江航成，張道雋，李 杭

(金卡智能集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310018)

膜式燃?xì)獗砘剞D(zhuǎn)體積測(cè)試及應(yīng)用

江航成，張道雋，李 杭

(金卡智能集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州310018)

回轉(zhuǎn)體積是膜式燃?xì)獗淼年P(guān)鍵計(jì)量指標(biāo)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此有明確規(guī)定，要求實(shí)際值在額定值的±5%之內(nèi)。目前膜式燃?xì)獗砘剞D(zhuǎn)體積的測(cè)試方法相對(duì)較少，對(duì)檢測(cè)裝置及軟件都有較高要求，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，準(zhǔn)確度低，且較難推廣。為此，提出一種簡(jiǎn)單測(cè)試方法。具體方法是：安裝18等分采樣盤(pán)代替膜式燃?xì)獗碛?jì)數(shù)；在音速噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置上，運(yùn)用攝像采樣燃?xì)獗砝塾?jì)體積，根據(jù)額定回轉(zhuǎn)體積、輸出比、測(cè)試脈沖數(shù)以及臨界流文丘里噴嘴氣體的體積，建立運(yùn)算公式，測(cè)出回轉(zhuǎn)體積的誤差。分別對(duì)G2.5燃?xì)獗?m3/h、0.8m3/h流量點(diǎn)進(jìn)行回轉(zhuǎn)體積誤差測(cè)試，結(jié)果表明，該方法便捷、快速、準(zhǔn)確度高，測(cè)試的重復(fù)性達(dá)到0.05%?；剞D(zhuǎn)體積誤差及整表誤差都與流量有關(guān)，將誤差值與流量點(diǎn)繪制成曲線圖，通過(guò)比較分析，可知兩者誤差值存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。利用該對(duì)應(yīng)關(guān)系，可將該方法用于燃?xì)獗硎局嫡`差的初校，能有效提升3倍校準(zhǔn)效率。

燃?xì)獗恚?回轉(zhuǎn)體積； 測(cè)量； 誤差； 攝像采樣； 檢定裝置； 文丘里噴嘴

0 引言

膜式燃?xì)獗?后文簡(jiǎn)稱燃?xì)獗?以其技術(shù)成熟、計(jì)量可靠、質(zhì)量穩(wěn)定、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工商業(yè)和居民用戶的燃?xì)庥?jì)量。它采用柔性膜片計(jì)量室的方式來(lái)測(cè)量氣體體積流量[1]。計(jì)量室作為氣體計(jì)量的核心部件，其計(jì)量性能衡量指標(biāo)為回轉(zhuǎn)體積。GB/T6986-2011[2]將回轉(zhuǎn)體積定義為燃?xì)獗磉\(yùn)行一個(gè)工作循環(huán)所排出的氣體體積。

回轉(zhuǎn)體積確定了燃?xì)獗淼臋C(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度以及表內(nèi)氣體的最大流速[3]。GB/T6986-2011[2]規(guī)定回轉(zhuǎn)體積額定值必須標(biāo)注在銘牌上。評(píng)價(jià)大綱[4]明確按系列產(chǎn)品申請(qǐng)型式評(píng)價(jià)，回轉(zhuǎn)體積必須相同。GB/T6986-2011[2]5.8.1要求，燃?xì)獗砘剞D(zhuǎn)體積與額定回轉(zhuǎn)體積的差值應(yīng)在額定回轉(zhuǎn)體積的±5%之內(nèi)。

目前，對(duì)此指標(biāo)的測(cè)量方法復(fù)雜、效率低，且對(duì)測(cè)量設(shè)備有較高要求。本文提出直接在常用的音速噴嘴式燃?xì)獗頇z定裝置上，利用18等分的采樣盤(pán)及攝像采樣法測(cè)量燃?xì)獗砝塾?jì)體積，并根據(jù)額定回轉(zhuǎn)體積、輸出比、測(cè)試脈沖數(shù)以及臨界流文丘里噴嘴氣體的體積，建立運(yùn)算公式，直接測(cè)出回轉(zhuǎn)體積誤差。

