膜式燃氣表的溫度補償研究

趙會平，崔浩

（西安思源學院，陜西西安710038）

膜式燃氣表的溫度補償研究

趙會平，崔浩

（西安思源學院，陜西西安710038）

天然氣作為一種清潔能源已進入人們的生活，隨著我國不斷加大城市燃氣管網的建設，我國的天然氣用戶數大幅度提升。天然氣用戶通過安裝的膜式燃氣表計量使用燃氣的量，燃氣公司依據燃氣表計量的數值進行燃氣貿易結算，因此，膜式燃氣表的準確度成為了燃氣供需雙方關注的焦點。分析了溫度對膜式燃氣表計量誤差的影響，探討了溫度補償方法以及電子式膜式燃氣表溫度補償原理，提出了具有溫度補償功能的燃氣表方案，以維護天然氣公司和廣大天然氣用戶的切身利益，實現公平交易。

膜式燃氣表；溫度補償；介質溫差；環境溫度

燃氣貿易計量一直是以標準狀態下（20℃，101.325 kPa）的體積為計量標準，在實際使用中，膜式燃氣表絕大部分工作于非標準狀態下，燃氣在不同的溫度和壓力影響下，體積會發生變化，因此，沒有溫度補償功能的燃氣表易造成計量誤差，導致供銷不平衡，有失貿易結算的公平性原則。

1 燃氣表的溫度補償原理

在城市中，多級環線組成城區環網內燃氣管，在各級調壓站的控制下，管網中燃氣壓力全年在2 500～3 000 Pa區間穩定，然而，燃氣溫度受調壓影響較大。因此，在實際生活中，溫度對燃氣計量影響更多。溫度對膜式燃氣表的具體影響體現在以下2方面。

1.1 介質溫差的影響

燃氣利用管道作為運輸介質，在嚴寒的冬季，室外溫度很低，露于室外環境中的管道溫度也會隨之降低，從而使得入氣溫度也很低，而在夏季，室外溫度卻很高，冬夏兩季大部分地區溫差相差至少20℃，北方地區甚至更高，巨大的介質溫差對膜式燃氣表的計量誤差造成了很大影響。

1.2 環境溫度的影響

外界環境溫度的變化對膜式燃氣表傳感器等使用材料的熱膨脹性以及機械運動性能造成影響，從而影響膜式燃氣表的計量。一般膜式燃氣表的體表通常為鐵質或者是鋁制品，帶熱性較強，外界的氣溫變化對它的影響比較大。對膜式燃氣表做了環境試驗進行計量測試，發現在溫度較低的情況下，膜式燃氣表的計量比在正常溫度20℃左右的時候偏慢，且誤差值達到正常溫度下的2.2～3.8倍[1]。由此可見，環境溫度對膜式燃氣表的計量影響很大，特別是安裝在室外的膜式燃氣表。在我國北方的一些地區，夏季置于室外的膜式燃氣表的體表溫度達到35℃以上，冬天置于室外的膜式燃氣表的體表溫度低至零度以下。此外，一些地方的天然氣公司出于成本及管理方便等因素的考慮，將天然氣管道設在路面懸空，將用戶的膜式燃氣表放在室外等，這些做法導致環境溫度對介質溫度及膜式燃氣表溫度造成影響，從而影響膜式燃氣表的計量。

根據理想氣體狀態方程，一定質量的氣體體積與壓力的乘積，與它的熱力學溫度成正比[2-5]，即：

式（1）中：P1，V1，T1分別為氣體狀態1（標況）下的壓強、體積、溫度；P2，V2，T2分別為氣體狀態2（工況）下的壓強、體積、溫度。

根據公式（1）可知，氣體的體積對溫度、壓力的變化非常敏感，在以標準狀況（20℃，101.325 kPa）為基準的條件下，溫度每變化1℃，氣體體積變化0.34%.可見，由此帶來的氣量計量誤差十分可觀。

2 溫度補償方法

鑒于溫度影響因素，膜式燃氣表的設計正逐漸應用溫度修正方法。該方法主要分為人工式、機械式和電子式3種。

2.1 人工式溫度修正方法

通過人工計算的方法，把燃氣表計量的工作狀態（工況）下的氣體修正到標準狀態（標況）下的體積流量。結合上述氣體狀態方程，在不考慮壓縮因子的情況下，修正公式為[6]：

式（2）中：KT為溫度修正系數，為293.15 K與實際絕對溫度之比；KP為壓力修正系數，為實際絕對壓力與101 325 Pa（標準大氣壓）之比。

如果不考慮壓力的影響，僅對溫度進行修正，則KP＝1，KT的確定可以通過具體的月度或季度平均氣體溫度進行計算，由于冬夏氣量存在峰谷值，在進行氣量修正時可以考慮加權計算。

