水嘴流量檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)*

程云斌 鄭 蓉 唐敏俊

(1 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200000)(2 鈦和檢測(cè)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司 上海 200042)

目前低碳生活、節(jié)約用水已經(jīng)成為整個(gè)衛(wèi)浴行業(yè)的共識(shí),大多數(shù)居民意識(shí)到節(jié)約用水的重要性,在家庭中的水嘴、坐便器、淋浴器這用水“三大件”上,對(duì)節(jié)約用水“指標(biāo)”要求越來越高。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 25501-2010水嘴用水效率限定值及用水效率等級(jí)于2011年7月1日實(shí)施,并于2019年對(duì)其進(jìn)行修訂。2021年1月1日GB 25501-2019水嘴水效限定值及水效等級(jí)作為強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施,為水效標(biāo)識(shí)制度提供進(jìn)一步的標(biāo)準(zhǔn)支持,更好地適應(yīng)水嘴行業(yè)的技術(shù)發(fā)展。

水嘴流量是一項(xiàng)強(qiáng)制性節(jié)水指標(biāo),流量偏大浪費(fèi)水資源,流量偏小影響正常使用,因此流量不符合要求會(huì)造成不必要的水資源浪費(fèi),達(dá)不到節(jié)能效果且失去產(chǎn)品本身的意義。

1 概述

目前,國(guó)內(nèi)外有很多關(guān)于水嘴的檢測(cè)設(shè)備,現(xiàn)有的水嘴檢測(cè)設(shè)備雖然具備流量參數(shù)的檢測(cè)功能,但數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差,偏離較大,會(huì)造成測(cè)量審核、能力驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)室之間對(duì)比結(jié)果誤差很大,無法給出讓人信服的數(shù)據(jù)和結(jié)論。因此設(shè)計(jì)一套高精度的水嘴檢測(cè)設(shè)備,使得所測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的可重復(fù)性(即穩(wěn)定性),來解決水嘴機(jī)械性能無法驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不確定度大等問題。

水嘴流量檢測(cè)設(shè)備的系統(tǒng)誤差、檢測(cè)人員的個(gè)人操作水平,都會(huì)影響水嘴流量的檢測(cè)結(jié)果。在開展檢驗(yàn)檢測(cè)、測(cè)量審核、能力驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)時(shí),由于各設(shè)備間的一致性不好,容易造成比對(duì)結(jié)果誤差很大。目前我國(guó)行業(yè)內(nèi)的水嘴檢測(cè)設(shè)備流量偏差基本在5%以上,重復(fù)性偏差較大,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高,導(dǎo)致水嘴機(jī)械性能檢測(cè)水平在水暖行業(yè)中得不到有效的提高,難以支持GB 25501-2019水嘴水效限定值及水效等級(jí)實(shí)行下的水嘴行業(yè)技術(shù)發(fā)展。因此提高檢測(cè)設(shè)備的精度,保證檢測(cè)結(jié)果的重復(fù)性勢(shì)在必行。

檢測(cè)裝置中的液體介質(zhì)由于受壓而流動(dòng),并始終處于運(yùn)動(dòng)或不穩(wěn)定的狀態(tài),因而液體本身不能作為一種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來進(jìn)行檢測(cè)和溯源。水嘴流量的檢測(cè)都是借助于流量測(cè)試工作原理開展的。

2 工作原理

目前使用的水嘴流量檢測(cè)方法有以下很多種類:(1)檢測(cè)原理不同。質(zhì)量法、容積法、標(biāo)準(zhǔn)法。

(2)液體介質(zhì)狀態(tài)不同。動(dòng)態(tài)法、靜態(tài)法。

目前最常用的兩種水嘴流量檢測(cè)方法為靜態(tài)質(zhì)量法和標(biāo)準(zhǔn)表法。不同的檢測(cè)方法,其原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用場(chǎng)景等均有所不同。

