超聲波燃?xì)獗碛?jì)量性能試驗(yàn)分析

鄧小遠(yuǎn),李 霞,謝代梁,夏 杰,王 衛(wèi),劉亞輝

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院, 重慶 401123)

以時(shí)間差法為測(cè)量原理的封閉管道用超聲波燃?xì)獗硎且环N無(wú)移動(dòng)部件的流量測(cè)量?jī)x表[1,2],與膜式燃?xì)獗硐啾?在機(jī)械噪聲、精度、量程比、成本上都有著明顯的優(yōu)勢(shì)[3].在國(guó)外的一些發(fā)達(dá)國(guó)家,超聲波燃?xì)獗硪哑毡橛糜诰用袢細(xì)庀挠?jì)量[4].近幾年,國(guó)內(nèi)家用超聲波燃?xì)獗淼难邪l(fā)也已取得突破性的進(jìn)展,已有少量省市頒布了超聲波燃?xì)獗淼胤綑z定規(guī)程及其全性能試驗(yàn)規(guī)范.但由于超聲波燃?xì)獗淼挠?jì)量性能和可靠性受其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝條件、環(huán)境溫度、環(huán)境噪聲及污染物等多重因素的影響[5-7],而且國(guó)內(nèi)目前所掌握的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少,因此使得超聲波燃?xì)獗磉€未能在國(guó)內(nèi)大規(guī)模普及應(yīng)用[8].

本文旨在通過(guò)試驗(yàn)研究分析超聲波燃?xì)獗淼挠?jì)量性能.對(duì)國(guó)內(nèi)具有代表性的4家燃?xì)獗砥髽I(yè)生產(chǎn)的型號(hào)為G2.5的超聲波燃?xì)獗?參照J(rèn)JG(渝)006-2015重慶市超聲波燃?xì)獗淼胤綑z定規(guī)程和JJF(渝)013-2016重慶市超聲波燃?xì)獗砣阅茉囼?yàn)規(guī)范要求[9-10],用準(zhǔn)確度等級(jí)為0.3級(jí)的燃?xì)獗頊囟冗m應(yīng)性試驗(yàn)裝置對(duì)超聲波燃?xì)獗磉M(jìn)行高低溫環(huán)境下的相對(duì)誤差及重復(fù)性試驗(yàn).分析超聲波燃?xì)獗淼挠?jì)量性能受溫度和流量影響的變化特性,同時(shí)比較國(guó)產(chǎn)超聲波模組和進(jìn)口超聲波模組之間的性能差異.試驗(yàn)結(jié)果可為我國(guó)超聲波燃?xì)獗硐嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的制定提供參考,也可為超聲波燃?xì)獗淼难邪l(fā)和改進(jìn)提供底層試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持.

1 超聲波燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)

超聲波燃?xì)獗淼湫徒Y(jié)構(gòu)如圖1[9-10],主要由外殼、主控模塊(包括TDC電路)、超聲波模組(由燃?xì)馔ǖ?、超聲波換能器、TDC電路構(gòu)成)、控制閥門(mén)、流體整流器、顯示器和電池等部件組成.當(dāng)控制閥門(mén)打開(kāi)時(shí),燃?xì)饨?jīng)流體管道通過(guò)整流器和安裝有超聲波換能器的通道流出.超聲波模組用以將超聲波換能器采集的時(shí)間差信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào).主控模塊用于信號(hào)處理、流量計(jì)算及脈沖輸出,同時(shí)將瞬時(shí)、累積流量等必要的信息傳至顯示器顯示.

1—外殼;2—燃?xì)馔ǖ?3—控制閥門(mén);4—流體整流器;5—超聲波換能器;6—主控模塊;7—顯示器;8—電池;9—燃?xì)饬鲃?dòng)方向圖1 超聲波燃?xì)獗淼湫徒Y(jié)構(gòu)Figure 1 Typical structure of ultrasonic gas meters

2 試驗(yàn)介紹

2.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用準(zhǔn)確度等級(jí)為0.3級(jí)的燃?xì)獗頊囟冗m應(yīng)性試驗(yàn)裝置.將超聲波燃?xì)獗碇糜诤銣叵鋬?nèi),在充分模擬實(shí)際環(huán)境溫度的條件下,進(jìn)行超聲波燃?xì)獗砀叩蜏卦囼?yàn).裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示主要由制冷機(jī)、除濕機(jī)、恒溫箱、換熱器、標(biāo)準(zhǔn)表、變頻風(fēng)機(jī)及控制單元組成,適用溫度范圍為(-40～+60)℃.

