湿式气体流量计计量特性的探讨

　

0 引言

    在测量流量<20m³/h的过程中，湿式气体流量计（以下简称湿式表、仪表）以其无泄漏的特点和卓越的测量稳定性，得到广泛的应用和快速的发展。荷兰NMi建立以湿式表为传递标准和工作标准的流量测量装置[1]，开展对钟罩校准测量和膜式燃气表的型式检验。德国PTB以湿式表为标准表，开展对小喉径临界流喷嘴流出系数的校准。我国越来越多的强检机构和燃气用具制造厂，依据膜式燃气表计量检定规程[2]、燃具实验室试验装置配备要求[3]，建立以湿式表为标准表的计量装置。

    湿式表属于定排量容积式流量计[4]，上一级流量标准对其校准时一般要按照湿式表的整回转数倍体积进行校准[5]。但湿式表在使用时，单次测量累积流量一般不是整回转数倍体积。当测量体积较少时，测量误差增大，定排量容积式流量计存在回转误差这一缺点就显露出来了。因此，如何确定仪表回转误差，或设置相关条件控制回转误差就值得研究和探讨。

    1 结构与测量原理

    湿式表由外壳体、转筒、计数机构及表盘等组成。湿式表的基本结构如图1所示。

图1　湿式表基本结构图

    壳体内盛有低黏度油或清水作为封液，转筒直径的3/5浸入在液体中，封液随气体流入和流出作顺时针转动。转筒呈圆筒形，被若干叶片（通常为3～5片）分隔成互不通气、理论容积相等的曲折计量容腔，转轴水平搁置在前后外壳端盖中心。转筒后端盖与叶片组成一个进气室，开口处是计量腔的进气口，前端面叶片开口处是计量腔的排气口。外壳顶部有一组仪表水平基准器，侧面设有液位高度基准器。工作时，利用进出口间的气体压差力，推动转筒旋转。夹装在转筒主轴上的指针和主动齿轮随转筒同步转动，经一定速比的从动齿轮传动，将转筒的旋转次数转换成容积，由机械计数器累积计量。高精度湿式表还配装温度计、压力计、数字信号接口。

    图2为湿式表工作原理图，数字1、2、3、4为四个鼓轮计量腔的编号。计量腔离开水面是进气开始，浸入水中时，随着浸入深度的增加而不断地把气体排挤出去。

图2 工作原理图

    2 误差特性    

    2.1 示值误差特性

    流量示值误差是湿式表的重要计量特性。仪表采用液体密封，无泄漏流量存在，其流量示值误差特性曲线与其他气体容积式流量计特性曲线有显著差别。流量越大，表内液位差也越大，计量腔体积增大，示值误差趋负值。图3为流量示值误差曲线示意图。

图3　误差曲线

    由图3可知，当小于公称流量Q_n时，液位趋于恒定，误差特性曲线呈近似于平直的理论曲线[6]，仪表精确度几乎可校准到传递标准的相同量级。

    2.2　回转误差特性

    回转误差是指转筒在循环转动一圈的过程中的示值偏差。它反映组成转筒的若干个计量腔的空间体积的一致程度，即输出体积对应均匀分布的仪表表盘或编码盘（脉冲输出）的线性度。转筒循环一个周期间，回转误差周期性地出现一次，仅与转角有关。回转误差是系统偏差，转筒转动一整圈（360°）的示值误差f（Q）只与流量大小有关（当然还与封液水平调整等有关）。参照文献[7]，对转角为Ф的仪表示值修正f（Q）后，得到的回转误差为：

    

    式中：V.（Φ）为参比体积；V（Ф）为仪表示值；f（Q）为相对于仪表的示值误差（根据流量误差校准曲线）。

    转筒转过dΦ角度，仪表示值累加dA为：

    关 （3）

    式中：U为湿式表每转一圈的体积值，即回转体积。该角增量的参比体积为：

      （4）

    回转误差为：

       （5）

    函数s（Ф）与计量腔的几何形状相关。若计量腔相互间几何形状完全一致，s（Ф）=U/（2π）为常数，dA=dV.。实际中，各计量腔间的几何尺寸存在差异，但经分析后得出，这个差异可忽略。对式（5）积分得：

       （6）

    设转筒的初始转角位置Ф=0、仪表示值A=0、参比体积V.=0，定义此时的回转误差Fp（0）=0。仪表示值和参比体积都是转筒转角的函数，Fp（Ф）值在转筒每一循环中重复出现一次，周期2π。任意两位置Ф1和Ф2之间的回转误差为：

       （7）

    初始位置Ф1和终止位置Ф2表明回转误差仅与转角有关，与转了多少圈无关，和Fp（Ф）在两角度之间的曲线也无关。

    3　实验分析

    本实验选用0.05级活塞式气体流量标准装置，两台湿式表的准确度等级均为0.2级。1号实验表的型号为25L/r、回转体积为25L、脉冲体积当量为0.025L/P、封液介质为2号白油，制造商为荷兰爱拓利。2号实验表的型号为SQ210、回转体积为10L、脉冲体积当量为0.01L/P、封液介质为5号白油，制造商为四川三协仪器仪表有限公司。

    试验按10个均分点，每一点测量3次，取其平均值。修正试验流量下的示值误差后，回转误差如表1所示。

    从实验数据分析可知，采用整回转体积测量，无回转误差；测量越接近整回转体积，回转误差越小。实验用两台表的准确度等级相同，但其回转误差优劣相差很大。若按回转误差值计算仪表示值相对误差，结果将呈现相对误差超过仪表准确度等级对应的最大允许误差。考虑到气体计量易受温度、压力的影响，测量时间不宜过长。从工作效率而言，测量体积也应尽可能的小。一种有效的办法就是使用整回转数测量，但实践中很难做到。根据仪表回转误差的大小规定其最小测量体积，不失为一种有效控制测量误差的办法。湿式表的体积读数与转角成正比，实际测量时的参数是体积而不是转角Ф，根据式（6）有：

       （8）

    式中：

    不同的湿式表有不同的回转误差曲线；同一湿式表若指针安装位置改变，回转误差曲线也改变。根据所得回转误差FP（Ai）、最大和最小回转误差以及指针的相对位置（读数Ai），按式（7）所表达的极值差，可知出现误差最大（最大回转误差）的位置，即：

       （9）

    若要求湿式表回转误差不超过0.25%、规定相邻U/10刻度值之间的偏差不超过10%，那么允许最小测量体积为：

    

    最少回转圈数为：

       （10）

    相邻刻度间的偏差为：

       （11）

    由表1知，1号流量表的允许最小测量体积、最少回转圈数、相邻刻度间的偏差分别为：

    

    湿式表相临间的回转误差较大，不满足式（11）。2号流量表的偏差计算如下：

     

    显然，式（12）满足式（11）。

    4　结束语

    湿式气体流量计的误差特性曲线是指流量示值误差校准曲线和回转误差特性曲线。制造商明示的仪表准确度等级，通常是指使用整回转测量时的测量精度。相同准确度等级的仪表，回转误差优劣有可能相差很大，建议对该类流量计的校准应增加回转误差试验项目，在测量不确定度评定时不应遗忘该分量。湿式流量计的使用特点是整回转体积使用，整回转体积测量有困难时，可依据回转误差的大小，规定其最小测量体积，以控制仪表回转误差引入的测量误差。