鄧小遠,李 霞,謝代梁,夏 杰,王 衛(wèi),劉亞輝

(1.中國計量大學 計量測試工程學院,浙江 杭州 310018;2.重慶市計量質(zhì)量檢測研究院, 重慶 401123)

以時間差法為測量原理的封閉管道用超聲波燃氣表是一種無移動部件的流量測量儀表[1,2],與膜式燃氣表相比,在機械噪聲、精度、量程比、成本上都有著明顯的優(yōu)勢[3].在國外的一些發(fā)達國家,超聲波燃氣表已普遍用于居民燃氣消耗計量[4].近幾年,國內(nèi)家用超聲波燃氣表的研發(fā)也已取得突破性的進展,已有少量省市頒布了超聲波燃氣表地方檢定規(guī)程及其全性能試驗規(guī)范.但由于超聲波燃氣表的計量性能和可靠性受其結(jié)構(gòu)設計、安裝條件、環(huán)境溫度、環(huán)境噪聲及污染物等多重因素的影響[5-7],而且國內(nèi)目前所掌握的試驗數(shù)據(jù)較少,因此使得超聲波燃氣表還未能在國內(nèi)大規(guī)模普及應用[8].

本文旨在通過試驗研究分析超聲波燃氣表的計量性能.對國內(nèi)具有代表性的4家燃氣表企業(yè)生產(chǎn)的型號為G2.5的超聲波燃氣表,參照JJG(渝)006-2015重慶市超聲波燃氣表地方檢定規(guī)程和JJF(渝)013-2016重慶市超聲波燃氣表全性能試驗規(guī)范要求[9-10],用準確度等級為0.3級的燃氣表溫度適應性試驗裝置對超聲波燃氣表進行高低溫環(huán)境下的相對誤差及重復性試驗.分析超聲波燃氣表的計量性能受溫度和流量影響的變化特性,同時比較國產(chǎn)超聲波模組和進口超聲波模組之間的性能差異.試驗結(jié)果可為我國超聲波燃氣表相關標準和技術(shù)規(guī)范的制定提供參考,也可為超聲波燃氣表的研發(fā)和改進提供底層試驗數(shù)據(jù)支持.

1 超聲波燃氣表結(jié)構(gòu)

超聲波燃氣表典型結(jié)構(gòu)如圖1[9-10],主要由外殼、主控模塊(包括TDC電路)、超聲波模組(由燃氣通道、超聲波換能器、TDC電路構(gòu)成)、控制閥門、流體整流器、顯示器和電池等部件組成.當控制閥門打開時,燃氣經(jīng)流體管道通過整流器和安裝有超聲波換能器的通道流出.超聲波模組用以將超聲波換能器采集的時間差信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號.主控模塊用于信號處理、流量計算及脈沖輸出,同時將瞬時、累積流量等必要的信息傳至顯示器顯示.

1—外殼;2—燃氣通道;3—控制閥門;4—流體整流器;5—超聲波換能器;6—主控模塊;7—顯示器;8—電池;9—燃氣流動方向圖1 超聲波燃氣表典型結(jié)構(gòu)Figure 1 Typical structure of ultrasonic gas meters

2 試驗介紹

2.1 試驗裝置

本試驗采用準確度等級為0.3級的燃氣表溫度適應性試驗裝置.將超聲波燃氣表置于恒溫箱內(nèi),在充分模擬實際環(huán)境溫度的條件下,進行超聲波燃氣表高低溫試驗.裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示主要由制冷機、除濕機、恒溫箱、換熱器、標準表、變頻風機及控制單元組成,適用溫度范圍為(-40～+60)℃.

圖2 試驗裝置結(jié)構(gòu)示意框圖Figure 2 Schematic diagram of the structure of the test device

采用負壓法,由變頻風機將氣體由置于恒溫箱內(nèi)的超聲波燃氣表的出氣口端,經(jīng)由恒溫箱外的換熱器,再經(jīng)過標準表抽出至變頻風機出口.

