流量均勻性對膜式燃?xì)獗頇z定的影響

謝皓東　張　濤　唐艷宏　王　煜，2

(1.西藏自治區(qū)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局計(jì)量測試所，拉薩 850000；2.中國計(jì)量科學(xué)研究院光學(xué)所，北京 100013)

0　引言

燃?xì)庖呀?jīng)成為我國大部分居民的主要能源之一，燃?xì)獗碜鳛閲乙?guī)定的強(qiáng)制檢定計(jì)量器具，其計(jì)量準(zhǔn)確度直接影響到千家萬戶燃?xì)庥脩艉凸夤镜慕?jīng)濟(jì)利益。為此，國家計(jì)量行政部門將家用燃?xì)獗砹腥霃?qiáng)制檢定目錄，制定了JJG 577—2005《膜式燃?xì)獗怼窓z定規(guī)程[1]，將其作為重點(diǎn)管理的工作計(jì)量器具。隨著燃?xì)獗砗蜋z定裝置制造技術(shù)的不斷提高，燃?xì)獗頇z定準(zhǔn)確度已提高了很多，但在日常檢定工作中依然存在很多影響燃?xì)獗頇z定準(zhǔn)確度的因素。本文通過研究鐘罩式燃?xì)獗頇z定裝置氣體流量的均勻性對燃?xì)獗頇z定準(zhǔn)確度的影響，提高燃?xì)獗頇z定的準(zhǔn)確度和重復(fù)性。

1　膜式燃?xì)獗淼墓ぷ髟?/h2>

當(dāng)流動的氣體經(jīng)過燃?xì)獗頃r，受到管道摩擦及機(jī)構(gòu)的阻擋，內(nèi)部的燃?xì)鈺谌細(xì)獗磉M(jìn)出口兩端產(chǎn)生壓力差，通過這個壓力差推動膜式燃?xì)獗淼哪て谟?jì)量室內(nèi)運(yùn)動，并且?guī)优錃鈾C(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)調(diào)配氣，使得膜片的運(yùn)動能夠連續(xù)往復(fù)的進(jìn)行，再通過圓周運(yùn)動帶動機(jī)械滾輪計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)動，膜片每往復(fù)一次，就排出一定量氣體，最終滾輪轉(zhuǎn)過一個計(jì)數(shù)單元，實(shí)現(xiàn)滾輪旋轉(zhuǎn)計(jì)量顯示效果[2]。

燃?xì)獗砀裟ね鶑?fù)運(yùn)動并通過轉(zhuǎn)閥將進(jìn)出氣口換向?qū)崿F(xiàn)將氣體連續(xù)排出。當(dāng)兩個隔膜做完一次往復(fù)動作時，與其聯(lián)動的偏心齒輪軸旋轉(zhuǎn)一周，這時所排出的氣體體積叫回轉(zhuǎn)體積[3]。燃?xì)獗砼懦龅臍怏w體積量和偏心齒輪軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)數(shù)成比例，按式(1)計(jì)算：

Qv=nVc

(1)

式中：Qv為氣體體積量，m3；Vc為回轉(zhuǎn)體積，m3；n為轉(zhuǎn)數(shù)。

當(dāng)轉(zhuǎn)閥超前時，就是說它還沒有完全充滿氣體就換向了，這等于燃?xì)獗砘剞D(zhuǎn)體積量減少了，此時燃?xì)獗砼懦龅膶?shí)際氣體體積量按式(2)計(jì)算：

Vm=nVc-nΔV=n(Vc-ΔV)

(2)

式中:Vm為燃?xì)獗砼懦龅膶?shí)際氣體體積量；ΔV為體積減少量。

根據(jù)膜式燃?xì)獗頇z定規(guī)程JJG 577—2012[4]，膜式燃?xì)獗淼氖局嫡`差是指表計(jì)的指示裝置顯示值與標(biāo)準(zhǔn)器顯示值之間差值的相對百分比[5]。測量示值誤差按式(3)計(jì)算：

E=(Vm-Vs)/Vs×100%

(3)

式中：E為測量示值誤差；Vs為標(biāo)準(zhǔn)裝置的示值。

綜合式(2)、(3)：

E=[n(Vc-ΔV)-Vs]/Vs×100%

(4)

可見回轉(zhuǎn)體積的充滿程度對于燃?xì)獗淼臏?zhǔn)確度有很大影響，通常在燃?xì)獗頇z定過程中，都未考慮回轉(zhuǎn)體積減少量對示值誤差帶來的影響，也未對該影響因素進(jìn)行補(bǔ)償。影響回轉(zhuǎn)體積減少量的主要因素為氣體的流量值。在燃?xì)獗頇z定過程中，雖然將流量設(shè)定為一恒定值，但是流量從零到設(shè)定值需要一段時間，即燃?xì)獗碇腥細(xì)獾乃矐B(tài)流量是不斷變化的。而這段時間燃?xì)獗淼幕剞D(zhuǎn)體積均小于流量恒定后的額定回轉(zhuǎn)體積。在通常的計(jì)量檢定計(jì)算過程中，將整個過程均視為在穩(wěn)定流量下進(jìn)行的，因而忽略了回轉(zhuǎn)體積減少量對誤差計(jì)算帶來的影響。本文通過系列實(shí)驗(yàn)證明氣體流量均勻性對燃?xì)獗頇z定準(zhǔn)確度的影響。

