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金卡智能集團(tuán)股份有限公司 江航成/郭剛/丁淵明/鈄偉明

來(lái)源：《計(jì)量技術(shù)》2019年第6期

摘要：熱式燃?xì)獗砼c超聲波燃?xì)獗碜鳛樾滦偷碾娮邮饺細(xì)獗恚雌溆?jì)量原理，在實(shí)氣介質(zhì)下的示值誤差與 空氣有所差異。為研究電子式燃?xì)獗碓趯?shí)氣介質(zhì)下的計(jì)量性能，提出一種基于質(zhì)量守恒原理、采用實(shí)氣循環(huán)方式測(cè)試示值誤差的新方法，研制一套主動(dòng)式低壓盤形活塞環(huán)道實(shí)氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。該標(biāo)準(zhǔn)裝置名義體積120L，最大工作壓力10kPa，分辨力為0.53mL，擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度Uref=0.04%(k=2)，滿足流量范圍(0.016~10)m3 /h電子式燃?xì)獗碓趯?shí)氣介質(zhì)下示值誤差的測(cè)試要求。該裝置準(zhǔn)確度高，采用氣體循環(huán)測(cè)試，有效降低測(cè)試成本，減少對(duì)周邊環(huán)境影響。

關(guān)鍵詞：氣體流量試驗(yàn)裝置；盤形活塞；實(shí)流檢測(cè)；燃?xì)獗?/p>

引言

近年來(lái)隨著清潔能源的推廣，天然氣的應(yīng)用日趨普遍，燃?xì)獗韽V泛應(yīng)用于天然氣的貿(mào)易結(jié)算，屬于國(guó)家重點(diǎn)管理計(jì)量器具，計(jì)量性能的準(zhǔn)確性涉及千家萬(wàn)戶的利益。目前普遍使用膜式燃?xì)獗恚环N采用容積式計(jì)量原理的機(jī)械儀表，采用柔性膜片計(jì)量室方式來(lái)測(cè)量氣體體積流量。在長(zhǎng)期使用過(guò)程中膜片、分配閥、連桿等不斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)誤差產(chǎn)生很大影響。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，性價(jià)比高的超低功耗、高測(cè)量準(zhǔn)確度的專用流量傳感器日趨成熟。 電子式燃?xì)獗硐啾饶な饺細(xì)獗砭哂袩o(wú)可動(dòng)部件、體積小、易集成、靈敏度高、智能化的特點(diǎn)，目前已普 遍應(yīng)用于燃?xì)庥?jì)量，成為流量?jī)x表行業(yè)研究熱點(diǎn) [1-3] ，典型產(chǎn)品為熱式燃?xì)獗砼c超聲波燃?xì)獗?，其行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4-5]相繼都已頒布。熱式燃?xì)獗硎且环N利用熱傳遞原理測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)狀況下流量的計(jì)量器具[6]， 熱傳遞效果與氣體的比熱容有關(guān)。超聲波燃?xì)獗砝贸暡ㄔ诹鲃?dòng)介質(zhì)中順流方向和逆流方向的時(shí)間差與流體的平均流速成正比的原理[7]，時(shí)間差與聲速有關(guān)，聲速與氣體的摩爾質(zhì)量及摩爾氣體常數(shù)有關(guān)。電子式燃?xì)獗碓趯?shí)氣介質(zhì)下的示值誤差與空氣有所 差異，因此準(zhǔn)確測(cè)量、分析、評(píng)價(jià)實(shí)氣介質(zhì)下的計(jì)量誤差，成為當(dāng)前發(fā)展新型電子式燃?xì)獗硇枰鉀Q的問(wèn)題。 

1 裝置現(xiàn)狀

氣體流量原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)流量的定義來(lái)復(fù)現(xiàn)氣體流量值的，通過(guò)對(duì)質(zhì)量、長(zhǎng)度、時(shí)間等基本量溯源得到準(zhǔn)確的流量值，是準(zhǔn)確度最高的流量裝置[8]。

國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站南京分站以及成都分站建立基于質(zhì)量-時(shí)間法的標(biāo)準(zhǔn)裝置，武漢分站建立基于高壓活塞法的原級(jí)氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[9]，德國(guó)Pigsar天然氣流量計(jì)檢定站采用高壓活塞裝置[10]，檢測(cè)對(duì)象都是高壓、大流量的工業(yè)用流量計(jì)，但是針對(duì)民用燃?xì)獗?，?力低 (2kPa)、小流量(0. 016 ~10)m3/h 的原級(jí)低壓標(biāo)準(zhǔn)裝置尚屬空白。目前常見(jiàn)的檢測(cè)裝置是通過(guò)用標(biāo)準(zhǔn)表與被檢表串聯(lián)比較法測(cè)試，燃?xì)鈱儆谝兹家妆臍怏w，測(cè)試地點(diǎn)放在戶外，溫度無(wú)法保證恒溫，標(biāo)準(zhǔn)表的準(zhǔn)確度不夠高，測(cè)試結(jié)論難以信服。