圖2 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意框圖Figure 2 Schematic diagram of the structure of the test device

采用負(fù)壓法,由變頻風(fēng)機(jī)將氣體由置于恒溫箱內(nèi)的超聲波燃?xì)獗淼某鰵饪诙?經(jīng)由恒溫箱外的換熱器,再經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表抽出至變頻風(fēng)機(jī)出口.

當(dāng)加熱時(shí),空氣經(jīng)過(guò)除濕機(jī)送入恒溫箱中的加熱管進(jìn)行加熱;當(dāng)制冷時(shí),由制冷器對(duì)空氣進(jìn)行制冷后送入恒溫箱.恒溫箱內(nèi)經(jīng)過(guò)加熱或制冷的氣體達(dá)到指定溫度后經(jīng)3只超聲波燃?xì)獗砹鞒鲋镣饨拥膿Q熱器進(jìn)行換熱,使通過(guò)換熱器流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)表處的氣體溫度維持在(20±2)℃.

選擇氣體腰輪流量計(jì)、大流量濕式氣體流量計(jì)及小流量濕式氣體流量計(jì)共三只流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表,并聯(lián)置于恒溫箱外的試驗(yàn)環(huán)境中,可根據(jù)流量大小自動(dòng)控制切換單只標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行流量測(cè)量,以充分利用各標(biāo)準(zhǔn)表在其最佳適合流量范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度.測(cè)量時(shí),將流經(jīng)超聲波燃?xì)獗砗蜆?biāo)準(zhǔn)表的氣體體積經(jīng)過(guò)溫壓(燃?xì)獗砗蜆?biāo)準(zhǔn)表進(jìn)口處的溫度和壓力由溫度、壓力傳感器測(cè)量得到)修正后換算到相同條件下進(jìn)行比較,得出超聲波燃?xì)獗淼南鄬?duì)誤差.

2.2 試驗(yàn)方案

從4家燃?xì)獗砥髽I(yè)(假設(shè)為A、B、C、D)選擇型號(hào)為G2.5的超聲波燃?xì)獗砀魅贿M(jìn)行常溫(20 ℃)及高低溫環(huán)境下的相對(duì)誤差及重復(fù)性試驗(yàn),試驗(yàn)方案如下：

1)試驗(yàn)溫度點(diǎn)：-10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、40 ℃,當(dāng)恒溫箱內(nèi)氣體溫度達(dá)到試驗(yàn)溫度,且溫度波動(dòng)≤0.5 ℃,方可進(jìn)行試驗(yàn);

2)試驗(yàn)流量點(diǎn)：qmin、3qmin、7qmin、10qmin、qt(0.1qmax)、0.2qmax、0.4qmax、0.7qmax、qmax;

3)試驗(yàn)流量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的累積流量：10 L、10 L、20 L、20 L、60 L、60 L、80 L、100 L、200 L;

4)流量點(diǎn)測(cè)量次數(shù)：qmin～10qmin,測(cè)量4次;qt～qmax,測(cè)量10次;

5)試驗(yàn)環(huán)境溫度：(20±2)℃;

6)試驗(yàn)溫度點(diǎn)為20 ℃時(shí),恒溫箱沒(méi)有啟動(dòng)(恒溫系統(tǒng)的大功率制冷或制熱設(shè)備都沒(méi)有啟動(dòng),直接利用實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度進(jìn)行試驗(yàn)).

2.3 數(shù)據(jù)處理模型

每一個(gè)試驗(yàn)流量點(diǎn)處,單次測(cè)量的相對(duì)誤差按式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式(1)中：E為單次測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差,%;Vm為超聲波燃?xì)獗頊y(cè)量的累積流量(參考2.2試驗(yàn)方案給出的各流量點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的累積流量),L;Vs為標(biāo)準(zhǔn)器的測(cè)得值,L;Ps為標(biāo)準(zhǔn)裝置處的絕對(duì)壓力,Pa;Ts為標(biāo)準(zhǔn)裝置處的氣體熱力學(xué)溫度,K;Pm為超聲波燃?xì)獗磉M(jìn)口端的絕對(duì)壓力,Pa;Tm為超聲波燃?xì)獗磉M(jìn)口端的氣體熱力學(xué)溫度,K.