1 測(cè)試原理

燃?xì)獗硎且粤黧w流動(dòng)過(guò)程中的壓差為動(dòng)力，由滑閥或轉(zhuǎn)閥切換氣流流向，推動(dòng)膜片往復(fù)擺動(dòng)并帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，將內(nèi)部膜片的周期擺動(dòng)變成外部輸出軸的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，最后由齒輪傳遞及計(jì)數(shù)器顯示，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體流量的計(jì)量。膜片運(yùn)行一個(gè)工作循環(huán)相對(duì)于輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所排氣體體積的比值，為設(shè)計(jì)輸出比。其值固定，故可通過(guò)測(cè)量輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的體積來(lái)測(cè)量回轉(zhuǎn)體積。該方法符合GB/T6986-2011[2]5.8.2條款。該測(cè)試方法在現(xiàn)有動(dòng)態(tài)檢定裝置上完成，燃?xì)獗砣サ粲?jì)數(shù)器，將18等分的采樣盤(pán)固定在燃?xì)獗淼妮敵鲚S上，然后將燃?xì)獗砼c標(biāo)準(zhǔn)器串聯(lián)連接。測(cè)試軟件系統(tǒng)設(shè)置相應(yīng)脈沖當(dāng)量Vp，以及測(cè)試脈沖數(shù)。

(1)

式中：Vp為采集的脈沖當(dāng)量；Vc為燃?xì)獗淼幕剞D(zhuǎn)體積；n為燃?xì)獗淼妮敵霰取?/p>

本文方法以音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置作為標(biāo)準(zhǔn)器，以攝像采樣法采集轉(zhuǎn)過(guò)的脈沖數(shù)。當(dāng)采集到轉(zhuǎn)盤(pán)第一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)器同時(shí)開(kāi)始測(cè)量；當(dāng)采集到設(shè)定脈沖數(shù)后，完成測(cè)試。此時(shí)，燃?xì)獗盹@示的氣體體積為Vm。

Vm=Vp×b

(2)

式中：b為測(cè)試的脈沖數(shù)。

當(dāng)氣體經(jīng)被檢燃?xì)獗磉M(jìn)入滯止容器，音速噴嘴的進(jìn)口與出口壓力之比為一定值時(shí)，噴嘴喉部的雷諾數(shù)一定，則氣流通過(guò)噴嘴喉部的流速恒定，此時(shí)為臨界流狀態(tài)。根據(jù)連續(xù)性原理，此時(shí)通過(guò)被檢表的氣體質(zhì)量流量，一定等于通過(guò)噴嘴處氣體的質(zhì)量流量。然后，采集溫度、壓力、濕度，通過(guò)修正，計(jì)算出通過(guò)臨界流文丘里噴嘴氣體的氣體體積Vs。

(3)

將此體積換算成與燃?xì)獗硗瑯訙囟燃皦毫Φ捏w積Vref，然后用公式(5)計(jì)算出回轉(zhuǎn)體積誤差。

(4)

(5)

式中：E為回轉(zhuǎn)體積誤差；Vref為通過(guò)燃?xì)獗淼臍怏w實(shí)際值；Vm為燃?xì)獗淼娘@示值；Ps為標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)的氣體絕對(duì)壓力；Pm為燃?xì)獗硖幍臍怏w絕對(duì)壓力,Pa；Ts為標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)的氣體熱力學(xué)溫度,K；Tm為燃?xì)獗硖幍臍怏w熱力學(xué)溫度,K。

2 測(cè)試試驗(yàn)

本次試驗(yàn)在步入式高低溫試驗(yàn)室進(jìn)行，選取2個(gè)G2.5燃?xì)獗?，回轉(zhuǎn)體積為0.9L，串聯(lián)在不確定度為0.3%的音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中。燃?xì)獗矸謩e去掉計(jì)數(shù)器，安裝上18等分的采樣盤(pán)。測(cè)試流量點(diǎn)為4m3/h、0.8m3/h，脈沖數(shù)分別為720個(gè)、180個(gè)，脈沖當(dāng)量為0.09L，采用攝像法動(dòng)態(tài)采樣。測(cè)試流量穩(wěn)定15s后進(jìn)入測(cè)試模式。在采樣器采集到第一個(gè)脈沖信號(hào)后，臨界流文丘里噴嘴開(kāi)始計(jì)時(shí)、計(jì)體積；在采集到設(shè)置的脈沖數(shù)后，計(jì)時(shí)停止；反復(fù)測(cè)試6次。當(dāng)試驗(yàn)流量分別為4m3/h和0.8m3/h時(shí)，回轉(zhuǎn)體積誤差如表1、表2所示。

表1 回轉(zhuǎn)體積誤差表(4 m3/h)

表2 回轉(zhuǎn)體積誤差表(0.8 m3/h)

