水嘴流量檢測裝置的設計*

程云斌 鄭 蓉 唐敏俊

(1 上海市質量監督檢驗技術研究院 上海 200000)(2 鈦和檢測認證集團股份有限公司 上海 200042)

目前低碳生活、節約用水已經成為整個衛浴行業的共識,大多數居民意識到節約用水的重要性,在家庭中的水嘴、坐便器、淋浴器這用水“三大件”上,對節約用水“指標”要求越來越高。

國家標準GB 25501-2010水嘴用水效率限定值及用水效率等級于2011年7月1日實施,并于2019年對其進行修訂。2021年1月1日GB 25501-2019水嘴水效限定值及水效等級作為強制標準實施,為水效標識制度提供進一步的標準支持,更好地適應水嘴行業的技術發展。

水嘴流量是一項強制性節水指標,流量偏大浪費水資源,流量偏小影響正常使用,因此流量不符合要求會造成不必要的水資源浪費,達不到節能效果且失去產品本身的意義。

1 概述

目前,國內外有很多關于水嘴的檢測設備,現有的水嘴檢測設備雖然具備流量參數的檢測功能,但數據穩定性差,偏離較大,會造成測量審核、能力驗證、實驗室之間對比結果誤差很大,無法給出讓人信服的數據和結論。因此設計一套高精度的水嘴檢測設備,使得所測數據具有較高的可重復性(即穩定性),來解決水嘴機械性能無法驗證、實驗室監測數據不確定度大等問題。

水嘴流量檢測設備的系統誤差、檢測人員的個人操作水平,都會影響水嘴流量的檢測結果。在開展檢驗檢測、測量審核、能力驗證、實驗室間比對時,由于各設備間的一致性不好,容易造成比對結果誤差很大。目前我國行業內的水嘴檢測設備流量偏差基本在5%以上,重復性偏差較大,數據準確性不高,導致水嘴機械性能檢測水平在水暖行業中得不到有效的提高,難以支持GB 25501-2019水嘴水效限定值及水效等級實行下的水嘴行業技術發展。因此提高檢測設備的精度,保證檢測結果的重復性勢在必行。

檢測裝置中的液體介質由于受壓而流動,并始終處于運動或不穩定的狀態,因而液體本身不能作為一種標準物質來進行檢測和溯源。水嘴流量的檢測都是借助于流量測試工作原理開展的。

2 工作原理

目前使用的水嘴流量檢測方法有以下很多種類:(1)檢測原理不同。質量法、容積法、標準法。

(2)液體介質狀態不同。動態法、靜態法。

目前最常用的兩種水嘴流量檢測方法為靜態質量法和標準表法。不同的檢測方法,其原理、結構及應用場景等均有所不同。

2.1 靜態質量法

靜態質量法又被稱為靜態稱重法,在流體處于靜止狀態時,讀取液體介質的質量,結合檢測時間,換算相應的質量流量。其典型結構如圖1 所示。

圖1 靜態質量法水嘴測試裝置

工作時,首先啟動水泵,將其作為動力源抽取水箱中的水,經過調節閥后流入試驗管路中,中間連接被測水嘴,其中換向閥安裝在實驗管路的出口處。試驗開始時,確定稱重容器的初始重量M0,選擇換向器使流體流入旁通管。待流量達到穩定后,改變換向器使流體進入稱重容器,同時,啟動計時器。當滿足預定的水量或時間時,換向器自動換向,再次使流體流入旁通管。分別確定并記錄稱重容器中流體的質量Mt,計時器顯示的測量時間t,依據下式計算流體的質量流量Qm,體積流量Qv:

2.2 標準表法

標準表法是根據流體力學的原理,在同一時間間隔內,串聯在同一管道上的流量計通過的累積流量是相等的,那么當流量穩定時,比較標準表和被檢水嘴的流量值,就能確定被檢流量計的計量參數。在水嘴流量的檢測中,標準表法一般采用串聯形式,其典型結構如圖2所示。

圖2 標準表法

設通過標準表和被檢流量計的流體密度為ρ,如果標準表、被檢水嘴的體積流量分別為QVS和QVN,質量流量分別為Qms和Qmn。則計算得到通過標準表、被檢水嘴的體積流量分別為:

