安海驕，施 鑫，劉 明

（天津市計(jì)量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院，天津 300192）

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，流量儀表呈現(xiàn)向智能化發(fā)展的趨勢，但智能儀表存在易受電磁環(huán)境干擾的缺點(diǎn)，因此，近些年來許多技術(shù)規(guī)范著重對智能儀表的電磁兼容性能進(jìn)行了規(guī)定[1-3]，其中以水表最為突出。對于水表型式評價(jià)試驗(yàn)的電磁兼容項(xiàng)目，國內(nèi)外大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室在零流量下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只判定施加電磁干擾后水表電子裝置的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能是否仍然符合設(shè)計(jì)要求，然而這種方法并不能有效考察水表在實(shí)際使用中受到電磁干擾時(shí)計(jì)量性能的變化情況。此外，國內(nèi)有少數(shù)實(shí)驗(yàn)室采用的方案是在電磁兼容屏蔽暗室開孔，把裝置的主要部分設(shè)置在暗室之外，將水表通過軟管連接后放置在暗室之內(nèi)，這種方法會(huì)對暗室本身的屏蔽性能造成破壞，甚至產(chǎn)生不可預(yù)估的影響。

為克服上述方案的缺點(diǎn)，本文致力于研制一種緊湊型液體流量檢測裝置，以便于將其置于暗室中進(jìn)行在線電磁敏感性試驗(yàn)。此裝置可用來完成電磁兼容干擾下水表示值誤差的在線測量，能夠更好的分析研究水表在施加電磁干擾時(shí)計(jì)量性能的變化。

1 裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

緊湊型液體流量檢測裝置主要由水箱、循環(huán)泵、穩(wěn)壓罐、標(biāo)準(zhǔn)表、流量調(diào)節(jié)閥等組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。由于對緊湊性要求較高，需要對裝置的關(guān)鍵部分進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，保證在不影響各部分性能的前提下縮小體積。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of compact liquidflowrate standard facility

1.1 緊湊型穩(wěn)壓容器的參數(shù)化設(shè)計(jì)

穩(wěn)壓容器是一種能夠提高流量穩(wěn)定性的裝置，對流體的壓力有平均、緩沖、吸收脈動(dòng)的功能，通常利用密閉壓力罐內(nèi)空氣的壓縮性和罐內(nèi)設(shè)置的隔板來緩沖流量的波動(dòng)。目前關(guān)于穩(wěn)壓容器設(shè)計(jì)的研究比較多[4-5]，其中在實(shí)際應(yīng)用場合較為常見的是一種兼具橫隔板和豎擋板的結(jié)構(gòu)。豎擋板為實(shí)心平板，橫隔板上均勻分布著若干圓孔。設(shè)置豎擋板的目的是防止進(jìn)、出口水流直通，造成水流脈動(dòng)過大，設(shè)置橫隔板的目的是減弱水流波動(dòng)，降低罐內(nèi)水流流速。

一般情況下橫隔板的流通面積設(shè)計(jì)為5倍進(jìn)水口管道截面積，進(jìn)水口口徑為50 mm，因此，S孔=0.0098 m2。選取橫隔板的流通面積比f=0.8，則橫隔板的截面積 S橫隔板=S孔/f=0.012 m2。

穩(wěn)壓容器的徑向截面示意如圖2所示。

圖2 穩(wěn)壓容器的徑向截面示意Fig.2 Structure diagram for radial cross section of surge tank

豎擋板設(shè)置于罐體直徑的1/3處，垂直于進(jìn)水管，采用近似公式：

由式（1）可得到，穩(wěn)壓罐直徑D=0.24 m，豎擋板寬度b=0.2 m。

穩(wěn)壓罐的縱向剖面圖如圖3所示，其高度由4部分構(gòu)成，分別為氣室的高度h氣室，溢流液面與豎擋板頂端的距離h溢流，豎擋板頂端與進(jìn)水口中心線的距離h豎頂和進(jìn)水口中心線到罐底的距離h罐底。設(shè)計(jì)穩(wěn)壓罐的高度首先要分別獲得以上4個(gè)參數(shù)。

