幾種水表校驗方法的誤差分析

汪少白

(寧波水表股份有限公司，寧波 315032)

0　引言

水表在多次重復校驗或在不同類型校驗臺上校驗時其示值誤差具有一定的離散性。文章用一些試驗數(shù)據(jù)，并通過對啟停靜態(tài)容積法、換向靜態(tài)稱重法、活塞缸動態(tài)容積法的系統(tǒng)誤差和隨機誤差分析以及主要項的不確定度計算來說明示值誤差離散性是如何產(chǎn)生的，并對提高啟停靜態(tài)容積法準確度提出改進方案。

1　試驗與數(shù)據(jù)

1.1　慣性試驗

旋翼式水表按常規(guī)裝夾在校驗臺上，然后通水排汽，控制流量在試驗流量點，使水表在該試驗流量下勻速轉(zhuǎn)動，突然關閉閥門停止水流，觀察水表從水流停止起靠慣性轉(zhuǎn)過的指示值。LXS-F3型水表轉(zhuǎn)動慣性量如表1所示。

表1　LXS-F3型水表轉(zhuǎn)動慣性量

表2LXS-F3型水表不同用水量示值誤差(%)

口徑(mm)表號流量：100(L/h)10(L)100(L)2515130　50-0　6215091　000　1115101　290　4715111　590　4915031　190　0615081　690　47

1.2　不同用水量示值誤差試驗

按常規(guī)啟停靜態(tài)容積法校驗水表，在同一試驗流量下分別記錄用水量10L、100L的示值誤差。LXS-F3型水表不同用水量示值誤差如表2所示。

1.3　水密度測試試驗

用溫度計、密度計測試常壓下實際校驗使用中水在不同溫度下的密度，如表3所示。

表3　實際校驗使用中水在不同溫度下的密度

2　誤差分析

水表是一種體積測量儀表，現(xiàn)對啟停靜態(tài)容積法、換向靜態(tài)稱重法、活塞缸動態(tài)容積法三種校驗裝置校驗旋翼式速度水表時的系統(tǒng)誤差、隨機誤差進行分析以及主要項的不確定度進行計算。水表示值誤差=(水表指示值—標準容積)/標準容積×100%。

2.1　啟停靜態(tài)容積法

啟停靜態(tài)容積法是一種直接法，是目前校驗小口徑水表最廣泛的校驗方法，由于此種校驗設備比較經(jīng)濟，不但水表生產(chǎn)企業(yè)廣泛使用，而且技術監(jiān)督部門也大量使用。

此種設備操作方法是：裝夾上被校水表后，排汽，關閉標準容器放水閥門，抄錄水表讀數(shù)，電磁閥打開使流量達到校驗流量，當標準容器的水量達到規(guī)定容積時關閉電磁閥，待水表指針停止轉(zhuǎn)動后再次抄錄水表讀數(shù)。

2.1.1系統(tǒng)誤差

1)當閥門關閉后水表靠慣性轉(zhuǎn)動的指示值

以DN15水表為例：當流量是50 L/h，絕對轉(zhuǎn)動慣性量約為0.05L。不同水表有不同的慣性量(見表1)，當校驗水表確定后可以用實驗確定它的估計值，現(xiàn)在該系統(tǒng)誤差未作修正，從表1、表2試驗數(shù)據(jù)可以看出，其影響量不小。

2) 溫度變化引起的標準容器變化量、水體積變化量、標準容器指示標尺變化量，這些系統(tǒng)誤差由于影響量小未作修正。

2.1.2隨機誤差

水表分辨力、標準容器標尺分辨力產(chǎn)生的誤差。

2.1.3主要項不確定度計算

相對擴展標準不確定度U99=3×0.0017=0.51%

2.2　換向靜態(tài)稱重法

換向靜態(tài)稱重法是一種間接測量法，操作方法如下：裝夾水表，排汽，調(diào)節(jié)流量至校驗流量，當水表在該流量下勻速轉(zhuǎn)動時操作換向器使校驗流量換入稱重容器中，當用水量達到要求時操作換向器換出流量，在這過程同時用光電信號記錄水表指示的用水量，電子秤上顯示的質(zhì)量通過公式V=m/ρ(V為容積；m為質(zhì)量；ρ為水的密度)換算成標準容積。

