环境条件对膜式燃气表计量特性影响的讨论

关键词：膜式燃气表，检定，温度，湿度，大气压力

0 引言

燃气表是“民用三表”之一，主要用于计量燃气的累积体积和流量，在燃气交易测量方面，例如，工商业、民用交易等都有应用，是测量燃气消耗的关键设备之一。膜式燃气表是目前使用最为广泛的一种，主要采用柔性膜片计量室的方式来测量气体体积流量，当气体通过膜片时，膜片会因为气体的压力而变形，从而推动测量器记录气体流量[1]。为确保其公平性和公正性，燃气表需要进行首次强制检定，限期使用，到期轮换。

JJG 577—2012《膜式燃气表》检定规程中规定的主要检定项目为流量示值误差，检定环境条件中，温度为（18～22）℃，大气压力一般为（96±10）kPa，相对湿度为45% RH～75% RH，使用洁净的空气作为介质[1]。据流体力学相关知识[2]，相较于固体和液体，气体分子间间隔最大，作用力最小，分子的运动较为自由，作为可压缩流体，基于标准气体状态方程PV=nRT，相同物质的量的气体，其体积受压力和温度的影响较大。

1 不同环境条件对膜式燃气表检定的影响

1.1 温度对膜式燃气表检定的影响

温度的变化会导致膜片材料的热胀冷缩，从而改变了膜片的形状和弹性。在高温下，膜片可能会变得更加柔软，导致对气体流量的测量产生偏差；而在低温下，膜片可能会变得更加僵硬，同样会影响到测量结果的准确性。因此规程中规定的环境温度要在20℃左右，允许有2℃的变化。除了直接影响膜片的特性外，温度还会影响到检定气体的物性参数，如密度和黏度，进而影响到气体流量的测量。特别是在极端温度条件下，这种影响尤为显著。

早在2007年，检定规程还为旧版本时，郑州燃气集团邓立三[3]就针对温度对膜式燃气表的影响进行了试验研究，选用6 个不同厂家生产的7的种燃气表类型，在-20～40℃范围内选取9个温度点，对0.2 q max、0.4 q max、0.6 q max、q max 4个流量点进行测试。试验结果表明，在未进行示值误差修正时，随着温度的下降，负误差呈现递增的趋势，即在-10℃时，误差达到-14%～-12%，在-20℃时，最大达到了-17%～-14%；相反，在试验最高温40℃时，示值误差仅在3%左右。而进行温度压力修正后，示值误差的变化趋势在-5%～+1%偏差区间，以20℃为间隔，高温时误差呈正趋势，低温时误差呈负趋势。此外，由于温度变化对气表的膜片、橡胶和塑料材质的零部件也会产生影响，不同厂家的膜式燃气表存在不同的变化，这一影响是由仪表本身所决定的，即为系统误差，无法通过修正消除。

2011年，北京市计量检测科学研究院的何艺超[4]等人在常温（20℃）、高温（45℃）、低温（-15℃）三种环境温度下对同一型号膜式燃气表下三个流量点q max（4 m3/h）、0.7 qmax（2.8 m3/h）、0.2 qmax（0.8 m3/h）的示值误差进行了探索，得出误差曲线。结果表明，在20℃时，燃气表的示值误差在[-0.5%，0.6%]范围内，误差较小；在45℃时，燃气表的示值误差在[0%，2.5%]之间，差值增大，尤其是小流量波动较大；在-15℃时，燃气表的示值误差在[-1.5%，1.0%]之间，其中，小流量下示值误差为正值且误差值较大；在中流量和大流量下，燃气表的示值误差为负值，随着流量的增大，误差值也相应变大。

2013年，泉州市计量所吴家平[5]在检定规程新版本发布后，使用燃气表检定装置（钟罩法200L）进行试验，分析了温度对膜式燃气表示值误差的影响，按式（1）计算通过燃气表的实际体积：

式中：Vref为通过燃气表的实际体积，L；Vs为标准器示值，L；p sa为标准器压力，Pa；Tsa为标准器的热力学温度，K；pma为燃气表的进口处压力，Pa；Tma为燃气表的进口处热力学温度，K。

将压差Δp 控制在100 Pa以内，取psa≈pma，设检定环境温度为20℃，标准器处的温度和燃气表处的温度之差取最大值1℃，标准器示值Vs 为100 L，代入式（1）得：