單只超聲波燃?xì)獗碓诿恳粋€(gè)試驗(yàn)流量點(diǎn)處的誤差采用式(2)計(jì)算;結(jié)合本試驗(yàn)方案并參考文獻(xiàn)[11],重復(fù)性采用式(3)計(jì)算：

(2)

(3)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

該4家超聲波燃?xì)獗碓诔睾推渌囼?yàn)溫度下的平均相對(duì)誤差及重復(fù)性分布見(jiàn)表1.A、B兩家超聲波模組由國(guó)內(nèi)自主研發(fā),C、D兩家采用了從某發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口的超聲波模組.

試驗(yàn)結(jié)果表明：在參考溫度20 ℃下,C、D兩家超聲波燃?xì)獗淼恼`差和重復(fù)性分別在-0.91%～0.66%、-0.69%～0.51%和0～0.05%、0～0.05%范圍內(nèi).A、B兩家超聲波燃?xì)獗淼恼`差和重復(fù)性分別在-1.21%～0.59%、-1.29%～0.48%和0.02～0.16%、0～0.07%范圍內(nèi).說(shuō)明在參考溫度20 ℃下,C、D兩家超聲波燃?xì)獗淼挠?jì)量性能優(yōu)于A、B兩家超聲波燃?xì)獗?

在參考溫度20 ℃下,A、B、C、D四家超聲波燃?xì)獗淼淖畲笳`差分別為-1.21%、-1.29%、-0.91%、-0.69%.結(jié)合文獻(xiàn)[12]對(duì)燃?xì)獗頊?zhǔn)確度等級(jí)的評(píng)判依據(jù),從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,超聲波燃?xì)獗淼臏?zhǔn)確度等級(jí)確定為1.5級(jí)最為合適,如果要把超聲波燃?xì)獗淼臏?zhǔn)確度等級(jí)提高到儀表廠家預(yù)設(shè)計(jì)的1.0級(jí),則仍需要國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的技術(shù)人員繼續(xù)努力.

當(dāng)試驗(yàn)溫度偏離參考溫度時(shí),超聲波燃?xì)獗淼挠?jì)量性能下降明顯,如在(-15～25) ℃的試驗(yàn)溫度范圍內(nèi),4家超聲波燃?xì)獗淼恼`差和重復(fù)性有不同程度的增大.C、D兩家超聲波燃?xì)獗淼恼`差激增到17.26%和13.30%,而B(niǎo)家超聲波燃?xì)獗淼闹貜?fù)性增大到2.91%.可見(jiàn),試驗(yàn)溫度對(duì)超聲波燃?xì)獗淼男阅苡绊懞艽?不建議在超聲波燃?xì)獗頇z定規(guī)程中考慮將檢定溫度從(20±2)℃放寬至(20±5)℃.

表1 超聲波燃?xì)獗砥骄鄬?duì)誤差和重復(fù)性的試驗(yàn)結(jié)果

3.2 分析與討論

為進(jìn)一步分析流量、溫度等因素對(duì)超聲波燃?xì)獗碛?jì)量性能的影響,分別繪制這四家超聲波燃?xì)獗碓诓煌瑴囟炔煌髁肯碌钠骄鄬?duì)誤差和重復(fù)性變化曲線,如圖3-6.由于同一廠家的3只受試超聲波燃?xì)獗淼脑囼?yàn)結(jié)果接近,因此僅從每一廠家抽取1只超聲波燃?xì)獗?假設(shè)為A1、B1、C1、D1)的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形繪制和討論分析.

3.2.1 流量對(duì)超聲波燃?xì)獗碛?jì)量性能的影響

圖3和圖4分別示出了超聲波燃?xì)獗砥骄鄬?duì)誤差和重復(fù)性隨介質(zhì)流量的變化情況.整體說(shuō)來(lái),流量對(duì)超聲波燃?xì)獗淼挠?jì)量性能有一定的影響.

