熱式燃?xì)獗砻}動流量測試技術(shù)的研究

江航成 郭 剛 李 杭 沈文新,2

(1.金卡高科技股份有限公司，杭州 310018；2.浙江省計量科學(xué)研究院，杭州 310018)

熱式燃?xì)獗砻}動流量測試技術(shù)的研究

江航成1郭 剛1李 杭1沈文新1,2

(1.金卡高科技股份有限公司，杭州 310018；2.浙江省計量科學(xué)研究院，杭州 310018)

研制了一套方波脈動流與恒定流一體的標(biāo)準(zhǔn)表法流量試驗裝置。介紹該裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理和計算模型，建立單次脈動流測量時間的數(shù)學(xué)模型。對基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝的G6規(guī)格熱式燃?xì)獗恚O(shè)計了一個儀表采樣頻率為1s、不確定度為1%的試驗方案。結(jié)果證實：脈動流平均誤差與恒定流誤差之偏差ΔE，在高區(qū)脈動流周期為5.25Tc(Tc為儀表采樣周期)、10.50Tc時不超過0.50%，周期為1.05Tc時不超過1.00%；在低區(qū)脈動流周期為5.25Tc、10.50Tc時不超過1.00%，周期為1.05Tc時不超過2.00%。

脈動流量試驗裝置 熱式燃?xì)獗?采樣周期 單次脈動流測量時間 偏差ΔE

隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)的出現(xiàn)及其技術(shù)的不斷創(chuàng)新，價格低廉的超低功耗、高測時精度專用流量傳感器芯片日趨成熟。近年來，家用電子式燃?xì)獗?如超聲波燃?xì)獗怼崾饺細(xì)獗砗蜕淞魇饺細(xì)獗?逐漸成為流量儀表行業(yè)的研究熱點，挑戰(zhàn)了量大、面廣的機(jī)械結(jié)構(gòu)家用膜式燃?xì)獗淼膫鹘y(tǒng)地位[1～3]。2015年，國家建設(shè)部頒布了我國首個家用超聲波燃?xì)獗硇袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)修改采用歐盟標(biāo)準(zhǔn)[4,5]。然而由于對標(biāo)準(zhǔn)缺少起草背景和技術(shù)現(xiàn)狀的了解，導(dǎo)致對標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求不夠嚴(yán)謹(jǐn)，也給測試設(shè)備和試驗方法的確定帶來極大的難度。脈動流量示值誤差是家用電子式燃?xì)獗硖赜械闹匾嬃刻匦灾籟5]，然而對該計量特性的理解和測試方法業(yè)內(nèi)人士各抒已見；同時，目前的研究和報道多為連續(xù)流條件下的脈動流，即氣體壓力脈動或流速場變化對計量儀表的影響[6,7]。因此，研究家用電子式燃?xì)獗砻}動流量特性及其試驗裝置和測試方法，對推動智能家用燃?xì)饬髁績x表的發(fā)展至關(guān)重要。

1 關(guān)鍵參數(shù)①

1.1 脈動流量

家用電子式燃?xì)獗矶x的脈動流量與連續(xù)流條件下壓力波動引起的脈動流并非同一概念。家用電子式燃?xì)獗砻}動流實際是考核燃?xì)忾y開關(guān)或調(diào)節(jié)流量過程中，儀表能否保持計量精度。故該含義的脈動流量又稱斷續(xù)流量。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，高區(qū)試驗脈動流量為0.375qmax(qmax為儀表的最大流量)，脈動周期分別為1.05Tc、5.25Tc、10.50Tc(Tc為儀表采樣周期)；低區(qū)試驗脈動流量為0.070qmax，脈動周期與高區(qū)相同。定義脈動流誤差與恒定流誤差的偏差為ΔE，其值在1.05Tc時不能超過最大允許誤差(Maximum Permissible Error,MPE)的三分之二；在5.25Tc和10.50Tc時不能超過MPE的三分之一。脈動流流態(tài)波形規(guī)定為方波波形，即開關(guān)式試驗。研究脈動流量計量特性極為重要，通過與恒定流誤差比較，得以優(yōu)化儀表設(shè)計。如設(shè)計合適的Tc，Tc值小，有利于計量精度的提高，但功耗大；Tc值大，能耗低，但儀表精度不易控制。