3 測(cè)試分析

沈文新提出一種基于雙計(jì)時(shí)測(cè)試回轉(zhuǎn)體積方法[5]，即采用2套色差傳感器和計(jì)時(shí)器，采樣器1置于機(jī)械計(jì)數(shù)器前，采樣器2對(duì)準(zhǔn)被檢表內(nèi)部運(yùn)動(dòng)件。2個(gè)采樣器同時(shí)采樣，分別采集實(shí)際通過(guò)氣體及機(jī)芯回轉(zhuǎn)次數(shù)，再根據(jù)額定回轉(zhuǎn)體積計(jì)算差值。該方法為直接測(cè)量法，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量準(zhǔn)確度不高。當(dāng)測(cè)試體積為70L、流量為4m3/h時(shí),重復(fù)性為0.27%；當(dāng)測(cè)試體積為70L、流量為0.8m3/h時(shí),重復(fù)性為0.18%。由此可見(jiàn)，流量越大，重復(fù)性越差。

本文方法測(cè)試時(shí)僅需拆掉計(jì)數(shù)器，減小測(cè)試體積，無(wú)需改造測(cè)試設(shè)備；但所測(cè)試數(shù)據(jù)的重復(fù)性更好，測(cè)試準(zhǔn)確度更高。當(dāng)流量為4m3/h時(shí)，測(cè)試體積為64.8L，測(cè)試重復(fù)性為0.04%，測(cè)試體積為16.2L；當(dāng)流量為0.8m3/h,測(cè)試重復(fù)性為0.05%。大流量與中流量的重復(fù)性都較好，同時(shí)明顯優(yōu)于雙計(jì)時(shí)法。

雙計(jì)時(shí)法為直接測(cè)量法，采樣器需要固定在表內(nèi)，燃?xì)獗磉\(yùn)行時(shí)會(huì)有抖動(dòng)，影響采樣質(zhì)量；另外，采集對(duì)象為連桿， 其運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性差，導(dǎo)致重復(fù)性欠佳。本文方法為間接測(cè)量法，輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，采樣信號(hào)好，分辨力高，測(cè)試準(zhǔn)確，但前提是需要明確輸出比。另外，回轉(zhuǎn)體積誤差與流量點(diǎn)有關(guān)，不同表回轉(zhuǎn)體積誤差值也各不相同，對(duì)于4m3/h、0.8m3/h流量點(diǎn),如1#表差異0.79%，2#表差異0.17%。該差異并非測(cè)試方法本身的原因，而是燃?xì)獗碜陨碛?jì)量性能造成的。這可以從表3所示的回轉(zhuǎn)體積誤差與整表誤差的差異中看出。

表3 回轉(zhuǎn)體積誤差與整表誤差表

為驗(yàn)證回轉(zhuǎn)體積誤差與整表誤差的相關(guān)性，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)配上相應(yīng)的調(diào)整齒輪，安裝上計(jì)數(shù)器后，在同一臺(tái)設(shè)備及同一個(gè)工位測(cè)試。

4 技術(shù)應(yīng)用

隨著測(cè)量技術(shù)的不斷提升，測(cè)試分辨力更高、響應(yīng)時(shí)間更快的攝像采樣法已經(jīng)比較成熟[6]。該測(cè)試方法效率高，方便快捷，準(zhǔn)確度高，并與燃?xì)獗砩a(chǎn)節(jié)拍吻合。將回轉(zhuǎn)體積誤差與整表誤差的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，應(yīng)用于燃?xì)獗硎局嫡`差的初校，為后續(xù)復(fù)校提供了相應(yīng)的齒輪配比系數(shù)。

目前，大部分企業(yè)初校仍采用光電采樣，限于其分辨力，只能將4等分的十字架作為采樣對(duì)象。為達(dá)到測(cè)試準(zhǔn)確性，所需測(cè)試體積更多。本案例采用18等分采樣盤(pán)及攝像采樣，測(cè)試0.8m3/h流量所需體積為16.2L，理論時(shí)間為72.9s。如果采用4等分測(cè)試體積至少需要60L，測(cè)試時(shí)間需要270s。由此可見(jiàn)，采用該技術(shù)可以節(jié)省2/3的時(shí)間，較好地提升了生產(chǎn)效率。

目前有文獻(xiàn)利用該對(duì)應(yīng)關(guān)系，提高燃?xì)獗淼臋z定效率，提出了以雙計(jì)時(shí)法和回轉(zhuǎn)當(dāng)量體積為測(cè)量原理的檢定技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于音速噴嘴的膜式燃?xì)獗碚`差快速檢定裝置[7]。但燃?xì)獗碜鳛閲?guó)家重點(diǎn)管理計(jì)量器具，應(yīng)按照J(rèn)JG577-2012規(guī)程[1]進(jìn)行強(qiáng)制性檢定。該規(guī)程明確采樣對(duì)象為計(jì)數(shù)器，同時(shí)對(duì)測(cè)試體積提出具體要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