结果表明，以Vs 代替Vref计算示值误差可能带来的最大误差为±0.34%，而规程要求得最大允许误差为1.5%，仅温度影响就可达0.34%，温度的影响不能忽略。

2014年，漳州市计量所刘艺专[6]对现有标准表法检定装置进行改造，在装置中添加了换热器、恒温试验箱、高低温恒温槽等，用以模拟实际环境温度，便于通气状态下对膜式燃气表进行检定。试验中被测样品为带有温度补偿功能的膜式燃气表，回转体积为0.9 L，实验流量点取qmax（4 m3/h）、0.4 qmax（1.6 m3/h）、0.1 qmax（0.4 m3/h），检测体积分别为90 L、90 L、60 L。试验结果表明，流量示值误差随着温度变化而变化，两者呈现相反趋势；温度升高，误差负增长，温度降低，误差正增长。这与郑州燃气集团邓立三[3]得出的低温时误差偏负的结论有所差异，原因可能是膜式燃气表中膜片和其他感温材料随温度热胀冷缩引起的误差变化较为明显[7]。

1.2 湿度对膜式燃气表检定的影响

我国南方多潮湿多雨，北方多气候干燥，不同的空气湿度对膜式燃气表的检定也存在着一定的影响。2013年丹东东发公司姜宏兵等[8]进行了介质湿度对燃气表计量特性影响的实验，其他环境条件不变，选取三台标称流量2.5 m2/h的JC型膜式燃气表为测试样机，分别在1%、50%、90%湿度下对qmax、0.2 qmax两个测试点下进行实验，结果表明，在90%湿度时，燃气表的示值误差呈负增长趋势，在1%RH湿度时，示值误差呈正增长趋势。整体而言，湿度增加示值误差负增长，反之则为正增长。分析原因，可能是由于在湿度较高的条件下，表的膜片会因吸收水分而增大其伸张力，进而导致计量体积的膨胀，从而使示值误差倾向于负值。相反，在干燥的环境中，膜片的伸张能力会减弱，使得计量体积缩小，因此示值误差会倾向于正值。

2017年，泉州市计量所的林锡聪[ 9]也研究了气体介质湿度对膜式燃气表计量检定的影响，他采用钟罩式气体流量标准装置在湿度为45%RH、60%RH、75%RH的条件下，对4支膜式燃气表分别检测q max，0.2 q max两个测试点，测得不同湿度下的压力损失、测量示值误差。实验结果表明，从45%到75%的相对湿度条件下，燃气表的压力损失随着相对湿度的上升而增加，反之也跟着减少；示值误差随着相对湿度的上升而下降，向负方向偏移，反之则上升，与姜宏兵等[8]的实验结论一致，产生这一现象的原因可能有：管网的压力损失；一定流量的气体经过管壁时，会受到摩擦阻力以及摩擦损失；摩擦损失又与空气密度、管道的半径、长度等有关。

1.3 大气压力对膜式燃气表检定的影响

由于海拔每升高1000米，气温会下降6℃，大气压力约下降100 hPa，空气密度约减小12%，由此换算，海拔1300米以上就不满足规程所要求的检定大气压力。2011年，河南省荥阳市质量技术监督检验测试中心的翟英俊[10]就发现了检定规程中的这一点“小漏洞”，他深入研究了同一台燃气表在丹东市（常年平均大气压为101.5 kPa）的出厂检定数据，并对比分析了西宁市（常年平均大气压为77.5 kPa）进行首次检定的结果，在丹东市的示值误差为0.19%，在西宁市的为0.25%，同一只燃气表在丹东市的检定结论为“合格”，在西宁市的检定结论为“不合格”，在不同大气压的地区检定结论相反。因此，大气压对检定结果的影响不容忽视。

2015年，泉州市计量所的刘跃华[11]也分析了大气压变化对膜式燃气表示值误差测量的影响，比较了福州市和拉萨市，泉州市晋江市和泉州市德化县，泉州市安溪县日最大值和最小值，得到的结果如表1所示。表1中，分析实例1和实例2，根据规程要求，拉萨市和晋江市不符合大气压要求，对其结果进行修正，依然得到差距较大的示值误差，甚至判定结果不一致。实例3则极端地体现了大气压日变化对膜式燃气表示值误差测量结果乃至判定结果的影响。可以看出，大气压在不同时间与空间下的变化，均会对膜式燃气表的示值误差产生直接影响，进而可能导致判定结果的偏差。

