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标准湿式气体流量计回转误差解决办法

时间:2018/07/17来源:未知

摘要:针对只有一台标准湿式气体流量计的膜式燃气表检定装置重复性问题, 通过对标准表的结构、回转误差产生的原因分析和实验验证, 提出家用膜式燃气表检定装置应配制两台量程不同的标准表, 并根据其回转误差的大小, 规定使用最小测量体积。 同时认为对装置不确定度评定应考虑回转误差引入的不确定度。

0 、引言:
  标准湿式气体流量计(文中有时又称湿式表、仪表)使用历史悠久,由于具有无泄漏特点和卓越的测量稳定性, 在膜式燃气表检定装置上常作为标准表使用[ 1]。依据连续性原理 , 湿式表与燃气表串联连接,当光电采样器检测到燃气表末位计数器字轮上或输出主轴计量盘上的光标信号时, 触发系统开始累计流过湿式表的气量(通常是累计湿式表的脉冲)。当光电采样器再次检测到该光标信号或到达预设检定体积(光标次数)时, 系统停止累计脉冲 。按规定的数学模型, 比较两表的体积得燃气表的示值误差[ 2]。现实中 ,发现配制一台标准湿式气体流量计的检定装置检定质量 不稳定, 特别是检定0.2Qmax和 Qmin流量时 , 测量重复性往往突然无故偏大 。膜式燃气表和湿式表同属于定排量容积式原理的流量计 ,应以回转体积的整数倍进行检测为要点[ 4]。燃气表计数器运动周期性出现光标信号 ,按回转体积的整数倍控制检定 , 而相应的湿式表起始和终止计量位置是随机不确定的 ,无法满足整回转体积使用的要求 。构成湿式表计量室的内部空间体积,其几何形状复杂 , 尽管采用各种工艺措施 , 力求各计量室之间的空间体积一致 ,但差异还是不可避免。只配制一台标准湿式流量计的检定装置 , 在检定中小流量时, 为考虑检定效率,一般检定体积都会减少。使用体积小, 定排量容积式流量计的缺点就显露出来了。因此, 如何使得既保证检定质量 ,又提高工作效率,怎样配备标准表最为合理 ,值得大家研究探讨。

1 、结构原理:
  湿式气体流量计工作时利用其入口与出口之间的气体压力差驱动内部转子转动 。转子是湿式表的计量室, 呈圆筒形 ,由若干块转子叶片和前后端面叶片构成, 把圆筒内分隔成互不通气 、容积相等的若干个曲折的计量室。转子轴水平搁置在前后外壳端盖中心 ,转子后端有一球面形状 ,端盖与转子后端面叶片组成一个进气室 ,后端面叶片开口处是计量室的进气口,前端面叶片开口处是计量室的排气口。
  外壳多呈圆筒形, 前后有二块外壳端盖, 一是支承转子, 二是起密封作用。流量计内腔下半部盛液体 ,上半部分空间与转子筒壁组成一个排气室。外圆筒形的顶部有一套水平泡用来校准湿式表的水平位置,以保证湿式表在使用时的计量容积与校准时一致。表内的低挥发性矿物油作气封之用,改变封液液位,直接导致计量室体积改变, 流量误差校准曲线也随之改变。流量表的累加总量永久记录采用一个机械计数器, 编码盘和指针直接安装在主轴上, 随轴同步转动 ,盘口处设置脉冲发生器 ,有些湿式表还装配有温度计和压力计, 分别测量内部液温、气温和气压。

2 、回转误差:
  回转误差是内部转子转动一圈过程中各示值读数偏离实际体积的误差 。它反映组成转子的若干个计量室空间体积, 其排气量对应均匀分布的刻度表盘或编码盘的一致程度 。转子转一圈期间, 回转误差周期性地出现一次,仅与转角有关。显然 ,回转误差是一系统误差 ,而转子转动一整圈(360°)的误差只与流量大小有关(当然还与封液水平调整有关)。根据文献[ 3] ,对转角为 Ф的仪表示值 ,修正流量示值误差 f(Q)后 ,得回转误差:Fp =A(Υ)-V *(Υ) (1)式中 :A(Υ)为仪表示值 ;V *(Ф)称为参比体积 :V *(Υ)=V(Υ)·[ 1 -f (Q)] (2)式中 :V(Ф)为仪表示值;f(Q)为相对于仪表的示值误差(根据流量误差校准曲线)。
  函数 Fp(Ф)是深入研究回转误差的关键 。转子转过 d Υ角度,仪表示值变化:d A(Υ)=U / 2π·d Υ (3)式中 :U 为仪表每转一圈的体积值 ,即回转体积。该角增量的参比体积为:d V *(Υ)=s(Υ)·d Υ (4)于是 ,回转误差 :d Fp =d A(Υ)-d V *(Υ)=U2π·d Υ-s(Υ)·d Υ(5)函数 s(Ф)与各计量室的几何形状一致性有关,若几何形状完全一致, 则 s(Ф)=U/(2π)=常数,于是 d A =d V *。当然, 关于函数 s(Ф)的表述不会如此简单, 计量室的形状与理想形状是不可能一致的 。但经下述分析, 该函数实际上并不需要详细知道。对方程(5)积分得Fp(Υ)=A(Υ)-V *(Υ)=U /2π·Υ-V *(Υ)(6)设转子的初始位置 Ф=0 ,体积读数 A =0 、参比体积 V * =0 , 定义此时的回转误差 Fp(0)=0 。
  因为仪表体积读数和参比体积都是计量筒转角的函数,回转误差只与转角有关 , Fp(Ф)值在每一圈中重复出现一次 , 周期为 2π。所以在任意两位置 Ф1和 Ф2之间的回转误差为 :Dp(Υ1 , Υ2)=∫Υ2Υ1d A (Υ)-∫Υ2Υ1d V *(Υ)=Fp(Υ2)-Fp(Υ1) (7)初始位置 Ф1和终止位置 Ф2表明回转误差仅与转子的转角有关, 也就是与指针或光码盘的初始位置和终止位置有关 ,而与转了多少圈无关, 与函数F p(Ф)在两角度之间的曲线无关 。回转误差的测量在约 2Qmin下进行 , 由于流量大, 容易引入较大的不确定度 。函数 FP(Ф)的详细的数据需要大量的测点 。但由经验可知:有 10 个分度点, 即 U/10 对回转误差进行测定是可行的。图1 是 WG -20L 湿式气体流量计回转误差特性曲线 ,试验结果取 3 次测量的平均值。
图 1 回转误差特性曲线
图 1 回转误差特性曲线