圖3 穩(wěn)壓容器的軸向截面示意Fig.3 Structure diagram for axial cross section of surge tank

氣室起到彈性緩沖作用，可減小容器內(nèi)水位的波動(dòng)，其在罐體內(nèi)的容積并非固定，但可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（2）計(jì)算得出最小氣室容積Vmin：

式中：τ為時(shí)間因子；δq為泵出口流量的最大相對波動(dòng)量，%；δp為穩(wěn)壓罐壓力的最大相對波動(dòng)量，%；qmax為裝置設(shè)計(jì)的最大瞬時(shí)流量，m3/h。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，δq不超過5%，δp不大于0.1%，得到 Vmin為 0.0796 m3。

穩(wěn)壓罐采用球冠形封頭，封頭高度h封頭=0.1 m。由式（3）可計(jì)算出球冠形封頭的近似容積為0.0098 m3。進(jìn)一步可根據(jù)式（4）計(jì)算出最小氣室高度。

水流進(jìn)入穩(wěn)壓罐后，經(jīng)過3層橫隔板達(dá)到豎擋板頂端后溢流進(jìn)入右側(cè)穩(wěn)壓罐，為保證水流較為平穩(wěn)地流入出口，設(shè)計(jì)溢流流速不超過0.15 m/s，由式

（5）可計(jì)算出溢流液面與豎擋板頂端的距離h溢流。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，豎擋板頂端與進(jìn)水口中心線的距離h豎頂為10倍進(jìn)水口管徑，即0.5 m，進(jìn)水口中心線到罐底的距離h罐底與穩(wěn)壓罐性能無關(guān)，本文設(shè)計(jì)的距離為0.25 m。

經(jīng)過上述分析，可得出穩(wěn)壓罐的最小高度為1.04 m，為了留有一定余量，本文設(shè)計(jì)穩(wěn)壓罐高度為1.2 m。

考慮到機(jī)械強(qiáng)度、加工難度等因素，本文采用5 mm厚的多孔橫隔板，并據(jù)此選取第1層到第3層橫隔板的孔徑分別為12.5 mm，8 mm，6 mm。根據(jù)式（6）確定第1層到第3層橫隔板的孔中心間距分別為16 mm，11 mm和8 mm。

1.2 緊湊型穩(wěn)壓容器的參數(shù)化設(shè)計(jì)

裝置水箱的設(shè)計(jì)要求保證體積盡量小之外還應(yīng)達(dá)到以下要求：①裝置處于非工作狀態(tài)時(shí)，裝置內(nèi)的水均應(yīng)容納與水箱中；②在試驗(yàn)過程中，水箱中的水位變化不能過大，一般不超過液位的5%；③試驗(yàn)過程中，水在水箱中的流速不應(yīng)超過0.015 m/s，以保證有充分的時(shí)間釋放氣泡；④水箱頂端與水位高度應(yīng)留有充分的余量空間。

為滿足上述第3條要求，需保證在最大試驗(yàn)流量條件下，水流在水箱內(nèi)沿各方向上的速度分量均應(yīng)小于0.015 m/s，按極限考慮，只需保證最大試驗(yàn)流量方向?yàn)閤，y，z向時(shí)，流速均小于0.015 m/s即可。定義水箱長、寬和水深分別為L、B和H，需滿足：

設(shè)計(jì)水箱長度為1m，寬度為0.6m，水深為0.6 m，均滿足上述4項(xiàng)要求。

2 裝置的水利阻力特性研究

裝置所選取的水泵應(yīng)該在克服水利阻力后仍能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的最大流量，因此裝置的水利阻力的分析與計(jì)算是水泵選取的關(guān)鍵。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的規(guī)定，不同口徑水表的流量參數(shù)如表1所示，并針對此進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)和水利阻力特性的研究。

裝置流通能力計(jì)算圖如圖4所示。

表1 水表各口徑常見流量范圍Tab.1 Usual flow parameter of different pipe diameter for water meter