1.2測量時間

由理論分析可知，脈動流量測量時間的長短直接影響測量結(jié)果。試驗時間越短，其隨機(jī)示值誤差越大；試驗時間越長，測試條件越難控制。所以，合理設(shè)計脈動流量試驗時間極為重要。據(jù)文獻(xiàn)[4]要求與相關(guān)不確定度理論[8]，預(yù)估脈動流量測量引入的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度sd為：

(1)

式中k——包含因子；

N——脈動流方波脈沖個數(shù)；

s——脈寬時間，s。

設(shè)單次脈動流量測量時間為t，則有：

(2)

由式(1)、(2)可知：

設(shè)Tc=1s、sd=1%、k=2，則：

(3)

由式(3)確定的高區(qū)和低區(qū)單次脈動流量測量時間見表1。

表1 單次脈動流量測量時間

2 流量測試裝置的結(jié)構(gòu)原理與模型

2.1結(jié)構(gòu)原理

脈動流量試驗裝置(圖1)由熱式燃?xì)獗?MUT)、膜式燃?xì)獗?MMT)、三通換向閥、臨界流文丘里噴嘴、真空泵(Vac)、溫壓傳感器和PC系統(tǒng)組成。工作時，在真空泵抽氣作用下，大氣環(huán)境中的空氣進(jìn)入熱式燃?xì)獗恚鬟^膜式燃?xì)獗恚?jīng)三通換向閥流入臨界流文丘里噴嘴。臨界流文丘里噴嘴作為參比標(biāo)準(zhǔn)表，其體積示值擴(kuò)展不確定度為0.5%。在恒定流量下，熱式燃?xì)獗砗湍な饺細(xì)獗淼牧恐悼伤菰粗猎搮⒈葮?biāo)準(zhǔn)。但在檢測脈動流量時，臨界流文丘里噴嘴將不能作為參比標(biāo)準(zhǔn)，只是配合換向閥作穩(wěn)定試驗流量之用。膜式燃?xì)獗淼捏w積示值擴(kuò)展不確定度優(yōu)于1.0%，在脈動流量檢測時可作為工作標(biāo)準(zhǔn)表。

圖1 脈動流量試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2計算模型

臨界流文丘里噴嘴的標(biāo)準(zhǔn)體積計算式為：

式中A——噴嘴喉部面積，m2；

C*——臨界流函數(shù)，可通過計算或查表獲得；

M——氣體的摩爾質(zhì)量，空氣的氣體常數(shù)取值為28.962 47kg/kmol；

p0——噴嘴入口滯止壓力，Pa；

R——通用氣體常數(shù)，空氣的氣體常數(shù)取值為8 314.41J/(kmol·K)；

T0——滯止溫度，K；

Vn20——噴嘴在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的累積體積，m3；

ρ20——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體密度，干空氣取1.204kg/m3。

膜式燃?xì)獗頍o論是恒定流還是脈動流，其累積體積示值均應(yīng)換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，即：

式中pm——燃?xì)獗砣肟谔幍臍怏w絕對壓力；

Tm——燃?xì)獗砣肟谔幍臍怏w絕對溫度；

Vm——單次試驗的工況累積體積；

Vm20——膜式燃?xì)獗順?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的累積體積，m3。

熱式燃?xì)獗淼捏w積示值V是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)體積，無需進(jìn)行修正。恒定流儀表和膜式燃?xì)獗淼氖局嫡`差E1和E2的計算式分別為：

儀表脈動流量的示值誤差E為：

偏差ΔE為：

ΔE=|E-E1|

3 試驗與結(jié)果分析

將一臺G6規(guī)格的MEMS熱式燃?xì)獗砗虶4規(guī)格的膜式燃?xì)獗戆惭b在脈動流量試驗裝置(圖1)中。臨界流文丘里噴嘴的流量為3.75m3/h(0.375qmax)，在該高區(qū)流量下，首先測量兩表恒定流誤差，然后進(jìn)行1.05Tc、5.25Tc、10.50Tc脈動流量誤差測試。測試結(jié)果顯示，低區(qū)流量試驗順序與高區(qū)流量試驗順序相同。恒定流試驗時間為5min，脈動流量測量時間見表1，每個流量點測量3次，試驗結(jié)果見表2。需要特別注意的是，MEMS熱式燃?xì)獗淼氖局抵苯訛闃?biāo)方體積，而膜式燃?xì)獗砹髁坷鄯e值和臨界流文丘里噴嘴流量均已換算到同一標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(20℃、101.325kPa)。

