環(huán)境條件對(duì)膜式燃?xì)獗碛?jì)量特性影響的討論

關(guān)鍵詞：膜式燃?xì)獗?，檢定，溫度，濕度，大氣壓力

0 引言

燃?xì)獗硎恰懊裼萌怼敝?，主要用于?jì)量燃?xì)獾睦鄯e體積和流量，在燃?xì)饨灰诇y(cè)量方面，例如，工商業(yè)、民用交易等都有應(yīng)用，是測(cè)量燃?xì)庀牡年P(guān)鍵設(shè)備之一。膜式燃?xì)獗硎悄壳笆褂米顬閺V泛的一種，主要采用柔性膜片計(jì)量室的方式來(lái)測(cè)量氣體體積流量，當(dāng)氣體通過(guò)膜片時(shí)，膜片會(huì)因?yàn)闅怏w的壓力而變形，從而推動(dòng)測(cè)量器記錄氣體流量[1]。為確保其公平性和公正性，燃?xì)獗硇枰M(jìn)行首次強(qiáng)制檢定，限期使用，到期輪換。

JJG 577—2012《膜式燃?xì)獗怼窓z定規(guī)程中規(guī)定的主要檢定項(xiàng)目為流量示值誤差，檢定環(huán)境條件中，溫度為（18～22）℃，大氣壓力一般為（96±10）kPa，相對(duì)濕度為45% RH～75% RH，使用潔凈的空氣作為介質(zhì)[1]。據(jù)流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)[2]，相較于固體和液體，氣體分子間間隔最大，作用力最小，分子的運(yùn)動(dòng)較為自由，作為可壓縮流體，基于標(biāo)準(zhǔn)氣體狀態(tài)方程PV=nRT，相同物質(zhì)的量的氣體，其體積受壓力和溫度的影響較大。

1 不同環(huán)境條件對(duì)膜式燃?xì)獗頇z定的影響

1.1 溫度對(duì)膜式燃?xì)獗頇z定的影響

溫度的變化會(huì)導(dǎo)致膜片材料的熱脹冷縮，從而改變了膜片的形狀和彈性。在高溫下，膜片可能會(huì)變得更加柔軟，導(dǎo)致對(duì)氣體流量的測(cè)量產(chǎn)生偏差；而在低溫下，膜片可能會(huì)變得更加僵硬，同樣會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此規(guī)程中規(guī)定的環(huán)境溫度要在20℃左右，允許有2℃的變化。除了直接影響膜片的特性外，溫度還會(huì)影響到檢定氣體的物性參數(shù)，如密度和黏度，進(jìn)而影響到氣體流量的測(cè)量。特別是在極端溫度條件下，這種影響尤為顯著。

早在2007年，檢定規(guī)程還為舊版本時(shí)，鄭州燃?xì)饧瘓F(tuán)鄧立三[3]就針對(duì)溫度對(duì)膜式燃?xì)獗淼挠绊戇M(jìn)行了試驗(yàn)研究，選用6 個(gè)不同廠家生產(chǎn)的7的種燃?xì)獗眍愋?，?20～40℃范圍內(nèi)選取9個(gè)溫度點(diǎn)，對(duì)0.2 q max、0.4 q max、0.6 q max、q max 4個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，在未進(jìn)行示值誤差修正時(shí)，隨著溫度的下降，負(fù)誤差呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，即在-10℃時(shí)，誤差達(dá)到-14%～-12%，在-20℃時(shí)，最大達(dá)到了-17%～-14%；相反，在試驗(yàn)最高溫40℃時(shí)，示值誤差僅在3%左右。而進(jìn)行溫度壓力修正后，示值誤差的變化趨勢(shì)在-5%～+1%偏差區(qū)間，以20℃為間隔，高溫時(shí)誤差呈正趨勢(shì)，低溫時(shí)誤差呈負(fù)趨勢(shì)。此外，由于溫度變化對(duì)氣表的膜片、橡膠和塑料材質(zhì)的零部件也會(huì)產(chǎn)生影響，不同廠家的膜式燃?xì)獗泶嬖诓煌淖兓?，這一影響是由儀表本身所決定的，即為系統(tǒng)誤差，無(wú)法通過(guò)修正消除。

2011年，北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院的何藝超[4]等人在常溫（20℃）、高溫（45℃）、低溫（-15℃）三種環(huán)境溫度下對(duì)同一型號(hào)膜式燃?xì)獗硐氯齻€(gè)流量點(diǎn)q max（4 m3/h）、0.7 qmax（2.8 m3/h）、0.2 qmax（0.8 m3/h）的示值誤差進(jìn)行了探索，得出誤差曲線。結(jié)果表明，在20℃時(shí)，燃?xì)獗淼氖局嫡`差在[-0.5%，0.6%]范圍內(nèi)，誤差較?。辉?5℃時(shí)，燃?xì)獗淼氖局嫡`差在[0%，2.5%]之間，差值增大，尤其是小流量波動(dòng)較大；在-15℃時(shí)，燃?xì)獗淼氖局嫡`差在[-1.5%，1.0%]之間，其中，小流量下示值誤差為正值且誤差值較大；在中流量和大流量下，燃?xì)獗淼氖局嫡`差為負(fù)值，隨著流量的增大，誤差值也相應(yīng)變大。