3 、讨论:
  湿式表不但应仔细校准流量误差曲线, 还应对回转误差进行测试评估 。对 FP(Ф)重要的不是曲线形状,而是曲线的极值差。湿式表测量体积量过小,相对回转误差就大。只有测量体积大到一定值时,回转误差影响才可忽略不计 。考虑到气体计量易受温度 、压力的影响, 测量时间不能太长 。
  从工作效率而言 ,测量体积也应尽可能地小 。一种有效的办法就是仪表整回转数测量使用 , 因为这样做没有回转误差 。但由于燃气表检定装置的计量控制是由燃气表的运行来决定的 ,燃气表误差一定存在, 故湿式表不可能做到整圈数测量 。尽管回转误差是一个已知系统误差 ,但只有知道初始位置和终止位置时才可对其修正 。
  湿式表上的脉冲发生器, 不识初始位置和终止位置 , 是无法对回转误差进行修正的。因此 ,根据回转误差的大小, 规定湿式表最小测量体积是一种可行的办法。因湿式表的体积读数与转角成正比 , 实际测量时的参数是体积而不是转角 Ф(见式 6),故 :
  Fp(Ai)=Ai-V *(Ai) (8)式中 :Ai=i·U/10 , i ={0 , 1 ,2 , … ,9}不同的湿式表有其不同的回转误差曲线, 同一湿式表若指针(编码盘)安装位置改变 ,回转误差曲线也改变。根据所得回转误差 FP(Ai)、最大和最小回转误差 、以及指针的相对位置(读数 Ai), 按方程(7)所表达的极值差, 可知出现计量误差最大(最大回转误差)的位置:
  Dp , m ax =Fp , m ax-Fp , min(9)参照[ 2] ,标准表的准确度等级应该比被检表至少高 2 倍的原则要求 ,对 0.5 级的标准表,回转误差不超过 0.25 %。除此之外 ,规定相邻 U/10 刻度值之间的偏差不超过 5 %。那么允许最小测量体积为:Vmin =Dp , max/ 0.0025最少回转圈数: Nu≥Vmin/ U (10)相邻刻度间的偏差:Fp(i +1)-Fp(i) ≤0.05·U/10 (11)由图 1 知, 该湿式表的允许最小测量体积 、最少回转圈数 、相邻刻度间的偏差分别为:Vmin =Dp , max/ 0.0025=(0.098 +0.107)/0.0025 =82(L)N u ≥Vm in/ U =82/ 20 ≈4(圈)Fp(6)-Fp(5) =0.092 <0.05·U/ 10 =0.1(L)使用中发现标准表在检定家用膜式燃气表Qmax 、0.2 Qmax、 Qmin流量时, 选择对应测量体积80L 、40L 和 20L , 其检定结果比较正常 。 选择测量体积为 90L 、50L 和 10L ,其检定结果的重复性明显较差 ,显然是受到回转误差的影响 。

4、结束语:
  根据湿式表的性能特点 , 其流量误差校准曲线按整回转数进行校准, 精心操作可将误差校准到最小。湿式气体流量计应尽可能整回转数使用, 如果不按整回转数使用 ,当仪表的回转误差特性较差时,会引入较大的测量不确定度 。一般来说, 用作标准表的湿式气体流量计均应进行回转误差测试评定,根据回转误差的大小 ,规定最小测量体积。式(10)和(11)可作为确定湿式流量计的最小测量体积(最少回转数)和选用标准湿式表的准则 。家用膜式燃气表检定装置 , 应以大流量(回转体积 20L)和小流量(回转体积 5L)的标准湿式表组合配备为佳。只配备一台标准湿式流量计的检定装置 ,应优先考虑以十的偶数倍标准表的回转体积设置检定体积, 其次考虑被检膜式燃气表的整回转数 ,则装置测量重复性能有所改善。还有, 对装置进行不确定度评定时, 标准表回转误差引入的不确定度不可遗漏, 这是标准表准确度不包括在内的分量 。

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