當加熱時,空氣經(jīng)過除濕機送入恒溫箱中的加熱管進行加熱;當制冷時,由制冷器對空氣進行制冷后送入恒溫箱.恒溫箱內(nèi)經(jīng)過加熱或制冷的氣體達到指定溫度后經(jīng)3只超聲波燃氣表流出至外接的換熱器進行換熱,使通過換熱器流經(jīng)標準表處的氣體溫度維持在(20±2)℃.

選擇氣體腰輪流量計、大流量濕式氣體流量計及小流量濕式氣體流量計共三只流量計作為標準表,并聯(lián)置于恒溫箱外的試驗環(huán)境中,可根據(jù)流量大小自動控制切換單只標準表進行流量測量,以充分利用各標準表在其最佳適合流量范圍內(nèi)的準確度.測量時,將流經(jīng)超聲波燃氣表和標準表的氣體體積經(jīng)過溫壓(燃氣表和標準表進口處的溫度和壓力由溫度、壓力傳感器測量得到)修正后換算到相同條件下進行比較,得出超聲波燃氣表的相對誤差.

2.2 試驗方案

從4家燃氣表企業(yè)(假設為A、B、C、D)選擇型號為G2.5的超聲波燃氣表各三只進行常溫(20 ℃)及高低溫環(huán)境下的相對誤差及重復性試驗,試驗方案如下：

1)試驗溫度點：-10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、40 ℃,當恒溫箱內(nèi)氣體溫度達到試驗溫度,且溫度波動≤0.5 ℃,方可進行試驗;

2)試驗流量點：qmin、3qmin、7qmin、10qmin、qt(0.1qmax)、0.2qmax、0.4qmax、0.7qmax、qmax;

3)試驗流量點對應的累積流量：10 L、10 L、20 L、20 L、60 L、60 L、80 L、100 L、200 L;

4)流量點測量次數(shù)：qmin～10qmin,測量4次;qt～qmax,測量10次;

5)試驗環(huán)境溫度：(20±2)℃;

6)試驗溫度點為20 ℃時,恒溫箱沒有啟動(恒溫系統(tǒng)的大功率制冷或制熱設備都沒有啟動,直接利用實驗室環(huán)境溫度進行試驗).

2.3 數(shù)據(jù)處理模型

每一個試驗流量點處,單次測量的相對誤差按式(1)進行計算：

(1)

式(1)中：E為單次測量結(jié)果的相對誤差,%;Vm為超聲波燃氣表測量的累積流量(參考2.2試驗方案給出的各流量點處對應的累積流量),L;Vs為標準器的測得值,L;Ps為標準裝置處的絕對壓力,Pa;Ts為標準裝置處的氣體熱力學溫度,K;Pm為超聲波燃氣表進口端的絕對壓力,Pa;Tm為超聲波燃氣表進口端的氣體熱力學溫度,K.

單只超聲波燃氣表在每一個試驗流量點處的誤差采用式(2)計算;結(jié)合本試驗方案并參考文獻[11],重復性采用式(3)計算：

(2)

(3)

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

該4家超聲波燃氣表在常溫和其他試驗溫度下的平均相對誤差及重復性分布見表1.A、B兩家超聲波模組由國內(nèi)自主研發(fā),C、D兩家采用了從某發(fā)達國家進口的超聲波模組.

試驗結(jié)果表明：在參考溫度20 ℃下,C、D兩家超聲波燃氣表的誤差和重復性分別在-0.91%～0.66%、-0.69%～0.51%和0～0.05%、0～0.05%范圍內(nèi).A、B兩家超聲波燃氣表的誤差和重復性分別在-1.21%～0.59%、-1.29%～0.48%和0.02～0.16%、0～0.07%范圍內(nèi).說明在參考溫度20 ℃下,C、D兩家超聲波燃氣表的計量性能優(yōu)于A、B兩家超聲波燃氣表.

在參考溫度20 ℃下,A、B、C、D四家超聲波燃氣表的最大誤差分別為-1.21%、-1.29%、-0.91%、-0.69%.結(jié)合文獻[12]對燃氣表準確度等級的評判依據(jù),從試驗結(jié)果來看,超聲波燃氣表的準確度等級確定為1.5級最為合適,如果要把超聲波燃氣表的準確度等級提高到儀表廠家預設計的1.0級,則仍需要國內(nèi)該領域的技術(shù)人員繼續(xù)努力.