2.2 機械式溫度修正方法

機械式溫度修正方法是通過特殊金屬的熱脹冷縮特性來自動調節誤差調節系統的指針，從而調整燃氣表的回轉體積，修正氣體隨溫度升降的體積變化量，從而達到體積修正的目的。但由于目前未實現大批量應用，沒有有效地應用數據來證明，補償效果及穩定性有待考察和研究。

2.3 電子式溫度修正方法

隨著電子技術、信息技術的發展，膜式燃氣表已經開始由純機械式計量儀表逐漸擴展至電子裝置。根據功能需要，燃氣表設有溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器，再配以相應的變換、運算、處理電路，構成一個一體化的檢測儀表，對燃氣進行溫度的修正，提高了計量的可靠性[7]。

溫度補償功能的燃氣表除了可以輸出燃氣的工況體積流量、標況體積流量外，還可以顯示溫度、壓力值。目前在國內，家用溫度補償功能的膜式燃氣表應用得還比較少。

3 溫度補償方案

本文提出一種電子式溫度補償功能的燃氣表方案，能使不同溫度下的燃氣表計量與實際使用計量相統一，切實保證天然氣公司和廣大天然氣用戶的切身利益，實現公平交易。圖1所示為溫度補償功能的燃氣表結構原理框圖。

圖1 溫度補償功能的燃氣表結構原理框圖

中央控制處理單片機采用MSP430單片機，分別與溫度傳感器、氣體采樣傳感器、液晶顯示器連接。溫度傳感器對流經燃氣表的氣體溫度進行實時測量，氣體采樣傳感器測量流經燃氣表的氣體體積，中央控制處理單片機對二者所測量的值進行實時換算，得到標準狀態的氣體體積，并累計到已使用的氣體量中，通過液晶顯示器顯示用戶累計使用的氣體量。電源部分接6 V電池，經降壓后穩定在3.3 V，給CPU、LCD及外圍電路供電，并提供兩級電壓報警，確保燃氣表在正常電壓下工作。其中，一級為提示報警，二級為關閥報警，即首先提示電量不足，若不及時更換電池，電壓降到關閥電壓時，閥門關閉。為了降低成本，一級電壓報警采用單片機內部的比較器，省去了一片電壓檢測器件。外部數據存儲器采用EEPROM存儲燃氣用量數據，防止掉電或者內部故障導致數據丟失。

本方案通過軟件技術對不同溫度下的燃氣進行流量補償，避開了機械基表的技術瓶頸，燃氣表主程序工作流程如圖2所示。

4 結論

本文從溫度對膜式燃氣表計量誤差的影響、溫度補償原理、溫度補償方法等方面對膜式燃氣表的溫度補償展開了相關研究，提出了一種具有溫度補償功能的燃氣表方案，以實現燃氣表的有效計量。

圖2 溫度補償功能的燃氣表主流程圖

［1］孫會賢.淺談采用膜式燃氣表計量的影響因素［J］.科技展望，2015（21）：140.

［2］吳媛媛，文明，魏勇.溫壓補償對天然氣居民用戶計量誤差的影響［J］.煤氣與熱力，2016（07）：70-74.

［3］程駟文.燃氣計量中的溫壓補償分析［J］.中國新技術新產品，2014（21）：27.

［4］宣芳黎.膜式燃氣表的溫壓補償和無線數據傳輸［D］.杭州：中國計量學院，2013.

［5］宣芳黎，毛謙敏，劉志輝.無線溫壓補償式燃氣表［J］.傳感器與微系統，2012（02）：131-133.

［6］鄧立三.燃氣計量［M］.河南：黃河水利出版社，2011：132-146.

［7］鄧立三.機械溫度補償型燃氣表計量性能的實驗研究［J］.中國計量，2010（9）：79-80.

〔編輯：劉曉芳〕

TU996.3

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.16.078

2095－6835（2017）16－0078－02

趙會平（1987—），女，陜西寶雞人，工學碩士

學位，助教，研究方向為電力電子與電力傳動。