2 裝置結(jié)構(gòu)原理

低壓環(huán)道實(shí)氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，主要由活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置、氣源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、夾表系統(tǒng)組成，該裝置的性能參數(shù)見(jiàn)表 1，裝置原理示意圖見(jiàn)圖 1。

表1 裝置性能參數(shù)表

活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由活塞缸、盤型活塞、活塞桿、絲杠、伺服電機(jī)、編碼器、導(dǎo)桿、傳感器和閥門等組成，活塞缸被活塞分為左缸和右缸兩部分，右缸為計(jì)量腔，用于產(chǎn)生及計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)流量的氣體，左缸為返回腔，用于收集經(jīng)過(guò)被檢表的氣體。

氣源系統(tǒng)有3個(gè)儲(chǔ)氣罐、真空泵、管路、閥門組成，儲(chǔ)氣罐分別存儲(chǔ)氮?dú)?、空氣和燃?xì)猓獨(dú)馀c燃?xì)庥蓧嚎s氣瓶減壓供給，氣瓶可根據(jù)測(cè)試要求配置相應(yīng)組分比例的標(biāo)準(zhǔn)氣體?？諝庥蓧嚎s管路提供。儲(chǔ)氣罐起到氣體的存儲(chǔ)、供給、恒溫、穩(wěn)壓作用。氮?dú)庥糜诠苈分袣怏w的吹掃，起到安全、防爆作用。真空泵為氣體置換提供動(dòng)力源，確保管路中的氣體置換干凈。

控制系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)以及攝像采樣器完成對(duì)測(cè)試程序編制、參數(shù)設(shè)置、信號(hào)處理，夾表系統(tǒng)由氣缸及夾具完成對(duì)燃?xì)獗泶?lián)進(jìn)入測(cè)試管路。

實(shí)驗(yàn)室配置防爆中央空調(diào)，連接電路外套防爆線纜，金屬管路均通過(guò)接地處理，安裝排風(fēng)扇以及可燃?xì)怏w探測(cè)器，采用防爆真空泵，置換氣體通過(guò)高達(dá)10m管路往高空排放，確保測(cè)試環(huán)境安全。

電子式燃?xì)獗碓O(shè)定檢測(cè)模式，LED燈按照1 L的脈沖當(dāng)量顯示，被裝置采集到信號(hào)。在操作程序上設(shè)置流量以及測(cè)試脈沖數(shù)等參數(shù)啟動(dòng)測(cè)試，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠采用P5精度，運(yùn)動(dòng)1個(gè)導(dǎo)程為5mm，編碼器輸出104個(gè)脈沖。絲桿帶動(dòng)活塞在恒定截面的活塞缸內(nèi)勻速方式移動(dòng)，產(chǎn)生設(shè)定流量的氣體，流經(jīng)被檢表以及儲(chǔ)氣罐再返回活塞左缸。攝像采樣器采集到被檢表的首個(gè)脈沖，控制系統(tǒng)開始計(jì)算編碼器的脈沖數(shù)，直至檢測(cè)到被檢表的末個(gè)脈沖。式（1）計(jì)算出被檢表的體積，式（2）根據(jù)脈沖數(shù)及長(zhǎng)度脈沖系數(shù)，計(jì)算出該段時(shí)間內(nèi)活塞位移，式（3）根據(jù)位移與有效截面積計(jì)算出活塞體積，按式（4）根據(jù)被檢表的溫度壓力對(duì)活塞體積進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到流經(jīng)被檢表的實(shí)際氣體體積，式（5）計(jì)算出被檢表的示值誤差。

(1)

式中：Vm為通過(guò)被檢表的氣體體積(mm3)；N為被檢表的脈沖數(shù)；P為被檢表的脈沖當(dāng)量

(2)

(3)

式中：L為絲桿運(yùn)動(dòng)位移（mm）；f為脈沖數(shù)； k為長(zhǎng)度脈沖系數(shù)；Vs為通過(guò)活塞裝置的氣體體積(mm3)；D為活塞缸內(nèi)徑(mm)；d為導(dǎo)桿外徑(mm)。

式中：Vref為通過(guò)被檢表的實(shí)際氣體體積（mm3）；Pm為被檢表處的氣體壓力（kPa）； Ps為活塞處的氣體壓力（kPa）；Tm為被檢表處的氣體溫度（K）； Ts為活塞處的氣體溫度（K）；E為被檢表的示值誤差（%）。