當試驗溫度偏離參考溫度時,超聲波燃氣表的計量性能下降明顯,如在(-15～25) ℃的試驗溫度范圍內(nèi),4家超聲波燃氣表的誤差和重復性有不同程度的增大.C、D兩家超聲波燃氣表的誤差激增到17.26%和13.30%,而B家超聲波燃氣表的重復性增大到2.91%.可見,試驗溫度對超聲波燃氣表的性能影響很大,不建議在超聲波燃氣表檢定規(guī)程中考慮將檢定溫度從(20±2)℃放寬至(20±5)℃.

表1 超聲波燃氣表平均相對誤差和重復性的試驗結(jié)果

3.2 分析與討論

為進一步分析流量、溫度等因素對超聲波燃氣表計量性能的影響,分別繪制這四家超聲波燃氣表在不同溫度不同流量下的平均相對誤差和重復性變化曲線,如圖3-6.由于同一廠家的3只受試超聲波燃氣表的試驗結(jié)果接近,因此僅從每一廠家抽取1只超聲波燃氣表(假設為A1、B1、C1、D1)的數(shù)據(jù)進行圖形繪制和討論分析.

3.2.1 流量對超聲波燃氣表計量性能的影響

圖3和圖4分別示出了超聲波燃氣表平均相對誤差和重復性隨介質(zhì)流量的變化情況.整體說來,流量對超聲波燃氣表的計量性能有一定的影響.

圖3 平均相對誤差隨流量變化曲線Figure 3 Variation of mean relative errors with flowrate

結(jié)果顯示,超聲波燃氣表在大流量段的相對誤差優(yōu)于小流量段.在小流量段(qmin～3qmin),燃氣表傾向于高估被測流量,這一現(xiàn)象在非參考溫度下的試驗中表現(xiàn)尤為明顯.從圖3中非參考試驗溫度下的結(jié)果可以看出：采用國產(chǎn)超聲波模組的燃氣表A1和B1對小流量qmin的測量值只有稍許偏高,誤差在2.4%以內(nèi);而采用進口超聲波模組的燃氣表C1和D1在qmin處的相對誤差顯著增大,在不同溫度下分別達到10.08%～25.21%和8.41%～21.68%.而當流量達到3qmin以上時,兩燃氣表的相對誤差迅速減小到±1.5%以內(nèi).

圖4 重復性隨流量變化曲線Figure 4 Repeatability variation with flowrate

從圖4可看出,超聲波燃氣表在大流量段的重復性也優(yōu)于小流量段.在大流量段(3qmin以上),4個廠家的燃氣表的重復性都小于0.5%.但在小流量點qmin,4只超聲波燃氣表的重復性表現(xiàn)出較大的差異.其中燃氣表A1在qmin處的重復性相對其他流量無明顯變化,仍然維持在0.5%以內(nèi).但燃氣表B1在qmin處的重復性隨溫度不同在0.03%～2.91%范圍內(nèi)變化.燃氣表C1和D1在qmin處的重復性較其他流量處略微變差,最大值分別為0.79%和0.84%.

值得一提的是,C1和D1兩只超聲波燃氣表的平均相對誤差和重復性分布非常相似,可能與該兩家選擇了相同的進口超聲波模組有關.

3.2.2 溫度對超聲波燃氣表計量性能的影響

圖5和圖6分別示出了超聲波燃氣表平均相對誤差及重復性隨溫度的變化情況.結(jié)果表明,溫度對超聲波燃氣表的計量性能也存在一定的影響.

在參考溫度20 ℃下,4家超聲波燃氣表的相對誤差和重復性分別在±1.3%和±0.5%范圍內(nèi).當試驗溫度偏離參考溫度時,超聲燃氣表的計量性能有所下降,其中小流量qmin處的計量性能下降尤其顯著.如3.2.1所述,在非參考溫度試驗點(-10 ℃、15 ℃、25 ℃和40 ℃),燃氣表C1和D1在qmin流量點的相對誤差高達10.08%～25.21%和8.41%～21.68%;燃氣表B1在qmin處的重復性變差,15 ℃下,其重復性下降到2.91%.在本文的試驗范圍內(nèi),相對誤差變化趨勢與溫度變化趨勢未表現(xiàn)出明顯的相關關系.