圖3 平均相對(duì)誤差隨流量變化曲線Figure 3 Variation of mean relative errors with flowrate

結(jié)果顯示,超聲波燃?xì)獗碓诖罅髁慷蔚南鄬?duì)誤差優(yōu)于小流量段.在小流量段(qmin～3qmin),燃?xì)獗韮A向于高估被測(cè)流量,這一現(xiàn)象在非參考溫度下的試驗(yàn)中表現(xiàn)尤為明顯.從圖3中非參考試驗(yàn)溫度下的結(jié)果可以看出：采用國(guó)產(chǎn)超聲波模組的燃?xì)獗鞟1和B1對(duì)小流量qmin的測(cè)量值只有稍許偏高,誤差在2.4%以?xún)?nèi);而采用進(jìn)口超聲波模組的燃?xì)獗鞢1和D1在qmin處的相對(duì)誤差顯著增大,在不同溫度下分別達(dá)到10.08%～25.21%和8.41%～21.68%.而當(dāng)流量達(dá)到3qmin以上時(shí),兩燃?xì)獗淼南鄬?duì)誤差迅速減小到±1.5%以?xún)?nèi).

圖4 重復(fù)性隨流量變化曲線Figure 4 Repeatability variation with flowrate

從圖4可看出,超聲波燃?xì)獗碓诖罅髁慷蔚闹貜?fù)性也優(yōu)于小流量段.在大流量段(3qmin以上),4個(gè)廠家的燃?xì)獗淼闹貜?fù)性都小于0.5%.但在小流量點(diǎn)qmin,4只超聲波燃?xì)獗淼闹貜?fù)性表現(xiàn)出較大的差異.其中燃?xì)獗鞟1在qmin處的重復(fù)性相對(duì)其他流量無(wú)明顯變化,仍然維持在0.5%以?xún)?nèi).但燃?xì)獗鞡1在qmin處的重復(fù)性隨溫度不同在0.03%～2.91%范圍內(nèi)變化.燃?xì)獗鞢1和D1在qmin處的重復(fù)性較其他流量處略微變差,最大值分別為0.79%和0.84%.

值得一提的是,C1和D1兩只超聲波燃?xì)獗淼钠骄鄬?duì)誤差和重復(fù)性分布非常相似,可能與該兩家選擇了相同的進(jìn)口超聲波模組有關(guān).

3.2.2 溫度對(duì)超聲波燃?xì)獗碛?jì)量性能的影響

圖5和圖6分別示出了超聲波燃?xì)獗砥骄鄬?duì)誤差及重復(fù)性隨溫度的變化情況.結(jié)果表明,溫度對(duì)超聲波燃?xì)獗淼挠?jì)量性能也存在一定的影響.

在參考溫度20 ℃下,4家超聲波燃?xì)獗淼南鄬?duì)誤差和重復(fù)性分別在±1.3%和±0.5%范圍內(nèi).當(dāng)試驗(yàn)溫度偏離參考溫度時(shí),超聲燃?xì)獗淼挠?jì)量性能有所下降,其中小流量qmin處的計(jì)量性能下降尤其顯著.如3.2.1所述,在非參考溫度試驗(yàn)點(diǎn)(-10 ℃、15 ℃、25 ℃和40 ℃),燃?xì)獗鞢1和D1在qmin流量點(diǎn)的相對(duì)誤差高達(dá)10.08%～25.21%和8.41%～21.68%;燃?xì)獗鞡1在qmin處的重復(fù)性變差,15 ℃下,其重復(fù)性下降到2.91%.在本文的試驗(yàn)范圍內(nèi),相對(duì)誤差變化趨勢(shì)與溫度變化趨勢(shì)未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)關(guān)系.

圖5 平均相對(duì)誤差隨溫度變化曲線Figure 5 Variation of mean relative errors with temperature

3.3 恒溫箱啟停對(duì)超聲波燃?xì)獗碛?jì)量性能的影響

如前所述,超聲波燃?xì)獗淼挠?jì)量性能在一定程度受溫度影響.特別是在小流量處,燃?xì)獗碓趨⒖紲囟认碌挠?jì)量性能正常,而當(dāng)試驗(yàn)溫度偏離參考溫度時(shí),其計(jì)量性能明顯下降,甚至出現(xiàn)很大的誤差.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因有：1)燃?xì)獗碜陨淼臏囟冗m應(yīng)性差;2)燃?xì)獗碛?jì)量性能受溫度之外的其他環(huán)境因素的影響,如外界噪聲的影響等[7].經(jīng)分析,燃?xì)獗碓趨⒖紲囟认碌脑囼?yàn)和高低溫試驗(yàn)的試驗(yàn)條件差別在于：高低溫試驗(yàn)時(shí),開(kāi)啟了恒溫箱(功率較大,可能產(chǎn)生噪聲和干擾),而在參考溫度進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),恒溫箱未開(kāi)啟.

