江航成 郭 刚 李 杭 沈文新,2

(1.金卡高科技股份有限公司，杭州 310018；2.浙江省计量科学研究院，杭州 310018)

热式燃气表脉动流量测试技术的研究

江航成1郭 刚1李 杭1沈文新1,2

(1.金卡高科技股份有限公司，杭州 310018；2.浙江省计量科学研究院，杭州 310018)

研制了一套方波脉动流与恒定流一体的标准表法流量试验装置。介绍该装置的结构、工作原理和计算模型，建立单次脉动流测量时间的数学模型。对基于微机电系统(MEMS)工艺的G6规格热式燃气表，设计了一个仪表采样频率为1s、不确定度为1%的试验方案。结果证实：脉动流平均误差与恒定流误差之偏差ΔE，在高区脉动流周期为5.25Tc(Tc为仪表采样周期)、10.50Tc时不超过0.50%，周期为1.05Tc时不超过1.00%；在低区脉动流周期为5.25Tc、10.50Tc时不超过1.00%，周期为1.05Tc时不超过2.00%。

脉动流量试验装置 热式燃气表 采样周期 单次脉动流测量时间 偏差ΔE

随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)的出现及其技术的不断创新，价格低廉的超低功耗、高测时精度专用流量传感器芯片日趋成熟。近年来，家用电子式燃气表(如超声波燃气表、热式燃气表和射流式燃气表)逐渐成为流量仪表行业的研究热点，挑战了量大、面广的机械结构家用膜式燃气表的传统地位[1～3]。2015年，国家建设部颁布了我国首个家用超声波燃气表行业标准，该标准修改采用欧盟标准[4,5]。然而由于对标准缺少起草背景和技术现状的了解，导致对标准技术要求不够严谨，也给测试设备和试验方法的确定带来极大的难度。脉动流量示值误差是家用电子式燃气表特有的重要计量特性之一[5]，然而对该计量特性的理解和测试方法业内人士各抒已见；同时，目前的研究和报道多为连续流条件下的脉动流，即气体压力脉动或流速场变化对计量仪表的影响[6,7]。因此，研究家用电子式燃气表脉动流量特性及其试验装置和测试方法，对推动智能家用燃气流量仪表的发展至关重要。

1 关键参数①

1.1 脉动流量

家用电子式燃气表定义的脉动流量与连续流条件下压力波动引起的脉动流并非同一概念。家用电子式燃气表脉动流实际是考核燃气阀开关或调节流量过程中，仪表能否保持计量精度。故该含义的脉动流量又称断续流量。根据文献[4]，高区试验脉动流量为0.375qmax(qmax为仪表的最大流量)，脉动周期分别为1.05Tc、5.25Tc、10.50Tc(Tc为仪表采样周期)；低区试验脉动流量为0.070qmax，脉动周期与高区相同。定义脉动流误差与恒定流误差的偏差为ΔE，其值在1.05Tc时不能超过最大允许误差(Maximum Permissible Error,MPE)的三分之二；在5.25Tc和10.50Tc时不能超过MPE的三分之一。脉动流流态波形规定为方波波形，即开关式试验。研究脉动流量计量特性极为重要，通过与恒定流误差比较，得以优化仪表设计。如设计合适的Tc，Tc值小，有利于计量精度的提高，但功耗大；Tc值大，能耗低，但仪表精度不易控制。

1.2测量时间

由理论分析可知，脉动流量测量时间的长短直接影响测量结果。试验时间越短，其随机示值误差越大；试验时间越长，测试条件越难控制。所以，合理设计脉动流量试验时间极为重要。据文献[4]要求与相关不确定度理论[8]，预估脉动流量测量引入的B类标准不确定度sd为：

(1)

式中k——包含因子；

N——脉动流方波脉冲个数；

s——脉宽时间，s。

设单次脉动流量测量时间为t，则有：

(2)

由式(1)、(2)可知：

设Tc=1s、sd=1%、k=2，则：

(3)

由式(3)确定的高区和低区单次脉动流量测量时间见表1。

表1 单次脉动流量测量时间

2 流量测试装置的结构原理与模型

2.1结构原理

脉动流量试验装置(图1)由热式燃气表(MUT)、膜式燃气表(MMT)、三通换向阀、临界流文丘里喷嘴、真空泵(Vac)、温压传感器和PC系统组成。工作时，在真空泵抽气作用下，大气环境中的空气进入热式燃气表，流过膜式燃气表，经三通换向阀流入临界流文丘里喷嘴。临界流文丘里喷嘴作为参比标准表，其体积示值扩展不确定度为0.5%。在恒定流量下，热式燃气表和膜式燃气表的量值可溯源至该参比标准。但在检测脉动流量时，临界流文丘里喷嘴将不能作为参比标准，只是配合换向阀作稳定试验流量之用。膜式燃气表的体积示值扩展不确定度优于1.0%，在脉动流量检测时可作为工作标准表。

