在線電磁兼容試驗用液體流量檢測裝置

安海驕，施 鑫，劉 明

（天津市計量監(jiān)督檢測科學研究院，天津 300192）

隨著電子技術的迅速發(fā)展，流量儀表呈現(xiàn)向智能化發(fā)展的趨勢，但智能儀表存在易受電磁環(huán)境干擾的缺點，因此，近些年來許多技術規(guī)范著重對智能儀表的電磁兼容性能進行了規(guī)定[1-3]，其中以水表最為突出。對于水表型式評價試驗的電磁兼容項目，國內外大多數(shù)實驗室在零流量下進行實驗，只判定施加電磁干擾后水表電子裝置的數(shù)據(jù)存儲功能是否仍然符合設計要求，然而這種方法并不能有效考察水表在實際使用中受到電磁干擾時計量性能的變化情況。此外，國內有少數(shù)實驗室采用的方案是在電磁兼容屏蔽暗室開孔，把裝置的主要部分設置在暗室之外，將水表通過軟管連接后放置在暗室之內，這種方法會對暗室本身的屏蔽性能造成破壞，甚至產生不可預估的影響。

為克服上述方案的缺點，本文致力于研制一種緊湊型液體流量檢測裝置，以便于將其置于暗室中進行在線電磁敏感性試驗。此裝置可用來完成電磁兼容干擾下水表示值誤差的在線測量，能夠更好的分析研究水表在施加電磁干擾時計量性能的變化。

1 裝置的結構設計

緊湊型液體流量檢測裝置主要由水箱、循環(huán)泵、穩(wěn)壓罐、標準表、流量調節(jié)閥等組成，其結構示意如圖1所示。由于對緊湊性要求較高，需要對裝置的關鍵部分進行參數(shù)化設計，保證在不影響各部分性能的前提下縮小體積。

圖1 裝置結構示意Fig.1 Structure diagram of compact liquidflowrate standard facility

1.1 緊湊型穩(wěn)壓容器的參數(shù)化設計

穩(wěn)壓容器是一種能夠提高流量穩(wěn)定性的裝置，對流體的壓力有平均、緩沖、吸收脈動的功能，通常利用密閉壓力罐內空氣的壓縮性和罐內設置的隔板來緩沖流量的波動。目前關于穩(wěn)壓容器設計的研究比較多[4-5]，其中在實際應用場合較為常見的是一種兼具橫隔板和豎擋板的結構。豎擋板為實心平板，橫隔板上均勻分布著若干圓孔。設置豎擋板的目的是防止進、出口水流直通，造成水流脈動過大，設置橫隔板的目的是減弱水流波動，降低罐內水流流速。

一般情況下橫隔板的流通面積設計為5倍進水口管道截面積，進水口口徑為50 mm，因此，S孔=0.0098 m2。選取橫隔板的流通面積比f=0.8，則橫隔板的截面積 S橫隔板=S孔/f=0.012 m2。

穩(wěn)壓容器的徑向截面示意如圖2所示。

圖2 穩(wěn)壓容器的徑向截面示意Fig.2 Structure diagram for radial cross section of surge tank

豎擋板設置于罐體直徑的1/3處，垂直于進水管，采用近似公式：

由式（1）可得到，穩(wěn)壓罐直徑D=0.24 m，豎擋板寬度b=0.2 m。

穩(wěn)壓罐的縱向剖面圖如圖3所示，其高度由4部分構成，分別為氣室的高度h氣室，溢流液面與豎擋板頂端的距離h溢流，豎擋板頂端與進水口中心線的距離h豎頂和進水口中心線到罐底的距離h罐底。設計穩(wěn)壓罐的高度首先要分別獲得以上4個參數(shù)。

圖3 穩(wěn)壓容器的軸向截面示意Fig.3 Structure diagram for axial cross section of surge tank

氣室起到彈性緩沖作用，可減小容器內水位的波動，其在罐體內的容積并非固定，但可以根據(jù)經(jīng)驗公式（2）計算得出最小氣室容積Vmin：

式中：τ為時間因子；δq為泵出口流量的最大相對波動量，%；δp為穩(wěn)壓罐壓力的最大相對波動量，%；qmax為裝置設計的最大瞬時流量，m3/h。

根據(jù)設計要求，δq不超過5%，δp不大于0.1%，得到 Vmin為 0.0796 m3。

穩(wěn)壓罐采用球冠形封頭，封頭高度h封頭=0.1 m。由式（3）可計算出球冠形封頭的近似容積為0.0098 m3。進一步可根據(jù)式（4）計算出最小氣室高度。

水流進入穩(wěn)壓罐后，經(jīng)過3層橫隔板達到豎擋板頂端后溢流進入右側穩(wěn)壓罐，為保證水流較為平穩(wěn)地流入出口，設計溢流流速不超過0.15 m/s，由式

（5）可計算出溢流液面與豎擋板頂端的距離h溢流。

根據(jù)經(jīng)驗，豎擋板頂端與進水口中心線的距離h豎頂為10倍進水口管徑，即0.5 m，進水口中心線到罐底的距離h罐底與穩(wěn)壓罐性能無關，本文設計的距離為0.25 m。

經(jīng)過上述分析，可得出穩(wěn)壓罐的最小高度為1.04 m，為了留有一定余量，本文設計穩(wěn)壓罐高度為1.2 m。

考慮到機械強度、加工難度等因素，本文采用5 mm厚的多孔橫隔板，并據(jù)此選取第1層到第3層橫隔板的孔徑分別為12.5 mm，8 mm，6 mm。根據(jù)式（6）確定第1層到第3層橫隔板的孔中心間距分別為16 mm，11 mm和8 mm。

