流量均匀性对膜式燃气表检定的影响

谢皓东　张　涛　唐艳宏　王　煜，2

(1.西藏自治区质量技术监督局计量测试所，拉萨 850000；2.中国计量科学研究院光学所，北京 100013)

0　引言

燃气已经成为我国大部分居民的主要能源之一，燃气表作为国家规定的强制检定计量器具，其计量准确度直接影响到千家万户燃气用户和供气公司的经济利益。为此，国家计量行政部门将家用燃气表列入强制检定目录，制定了JJG 577—2005《膜式燃气表》检定规程[1]，将其作为重点管理的工作计量器具。随着燃气表和检定装置制造技术的不断提高，燃气表检定准确度已提高了很多，但在日常检定工作中依然存在很多影响燃气表检定准确度的因素。本文通过研究钟罩式燃气表检定装置气体流量的均匀性对燃气表检定准确度的影响，提高燃气表检定的准确度和重复性。

1　膜式燃气表的工作原理

当流动的气体经过燃气表时，受到管道摩擦及机构的阻挡，内部的燃气会在燃气表进出口两端产生压力差，通过这个压力差推动膜式燃气表的膜片在计量室内运动，并且带动配气机构进行协调配气，使得膜片的运动能够连续往复的进行，再通过圆周运动带动机械滚轮计数器转动，膜片每往复一次，就排出一定量气体，最终滚轮转过一个计数单元，实现滚轮旋转计量显示效果[2]。

燃气表隔膜往复运动并通过转阀将进出气口换向实现将气体连续排出。当两个隔膜做完一次往复动作时，与其联动的偏心齿轮轴旋转一周，这时所排出的气体体积叫回转体积[3]。燃气表排出的气体体积量和偏心齿轮轴转动的转数成比例，按式(1)计算：

Qv=nVc

(1)

式中：Qv为气体体积量，m3；Vc为回转体积，m3；n为转数。

当转阀超前时，就是说它还没有完全充满气体就换向了，这等于燃气表回转体积量减少了，此时燃气表排出的实际气体体积量按式(2)计算：

Vm=nVc-nΔV=n(Vc-ΔV)

(2)

式中:Vm为燃气表排出的实际气体体积量；ΔV为体积减少量。

根据膜式燃气表检定规程JJG 577—2012[4]，膜式燃气表的示值误差是指表计的指示装置显示值与标准器显示值之间差值的相对百分比[5]。测量示值误差按式(3)计算：

E=(Vm-Vs)/Vs×100%

(3)

式中：E为测量示值误差；Vs为标准装置的示值。

综合式(2)、(3)：

E=[n(Vc-ΔV)-Vs]/Vs×100%

(4)

可见回转体积的充满程度对于燃气表的准确度有很大影响，通常在燃气表检定过程中，都未考虑回转体积减少量对示值误差带来的影响，也未对该影响因素进行补偿。影响回转体积减少量的主要因素为气体的流量值。在燃气表检定过程中，虽然将流量设定为一恒定值，但是流量从零到设定值需要一段时间，即燃气表中燃气的瞬态流量是不断变化的。而这段时间燃气表的回转体积均小于流量恒定后的额定回转体积。在通常的计量检定计算过程中，将整个过程均视为在稳定流量下进行的，因而忽略了回转体积减少量对误差计算带来的影响。本文通过系列实验证明气体流量均匀性对燃气表检定准确度的影响。

2　实验方法

采用钟罩式检定法[6]，用丹东科泰仪器仪表有限公司生产的LJQ-100型钟罩式气体流量标准装置(准确度为0.5级)，对河南新天生产的膜式燃气表(准确度为1.5级)的四块标准表进行检定，根据检定规程JJG 577—2012，示值误差检定时的最少通气量不少于燃气表最小分度值的200倍，设定检定大流量(Qmax)为4.0(m3/h)，检定体积为50L。气体瞬态流量从0到设置的4.0(m3/h)需要30s，而在这一过程中，燃气表的回转体积均小于流量恒定后的回转体积。本文在同一台检定装置上，相同的环境条件下，采用七种检定方式，分别从进气阀开启开始计时，预通气0，5，10，15，20，25，30s后中断进气，然后再启动检定程序重新计时开始检定。在上述每个情况下，对同一块燃气表重复检定10次，比较七种检定情况下被检表的误差变化情况和重复性变化情况。