為探討本試驗(yàn)裝置中恒溫箱啟動(dòng)后產(chǎn)生的噪聲對(duì)超聲波燃?xì)獗碛?jì)量性能是否產(chǎn)生影響,本文通過(guò)下述試驗(yàn)進(jìn)行了分析驗(yàn)證.選擇D1超聲波燃?xì)獗碓诔?0 ℃下進(jìn)行兩組試驗(yàn).一組開(kāi)啟恒溫箱,設(shè)定溫度為20 ℃,另一組試驗(yàn)不開(kāi)啟恒溫箱,直接利用(20±2) ℃的環(huán)境溫度,因此兩組試驗(yàn)的溫度條件是一致的.主要針對(duì)超聲燃?xì)獗碓谛×髁慷蔚挠?jì)量性能差異,選擇試驗(yàn)流量點(diǎn)為qmin、3qmin、7qmin、10qmin、qmax,分別獲得兩組試驗(yàn)的平均相對(duì)誤差測(cè)量值,如表2.

表2 20℃下開(kāi)啟停止恒溫箱后的平均相對(duì)誤差對(duì)比

表2表明,兩組試驗(yàn)所得的平均相對(duì)誤差存在一定的偏差.在最小流量qmin處兩組相對(duì)誤差的最大偏差為0.46%,且隨著流量的增大,偏差在逐漸減小.說(shuō)明恒溫箱的啟動(dòng)與停止對(duì)超聲波燃?xì)獗碓谛×髁慷螠y(cè)得的相對(duì)誤差雖然存在一定的影響,但其影響遠(yuǎn)小于表1和圖3所示的燃?xì)獗碓谙鄳?yīng)流量的計(jì)量性能差異.這一試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了恒溫箱的啟停狀態(tài)不是引起C、D兩家超聲波燃?xì)獗碓谛×髁刻幱?jì)量性能下降的主要原因,其主要的可能原因還在于燃?xì)獗碓谛×髁刻帨囟冗m應(yīng)性差.因此,研發(fā)人員應(yīng)著力研究并優(yōu)化超聲波燃?xì)獗硇×髁慷蔚挠?jì)量性能.

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)國(guó)內(nèi)具有代表性的4家燃?xì)獗砥髽I(yè)生產(chǎn)的型號(hào)為G2.5的超聲波燃?xì)獗磉M(jìn)行了高低溫環(huán)境下的相對(duì)誤差及重復(fù)性試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)超聲波燃?xì)獗淼臏?zhǔn)確度等級(jí)確定為1.5級(jí)較為合適,如果要把超聲波燃?xì)獗淼臏?zhǔn)確度等級(jí)提高到1.0級(jí),仍需要國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的技術(shù)人員繼續(xù)努力.

2)超聲波燃?xì)獗泶罅髁慷蔚挠?jì)量性能優(yōu)于小流量段,建議應(yīng)著重研究并優(yōu)化小流量段的計(jì)量性能.

3)在參考溫度20 ℃下,進(jìn)口超聲波模組的性能優(yōu)于國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的超聲波模組.

4)超聲波燃?xì)獗淼挠?jì)量性能受溫度影響,不建議在超聲波燃?xì)獗頇z定規(guī)程中考慮將檢定溫度從(20±2) ℃放寬至(20±5) ℃.

5)恒溫箱的開(kāi)啟與停止對(duì)超聲波燃?xì)獗碓谛×髁慷螠y(cè)得的相對(duì)誤差存在一定的影響,但影響較小,不是引起超聲波燃?xì)獗碓谛×髁刻幱?jì)量性能下降的主要原因,其主要的可能原因還在于燃?xì)獗碓谛×髁刻帨囟冗m應(yīng)性差.