2.3 兩種方法比較分析

2.3.1 準確度比較

靜態質量法屬于原始法測量。所以綜合測量精度非常高;主要的誤差來自于檢測時間和換向器帶來的不確定度影響。標準表法由于標準表的準確度、配套計時器準確度較高,配合以穩定的液體流量源,同樣能獲得較高的準確度等級。

2.3.2 結構比較

由于換向器的使用,使靜態質量法管線相對復雜,稱重容器和體積容器占地面積相對較大,所以這兩種方法一次性投資相對較高,而且操作復雜。而標準表法結構簡單,且操作方便。

2.3.3 效率比較

靜態質量法的核心是度量收集到的液體流量,在低流速的情況下,因為累積流量較小,為了提高測量的準確度,必須提高測量時間,則檢測效率就大大降低;而標準表法操作簡單,直接可以從標準流量計上讀取檢測結果,所以操作時間短、檢測效率高。

3 流量穩定性分析

由上述分析可知,采用標準表法原理的,其液體流量源的穩定性是研究的一個重點,也是技術難點所在,所以在設計標準表法時,要提高裝置的流量穩定性。

為了分析影響流量穩定性的因素,筆者以簡化的形式進行分析,其標準表法水嘴流量測試裝置如圖3所示。

圖3 簡化的標準表法水嘴流量測試裝置

3.1 數學模型

在整個裝置管路中的水流阻力有兩種,即沿程阻力和局部阻力。

根據流體力學的推導,沿程阻力損失為:

式中:n—水泵轉速,r/min;ns—水泵比轉數;

qb—水泵體積流量,m/s。

然后取兩個計算斷面,假設斷面A 取在水箱內,斷面B 取在管路出口處;P1、P2分別為斷面A、B 的中心點壓力;V1、V2分別為斷面A、B 中心點的平均流速;Z1、Z2分別為斷面A、B 的位置頭。對A、B 兩個斷面建立伯努利方程為:

假設為出水口截面積、為液體密度,由此可以推導出水口的流量為:

3.2 結果分析

由上述公式可知,流量標準裝置的流量變化與s、ρ、g、p1、p2、z1、z2、λ、L、D、vw、ε、vj、n、ns、qb等參數有關。其中ρ、g 是定值,管道的尺寸是提前設計好的,所以s、z2、L、D 也是定值,其余參數與其之間的關系如下:

(1)λ、vw、ε、vj四個參數與管道閥門有關。裝置的管路中肯定會安裝彎頭、閥門等阻流件。當流體在高雷諾數時會產生明顯的二次流,引起局部流速劇增。由于液體介質和管道都是彈性體,因此在受到外來的強烈沖擊會產生震動和噪聲,λ、ε、vj等參數會變得不穩定,進而引起水流的波動。

(2)n、ns、qb三個參數與水泵有關。電網電壓長時間的波動會使n 變化,長時間運轉的水泵在氣蝕、水擊等影響下,其密封性會變差,進而影響qb,這樣會導致水泵出口流量的波動。

(3)z1與水箱有關。水箱水面高度z1在整個檢測過程中一直處于快速變動的狀態,水泵吸水口可能會導致水面產生旋渦,水管的排水口會對水面造成明顯沖擊。

(4)p1、p2與流量壓力有關。p1、p2的值來源于管道閥門、水泵、水箱等。水泵電機電源電壓和頻率的穩定、管道的水流穩定、水箱的結構設計等都決定了p1、p2是否穩定。

4 結語

綜上所述,流量的穩定性與水泵、管道、閥門、水箱有著密切關系。其中管道、閥門、水箱反映了的工藝設計,而流量穩定的核心則取決于壓力源的穩定,反映在水泵和管路是否穩定。

穩定流量源的常規方法主要有水塔、穩壓容器、變頻法等。考慮其特殊性,需要從各個方面考慮,從裝置平臺的搭建、標準表選型、控制算法的編寫、控制方案的實施都需要探究,各種控制方案和不同工況條件下的流量穩定性,從而最終得出最佳工作條件。