正交试验在优化气体容积式流量计检定条件中应用

0 引言

气体容积式流量计是一种记录一段时间内流过流体总量的累积式流量仪表。当流体流过流量计时，内部机械运动件在流体动力作用下，把流体分割成单个已知回转体积，进行重复不断地充满和排空，并通过机械或电子测量技术记录其循环次数，得到流体的累积流量。容积式流量计在流量测量方面较准确，计量性能较稳定，其准确度等级达到0.2级，广泛应用于工业生产、能源计量、民生计量等领域。但影响容积式气体流量计检定的因素较多，特别是高准确度流量计对检定条件要求更加严格，如何确定最优检定条件尤为重要。

正交试验设计是研究多因素多水平的一种设计方法，是分析因式设计的主要方法。它根据正交性从全面试验中选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备“均匀分散、齐整可比”的特点。本文采用正交试验法分析检定过程的主要影响因素，确定各因素对示值误差影响的主次顺序，找出相对最优的检定条件。

1 检定条件及优化综合指标

本实验对某品牌气体容积式流量计在80m³/h时的相对最优检定条件优化。图1为气体容积式流量计检定实物图。该实验采用音速喷嘴气体流量标准装置（Urel=0.25%）作为标准器，检定对象为某品牌标称准确度为1级的容积式气体流量计（DN=50mm）。把被检流量计安装在音速喷嘴气体流量标准装置对应口径的管道上，通过改变检定条件，进行测试并得到相应的示值误差。

在检定过程中，示值误差影响因素主要有温度、湿度、同轴度和取压方式。由于大气压力在同一个地方短时内变化不大，在此次试验中不作分析。试验在同一流量点（80m³/h）进行，通过改变温度、湿度、同轴度和取压方式，取得最小测量误差，确定相对最优的检定条件。检定试验条件参数如表1所示。

1-音速喷嘴式气体流量标准装置    2-被检气体容积式流量计

图1 气体容积式流量计检定实物图

试验过程中，每组参数条件下，进行3次重复试验，并取3次测量平均值作为该组条件下的测量结果，然后以示值误差为指标，通过正交试验确定相对最优检定条件以获得最小示值误差。

2 试验设计与分析

分别用A、B、C、D表示温度、湿度、同轴度、取压方式4个主要因素，每个因素有3个水平。用1、2、3表示因素水平，如表1所示，采用L₉（3⁴）正交表安排试验，如表2所示。

表1 因素水平表

表2 试验方案（L₉（3⁴））

表3、表4分别为各次试验结果以及各因素对示值误差的影响数据分析表。表4中K₁、K₂、K₃为各因素同一水平试验结果之和；W₁、W₂、W₃为各因素水平的效应，极差R_j为Max（W_j）－Min（W_j）的差值（j=1，2，3）。极差R_j越大，说明该因素对示值误差影响程度越大。

表3 正交试验结果

表4 正交试验结果分析表

3 结论

由表4得到因素主次顺序为取压方式（因素D）>温度（因素A）>湿度（因素B）>同轴度（因素C），同时根据各因素各水平的平均值确定优水平，进而选出优组合，按照平均值大小选取优水平为D₃A₃B₃C₁。即最佳检定条件为表前取压，温度（24~26）℃，湿度（90~100）%RH，同轴度0mm。效益曲线见图2。

图2 效益曲线图

此条件的试验在正交表中的9次试验中并未出现，通过做补充试验，得到示值误差为0.13%，小于正交试验设计中的最小值0.19%，说明利用正交试验优化气体容积式流量计检定条件的试验是可行的。由于此次实验的对象是某品牌某型号的气体容积式流量计，具有一定的局限性，其他类型气体流量计的检定条件优化可参考使用。