3　数据处理

3.1　预通气对瞬时流量的影响

预通气5，10，15，20，25，30s后中断进气程序，然后再重新启动检定程序的流量随时间变化基本相同，用这六种预通气方式的平均值拟合成一条曲线，同未进行预通气情况下的流量变化曲线进行对比，如图1所示。

图1　瞬时流量随预通气时间变化图

随着预通气时间的增加，气体瞬态流量从0达到设定值4.0(m3/h)，所需的时间逐渐减少，且同一时间点的瞬时流量不断增加。图1中未做预通气和预通气之间的面积差与整个检定过程覆盖的总面积比，可以表示两种状态下通过燃气表气体的体积差与额定体积的比值。经模拟计算，该部分的面积占未预通气检定面积的1%，即在检定过程中，该部分体积被纳入统计的多少，对燃气表的示值误差有显著影响。随着预通气时间的增加，该部分体积被纳入统计的量随之减少。

3.2　燃气表检定误差变化情况

取10次检定误差的平均值为该检定情况下的检定误差，燃气表在不同预通气时间下检定的误差，随着预通气时间的增加逐渐降低。将四块表的检定误差取平均值拟合为一条曲线，如图2所示。

图2　误差随预通气时间变化图

3.3　燃气表重复性变化情况

10次检定误差的标准偏差为该检定情况下的重复性。燃气表在不同预通气时间下检定的重复性，随着预通气时间的增加越来越好。将四块表的检定重复性取平均值拟合成一条曲线，如图3所示。

图3　重复性随预通气时间变化图

4　结果讨论

随着检定预通气时间的增加，达到预设恒定流量的时间随之缩短，且在相同时间点，有预通气的瞬时流量更大，预通气20s后的瞬态流量大小与预设恒定基本相同。不做预通气处理时，前20s的流量差异，对燃气表的回转体积有明显的影响，这直接影响检定误差和重复性。随着检定预通气时间的增加，瞬时流量逐渐增大，对回转体积的影响减小，检定误差随之变小，重复性更好。

燃气表首次检定的允许误差为±1.5%，预通气20s以后的检定误差同未预通气的检定误差相差接近1%。这与流量随时间变化图中，面积差与整个检定过程覆盖的总面积比相吻合。可见燃气表检定过程中的流量均匀性是检定误差的重要影响因素。有无预通气，在膜式燃气表检定过程中，对于计量的准确度有着重要的影响。

预通气时间分别为20s、25s和30s三种情况下，达到预定流量的时间以及各时间点的瞬时流量基本相同。经过预通气处理，前期由于流量的均匀性不同对回转体积的影响基本被排除，得到的检定误差和重复性基本相同。因此建议在用钟罩式气体流量标准装置对膜式燃气表进行检定时，采用预通气的处理方法进行检定，预通气的时间建议为20s。

[1]JJG 577—2005膜式燃气表检定规程

[2]穆春丽.浅谈膜式燃气表的原理与检修.科教创新,2011(11).

[3]潘石,马凯,高红娜.膜式燃气表转阀与膜片运转的同步性对计量性能的影响.品牌与标准化，2010(8)

[4]JJG 577—2012膜式燃气表检定规程

[5]洪子伟.膜式燃气表示值误差的调整方法及设计实现.计量技术,2007(6)

[6]曹久莹.钟罩式气体流量标准装置检定中的思考.仪器仪表标准化与计量,2010(2)