圖5 平均相對誤差隨溫度變化曲線Figure 5 Variation of mean relative errors with temperature

3.3 恒溫箱啟停對超聲波燃氣表計量性能的影響

如前所述,超聲波燃氣表的計量性能在一定程度受溫度影響.特別是在小流量處,燃氣表在參考溫度下的計量性能正常,而當試驗溫度偏離參考溫度時,其計量性能明顯下降,甚至出現(xiàn)很大的誤差.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因有：1)燃氣表自身的溫度適應性差;2)燃氣表計量性能受溫度之外的其他環(huán)境因素的影響,如外界噪聲的影響等[7].經(jīng)分析,燃氣表在參考溫度下的試驗和高低溫試驗的試驗條件差別在于：高低溫試驗時,開啟了恒溫箱(功率較大,可能產(chǎn)生噪聲和干擾),而在參考溫度進行試驗時,恒溫箱未開啟.

為探討本試驗裝置中恒溫箱啟動后產(chǎn)生的噪聲對超聲波燃氣表計量性能是否產(chǎn)生影響,本文通過下述試驗進行了分析驗證.選擇D1超聲波燃氣表在常溫20 ℃下進行兩組試驗.一組開啟恒溫箱,設定溫度為20 ℃,另一組試驗不開啟恒溫箱,直接利用(20±2) ℃的環(huán)境溫度,因此兩組試驗的溫度條件是一致的.主要針對超聲燃氣表在小流量段的計量性能差異,選擇試驗流量點為qmin、3qmin、7qmin、10qmin、qmax,分別獲得兩組試驗的平均相對誤差測量值,如表2.

表2 20℃下開啟停止恒溫箱后的平均相對誤差對比

表2表明,兩組試驗所得的平均相對誤差存在一定的偏差.在最小流量qmin處兩組相對誤差的最大偏差為0.46%,且隨著流量的增大,偏差在逐漸減小.說明恒溫箱的啟動與停止對超聲波燃氣表在小流量段測得的相對誤差雖然存在一定的影響,但其影響遠小于表1和圖3所示的燃氣表在相應流量的計量性能差異.這一試驗結(jié)果證實了恒溫箱的啟停狀態(tài)不是引起C、D兩家超聲波燃氣表在小流量處計量性能下降的主要原因,其主要的可能原因還在于燃氣表在小流量處溫度適應性差.因此,研發(fā)人員應著力研究并優(yōu)化超聲波燃氣表小流量段的計量性能.

4 結(jié)語

本文對國內(nèi)具有代表性的4家燃氣表企業(yè)生產(chǎn)的型號為G2.5的超聲波燃氣表進行了高低溫環(huán)境下的相對誤差及重復性試驗,試驗結(jié)果表明：

1)超聲波燃氣表的準確度等級確定為1.5級較為合適,如果要把超聲波燃氣表的準確度等級提高到1.0級,仍需要國內(nèi)該領域的技術(shù)人員繼續(xù)努力.

2)超聲波燃氣表大流量段的計量性能優(yōu)于小流量段,建議應著重研究并優(yōu)化小流量段的計量性能.

3)在參考溫度20 ℃下,進口超聲波模組的性能優(yōu)于國內(nèi)自主研發(fā)的超聲波模組.

4)超聲波燃氣表的計量性能受溫度影響,不建議在超聲波燃氣表檢定規(guī)程中考慮將檢定溫度從(20±2) ℃放寬至(20±5) ℃.

5)恒溫箱的開啟與停止對超聲波燃氣表在小流量段測得的相對誤差存在一定的影響,但影響較小,不是引起超聲波燃氣表在小流量處計量性能下降的主要原因,其主要的可能原因還在于燃氣表在小流量處溫度適應性差.