水表|机械式水表计量特性的水压影响机理分析( 四 )


空化效应的发生是离散的、随机的 , 所形成的能量激波或射流对叶轮而言即是一种离散的干扰噪声 , 但强度要远弱于脉动流 。 与脉动流相似 , 流量越大 , 空化效应的绝对强度也越大 , 但相对强度正好相反 , 即流量越小 , 相对强度越高 , 也即信噪比越小 。 因而空化效应也对水表小流量的计量特性影响更为显著 , 这种影响的具体形式是冲击能量以点作用的方式破坏叶轮的运动平衡 , 抑制叶轮旋转的连续性 , 增大了摩擦阻力 , 从而使示值误差呈现出显著的负误差 。
抑制空化效应影响最有效的措施是增大背压 , 使微气核的外部压力始终高于内部压力 , 从而抑制微气核生长、膨胀 。 此外 , 要尽可增大水泵吸水口的水位深度 , 减少空气吸入 , 以减少气团和气核来源 。
叶轮自身的动平稳特性是抵御空化效应影响的关键所在 。 动平稳特性越好 , 空化效应的影响越小 , 反之则越严重 。 由此 , 我们可以通过水表在低压小流量状态下的计量特性表现来间接评估叶轮的动平稳特性 。
与气团相关的另一个现象是空气的阻尼效应 。 一些水表的流道是非直通型的 , 如旋翼式水表和垂直螺翼式水表 , 安装计量机构的腔体中存在高于有效流动截面的空腔结构 , 容易积存空气形成气穴 。 毫米尺度以上的气团一旦在气穴结构处聚焦 , 则很难再被排出 。 当气团与叶轮、齿轮等旋转元件接触时 , 在表面张力作用下吸附在旋转元件上 。 由于气团是一种可压缩的弹性体 , 会对旋转元件的运动产生阻尼作用 , 增加运动阻力 , 使得水表的示值误差呈现偏负 。 在这种情形下增加水压可以缩小气团的尺寸 , 一定程度上能够改善阻尼效应的不利影响 。 串联检定水表时增加了排气的难度 , 更容易发生阻尼效应 , 检定过程中需要加以识别和判断 , 并采取更有效的排气措施 。
注:空气的阻尼效应很常见 , 不仅会作用在水表上 , 还会作用在检定装置上 。 在小流量的检定过程中 , 气团会在具有气穴结构的节流件上积存 , 如未全开的流量调节阀处 。 当流速过低 , 不足以克服气团的吸附力时 , 气团会进一步挤占流通截面 , 使得检定流量不断下降 。
02PART讨论与小结
水压对水表计量特性的影响是多方位、多层面的 。 在不同水压条件下 , 合格的水表在宏观表现上应具有相对稳定性 , 当水压在允许范围内变动时示值应始终保持在最大允许误差范围内 , 但在微观表现上则允许存在一定的变动性 , 示值误差可以随水压变化而发生一定程度的变化 。 水表的这种计量特性表现主要取决于水表的原理、结构和所采用的材料 , 变动的敏感程度还与工艺水平有关 。 结合测量理论来理解 , 这种特性表现是由于水表的计量机构对水压变化以及由水压变化所引起的各种影响量的系统效应和随机效应敏感所致 。
国际标准ISO 4064-2:2014和国际建议OIML R49-2:2013《饮用冷水水表和热水水表 第2部分:试验方法》7.7条规定了水压影响的具体试验方法 , 要求分别在0.03MPa和最大允许压力(MAP)下测量分界流量Q2的示值误差 , 结果均不应超过最大允许误差 。 前者主要考核水压的微观影响 , 后者主要考核水压的宏观影响 。
在对水表进行复现性测量或比对测量过程中通常会发现水表的这种不稳定特性 , 给试验人员造成了很大的困扰 , 因此我们有必要深入了解水表计量特性的影响量及其影响机理 。 一般来说 , 当我们仅需要依据技术标准进行合格判定的测量时 , 不必对包括水压在内的测量条件进行非常严格的控制 , 而当需要关注测量结果一致性的时候则务必要对测量的参比条件进行严格设定并控制 , 以有效排除由测量条件差异所引起的结果差异 , 使得测量结果具有可比性 。 在实际工作中我们还需要进一步关注不同检定装置的流量稳定性问题 , 要控制好脉动流带来的不利影响 。

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