图1 脉动流量试验装置结构示意图

2.2计算模型

临界流文丘里喷嘴的标准体积计算式为：

式中A——喷嘴喉部面积，m2；

C*——临界流函数，可通过计算或查表获得；

M——气体的摩尔质量，空气的气体常数取值为28.962 47kg/kmol；

p0——喷嘴入口滞止压力，Pa；

R——通用气体常数，空气的气体常数取值为8 314.41J/(kmol·K)；

T0——滞止温度，K；

Vn20——喷嘴在标准状态下的累积体积，m3；

ρ20——标准状态下的气体密度，干空气取1.204kg/m3。

膜式燃气表无论是恒定流还是脉动流，其累积体积示值均应换算到标准状态下的体积，即：

式中pm——燃气表入口处的气体绝对压力；

Tm——燃气表入口处的气体绝对温度；

Vm——单次试验的工况累积体积；

Vm20——膜式燃气表标准状态下的累积体积，m3。

热式燃气表的体积示值V是标准状态下的标准体积，无需进行修正。恒定流仪表和膜式燃气表的示值误差E1和E2的计算式分别为：

仪表脉动流量的示值误差E为：

偏差ΔE为：

ΔE=|E-E1|

3 试验与结果分析

将一台G6规格的MEMS热式燃气表和G4规格的膜式燃气表安装在脉动流量试验装置(图1)中。临界流文丘里喷嘴的流量为3.75m3/h(0.375qmax)，在该高区流量下，首先测量两表恒定流误差，然后进行1.05Tc、5.25Tc、10.50Tc脉动流量误差测试。测试结果显示，低区流量试验顺序与高区流量试验顺序相同。恒定流试验时间为5min，脉动流量测量时间见表1，每个流量点测量3次，试验结果见表2。需要特别注意的是，MEMS热式燃气表的示值直接为标方体积，而膜式燃气表流量累积值和临界流文丘里喷嘴流量均已换算到同一标准状态下(20℃、101.325kPa)。

表2 脉动流量试验结果

表2的试验结果表明，脉动流误差小于恒定流误差；高频(1.05Tc)脉动流误差小于低频(5.25Tc、10.50Tc)脉动流误差；高区脉动流误差大于低区脉动流误差。恒定流和脉动流示值误差的重复性均很小，说明试验装置与试验时间的设计可行、可信。脉动流平均误差与恒定流误差之偏差ΔE，在高区脉动流周期为5.25Tc、10.50Tc时不超过0.50%，周期为1.05Tc时不超过1.00%；在低区脉动流周期为5.25Tc、10.50Tc时不超过1.00%，周期为1.05Tc时不超过2.00%，符合技术标准要求。试验数据满足产品标准提出的技术要求。

4 结束语

笔者介绍了家用电子式燃气表脉动流量的定义，给出了单次脉动流量测量时间的数学表达式，设计了一套脉动流量试验装置并进行了脉动流和恒定流的流量试验。试验结果证明，膜式燃气表和临界流文丘里喷嘴双标准脉动流量试验装置的设计是成功的，可用于家用电子式燃气表计量性能的测试。该装置已取得实用新型专利证书，推动了更多规格热式燃气表脉动流量性能研究和测试的积极进行。

[1] 闫继伟,边可可.超声波燃气表的设计与实现[J].工业计量,2013,23(4):46～48.

[2] 詹志杰,王函滔,沈文新.射流式家用燃气表结构与计量特性探讨[J].计量学报,2014,35(6A):154～157.

[3] 姚灵,左富强,徐亮.户用射流热量表流量测量特性的研究[J].仪表技术,2011,(5):5～9.

[4] CJ/T 477-2015,超声波燃气表[S].北京:中国标准出版社,2015.

[5] BSI BS EN 14236,Ultrasonic Domestic Gas Meters[S].London:British Standards Institution,2007.

[6] 李文,应启戛.脉动气体流对涡轮流量计测量误差的影响[J].自动化仪表,2003,24(6):20～22.

[7] 董承钧.直接测量脉动流量的超声波流量计[J].工业计量,2002,(z1):46～49.

[8] JJF 1059.1-2012,测量不确定度评定与表示[S].北京:中国标准出版社,2012.

ResearchonPulsatingFlowTestTechnologyforThermalGasMeters

JIANG Hang-cheng1, GUO Gang1, LI Hang1, SHEN Wen-xin1,2

(1.GoldcardHigh-TechCo.,Ltd.,Hangzhou310018,China; 2.ZhejiangProvinceInstituteofMetrology,Hangzhou310018,China)

A standard meter method-based flow test device which combining square wave pulse flow and steady flow was developed. This device’s structure, operating principle and calculation model were introduced and the mathematic model for measuring the time of a single pulsating flow was established. Regarding the MEMS technology-based G6 thermal gas meter, the testing program which boasting of 1s sampling frequency and 1% uncertainty was designed to show that, the average deviation(ΔE)of the instrument between pulsating flow and constant flow is less than 0.50% at high area of 5.25Tcor 10.50Tcpulsating flow cycle and it is less than 1.00% at 1.05Tcpulsating cycle; and it’s less than 1.00% at low area of 5.25Tcor 10.50Tcpulsating flow cycle and it is less than 2.00% at 1.05Tcpulsating cycle.

pulsating flow test device, thermal gas meter, sampling period, measuring time of single pulsating flow, deviation (ΔE)

TH814

A

1000-3932(2016)12-1273-04

2016-06-22