2013年，泉州市計(jì)量所吳家平[5]在檢定規(guī)程新版本發(fā)布后，使用燃?xì)獗頇z定裝置（鐘罩法200L）進(jìn)行試驗(yàn)，分析了溫度對(duì)膜式燃?xì)獗硎局嫡`差的影響，按式（1）計(jì)算通過(guò)燃?xì)獗淼膶?shí)際體積：

式中：Vref為通過(guò)燃?xì)獗淼膶?shí)際體積，L；Vs為標(biāo)準(zhǔn)器示值，L；p sa為標(biāo)準(zhǔn)器壓力，Pa；Tsa為標(biāo)準(zhǔn)器的熱力學(xué)溫度，K；pma為燃?xì)獗淼倪M(jìn)口處壓力，Pa；Tma為燃?xì)獗淼倪M(jìn)口處熱力學(xué)溫度，K。

將壓差Δp 控制在100 Pa以內(nèi)，取psa≈pma，設(shè)檢定環(huán)境溫度為20℃，標(biāo)準(zhǔn)器處的溫度和燃?xì)獗硖幍臏囟戎钊∽畲笾?℃，標(biāo)準(zhǔn)器示值Vs 為100 L，代入式（1）得：

結(jié)果表明，以Vs 代替Vref計(jì)算示值誤差可能帶來(lái)的最大誤差為±0.34%，而規(guī)程要求得最大允許誤差為1.5%，僅溫度影響就可達(dá)0.34%，溫度的影響不能忽略。

2014年，漳州市計(jì)量所劉藝專[6]對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)表法檢定裝置進(jìn)行改造，在裝置中添加了換熱器、恒溫試驗(yàn)箱、高低溫恒溫槽等，用以模擬實(shí)際環(huán)境溫度，便于通氣狀態(tài)下對(duì)膜式燃?xì)獗磉M(jìn)行檢定。試驗(yàn)中被測(cè)樣品為帶有溫度補(bǔ)償功能的膜式燃?xì)獗?，回轉(zhuǎn)體積為0.9 L，實(shí)驗(yàn)流量點(diǎn)取qmax（4 m3/h）、0.4 qmax（1.6 m3/h）、0.1 qmax（0.4 m3/h），檢測(cè)體積分別為90 L、90 L、60 L。試驗(yàn)結(jié)果表明，流量示值誤差隨著溫度變化而變化，兩者呈現(xiàn)相反趨勢(shì)；溫度升高，誤差負(fù)增長(zhǎng)，溫度降低，誤差正增長(zhǎng)。這與鄭州燃?xì)饧瘓F(tuán)鄧立三[3]得出的低溫時(shí)誤差偏負(fù)的結(jié)論有所差異，原因可能是膜式燃?xì)獗碇心て推渌袦夭牧想S溫度熱脹冷縮引起的誤差變化較為明顯[7]。

1.2 濕度對(duì)膜式燃?xì)獗頇z定的影響

我國(guó)南方多潮濕多雨，北方多氣候干燥，不同的空氣濕度對(duì)膜式燃?xì)獗淼臋z定也存在著一定的影響。2013年丹東東發(fā)公司姜宏兵等[8]進(jìn)行了介質(zhì)濕度對(duì)燃?xì)獗碛?jì)量特性影響的實(shí)驗(yàn)，其他環(huán)境條件不變，選取三臺(tái)標(biāo)稱流量2.5 m2/h的JC型膜式燃?xì)獗頌闇y(cè)試樣機(jī)，分別在1%、50%、90%濕度下對(duì)qmax、0.2 qmax兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在90%濕度時(shí)，燃?xì)獗淼氖局嫡`差呈負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，在1%RH濕度時(shí)，示值誤差呈正增長(zhǎng)趨勢(shì)。整體而言，濕度增加示值誤差負(fù)增長(zhǎng)，反之則為正增長(zhǎng)。分析原因，可能是由于在濕度較高的條件下，表的膜片會(huì)因吸收水分而增大其伸張力，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)量體積的膨脹，從而使示值誤差傾向于負(fù)值。相反，在干燥的環(huán)境中，膜片的伸張能力會(huì)減弱，使得計(jì)量體積縮小，因此示值誤差會(huì)傾向于正值。