2 采取的措施

我国地域辽阔，各个地区的环境条件均有一定的差异，南北方温度差异较大，东西部湿度、海拔差异较大，因此针对不同的环境条件应采取不同的措施来避免由此产生的影响。

针对温度对膜式燃气表检定的影响，可以采取以下措施来提高检定的准确性和可靠性：（1）温度补偿技术：通过在燃气表中加入温度传感器，并结合相应的算法，实现对温度变化的实时监测和补偿，从而减小温度变化对测量结果的影响。（2）校准标准化：在进行膜式燃气表的检定时，应该在规定的温度条件下进行，以确保不同环境温度下的测量结果的可比性和准确性。（3）湖北省孝感市计量检定测试所张林[12]提出，先对误差进行计算，再对误差进行分析，对各类误差实施有针对性地分类处理。当误差值＞1.8%时，该燃气表为不合格；当误差值＜1.2%时，该燃气表为合格；当误差值在1.2%～1.8%范围之内时，根据式（1）进行修正后重新计算示值误差。此外，检定员的技能水平也会在一定程度上影响检定结果，要加强对检定员的上岗培训和技术考核，避免各类粗大误差影响检定结果。

为减小湿度对膜式燃气表检定结果的潜在影响，尤其是在南方春季湿润多雨的气候条件下，可采取以下措施：（1）在条件允许的情况下，应充分利用当地资源，尽量选择当地生产的膜式燃气表，与当地的气候条件相匹配。（2）提高实验室环境质量，确保实验室环境和气体介质的稳定性、均匀性。（3）可合理应用大数据技术，根据湿度变化对检定结果的影响程度进行数据修正和校准[9]。

不同地区海拔不同，大气压也存在一定的差异，各个城市中，最大常年平均大气压为天津的101.66 kPa，最小为玉树的64.95 kPa，为消除大气压变化所带来的影响，每次进行检定时，均应充分考量大气压的实际效应，并据此实施相应的压力修正措施。此外，还需注意最少通气量的要求，根据规程规定，示值误差检定时的最少通气量必须达到或超过燃气表最小分度值的200倍，通常情况下，燃气表的最小分度值为0.2 L，那么最少通气量应满足不低于40 L的标准。钟置式气体标准流量装置还需注意流量调节阀的流量调整时机和安装位置，应该先进行被检燃气表的安装，再按照规程调整流量，当燃气表被安装在流量调节表之后时，由于流量调节阀的的存在，会导致较大的压力损失，从而使得流经被检测的燃气表的压力相对较低；当燃气表安装在流量调节阀之前，由于压力的影响，燃气表的示值误差大约达到了0.03%的水平，可以忽略[13]。

3 结语

综上所述，无论是从实验数据的角度还是理论分析的层面来看，环境条件中的温度、湿度以及大气压力均是对膜式燃气表检定产生显著影响的要素。燃气表检定结果的判定存在差异，将会导致人力资源、财力资源等方面的浪费。尤其是在面对大量燃气表检定的需求时，这种差异性将会导致检定效率的显著降低，从而影响到整体工作效率和质量。针对温度和湿度而言，为了达到规程要求最便捷的方式就是安装恒温恒湿空调，使检定时实验室的环境条件保持恒定，尽量减少因温湿度影响产生的误差。对于大气压力的影响，其随时随地的变化对膜式燃气表示值误差的测量结果会有一定差异，甚至会出现不一致的检定结论。鉴于人为因素无法对大气压力值进行干预，为了确保大气压变化不会对检定结果产生影响，无论使用何种标准装置，在进行检定时都应实时对大气压进行监测，以有效消除其潜在的影响。同时，在检定系统的配套软件中，应适时对大气压力的影响进行修正，以确保测量结果的准确性和可靠性。

只有充分认识到环境条件对燃气表检定的影响，并采取相应的措施加以控制，降低这一系统误差，提高检定效率和质量，才能保证燃气表的准确性和可靠性，保证膜式燃气表量值的统一，做好供气企业和百姓中间的这一杆“公平秤”，从而更好地满足社会对气体流量测量的需求。