金卡智能集團股份有限公司 江航成/郭剛/丁淵明/鈄偉明

來源：《計量技術》2019年第6期

摘要：熱式燃氣表與超聲波燃氣表作為新型的電子式燃氣表，按其計量原理，在實氣介質下的示值誤差與 空氣有所差異。為研究電子式燃氣表在實氣介質下的計量性能，提出一種基于質量守恒原理、采用實氣循環方式測試示值誤差的新方法，研制一套主動式低壓盤形活塞環道實氣流量標準裝置。該標準裝置名義體積120L，最大工作壓力10kPa，分辨力為0.53mL，擴展標準不確定度Uref=0.04%(k=2)，滿足流量范圍(0.016~10)m3 /h電子式燃氣表在實氣介質下示值誤差的測試要求。該裝置準確度高，采用氣體循環測試，有效降低測試成本，減少對周邊環境影響。

關鍵詞：氣體流量試驗裝置；盤形活塞；實流檢測；燃氣表

引言

近年來隨著清潔能源的推廣，天然氣的應用日趨普遍，燃氣表廣泛應用于天然氣的貿易結算，屬于國家重點管理計量器具，計量性能的準確性涉及千家萬戶的利益。目前普遍使用膜式燃氣表，一種采用容積式計量原理的機械儀表，采用柔性膜片計量室方式來測量氣體體積流量。在長期使用過程中膜片、分配閥、連桿等不斷往復運動，對誤差產生很大影響。隨著技術的不斷創新，性價比高的超低功耗、高測量準確度的專用流量傳感器日趨成熟。 電子式燃氣表相比膜式燃氣表具有無可動部件、體積小、易集成、靈敏度高、智能化的特點，目前已普 遍應用于燃氣計量，成為流量儀表行業研究熱點 [1-3] ，典型產品為熱式燃氣表與超聲波燃氣表，其行業標準[4-5]相繼都已頒布。熱式燃氣表是一種利用熱傳遞原理測量標準狀況下流量的計量器具[6]， 熱傳遞效果與氣體的比熱容有關。超聲波燃氣表利用超聲波在流動介質中順流方向和逆流方向的時間差與流體的平均流速成正比的原理[7]，時間差與聲速有關，聲速與氣體的摩爾質量及摩爾氣體常數有關。電子式燃氣表在實氣介質下的示值誤差與空氣有所 差異，因此準確測量、分析、評價實氣介質下的計量誤差，成為當前發展新型電子式燃氣表需要解決的問題。 

1 裝置現狀

氣體流量原級標準是根據流量的定義來復現氣體流量值的，通過對質量、長度、時間等基本量溯源得到準確的流量值，是準確度最高的流量裝置[8]。

國家石油天然氣大流量計量站南京分站以及成都分站建立基于質量-時間法的標準裝置，武漢分站建立基于高壓活塞法的原級氣體流量標準裝置[9]，德國Pigsar天然氣流量計檢定站采用高壓活塞裝置[10]，檢測對象都是高壓、大流量的工業用流量計，但是針對民用燃氣表，壓 力低 (2kPa)、小流量(0. 016 ~10)m3/h 的原級低壓標準裝置尚屬空白。目前常見的檢測裝置是通過用標準表與被檢表串聯比較法測試，燃氣屬于易燃易爆的氣體，測試地點放在戶外，溫度無法保證恒溫，標準表的準確度不夠高，測試結論難以信服。

2 裝置結構原理

低壓環道實氣流量標準裝置，主要由活塞標準裝置、氣源系統、控制系統、夾表系統組成，該裝置的性能參數見表 1，裝置原理示意圖見圖 1。

表1 裝置性能參數表

活塞標準裝置主要由活塞缸、盤型活塞、活塞桿、絲杠、伺服電機、編碼器、導桿、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，右缸為計量腔，用于產生及計量標準流量的氣體，左缸為返回腔，用于收集經過被檢表的氣體。

氣源系統有3個儲氣罐、真空泵、管路、閥門組成，儲氣罐分別存儲氮氣、空氣和燃氣，氮氣與燃氣由壓縮氣瓶減壓供給，氣瓶可根據測試要求配置相應組分比例的標準氣體?？諝庥蓧嚎s管路提供。儲氣罐起到氣體的存儲、供給、恒溫、穩壓作用。氮氣用于管路中氣體的吹掃，起到安全、防爆作用。真空泵為氣體置換提供動力源，確保管路中的氣體置換干凈。

控制系統通過計算機以及攝像采樣器完成對測試程序編制、參數設置、信號處理，夾表系統由氣缸及夾具完成對燃氣表串聯進入測試管路。

實驗室配置防爆中央空調，連接電路外套防爆線纜，金屬管路均通過接地處理，安裝排風扇以及可燃氣體探測器，采用防爆真空泵，置換氣體通過高達10m管路往高空排放，確保測試環境安全。