2017年，泉州市計(jì)量所的林錫聰[ 9]也研究了氣體介質(zhì)濕度對(duì)膜式燃?xì)獗碛?jì)量檢定的影響，他采用鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在濕度為45%RH、60%RH、75%RH的條件下，對(duì)4支膜式燃?xì)獗矸謩e檢測(cè)q max，0.2 q max兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)得不同濕度下的壓力損失、測(cè)量示值誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從45%到75%的相對(duì)濕度條件下，燃?xì)獗淼膲毫p失隨著相對(duì)濕度的上升而增加，反之也跟著減少；示值誤差隨著相對(duì)濕度的上升而下降，向負(fù)方向偏移，反之則上升，與姜宏兵等[8]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能有：管網(wǎng)的壓力損失；一定流量的氣體經(jīng)過(guò)管壁時(shí)，會(huì)受到摩擦阻力以及摩擦損失；摩擦損失又與空氣密度、管道的半徑、長(zhǎng)度等有關(guān)。

1.3 大氣壓力對(duì)膜式燃?xì)獗頇z定的影響

由于海拔每升高1000米，氣溫會(huì)下降6℃，大氣壓力約下降100 hPa，空氣密度約減小12%，由此換算，海拔1300米以上就不滿足規(guī)程所要求的檢定大氣壓力。2011年，河南省滎陽(yáng)市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心的翟英俊[10]就發(fā)現(xiàn)了檢定規(guī)程中的這一點(diǎn)“小漏洞”，他深入研究了同一臺(tái)燃?xì)獗碓诘|市（常年平均大氣壓為101.5 kPa）的出廠檢定數(shù)據(jù)，并對(duì)比分析了西寧市（常年平均大氣壓為77.5 kPa）進(jìn)行首次檢定的結(jié)果，在丹東市的示值誤差為0.19%，在西寧市的為0.25%，同一只燃?xì)獗碓诘|市的檢定結(jié)論為“合格”，在西寧市的檢定結(jié)論為“不合格”，在不同大氣壓的地區(qū)檢定結(jié)論相反。因此，大氣壓對(duì)檢定結(jié)果的影響不容忽視。

2015年，泉州市計(jì)量所的劉躍華[11]也分析了大氣壓變化對(duì)膜式燃?xì)獗硎局嫡`差測(cè)量的影響，比較了福州市和拉薩市，泉州市晉江市和泉州市德化縣，泉州市安溪縣日最大值和最小值，得到的結(jié)果如表1所示。表1中，分析實(shí)例1和實(shí)例2，根據(jù)規(guī)程要求，拉薩市和晉江市不符合大氣壓要求，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行修正，依然得到差距較大的示值誤差，甚至判定結(jié)果不一致。實(shí)例3則極端地體現(xiàn)了大氣壓日變化對(duì)膜式燃?xì)獗硎局嫡`差測(cè)量結(jié)果乃至判定結(jié)果的影響?？梢钥闯?，大氣壓在不同時(shí)間與空間下的變化，均會(huì)對(duì)膜式燃?xì)獗淼氖局嫡`差產(chǎn)生直接影響，進(jìn)而可能導(dǎo)致判定結(jié)果的偏差。

2 采取的措施

我國(guó)地域遼闊，各個(gè)地區(qū)的環(huán)境條件均有一定的差異，南北方溫度差異較大，東西部濕度、海拔差異較大，因此針對(duì)不同的環(huán)境條件應(yīng)采取不同的措施來(lái)避免由此產(chǎn)生的影響。

針對(duì)溫度對(duì)膜式燃?xì)獗頇z定的影響，可以采取以下措施來(lái)提高檢定的準(zhǔn)確性和可靠性：（1）溫度補(bǔ)償技術(shù)：通過(guò)在燃?xì)獗碇屑尤霚囟葌鞲衅?，并結(jié)合相應(yīng)的算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和補(bǔ)償，從而減小溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。（2）校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化：在進(jìn)行膜式燃?xì)獗淼臋z定時(shí)，應(yīng)該在規(guī)定的溫度條件下進(jìn)行，以確保不同環(huán)境溫度下的測(cè)量結(jié)果的可比性和準(zhǔn)確性。（3）湖北省孝感市計(jì)量檢定測(cè)試所張林[12]提出，先對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算，再對(duì)誤差進(jìn)行分析，對(duì)各類誤差實(shí)施有針對(duì)性地分類處理。當(dāng)誤差值＞1.8%時(shí)，該燃?xì)獗頌椴缓细?；?dāng)誤差值＜1.2%時(shí)，該燃?xì)獗頌楹细?；?dāng)誤差值在1.2%～1.8%范圍之內(nèi)時(shí)，根據(jù)式（1）進(jìn)行修正后重新計(jì)算示值誤差。此外，檢定員的技能水平也會(huì)在一定程度上影響檢定結(jié)果，要加強(qiáng)對(duì)檢定員的上崗培訓(xùn)和技術(shù)考核，避免各類粗大誤差影響檢定結(jié)果。