2.1 靜態(tài)質(zhì)量法

靜態(tài)質(zhì)量法又被稱為靜態(tài)稱重法,在流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),讀取液體介質(zhì)的質(zhì)量,結(jié)合檢測(cè)時(shí)間,換算相應(yīng)的質(zhì)量流量。其典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 靜態(tài)質(zhì)量法水嘴測(cè)試裝置

工作時(shí),首先啟動(dòng)水泵,將其作為動(dòng)力源抽取水箱中的水,經(jīng)過調(diào)節(jié)閥后流入試驗(yàn)管路中,中間連接被測(cè)水嘴,其中換向閥安裝在實(shí)驗(yàn)管路的出口處。試驗(yàn)開始時(shí),確定稱重容器的初始重量M0,選擇換向器使流體流入旁通管。待流量達(dá)到穩(wěn)定后,改變換向器使流體進(jìn)入稱重容器,同時(shí),啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。當(dāng)滿足預(yù)定的水量或時(shí)間時(shí),換向器自動(dòng)換向,再次使流體流入旁通管。分別確定并記錄稱重容器中流體的質(zhì)量Mt,計(jì)時(shí)器顯示的測(cè)量時(shí)間t,依據(jù)下式計(jì)算流體的質(zhì)量流量Qm,體積流量Qv:

2.2 標(biāo)準(zhǔn)表法

標(biāo)準(zhǔn)表法是根據(jù)流體力學(xué)的原理,在同一時(shí)間間隔內(nèi),串聯(lián)在同一管道上的流量計(jì)通過的累積流量是相等的,那么當(dāng)流量穩(wěn)定時(shí),比較標(biāo)準(zhǔn)表和被檢水嘴的流量值,就能確定被檢流量計(jì)的計(jì)量參數(shù)。在水嘴流量的檢測(cè)中,標(biāo)準(zhǔn)表法一般采用串聯(lián)形式,其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)表法

設(shè)通過標(biāo)準(zhǔn)表和被檢流量計(jì)的流體密度為ρ,如果標(biāo)準(zhǔn)表、被檢水嘴的體積流量分別為QVS和QVN,質(zhì)量流量分別為Qms和Qmn。則計(jì)算得到通過標(biāo)準(zhǔn)表、被檢水嘴的體積流量分別為:

2.3 兩種方法比較分析

2.3.1 準(zhǔn)確度比較

靜態(tài)質(zhì)量法屬于原始法測(cè)量。所以綜合測(cè)量精度非常高;主要的誤差來自于檢測(cè)時(shí)間和換向器帶來的不確定度影響。標(biāo)準(zhǔn)表法由于標(biāo)準(zhǔn)表的準(zhǔn)確度、配套計(jì)時(shí)器準(zhǔn)確度較高,配合以穩(wěn)定的液體流量源,同樣能獲得較高的準(zhǔn)確度等級(jí)。

2.3.2 結(jié)構(gòu)比較

由于換向器的使用,使靜態(tài)質(zhì)量法管線相對(duì)復(fù)雜,稱重容器和體積容器占地面積相對(duì)較大,所以這兩種方法一次性投資相對(duì)較高,而且操作復(fù)雜。而標(biāo)準(zhǔn)表法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且操作方便。

2.3.3 效率比較

靜態(tài)質(zhì)量法的核心是度量收集到的液體流量,在低流速的情況下,因?yàn)槔鄯e流量較小,為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確度,必須提高測(cè)量時(shí)間,則檢測(cè)效率就大大降低;而標(biāo)準(zhǔn)表法操作簡(jiǎn)單,直接可以從標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)上讀取檢測(cè)結(jié)果,所以操作時(shí)間短、檢測(cè)效率高。

3 流量穩(wěn)定性分析

由上述分析可知,采用標(biāo)準(zhǔn)表法原理的,其液體流量源的穩(wěn)定性是研究的一個(gè)重點(diǎn),也是技術(shù)難點(diǎn)所在,所以在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表法時(shí),要提高裝置的流量穩(wěn)定性。