圖4 裝置流通能力計(jì)算圖Fig.4 Flow capacity of the standard facility

由于裝置只有一條流通路徑，管道內(nèi)水流速越大，產(chǎn)生的阻力損失也就越大，因此選擇最大的常用流量40 m3/h來計(jì)算裝置總的水頭損失。當(dāng)Q3=40 m3/h時(shí)，電磁敏感性試驗(yàn)要求的參比流量為28.5 m3/h。

按照式（7）計(jì)算沿程壓力損失產(chǎn)生的水頭損失。

根據(jù)表2可計(jì)算出沿程阻力產(chǎn)生的總水頭損失為0.29 m。

表2 裝置沿程阻力系數(shù)Tab.2 Frictional resistant coefficient for standard facility

裝置各局部阻力損失系數(shù)值如表3所示。

根據(jù)式（8）計(jì)算局部阻力產(chǎn)生的水頭損失，hj=17.76 m。

表3 裝置沿程阻力系數(shù)Tab.3 Local resistant coefficient for standard facility

H為水泵進(jìn)水口與循環(huán)管路出水口之間的高度差，為1.1 m，因此，裝置作用水頭為19.15 m。

對其他口徑的水表分別進(jìn)行類似的分析，得到的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 裝置各口徑的作用水頭Tab.4 Efficient water head of different pipe diameter for the facility

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，裝置最大的作用水頭不超過19.15m，根據(jù)該參數(shù)可選擇一臺(tái)揚(yáng)程為36 m，最大流量為30 m3/h的立式循環(huán)水泵，該水泵不僅達(dá)到了上述參數(shù)要求，還留有一定余量。

3 試驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步驗(yàn)證裝置的有效性和在線電磁兼容敏感性試驗(yàn)的效果，選取一臺(tái)DN15的IC卡水表進(jìn)行試驗(yàn)，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)過程中磁場頻率從80 MHz到1 GHz之間共分17段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在每個(gè)頻率段內(nèi)頻率從起始頻率以1%的幅度逐漸增加到終止頻率。分別使用零流量法和實(shí)流法測試電磁兼容干擾對被測儀表的影響。

圖5 IC卡水表在線電磁兼容試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 Electromagnetic compatibility experimentation for IC card watermeter

使用零流量法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，分別記錄施加干擾前和各頻率段干擾過程中水表內(nèi)部的存儲(chǔ)值，如表5所示。

表5 零流量法試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Experiment result of zero flow method

使用實(shí)流法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，分別測量施加干擾前和各頻率段干擾過程中水表的示值誤差，測量結(jié)果如表6所示。

表6 實(shí)流法試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Experiment result of actual flow method

通過對比兩種試驗(yàn)方法的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，零流量法只能反映水表電子裝置的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能是否受到電磁干擾的影響，一般而言，此功能不易受到影響。然而，通過實(shí)流法測量示值誤差發(fā)現(xiàn)，在施加干擾時(shí)，水表的計(jì)量性能受到了不同程度的影響，表現(xiàn)為示值誤差與施加干擾前相比出現(xiàn)了波動(dòng)?？梢娏懔髁糠ú荒苋娣从畴姶鸥蓴_對被測水表的影響，只能考察靜態(tài)特征，而忽略了動(dòng)態(tài)條件下最重要的計(jì)量性能指標(biāo)。因此，借助本文設(shè)計(jì)的緊湊型液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置能夠測量受電磁干擾時(shí)流量儀表計(jì)量性能的變化量，對儀表的抗電磁干擾性能做出更加深入的分析。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種緊湊型液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，可用于電磁兼容環(huán)境影響下水表示值誤差的在線測量，能夠更好的分析水表在施加電磁干擾時(shí)計(jì)量性能的變化，同時(shí)避免了對電磁兼容暗室的破壞。本文針對新裝置的整體和關(guān)鍵部分進(jìn)行了緊湊型參數(shù)化設(shè)計(jì)，并研究其水利阻力特性，之后加工完成了該裝置，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了裝置的有效性和實(shí)流法電磁敏感性試驗(yàn)的優(yōu)勢。