汪少白

(寧波水表股份有限公司，寧波 315032)

0　引言

水表在多次重復(fù)校驗(yàn)或在不同類型校驗(yàn)臺(tái)上校驗(yàn)時(shí)其示值誤差具有一定的離散性。文章用一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過對(duì)啟停靜態(tài)容積法、換向靜態(tài)稱重法、活塞缸動(dòng)態(tài)容積法的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差分析以及主要項(xiàng)的不確定度計(jì)算來說明示值誤差離散性是如何產(chǎn)生的，并對(duì)提高啟停靜態(tài)容積法準(zhǔn)確度提出改進(jìn)方案。

1　試驗(yàn)與數(shù)據(jù)

1.1　慣性試驗(yàn)

旋翼式水表按常規(guī)裝夾在校驗(yàn)臺(tái)上，然后通水排汽，控制流量在試驗(yàn)流量點(diǎn)，使水表在該試驗(yàn)流量下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，突然關(guān)閉閥門停止水流，觀察水表從水流停止起靠慣性轉(zhuǎn)過的指示值。LXS-F3型水表轉(zhuǎn)動(dòng)慣性量如表1所示。

表1　LXS-F3型水表轉(zhuǎn)動(dòng)慣性量

表2LXS-F3型水表不同用水量示值誤差(%)

口徑(mm)表號(hào)流量：100(L/h)10(L)100(L)2515130　50-0　6215091　000　1115101　290　4715111　590　4915031　190　0615081　690　47

1.2　不同用水量示值誤差試驗(yàn)

按常規(guī)啟停靜態(tài)容積法校驗(yàn)水表，在同一試驗(yàn)流量下分別記錄用水量10L、100L的示值誤差。LXS-F3型水表不同用水量示值誤差如表2所示。

1.3　水密度測(cè)試試驗(yàn)

用溫度計(jì)、密度計(jì)測(cè)試常壓下實(shí)際校驗(yàn)使用中水在不同溫度下的密度，如表3所示。

表3　實(shí)際校驗(yàn)使用中水在不同溫度下的密度

2　誤差分析

水表是一種體積測(cè)量?jī)x表，現(xiàn)對(duì)啟停靜態(tài)容積法、換向靜態(tài)稱重法、活塞缸動(dòng)態(tài)容積法三種校驗(yàn)裝置校驗(yàn)旋翼式速度水表時(shí)的系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差進(jìn)行分析以及主要項(xiàng)的不確定度進(jìn)行計(jì)算。水表示值誤差=(水表指示值—標(biāo)準(zhǔn)容積)/標(biāo)準(zhǔn)容積×100%。

2.1　啟停靜態(tài)容積法

啟停靜態(tài)容積法是一種直接法，是目前校驗(yàn)小口徑水表最廣泛的校驗(yàn)方法，由于此種校驗(yàn)設(shè)備比較經(jīng)濟(jì)，不但水表生產(chǎn)企業(yè)廣泛使用，而且技術(shù)監(jiān)督部門也大量使用。

此種設(shè)備操作方法是：裝夾上被校水表后，排汽，關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)容器放水閥門，抄錄水表讀數(shù)，電磁閥打開使流量達(dá)到校驗(yàn)流量，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)容器的水量達(dá)到規(guī)定容積時(shí)關(guān)閉電磁閥，待水表指針停止轉(zhuǎn)動(dòng)后再次抄錄水表讀數(shù)。

2.1.1系統(tǒng)誤差

1)當(dāng)閥門關(guān)閉后水表靠慣性轉(zhuǎn)動(dòng)的指示值

以DN15水表為例：當(dāng)流量是50 L/h，絕對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣性量約為0.05L。不同水表有不同的慣性量(見表1)，當(dāng)校驗(yàn)水表確定后可以用實(shí)驗(yàn)確定它的估計(jì)值，現(xiàn)在該系統(tǒng)誤差未作修正，從表1、表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，其影響量不小。

2) 溫度變化引起的標(biāo)準(zhǔn)容器變化量、水體積變化量、標(biāo)準(zhǔn)容器指示標(biāo)尺變化量，這些系統(tǒng)誤差由于影響量小未作修正。

2.1.2隨機(jī)誤差

水表分辨力、標(biāo)準(zhǔn)容器標(biāo)尺分辨力產(chǎn)生的誤差。

2.1.3主要項(xiàng)不確定度計(jì)算

相對(duì)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度U99=3×0.0017=0.51%

2.2　換向靜態(tài)稱重法

換向靜態(tài)稱重法是一種間接測(cè)量法，操作方法如下：裝夾水表，排汽，調(diào)節(jié)流量至校驗(yàn)流量，當(dāng)水表在該流量下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)操作換向器使校驗(yàn)流量換入稱重容器中，當(dāng)用水量達(dá)到要求時(shí)操作換向器換出流量，在這過程同時(shí)用光電信號(hào)記錄水表指示的用水量，電子秤上顯示的質(zhì)量通過公式V=m/ρ(V為容積；m為質(zhì)量；ρ為水的密度)換算成標(biāo)準(zhǔn)容積。