2　實(shí)驗(yàn)方法

采用鐘罩式檢定法[6]，用丹東科泰儀器儀表有限公司生產(chǎn)的LJQ-100型鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置(準(zhǔn)確度為0.5級)，對河南新天生產(chǎn)的膜式燃?xì)獗?準(zhǔn)確度為1.5級)的四塊標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行檢定，根據(jù)檢定規(guī)程JJG 577—2012，示值誤差檢定時的最少通氣量不少于燃?xì)獗碜钚》侄戎档?00倍，設(shè)定檢定大流量(Qmax)為4.0(m3/h)，檢定體積為50L。氣體瞬態(tài)流量從0到設(shè)置的4.0(m3/h)需要30s，而在這一過程中，燃?xì)獗淼幕剞D(zhuǎn)體積均小于流量恒定后的回轉(zhuǎn)體積。本文在同一臺檢定裝置上，相同的環(huán)境條件下，采用七種檢定方式，分別從進(jìn)氣閥開啟開始計(jì)時，預(yù)通氣0，5，10，15，20，25，30s后中斷進(jìn)氣，然后再啟動檢定程序重新計(jì)時開始檢定。在上述每個情況下，對同一塊燃?xì)獗碇貜?fù)檢定10次，比較七種檢定情況下被檢表的誤差變化情況和重復(fù)性變化情況。

3　數(shù)據(jù)處理

3.1　預(yù)通氣對瞬時流量的影響

預(yù)通氣5，10，15，20，25，30s后中斷進(jìn)氣程序，然后再重新啟動檢定程序的流量隨時間變化基本相同，用這六種預(yù)通氣方式的平均值擬合成一條曲線，同未進(jìn)行預(yù)通氣情況下的流量變化曲線進(jìn)行對比，如圖1所示。

圖1　瞬時流量隨預(yù)通氣時間變化圖

隨著預(yù)通氣時間的增加，氣體瞬態(tài)流量從0達(dá)到設(shè)定值4.0(m3/h)，所需的時間逐漸減少，且同一時間點(diǎn)的瞬時流量不斷增加。圖1中未做預(yù)通氣和預(yù)通氣之間的面積差與整個檢定過程覆蓋的總面積比，可以表示兩種狀態(tài)下通過燃?xì)獗須怏w的體積差與額定體積的比值。經(jīng)模擬計(jì)算，該部分的面積占未預(yù)通氣檢定面積的1%，即在檢定過程中，該部分體積被納入統(tǒng)計(jì)的多少，對燃?xì)獗淼氖局嫡`差有顯著影響。隨著預(yù)通氣時間的增加，該部分體積被納入統(tǒng)計(jì)的量隨之減少。

3.2　燃?xì)獗頇z定誤差變化情況

取10次檢定誤差的平均值為該檢定情況下的檢定誤差，燃?xì)獗碓诓煌A(yù)通氣時間下檢定的誤差，隨著預(yù)通氣時間的增加逐漸降低。將四塊表的檢定誤差取平均值擬合為一條曲線，如圖2所示。

圖2　誤差隨預(yù)通氣時間變化圖

3.3　燃?xì)獗碇貜?fù)性變化情況

10次檢定誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差為該檢定情況下的重復(fù)性。燃?xì)獗碓诓煌A(yù)通氣時間下檢定的重復(fù)性，隨著預(yù)通氣時間的增加越來越好。將四塊表的檢定重復(fù)性取平均值擬合成一條曲線，如圖3所示。

圖3　重復(fù)性隨預(yù)通氣時間變化圖

4　結(jié)果討論

隨著檢定預(yù)通氣時間的增加，達(dá)到預(yù)設(shè)恒定流量的時間隨之縮短，且在相同時間點(diǎn)，有預(yù)通氣的瞬時流量更大，預(yù)通氣20s后的瞬態(tài)流量大小與預(yù)設(shè)恒定基本相同。不做預(yù)通氣處理時，前20s的流量差異，對燃?xì)獗淼幕剞D(zhuǎn)體積有明顯的影響，這直接影響檢定誤差和重復(fù)性。隨著檢定預(yù)通氣時間的增加，瞬時流量逐漸增大，對回轉(zhuǎn)體積的影響減小，檢定誤差隨之變小，重復(fù)性更好。

燃?xì)獗硎状螜z定的允許誤差為±1.5%，預(yù)通氣20s以后的檢定誤差同未預(yù)通氣的檢定誤差相差接近1%。這與流量隨時間變化圖中，面積差與整個檢定過程覆蓋的總面積比相吻合。可見燃?xì)獗頇z定過程中的流量均勻性是檢定誤差的重要影響因素。有無預(yù)通氣，在膜式燃?xì)獗頇z定過程中，對于計(jì)量的準(zhǔn)確度有著重要的影響。

預(yù)通氣時間分別為20s、25s和30s三種情況下，達(dá)到預(yù)定流量的時間以及各時間點(diǎn)的瞬時流量基本相同。經(jīng)過預(yù)通氣處理，前期由于流量的均勻性不同對回轉(zhuǎn)體積的影響基本被排除，得到的檢定誤差和重復(fù)性基本相同。因此建議在用鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對膜式燃?xì)獗磉M(jìn)行檢定時，采用預(yù)通氣的處理方法進(jìn)行檢定，預(yù)通氣的時間建議為20s。

[1]JJG 577—2005膜式燃?xì)獗頇z定規(guī)程

[2]穆春麗.淺談膜式燃?xì)獗淼脑砼c檢修.科教創(chuàng)新,2011(11).

[3]潘石,馬凱,高紅娜.膜式燃?xì)獗磙D(zhuǎn)閥與膜片運(yùn)轉(zhuǎn)的同步性對計(jì)量性能的影響.品牌與標(biāo)準(zhǔn)化，2010(8)

[4]JJG 577—2012膜式燃?xì)獗頇z定規(guī)程

[5]洪子偉.膜式燃?xì)獗硎局嫡`差的調(diào)整方法及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn).計(jì)量技術(shù),2007(6)

[6]曹久瑩.鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定中的思考.儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量,2010(2)