁相配合的柱塞，与柱塞后端相连的推杆及气缸，气缸通过气管和压力源相连，其特征在于，在外壳的前部设置有第一出口通道，在外壳的侧面设置有入口通道，在外壳的侧面的比入口通道更靠后的位置设置有第二出口通道；在柱塞内设置有沟槽，沟槽包括前后两个环形槽和连通两个环形槽的横沟；在推杆的后部固定有磁性物体，在气缸内的两个不同位置固定有第一磁性开关和第二磁性开关，两个磁性开关与信号采集电路电性相连，用于对推杆上固定的磁性物体进行位置检测；在柱塞处于切入状态，第一出口通道被堵塞，入口通道与靠前部的环形槽连通，第二出口通道与靠后部的环形槽连通，推杆上固定的磁性物体位于与第二磁性开关相近的位置；在柱塞处于切出状态，柱塞退后到使得入口通道与第一出口通道连通的位置，沟槽被堵塞，推杆上固定的磁性物体位于与第一磁性开关相近的位置。

2.根据权利要求1所述的气动换向阀，其特征在于，柱塞1的沟槽两侧，均设置有密封圈，用于与外壳内壁密封连接。

3.一种质量流量检定装置，其特征在于，包括权利要求1-2任意一项所述的气动换向阀、注射泵、称量液体质量的仪器、储存待测液体的容器、待测表，其中，

注射泵，能够稳定的输出或吸入液体，输出的液体作为检定的流量源；

称量液体质量的仪器、用于称量检定过程中通过待测表的液体质量，从而得到标准的质量流量；

储存待测液体的容器，通过换向阀与注射泵相连；

待测表，需要检定的流量测量仪器，通过快插接头接入检定装置；

换向阀，控制管路切换的器件，记录切换的时刻从而得到检定时间。

4.一种采用权利要求3所述的检定装置实现的质量流量检定方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)管路连接：将换向阀的气缸连接至气源上，将注射泵上的注射管与换向阀的入口通道相连接，换向阀的第一出口通道与水箱相连，换向阀的第二出口通道与称量液体质量的仪器的支路相连；

(2)检定前准备：事先排空注射管内的气体，将注射泵调至吸水模式；控制气缸动作，使换向阀保持在切出状态；之后启动注射泵，将容器中储存的待测液体吸入注射管；称量液体质量的仪器，校准清零；

(3)将注射泵调整至输水模式，启动注射泵，记录下称量液体质量的仪器的数值；再次控制气缸动作，使换向阀切换至在切入状态，通过信号采集电路记录下电压突变的时刻，作为检定的起点；达到检定时长，控制气缸动作，使换向阀切换至切出状态，通过信号采集电路记录下电压突变的时刻，作为检定的终点；记录称量液体质量的仪器最终的数值，计算标准的质量流量，与待测表的示值进行对比。

5.一种采用权利要求3所述的检定装置实现的质量流量检定方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)管路连接：将换向阀的气缸连接至气源上，将注射泵上的注射管与换向阀的入口通道相连接，换向阀的第一出口通道与水箱相连，换向阀的第二出口通道与称量液体质量的仪器的支路相连；将待测表与标准表串联；

(2)检定前准备：事先排空注射管内的气体，将注射泵调至吸水模式；控制气缸动作，使换向阀保持在切出状态；之后启动注射泵，将容器中储存的待测液体吸入注射管；

(3)将注射泵调整至输水模式，启动注射泵；再次控制气缸动作，使换向阀切换至在切入状态；检定过程中，记录待测表和标准表的读数；达到检定时长，控制气缸动作，使换向阀切换至切出状态，检定结束；最终将待测表与标准表的示值进行比较。

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