表2 脈動流量試驗結(jié)果

表2的試驗結(jié)果表明，脈動流誤差小于恒定流誤差；高頻(1.05Tc)脈動流誤差小于低頻(5.25Tc、10.50Tc)脈動流誤差；高區(qū)脈動流誤差大于低區(qū)脈動流誤差。恒定流和脈動流示值誤差的重復(fù)性均很小，說明試驗裝置與試驗時間的設(shè)計可行、可信。脈動流平均誤差與恒定流誤差之偏差ΔE，在高區(qū)脈動流周期為5.25Tc、10.50Tc時不超過0.50%，周期為1.05Tc時不超過1.00%；在低區(qū)脈動流周期為5.25Tc、10.50Tc時不超過1.00%，周期為1.05Tc時不超過2.00%，符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗數(shù)據(jù)滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)提出的技術(shù)要求。

4 結(jié)束語

筆者介紹了家用電子式燃?xì)獗砻}動流量的定義，給出了單次脈動流量測量時間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，設(shè)計了一套脈動流量試驗裝置并進(jìn)行了脈動流和恒定流的流量試驗。試驗結(jié)果證明，膜式燃?xì)獗砗团R界流文丘里噴嘴雙標(biāo)準(zhǔn)脈動流量試驗裝置的設(shè)計是成功的，可用于家用電子式燃?xì)獗碛嬃啃阅艿臏y試。該裝置已取得實用新型專利證書，推動了更多規(guī)格熱式燃?xì)獗砻}動流量性能研究和測試的積極進(jìn)行。

[1] 閆繼偉,邊可可.超聲波燃?xì)獗淼脑O(shè)計與實現(xiàn)[J].工業(yè)計量,2013,23(4):46～48.

[2] 詹志杰,王函滔,沈文新.射流式家用燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)與計量特性探討[J].計量學(xué)報,2014,35(6A):154～157.

[3] 姚靈,左富強(qiáng),徐亮.戶用射流熱量表流量測量特性的研究[J].儀表技術(shù),2011,(5):5～9.

[4] CJ/T 477-2015,超聲波燃?xì)獗韀S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[5] BSI BS EN 14236,Ultrasonic Domestic Gas Meters[S].London:British Standards Institution,2007.

[6] 李文,應(yīng)啟戛.脈動氣體流對渦輪流量計測量誤差的影響[J].自動化儀表,2003,24(6):20～22.

[7] 董承鈞.直接測量脈動流量的超聲波流量計[J].工業(yè)計量,2002,(z1):46～49.

[8] JJF 1059.1-2012,測量不確定度評定與表示[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

ResearchonPulsatingFlowTestTechnologyforThermalGasMeters

JIANG Hang-cheng1, GUO Gang1, LI Hang1, SHEN Wen-xin1,2

(1.GoldcardHigh-TechCo.,Ltd.,Hangzhou310018,China; 2.ZhejiangProvinceInstituteofMetrology,Hangzhou310018,China)

A standard meter method-based flow test device which combining square wave pulse flow and steady flow was developed. This device’s structure, operating principle and calculation model were introduced and the mathematic model for measuring the time of a single pulsating flow was established. Regarding the MEMS technology-based G6 thermal gas meter, the testing program which boasting of 1s sampling frequency and 1% uncertainty was designed to show that, the average deviation(ΔE)of the instrument between pulsating flow and constant flow is less than 0.50% at high area of 5.25Tcor 10.50Tcpulsating flow cycle and it is less than 1.00% at 1.05Tcpulsating cycle; and it’s less than 1.00% at low area of 5.25Tcor 10.50Tcpulsating flow cycle and it is less than 2.00% at 1.05Tcpulsating cycle.

pulsating flow test device, thermal gas meter, sampling period, measuring time of single pulsating flow, deviation (ΔE)

TH814

A

1000-3932(2016)12-1273-04

2016-06-22