為了分析影響流量穩(wěn)定性的因素,筆者以簡(jiǎn)化的形式進(jìn)行分析,其標(biāo)準(zhǔn)表法水嘴流量測(cè)試裝置如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)化的標(biāo)準(zhǔn)表法水嘴流量測(cè)試裝置

3.1 數(shù)學(xué)模型

在整個(gè)裝置管路中的水流阻力有兩種,即沿程阻力和局部阻力。

根據(jù)流體力學(xué)的推導(dǎo),沿程阻力損失為:

式中:n—水泵轉(zhuǎn)速,r/min;ns—水泵比轉(zhuǎn)數(shù);

qb—水泵體積流量,m/s。

然后取兩個(gè)計(jì)算斷面,假設(shè)斷面A 取在水箱內(nèi),斷面B 取在管路出口處;P1、P2分別為斷面A、B 的中心點(diǎn)壓力;V1、V2分別為斷面A、B 中心點(diǎn)的平均流速;Z1、Z2分別為斷面A、B 的位置頭。對(duì)A、B 兩個(gè)斷面建立伯努利方程為:

假設(shè)為出水口截面積、為液體密度,由此可以推導(dǎo)出水口的流量為:

3.2 結(jié)果分析

由上述公式可知,流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量變化與s、ρ、g、p1、p2、z1、z2、λ、L、D、vw、ε、vj、n、ns、qb等參數(shù)有關(guān)。其中ρ、g 是定值,管道的尺寸是提前設(shè)計(jì)好的,所以s、z2、L、D 也是定值,其余參數(shù)與其之間的關(guān)系如下:

(1)λ、vw、ε、vj四個(gè)參數(shù)與管道閥門有關(guān)。裝置的管路中肯定會(huì)安裝彎頭、閥門等阻流件。當(dāng)流體在高雷諾數(shù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的二次流,引起局部流速劇增。由于液體介質(zhì)和管道都是彈性體,因此在受到外來的強(qiáng)烈沖擊會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)和噪聲,λ、ε、vj等參數(shù)會(huì)變得不穩(wěn)定,進(jìn)而引起水流的波動(dòng)。

(2)n、ns、qb三個(gè)參數(shù)與水泵有關(guān)。電網(wǎng)電壓長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)會(huì)使n 變化,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的水泵在氣蝕、水擊等影響下,其密封性會(huì)變差,進(jìn)而影響qb,這樣會(huì)導(dǎo)致水泵出口流量的波動(dòng)。

(3)z1與水箱有關(guān)。水箱水面高度z1在整個(gè)檢測(cè)過程中一直處于快速變動(dòng)的狀態(tài),水泵吸水口可能會(huì)導(dǎo)致水面產(chǎn)生旋渦,水管的排水口會(huì)對(duì)水面造成明顯沖擊。

(4)p1、p2與流量壓力有關(guān)。p1、p2的值來源于管道閥門、水泵、水箱等。水泵電機(jī)電源電壓和頻率的穩(wěn)定、管道的水流穩(wěn)定、水箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等都決定了p1、p2是否穩(wěn)定。

4 結(jié)語

綜上所述,流量的穩(wěn)定性與水泵、管道、閥門、水箱有著密切關(guān)系。其中管道、閥門、水箱反映了的工藝設(shè)計(jì),而流量穩(wěn)定的核心則取決于壓力源的穩(wěn)定,反映在水泵和管路是否穩(wěn)定。

穩(wěn)定流量源的常規(guī)方法主要有水塔、穩(wěn)壓容器、變頻法等。考慮其特殊性,需要從各個(gè)方面考慮,從裝置平臺(tái)的搭建、標(biāo)準(zhǔn)表選型、控制算法的編寫、控制方案的實(shí)施都需要探究,各種控制方案和不同工況條件下的流量穩(wěn)定性,從而最終得出最佳工作條件。