理論上，每個(gè)燃?xì)獗砘剞D(zhuǎn)體積是固定的，但實(shí)際上其數(shù)值與零部件制造精度、裝配誤差、閥間泄漏、膜片運(yùn)動(dòng)等相關(guān)，實(shí)際值都會(huì)有所差異。其數(shù)值分布范圍、分散性體現(xiàn)了廠家的設(shè)計(jì)能力、制造工藝水平、零部件控制水平，及綜合管理水平。由于測(cè)試流量點(diǎn)不同，測(cè)試數(shù)值也不盡相同，但在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有明確具體的測(cè)試流量點(diǎn)，因此，建議在標(biāo)準(zhǔn)中加以規(guī)定?？紤]到回轉(zhuǎn)體積為一項(xiàng)關(guān)鍵計(jì)量參數(shù)，建議在確定燃?xì)獗硇褪皆u(píng)價(jià)時(shí)增加該測(cè)試項(xiàng)。GB/T69-2011[2]規(guī)定的±5%的誤差范圍過(guò)寬，建議加嚴(yán)，以進(jìn)一步提高燃?xì)獗碛?jì)量性能要求。綜上所述，建議在燃?xì)獗硇袠I(yè)推廣使用本文方法，以大幅提升校準(zhǔn)效率及準(zhǔn)確性。

[1] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.膜式燃?xì)獗韲?guó)家計(jì)量檢定規(guī)程:JJG577-2012[S].北京:中國(guó)計(jì)量出版社,2012.

[2] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.膜式燃?xì)獗韲?guó)家標(biāo)準(zhǔn):GB/T6986-2011[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[3] 赫榮光.燃?xì)獗碓砑皺z定[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004:43-44.

[4] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.膜式燃?xì)獗硇褪皆u(píng)價(jià)大綱:JJF1354-2012[S].北京:中國(guó)質(zhì)檢出版社,2012.

[5] 沈文新，孫曉東，金嵐，等.基于雙計(jì)時(shí)和回轉(zhuǎn)體積測(cè)量原理的燃?xì)獗頇z定方法探討[J].計(jì)量技術(shù)，2012(6):44-46.

[6] 陳超,沈瓊,王燦.基于圖像識(shí)別技術(shù)的膜式燃?xì)獗頇z定裝置的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)計(jì)量,2011,21(4):28-29.

[7] 劉家彤，毛謙敏，黃詠梅.膜式燃?xì)獗碚`差的快速檢定技術(shù)[J].中國(guó)計(jì)量學(xué)報(bào)學(xué)報(bào)，2013(1)：14-18.

TestandApplicationoftheCyclicVolumeofDiaphragmGasMeter

JIANG Hangcheng，ZHANG Daojun，LI Hang

(Goldcard Smart Group Co.,Ltd.,Hangzhou310018，China)

Cyclic volume is the pivotal measurement index of the diaphragm gas meter; in national standard,there is explicit stipulation for it,which is the actual value shall be within ±5% of the rated value.At present,the test method for cyclic volume of diaphragm gas meter is relatively less,and requirements of the detection device and software are higher; the test time is long,the accuracy is low,and it is difficult to promote.Thus,a simple test method is proposed which the counter of diaphragm gas meter is removed and a sampling plate with18equal divisions is installed.In sonic nozzle gas meter calibration device,the camera sampling is used for gas meter cumulative volume,according to the rated cyclic volume,output ratio,test pulse number and the critical flow Venturi nozzle gas volume,the formula is established to measure the error of cyclic volume.Through testing the4m3/h and0.8m3/h flow points of the G2.5gas meter,the test results show that the method is convenient,rapid and accurate,and the repeatability of the tests is0.05%.The error of cyclic volume and the error of meter are all related to the flow rate,and the error value and the flow point are drawn into a graph,they have one-to-one correspondence through the comparison and analysis.Based on this relationship,it can be used to test the indication error of meter; the calibration efficiency is improved up to3times.

Diaphragm gas meter； Cyclic volume； Measurement; Error； Camera sampling； Calibration device; Venturi nozzle

TH814；TP206

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710023

修改稿收到日期:2017-03-21

江航成(1972—)，男，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事流量?jī)x表的測(cè)試、研究工作。E-mailjianghc@china-goldcard.com。