水表結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境有時(shí)會(huì)對(duì)光電信號(hào)記錄水表指示值發(fā)生干擾，產(chǎn)生粗大誤差。

2.2.1系統(tǒng)誤差

1)計(jì)算時(shí)設(shè)定的水的密度與實(shí)際使用中水的密度差異。從表3可以看出二者在常溫附近有約0.2%不等的差異，不同的校驗(yàn)用水會(huì)有不同的密度差異，在實(shí)際操作時(shí)很難確定。

2) 換向器安裝位置和換向時(shí)間差造成的誤差、空氣浮力。

2.2.2隨機(jī)誤差

以晶振頻率為基礎(chǔ)的計(jì)時(shí)時(shí)鐘分辨力、電子秤讀數(shù)分辨力產(chǎn)生的誤差。

2.2.3主要項(xiàng)不確定度計(jì)算

如果一電子秤在某一稱量范圍內(nèi)相對(duì)允差為0.002，相對(duì)分辨力為0.001 則：

允差相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u允=0.002/3=0.00067

相對(duì)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度U99=3×0.00089=0.27%

2.3　活塞缸動(dòng)態(tài)容積法

活塞缸動(dòng)態(tài)容積法是一種直接校驗(yàn)方法，通過伺服電機(jī)帶動(dòng)絲桿推動(dòng)活塞在缸體內(nèi)移動(dòng)，容積的準(zhǔn)確度取決于絲桿、缸體的測(cè)量精度和加工精度，移動(dòng)的距離和速度決定容積和流量。操作方法如下：裝夾水表，排汽，當(dāng)水表在校驗(yàn)流量下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)開始記錄活塞在缸內(nèi)移動(dòng)過的容積，在這同時(shí)用光電信號(hào)記錄水表指示值。

V=p /4×rtD2

Q=p /4×ntD2。

式中：V為標(biāo)準(zhǔn)容積；Q為流量；r為電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)；t為絲桿螺距；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；D為缸體直徑。

2.3.1系統(tǒng)誤差

由于溫度變化引起的絲桿螺距、缸體直徑的變化

2.3.2隨機(jī)誤差

伺服電機(jī)分度分辨力、計(jì)時(shí)時(shí)鐘分辨力產(chǎn)生的誤差。

3　三種校驗(yàn)方法的準(zhǔn)確度圖示

三種校驗(yàn)方法準(zhǔn)確度如圖1所示。

圖1　三種校驗(yàn)方法準(zhǔn)確度

4　結(jié)束語(yǔ)

三種校驗(yàn)方法準(zhǔn)確度從低到高依次為啟停靜態(tài)容積法、換向靜態(tài)稱重法和活塞缸動(dòng)態(tài)容積法(見圖1)，并且它們之間的準(zhǔn)確度差異還比較大，由此說明同一校驗(yàn)方法或不同校驗(yàn)方法多次校驗(yàn)水表時(shí)會(huì)有不同的示值誤差。

在實(shí)驗(yàn)中顯示啟停靜態(tài)容積法中水表轉(zhuǎn)動(dòng)慣性量，換向靜態(tài)稱重法中計(jì)算密度與實(shí)際密度差異會(huì)引起較大的系統(tǒng)誤差，這些系統(tǒng)誤差在水表國(guó)家檢定規(guī)程中并沒有作特別說明和處理。因此，強(qiáng)烈建議在檢定規(guī)程中對(duì)這些系統(tǒng)誤差如何補(bǔ)償做出規(guī)定，否則，在用準(zhǔn)確度高的校驗(yàn)裝置中校驗(yàn)合格的水表會(huì)在準(zhǔn)確度低的校驗(yàn)裝置中誤判為不合格，反之亦然，這樣一定程度上會(huì)阻礙水表行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

如果對(duì)啟停靜態(tài)容積法做以下修改，再進(jìn)一步設(shè)法提高水表分辨力則將極大提高這種容積法校驗(yàn)水表的準(zhǔn)確度和生產(chǎn)效率：“當(dāng)水表在校驗(yàn)流量勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)用換向器換入校驗(yàn)流量，在這同時(shí)對(duì)水表讀數(shù)進(jìn)行攝影(或光電信號(hào)開始計(jì)數(shù))，當(dāng)試驗(yàn)達(dá)到規(guī)定容積時(shí)，換向器換出流量，同時(shí)再次對(duì)水表讀數(shù)進(jìn)行攝影(或光電信號(hào)結(jié)束計(jì)數(shù))”。

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