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金卡智能集团股份有限公司 江航成/郭刚/丁渊明/钭伟明

来源：《计量技术》2019年第6期

摘要：热式燃气表与超声波燃气表作为新型的电子式燃气表，按其计量原理，在实气介质下的示值误差与 空气有所差异。为研究电子式燃气表在实气介质下的计量性能，提出一种基于质量守恒原理、采用实气循环方式测试示值误差的新方法，研制一套主动式低压盘形活塞环道实气流量标准装置。该标准装置名义体积120l，最大工作压力10kpa，分辨力为0.53ml，扩展标准不确定度uref=0.04%(k=2)，满足流量范围(0.016~10)m3 /h电子式燃气表在实气介质下示值误差的测试要求。该装置准确度高，采用气体循环测试，有效降低测试成本，减少对周边环境影响。

关键词：气体流量试验装置；盘形活塞；实流检测；燃气表

引言

近年来随着清洁能源的推广，天然气的应用日趋普遍，燃气表广泛应用于天然气的贸易结算，属于国家重点管理计量器具，计量性能的准确性涉及千家万户的利益。目前普遍使用膜式燃气表，一种采用容积式计量原理的机械仪表，采用柔性膜片计量室方式来测量气体体积流量。在长期使用过程中膜片、分配阀、连杆等不断往复运动，对误差产生很大影响。随着技术的不断创新，性价比高的超低功耗、高测量准确度的专用流量传感器日趋成熟。 电子式燃气表相比膜式燃气表具有无可动部件、体积小、易集成、灵敏度高、智能化的特点，目前已普 遍应用于燃气计量，成为流量仪表行业研究热点 [1-3] ，典型产品为热式燃气表与超声波燃气表，其行业标准[4-5]相继都已颁布。热式燃气表是一种利用热传递原理测量标准状况下流量的计量器具[6]， 热传递效果与气体的比热容有关。超声波燃气表利用超声波在流动介质中顺流方向和逆流方向的时间差与流体的平均流速成正比的原理[7]，时间差与声速有关，声速与气体的摩尔质量及摩尔气体常数有关。电子式燃气表在实气介质下的示值误差与空气有所 差异，因此准确测量、分析、评价实气介质下的计量误差，成为当前发展新型电子式燃气表需要解决的问题。 

1 装置现状

气体流量原级标准是根据流量的定义来复现气体流量值的，通过对质量、长度、时间等基本量溯源得到准确的流量值，是准确度最高的流量装置[8]。

国家石油天然气大流量计量站南京分站以及成都分站建立基于质量-时间法的标准装置，武汉分站建立基于高压活塞法的原级气体流量标准装置[9]，德国pigsar天然气流量计检定站采用高压活塞装置[10]，检测对象都是高压、大流量的工业用流量计，但是针对民用燃气表，压 力低 (2kpa)、小流量(0. 016 ~10)m3/h 的原级低压标准装置尚属空白。目前常见的检测装置是通过用标准表与被检表串联比较法测试，燃气属于易燃易爆的气体，测试地点放在户外，温度无法保证恒温，标准表的准确度不够高，测试结论难以信服。

2 装置结构原理

低压环道实气流量标准装置，主要由活塞标准装置、气源系统、控制系统、夹表系统组成，该装置的性能参数见表 1，装置原理示意图见图 1。

表1 装置性能参数表

活塞标准装置主要由活塞缸、盘型活塞、活塞杆、丝杠、伺服电机、编码器、导杆、传感器和阀门等组成，活塞缸被活塞分为左缸和右缸两部分，右缸为计量腔，用于产生及计量标准流量的气体，左缸为返回腔，用于收集经过被检表的气体。

气源系统有3个储气罐、真空泵、管路、阀门组成，储气罐分别存储氮气、空气和燃气，氮气与燃气由压缩气瓶减压供给，气瓶可根据测试要求配置相应组分比例的标准气体。空气由压缩管路提供。储气罐起到气体的存储、供给、恒温、稳压作用。氮气用于管路中气体的吹扫，起到安全、防爆作用。真空泵为气体置换提供动力源，确保管路中的气体置换干净。

控制系统通过计算机以及摄像采样器完成对测试程序编制、参数设置、信号处理，夹表系统由气缸及夹具完成对燃气表串联进入测试管路。

实验室配置防爆中央空调，连接电路外套防爆线缆，金属管路均通过接地处理，安装排风扇以及可燃气体探测器，采用防爆真空泵，置换气体通过高达10m管路往高空排放，确保测试环境安全。

电子式燃气表设定检测模式，led灯按照1 l的脉冲当量显示，被装置采集到信号。在操作程序上设置流量以及测试脉冲数等参数启动测试，伺服电机驱动丝杆转动，丝杠采用p5精度，运动1个导程为5mm，编码器输出104个脉冲。丝杆带动活塞在恒定截面的活塞缸内匀速方式移动，产生设定流量的气体，流经被检表以及储气罐再返回活塞左缸。摄像采样器采集到被检表的首个脉冲，控制系统开始计算编码器的脉冲数，直至检测到被检表的末个脉冲。式（1）计算出被检表的体积，式（2）根据脉冲数及长度脉冲系数，计算出该段时间内活塞位移，式（3）根据位移与有效截面积计算出活塞体积，按式（4）根据被检表的温度压力对活塞体积进行转换，得到流经被检表的实际气体体积，式（5）计算出被检表的示值误差。

(1)

式中：vm为通过被检表的气体体积(mm3)；n为被检表的脉冲数；p为被检表的脉冲当量

(2)

(3)