3 不確定度分析

      依據(jù)質(zhì)量守恒原理，在封閉的管道中，活塞平移將氣體排出，氣缸內(nèi)減少的氣體質(zhì)量等于被檢表流過(guò)的質(zhì)量[11]。在定溫、定壓下氣缸內(nèi)的氣體密度不變，氣缸內(nèi)減少的氣體體積就是被檢表流過(guò)的體積?；钊灰婆c有效截面積乘積即為氣體體積。有效截面積通過(guò)測(cè)試直徑得到，位移通過(guò)編碼器的脈沖數(shù)及長(zhǎng)度脈沖系數(shù)校準(zhǔn)獲知。主動(dòng)式活塞的校準(zhǔn)方法有尺寸測(cè)量法、容積測(cè)量法與質(zhì)量測(cè)量法[12]，本文按尺寸測(cè)量法對(duì)裝置的不確定度進(jìn)行評(píng)定。

檢定過(guò)程中溫壓保持恒定，在測(cè)試時(shí)間內(nèi)活塞排出的氣體量：

（6）

式中：V20為活塞排出的20℃氣體體積(mm3)。

     活塞缸內(nèi)徑以及導(dǎo)桿，在加工后裝配之前，委托計(jì)量所進(jìn)行校準(zhǔn)。依據(jù)活塞裝置裝配圖，確定計(jì)量段高度，將計(jì)量段高度等分為10個(gè)測(cè)量截面m，在每個(gè)測(cè)量面沿圓周測(cè)量6個(gè)直徑。按式（7）計(jì)算平均直徑。

（7）

式中：m為測(cè)量截面積數(shù)；n為測(cè)量面的測(cè)量次數(shù)；量具材料20℃膨脹系數(shù)()℃-1；缸體材料20℃膨脹系數(shù)()℃-1；t為環(huán)境溫度(℃)。

活塞運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度按式（2）計(jì)算，在裝置安裝完成調(diào)試后，委托計(jì)量機(jī)構(gòu)用激光干涉儀在線校準(zhǔn)脈沖系數(shù)k，將式（2）、（7）帶入式（6）得式（8）：

（8）

該裝置的合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定評(píng)定見(jiàn)式（9）：

式中：為活塞缸平均直徑的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度%；為導(dǎo)桿平均直徑的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度%；為測(cè)量環(huán)境溫度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度%；為脈沖的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度%；為長(zhǎng)度脈沖系數(shù)引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不定度%。

3.1活塞缸平均直徑的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

不同位置m測(cè)試10次，每個(gè)截面n測(cè)試6次，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.041mm，平均直徑為379.964mm。

3.2  導(dǎo)桿平均直徑的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

不同位置m測(cè)試10次，每個(gè)截面n測(cè)試6次，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.022mm,平均直徑為99.929mm。

3.3測(cè)量環(huán)境溫度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

設(shè)環(huán)境氣溫為20℃，測(cè)試過(guò)程中溫度的不確定度，按矩形分布Kp=。

3.4脈沖數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

最小測(cè)試體積為10L，累計(jì)脈沖數(shù)189836個(gè)，最大分辨力為1個(gè)脈沖，按均勻分布k=。

3.5長(zhǎng)度系數(shù)引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)活塞的安裝情況設(shè)定4段長(zhǎng)度，每段長(zhǎng)度測(cè)試3次，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。計(jì)算出活塞長(zhǎng)度系數(shù)的平均值為0.00050mm ，標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.487×10-8mm。

表2長(zhǎng)度脈沖系數(shù)校準(zhǔn)值

根據(jù)以上相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定及其靈敏系數(shù)整理的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表如表3所示。

表3  相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定一覽表

該裝置的合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度0.021%，相對(duì)擴(kuò)展不確定度=0.04%，k=2。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技不斷創(chuàng)新，電子式燃?xì)獗砑夹g(shù)日趨成熟，逐漸進(jìn)入燃?xì)庥?jì)量領(lǐng)域。由于燃?xì)庖兹家妆豢赡懿捎萌細(xì)鉃榻橘|(zhì)進(jìn)行檢定。所以在新產(chǎn)品研制以及型式評(píng)價(jià)過(guò)程中，實(shí)氣下的計(jì)量準(zhǔn)確性應(yīng)為重點(diǎn)測(cè)試項(xiàng)。低壓活塞環(huán)道實(shí)氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置最大工作壓力10 kPa，裝置相對(duì)擴(kuò)展不確定度Urel=0.04%（k=2),可測(cè)流量范圍為（0.016~10）m3/h的電子式燃?xì)獗?，滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于電子式燃?xì)獗碓趯?shí)氣介質(zhì)下的誤差測(cè)試要求。由于所購(gòu)實(shí)氣為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，價(jià)格昂貴，采用循環(huán)測(cè)試，有效降低成本，減少對(duì)周邊環(huán)境影響。該套裝置運(yùn)行性能穩(wěn)定、量值準(zhǔn)確可靠。

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