水表結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境有時會對光電信號記錄水表指示值發(fā)生干擾，產(chǎn)生粗大誤差。

2.2.1系統(tǒng)誤差

1)計算時設定的水的密度與實際使用中水的密度差異。從表3可以看出二者在常溫附近有約0.2%不等的差異，不同的校驗用水會有不同的密度差異，在實際操作時很難確定。

2) 換向器安裝位置和換向時間差造成的誤差、空氣浮力。

2.2.2隨機誤差

以晶振頻率為基礎的計時時鐘分辨力、電子秤讀數(shù)分辨力產(chǎn)生的誤差。

2.2.3主要項不確定度計算

如果一電子秤在某一稱量范圍內(nèi)相對允差為0.002，相對分辨力為0.001 則：

允差相對標準不確定度u允=0.002/3=0.00067

相對擴展標準不確定度U99=3×0.00089=0.27%

2.3　活塞缸動態(tài)容積法

活塞缸動態(tài)容積法是一種直接校驗方法，通過伺服電機帶動絲桿推動活塞在缸體內(nèi)移動，容積的準確度取決于絲桿、缸體的測量精度和加工精度，移動的距離和速度決定容積和流量。操作方法如下：裝夾水表，排汽，當水表在校驗流量下勻速轉(zhuǎn)動時開始記錄活塞在缸內(nèi)移動過的容積，在這同時用光電信號記錄水表指示值。

V=p /4×rtD2

Q=p /4×ntD2。

式中：V為標準容積；Q為流量；r為電機轉(zhuǎn)數(shù)；t為絲桿螺距；n為電機轉(zhuǎn)速；D為缸體直徑。

2.3.1系統(tǒng)誤差

由于溫度變化引起的絲桿螺距、缸體直徑的變化

2.3.2隨機誤差

伺服電機分度分辨力、計時時鐘分辨力產(chǎn)生的誤差。

3　三種校驗方法的準確度圖示

三種校驗方法準確度如圖1所示。

圖1　三種校驗方法準確度

4　結(jié)束語

三種校驗方法準確度從低到高依次為啟停靜態(tài)容積法、換向靜態(tài)稱重法和活塞缸動態(tài)容積法(見圖1)，并且它們之間的準確度差異還比較大，由此說明同一校驗方法或不同校驗方法多次校驗水表時會有不同的示值誤差。

在實驗中顯示啟停靜態(tài)容積法中水表轉(zhuǎn)動慣性量，換向靜態(tài)稱重法中計算密度與實際密度差異會引起較大的系統(tǒng)誤差，這些系統(tǒng)誤差在水表國家檢定規(guī)程中并沒有作特別說明和處理。因此，強烈建議在檢定規(guī)程中對這些系統(tǒng)誤差如何補償做出規(guī)定，否則，在用準確度高的校驗裝置中校驗合格的水表會在準確度低的校驗裝置中誤判為不合格，反之亦然，這樣一定程度上會阻礙水表行業(yè)的技術進步。

如果對啟停靜態(tài)容積法做以下修改，再進一步設法提高水表分辨力則將極大提高這種容積法校驗水表的準確度和生產(chǎn)效率：“當水表在校驗流量勻速轉(zhuǎn)動時用換向器換入校驗流量，在這同時對水表讀數(shù)進行攝影(或光電信號開始計數(shù))，當試驗達到規(guī)定容積時，換向器換出流量，同時再次對水表讀數(shù)進行攝影(或光電信號結(jié)束計數(shù))”。

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