式中：l为丝杆运动位移（mm）；f为脉冲数； k为长度脉冲系数；vs为通过活塞装置的气体体积(mm3)；d为活塞缸内径(mm)；d为导杆外径(mm)。

式中：vref为通过被检表的实际气体体积（mm3）；pm为被检表处的气体压力（kpa）； ps为活塞处的气体压力（kpa）；tm为被检表处的气体温度（k）； ts为活塞处的气体温度（k）；e为被检表的示值误差（%）。

3 不确定度分析

      依据质量守恒原理，在封闭的管道中，活塞平移将气体排出，气缸内减少的气体质量等于被检表流过的质量[11]。在定温、定压下气缸内的气体密度不变，气缸内减少的气体体积就是被检表流过的体积。活塞位移与有效截面积乘积即为气体体积。有效截面积通过测试直径得到，位移通过编码器的脉冲数及长度脉冲系数校准获知。主动式活塞的校准方法有尺寸测量法、容积测量法与质量测量法[12]，本文按尺寸测量法对装置的不确定度进行评定。

检定过程中温压保持恒定，在测试时间内活塞排出的气体量：

（6）

式中：v20为活塞排出的20℃气体体积(mm3)。

     活塞缸内径以及导杆，在加工后装配之前，委托计量所进行校准。依据活塞装置装配图，确定计量段高度，将计量段高度等分为10个测量截面m，在每个测量面沿圆周测量6个直径。按式（7）计算平均直径。

（7）

式中：m为测量截面积数；n为测量面的测量次数；量具材料20℃膨胀系数()℃-1；缸体材料20℃膨胀系数()℃-1；t为环境温度(℃)。

活塞运动长度按式（2）计算，在装置安装完成调试后，委托计量机构用激光干涉仪在线校准脉冲系数k，将式（2）、（7）带入式（6）得式（8）：

（8）

该装置的合成相对标准不确定评定见式（9）：

式中：为活塞缸平均直径的相对标准不确定度%；为导杆平均直径的相对标准不确定度%；为测量环境温度的相对标准不确定度%；为脉冲的相对标准不确定度%；为长度脉冲系数引入的相对标准不定度%。

3.1活塞缸平均直径的相对标准不确定度

不同位置m测试10次，每个截面n测试6次，标准偏差为0.041mm，平均直径为379.964mm。

3.2  导杆平均直径的相对标准不确定度

不同位置m测试10次，每个截面n测试6次，标准偏差为0.022mm,平均直径为99.929mm。

3.3测量环境温度的相对标准不确定度

设环境气温为20℃，测试过程中温度的不确定度，按矩形分布kp=。

3.4脉冲数的相对标准不确定度

最小测试体积为10l，累计脉冲数189836个，最大分辨力为1个脉冲，按均匀分布k=。

3.5长度系数引入的相对标准不确定度

根据活塞的安装情况设定4段长度，每段长度测试3次，测试数据见表2。计算出活塞长度系数的平均值为0.00050mm ，标准偏差为6.487×10-8mm。

表2长度脉冲系数校准值

根据以上相对标准不确定度的评定及其灵敏系数整理的相对标准不确定度一览表如表3所示。

表3  相对标准不确定度评定一览表

该装置的合成相对标准不确定度0.021%，相对扩展不确定度=0.04%，k=2。

4 结束语

随着科技不断创新，电子式燃气表技术日趋成熟，逐渐进入燃气计量领域。由于燃气易燃易爆，不可能采用燃气为介质进行检定。所以在新产品研制以及型式评价过程中，实气下的计量准确性应为重点测试项。低压活塞环道实气流量标准装置最大工作压力10 kpa，装置相对扩展不确定度urel=0.04%（k=2),可测流量范围为（0.016~10）m3/h的电子式燃气表，满足标准对于电子式燃气表在实气介质下的误差测试要求。由于所购实气为标准物质，价格昂贵，采用循环测试，有效降低成本，减少对周边环境影响。该套装置运行性能稳定、量值准确可靠。

参考文献

[1]汤志彪,钱永安,龚寰平.浅析膜式燃气表与超声波燃气表的计量误差特性曲线[j].计量技术,2019(2):49-50

[2]牛立娜,江航成,陈红,聂西利.超声波燃气表温度适应性测试研讨[j].计量技术,2018(10):23-26

[3]张恩满,江航成,沈文新.气体脉动流及测试装置技术研究[j].计量技术,2017(6):16-18

[4] jb/t12958—2016 家用超声波燃气表[s]. 北京：机械工业出版社，2017 

[5] jb/t13567—2018 热式质量燃气表[s]. 北京：机械工业出版社，2018

[6] jjg（渝）010-2017 家用热式质量燃气表[s].北京：中国质检出版社，2017

[7] jjg(京)3001-2017户用超声波燃气表［s］北京：中国质检出版社，2017

[8] 高志国,朱瑞苗,吴佳,王美燕.天然气实流检定原级标准装置的设计研究[j].石油化工自动化,2014,50(6):13-16

[9]徐明,闫文灿,陆玉城.基于hppp法的高压大流量天然气计量检定站系统工艺[j].油气储运,2018,37(07):810-815.

[10]王勇,王晓霖,张松伟.基于hppp法的pigsar天然气流量计检定站工艺[j].油气储运,2015,34(9):988-992

[11]郭刚,江航成,沈文新.膜式燃气表检定装置在线校准技术研究[j].中国计量大学学报,2016,27(03):254-257 263.

[12] jjf1586-2016主动活塞式流量标准装置校准规范 [s]. 北京：中国质检出版社，2017