為減小濕度對(duì)膜式燃?xì)獗頇z定結(jié)果的潛在影響，尤其是在南方春季濕潤(rùn)多雨的氣候條件下，可采取以下措施：（1）在條件允許的情況下，應(yīng)充分利用當(dāng)?shù)刭Y源，盡量選擇當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的膜式燃?xì)獗?，與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件相匹配。（2）提高實(shí)驗(yàn)室環(huán)境質(zhì)量，確保實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和氣體介質(zhì)的穩(wěn)定性、均勻性。（3）可合理應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，根據(jù)濕度變化對(duì)檢定結(jié)果的影響程度進(jìn)行數(shù)據(jù)修正和校準(zhǔn)[9]。

不同地區(qū)海拔不同，大氣壓也存在一定的差異，各個(gè)城市中，最大常年平均大氣壓為天津的101.66 kPa，最小為玉樹的64.95 kPa，為消除大氣壓變化所帶來(lái)的影響，每次進(jìn)行檢定時(shí)，均應(yīng)充分考量大氣壓的實(shí)際效應(yīng)，并據(jù)此實(shí)施相應(yīng)的壓力修正措施。此外，還需注意最少通氣量的要求，根據(jù)規(guī)程規(guī)定，示值誤差檢定時(shí)的最少通氣量必須達(dá)到或超過(guò)燃?xì)獗碜钚》侄戎档?00倍，通常情況下，燃?xì)獗淼淖钚》侄戎禐?.2 L，那么最少通氣量應(yīng)滿足不低于40 L的標(biāo)準(zhǔn)。鐘置式氣體標(biāo)準(zhǔn)流量裝置還需注意流量調(diào)節(jié)閥的流量調(diào)整時(shí)機(jī)和安裝位置，應(yīng)該先進(jìn)行被檢燃?xì)獗淼陌惭b，再按照規(guī)程調(diào)整流量，當(dāng)燃?xì)獗肀话惭b在流量調(diào)節(jié)表之后時(shí)，由于流量調(diào)節(jié)閥的的存在，會(huì)導(dǎo)致較大的壓力損失，從而使得流經(jīng)被檢測(cè)的燃?xì)獗淼膲毫ο鄬?duì)較低；當(dāng)燃?xì)獗戆惭b在流量調(diào)節(jié)閥之前，由于壓力的影響，燃?xì)獗淼氖局嫡`差大約達(dá)到了0.03%的水平，可以忽略[13]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，無(wú)論是從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的角度還是理論分析的層面來(lái)看，環(huán)境條件中的溫度、濕度以及大氣壓力均是對(duì)膜式燃?xì)獗頇z定產(chǎn)生顯著影響的要素。燃?xì)獗頇z定結(jié)果的判定存在差異，將會(huì)導(dǎo)致人力資源、財(cái)力資源等方面的浪費(fèi)。尤其是在面對(duì)大量燃?xì)獗頇z定的需求時(shí)，這種差異性將會(huì)導(dǎo)致檢定效率的顯著降低，從而影響到整體工作效率和質(zhì)量。針對(duì)溫度和濕度而言，為了達(dá)到規(guī)程要求最便捷的方式就是安裝恒溫恒濕空調(diào)，使檢定時(shí)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境條件保持恒定，盡量減少因溫濕度影響產(chǎn)生的誤差。對(duì)于大氣壓力的影響，其隨時(shí)隨地的變化對(duì)膜式燃?xì)獗硎局嫡`差的測(cè)量結(jié)果會(huì)有一定差異，甚至?xí)霈F(xiàn)不一致的檢定結(jié)論。鑒于人為因素?zé)o法對(duì)大氣壓力值進(jìn)行干預(yù)，為了確保大氣壓變化不會(huì)對(duì)檢定結(jié)果產(chǎn)生影響，無(wú)論使用何種標(biāo)準(zhǔn)裝置，在進(jìn)行檢定時(shí)都應(yīng)實(shí)時(shí)對(duì)大氣壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以有效消除其潛在的影響。同時(shí)，在檢定系統(tǒng)的配套軟件中，應(yīng)適時(shí)對(duì)大氣壓力的影響進(jìn)行修正，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

只有充分認(rèn)識(shí)到環(huán)境條件對(duì)燃?xì)獗頇z定的影響，并采取相應(yīng)的措施加以控制，降低這一系統(tǒng)誤差，提高檢定效率和質(zhì)量，才能保證燃?xì)獗淼臏?zhǔn)確性和可靠性，保證膜式燃?xì)獗砹恐档慕y(tǒng)一，做好供氣企業(yè)和百姓中間的這一桿“公平秤”，從而更好地滿足社會(huì)對(duì)氣體流量測(cè)量的需求。