電子式燃氣表設定檢測模式，LED燈按照1 L的脈沖當量顯示，被裝置采集到信號。在操作程序上設置流量以及測試脈沖數等參數啟動測試，伺服電機驅動絲桿轉動，絲杠采用P5精度，運動1個導程為5mm，編碼器輸出104個脈沖。絲桿帶動活塞在恒定截面的活塞缸內勻速方式移動，產生設定流量的氣體，流經被檢表以及儲氣罐再返回活塞左缸。攝像采樣器采集到被檢表的首個脈沖，控制系統開始計算編碼器的脈沖數，直至檢測到被檢表的末個脈沖。式（1）計算出被檢表的體積，式（2）根據脈沖數及長度脈沖系數，計算出該段時間內活塞位移，式（3）根據位移與有效截面積計算出活塞體積，按式（4）根據被檢表的溫度壓力對活塞體積進行轉換，得到流經被檢表的實際氣體體積，式（5）計算出被檢表的示值誤差。

(1)

式中：Vm為通過被檢表的氣體體積(mm3)；N為被檢表的脈沖數；P為被檢表的脈沖當量

(2)

(3)

式中：L為絲桿運動位移（mm）；f為脈沖數； k為長度脈沖系數；Vs為通過活塞裝置的氣體體積(mm3)；D為活塞缸內徑(mm)；d為導桿外徑(mm)。

式中：Vref為通過被檢表的實際氣體體積（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

      依據質量守恒原理，在封閉的管道中，活塞平移將氣體排出，氣缸內減少的氣體質量等于被檢表流過的質量[11]。在定溫、定壓下氣缸內的氣體密度不變，氣缸內減少的氣體體積就是被檢表流過的體積?；钊灰婆c有效截面積乘積即為氣體體積。有效截面積通過測試直徑得到，位移通過編碼器的脈沖數及長度脈沖系數校準獲知。主動式活塞的校準方法有尺寸測量法、容積測量法與質量測量法[12]，本文按尺寸測量法對裝置的不確定度進行評定。

檢定過程中溫壓保持恒定，在測試時間內活塞排出的氣體量：

（6）

式中：V20為活塞排出的20℃氣體體積(mm3)。

     活塞缸內徑以及導桿，在加工后裝配之前，委托計量所進行校準。依據活塞裝置裝配圖，確定計量段高度，將計量段高度等分為10個測量截面m，在每個測量面沿圓周測量6個直徑。按式（7）計算平均直徑。

（7）

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

活塞運動長度按式（2）計算，在裝置安裝完成調試后，委托計量機構用激光干涉儀在線校準脈沖系數k，將式（2）、（7）帶入式（6）得式（8）：

（8）

該裝置的合成相對標準不確定評定見式（9）：

式中：為活塞缸平均直徑的相對標準不確定度%；為導桿平均直徑的相對標準不確定度%；為測量環境溫度的相對標準不確定度%；為脈沖的相對標準不確定度%；為長度脈沖系數引入的相對標準不定度%。

3.1活塞缸平均直徑的相對標準不確定度

不同位置m測試10次，每個截面n測試6次，標準偏差為0.041mm，平均直徑為379.964mm。

3.2  導桿平均直徑的相對標準不確定度

不同位置m測試10次，每個截面n測試6次，標準偏差為0.022mm,平均直徑為99.929mm。

3.3測量環境溫度的相對標準不確定度

設環境氣溫為20℃，測試過程中溫度的不確定度，按矩形分布Kp=。

3.4脈沖數的相對標準不確定度

最小測試體積為10L，累計脈沖數189836個，最大分辨力為1個脈沖，按均勻分布k=。

3.5長度系數引入的相對標準不確定度

根據活塞的安裝情況設定4段長度，每段長度測試3次，測試數據見表2。計算出活塞長度系數的平均值為0.00050mm ，標準偏差為6.487×10-8mm。

表2長度脈沖系數校準值

根據以上相對標準不確定度的評定及其靈敏系數整理的相對標準不確定度一覽表如表3所示。

表3  相對標準不確定度評定一覽表

該裝置的合成相對標準不確定度0.021%，相對擴展不確定度=0.04%，k=2。

4 結束語

隨著科技不斷創新，電子式燃氣表技術日趨成熟，逐漸進入燃氣計量領域。由于燃氣易燃易爆，不可能采用燃氣為介質進行檢定。所以在新產品研制以及型式評價過程中，實氣下的計量準確性應為重點測試項。低壓活塞環道實氣流量標準裝置最大工作壓力10 kPa，裝置相對擴展不確定度Urel=0.04%（k=2),可測流量范圍為（0.016~10）m3/h的電子式燃氣表，滿足標準對于電子式燃氣表在實氣介質下的誤差測試要求。由于所購實氣為標準物質，價格昂貴，采用循環測試，有效降低成本，減少對周邊環境影響。該套裝置運行性能穩定、量值準確可靠。

參考文獻

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