1.2 緊湊型穩(wěn)壓容器的參數(shù)化設計

裝置水箱的設計要求保證體積盡量小之外還應達到以下要求：①裝置處于非工作狀態(tài)時，裝置內的水均應容納與水箱中；②在試驗過程中，水箱中的水位變化不能過大，一般不超過液位的5%；③試驗過程中，水在水箱中的流速不應超過0.015 m/s，以保證有充分的時間釋放氣泡；④水箱頂端與水位高度應留有充分的余量空間。

為滿足上述第3條要求，需保證在最大試驗流量條件下，水流在水箱內沿各方向上的速度分量均應小于0.015 m/s，按極限考慮，只需保證最大試驗流量方向為x，y，z向時，流速均小于0.015 m/s即可。定義水箱長、寬和水深分別為L、B和H，需滿足：

設計水箱長度為1m，寬度為0.6m，水深為0.6 m，均滿足上述4項要求。

2 裝置的水利阻力特性研究

裝置所選取的水泵應該在克服水利阻力后仍能夠達到設計的最大流量，因此裝置的水利阻力的分析與計算是水泵選取的關鍵。

根據(jù)國家標準和規(guī)程的規(guī)定，不同口徑水表的流量參數(shù)如表1所示，并針對此進行裝置設計和水利阻力特性的研究。

裝置流通能力計算圖如圖4所示。

表1 水表各口徑常見流量范圍Tab.1 Usual flow parameter of different pipe diameter for water meter

圖4 裝置流通能力計算圖Fig.4 Flow capacity of the standard facility

由于裝置只有一條流通路徑，管道內水流速越大，產生的阻力損失也就越大，因此選擇最大的常用流量40 m3/h來計算裝置總的水頭損失。當Q3=40 m3/h時，電磁敏感性試驗要求的參比流量為28.5 m3/h。

按照式（7）計算沿程壓力損失產生的水頭損失。

根據(jù)表2可計算出沿程阻力產生的總水頭損失為0.29 m。

表2 裝置沿程阻力系數(shù)Tab.2 Frictional resistant coefficient for standard facility

裝置各局部阻力損失系數(shù)值如表3所示。

根據(jù)式（8）計算局部阻力產生的水頭損失，hj=17.76 m。

表3 裝置沿程阻力系數(shù)Tab.3 Local resistant coefficient for standard facility

H為水泵進水口與循環(huán)管路出水口之間的高度差，為1.1 m，因此，裝置作用水頭為19.15 m。

對其他口徑的水表分別進行類似的分析，得到的計算結果如表4所示。

表4 裝置各口徑的作用水頭Tab.4 Efficient water head of different pipe diameter for the facility

根據(jù)上述計算結果可知，裝置最大的作用水頭不超過19.15m，根據(jù)該參數(shù)可選擇一臺揚程為36 m，最大流量為30 m3/h的立式循環(huán)水泵，該水泵不僅達到了上述參數(shù)要求，還留有一定余量。

3 試驗研究

為了進一步驗證裝置的有效性和在線電磁兼容敏感性試驗的效果，選取一臺DN15的IC卡水表進行試驗，如圖5所示。實驗過程中磁場頻率從80 MHz到1 GHz之間共分17段進行實驗，在每個頻率段內頻率從起始頻率以1%的幅度逐漸增加到終止頻率。分別使用零流量法和實流法測試電磁兼容干擾對被測儀表的影響。

圖5 IC卡水表在線電磁兼容試驗系統(tǒng)Fig.5 Electromagnetic compatibility experimentation for IC card watermeter

使用零流量法進行試驗時，分別記錄施加干擾前和各頻率段干擾過程中水表內部的存儲值，如表5所示。

表5 零流量法試驗結果Tab.5 Experiment result of zero flow method

使用實流法進行試驗時，分別測量施加干擾前和各頻率段干擾過程中水表的示值誤差，測量結果如表6所示。

表6 實流法試驗結果Tab.6 Experiment result of actual flow method

通過對比兩種試驗方法的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，零流量法只能反映水表電子裝置的數(shù)據(jù)存儲功能是否受到電磁干擾的影響，一般而言，此功能不易受到影響。然而，通過實流法測量示值誤差發(fā)現(xiàn)，在施加干擾時，水表的計量性能受到了不同程度的影響，表現(xiàn)為示值誤差與施加干擾前相比出現(xiàn)了波動?？梢娏懔髁糠ú荒苋娣从畴姶鸥蓴_對被測水表的影響，只能考察靜態(tài)特征，而忽略了動態(tài)條件下最重要的計量性能指標。因此，借助本文設計的緊湊型液體流量標準裝置能夠測量受電磁干擾時流量儀表計量性能的變化量，對儀表的抗電磁干擾性能做出更加深入的分析。

4 結語

本文設計了一種緊湊型液體流量標準裝置，可用于電磁兼容環(huán)境影響下水表示值誤差的在線測量，能夠更好的分析水表在施加電磁干擾時計量性能的變化，同時避免了對電磁兼容暗室的破壞。本文針對新裝置的整體和關鍵部分進行了緊湊型參數(shù)化設計，并研究其水利阻力特性，之后加工完成了該裝置，通過試驗驗證了裝置的有效性和實流法電磁敏感性試驗的優(yōu)勢。