動態法測試電子式溫補膜式燃氣表計量性能

江航成，丁淵明，李 杭,林明星

(金卡智能集團股份有限公司，浙江 杭州 310018)

0 引言

膜式燃氣表是一種基于容積式原理的計量儀表。相比超聲波燃氣表、熱式質量燃氣表，其具有計量準確度較高、量程寬、性能穩定、適應性廣、性價比高、與氣體組分無關等優點。氣體體積與溫度關系密切相關。例如，在同樣壓力下，20 ℃時的1 m3天然氣，在-10 ℃體積為0.897 7 m3，體積縮小了11.23%。燃氣公司從上游購氣的體積是按照20 ℃結算的，而下游卻是按實際使用溫度結算，由此造成了燃氣體積計量誤差，導致供銷不平衡，有失貿易結算的公平性原則[1]。國家發布的《關于頒發天然氣商品量管理暫行辦法的通知》中，第五章第二十二條規定：天然氣按體積進行計量，天然氣體積計算的狀態標準為20 ℃(293.15 K)[2]。河北省頒布編號為JJF(冀)143內置溫度轉換裝置燃氣表檢驗規范，規定了帶有內置溫度轉換裝置的流量燃氣表，在標準溫度條件下的檢驗要求[3]。俄羅斯燃氣表國家標準ГОСТ Р 50818明確規定，燃氣表必須安裝內置溫度轉換裝置，實行標準溫度下的體積計量[2]。實現標準溫度體積計量將是社會發展的趨勢。目前，有效的解決辦法是在燃氣表內部加裝機械式或電子式溫度轉換裝置，將工況體積轉換成為標準溫度體積[4]。

1 溫補方式及特點

電子式溫補表原理如下。在燃氣表內部安裝溫度傳感器，將磁鐵固定在機械計數器尾輪上，通氣時膜片的往復運動通過傳動機構帶動機械計數器轉動，尾輪上的磁鐵隨之運轉。當靠近固定在計數器上的干簧管時，干簧管吸合，代表1個脈沖。對于家用表而言，1個脈沖為10 L。單片機根據輸入工況脈沖及溫度，轉換成標準溫度的體積，并以電子數字方式顯示在液晶上。機械計數器顯示原始工況體積，一方面有助于核查電子計數器是否異常；另一方面在電子計數異常情況下，保留原始工況體積，以避免糾紛。當接收到脈沖信號時，電子計數器才會計數。電子計數是間歇性的，電路功耗低，有助于延長電池壽命。該方案實施成本低，只需在燃氣表內部加裝溫度傳感器即可，結構簡單、可靠性高、通用性強。

機械式溫補表原理是：利用熱敏雙金屬元件的熱脹冷縮效應，改變中心輪曲柄半徑，并通過改變皮膜的位移量來實現回轉體積的微小變化，將標準溫度下的體積直接顯示在機械計數器[5]。

機械式溫補表由于是通過控制行程改變皮膜每次伸展的程度，導致皮膜沒有完全展開，對計量準確性造成影響。電子溫補表的準確度受到兩方面影響，即基表的計量準確性與溫度傳感器的準確性。目前，國內很多廠家通過-25～+55 ℃溫度下的歐盟EN1359認證，在工作溫度范圍內，能做到符合初始誤差要求。溫度傳感器的技術非常成熟，最大偏差一般都在±0.3 ℃，根據氣態方程式影響誤差在±0.1%，基本可以忽略不計。由此可見，電子溫補表的計量準確度較高。

膜式燃氣表國家標準[6]規定：燃氣表以最大流量運行6 000 h所通過的氣體體積量不至于讓所有的字輪回到初始位置，燃氣表使用期限為10年。此外，因液晶屏的尺寸限制，液晶上顯示有效位數最多為8位。對于家用表而言，其中6位是整數、2位是小數，電子計數器的分辨力為0.01 m3。

2 檢測問題

從燃氣表計量角度考慮，動態法檢定可以在燃氣表模擬工作狀態下進行檢定，能更好地反映該燃氣表計量性能。靜態法由于存在人為操作因素，必然引入人為誤差；而且靜態法計量燃氣表存在啟停過程，由于慣性作用，會對計量結果產生影響。

單片機接收到工況脈沖及溫度，輸出標準溫度的體積，以電子計數器形式顯示。測試誤差時，檢測裝置只有與被檢表同步計量體積，才能確保檢測準確性。同步的前提是被檢表的讀數信號必須能被裝置采樣識別。目前，設備只能采集到機械計數器及LED信號，而對電子數字無效[7-8]。動態法測試的前提是被檢表信號能被自動采集，所以對于電子溫度補償膜式燃氣表(后續簡稱溫補表)，通常采用人工讀數的靜態測試法。目前，需特制的標準裝置實現動態法測試，操作繁瑣[9]。

靜態法測試過程為：先讀取被檢表的初始讀數；通氣后，讀取被檢表的終止讀數，由此計算出被檢表測得的體積；與標準器測出的實際標準體積進行比較，計算出誤差。由于電子計數是間歇性的，只有接收到脈沖信號才會計數，標準器與被檢表體積計量的不同步會造成偏差。舉例說明，-10 ℃下標準體積與溫補表體積如圖1所示，溫補表分辨力為10 L。假設標準器與溫補表同時從0開始體積計量，結束點如控制在圖中的A點，標準體積與溫補表體積都是33 L，誤差為0%；如控制在圖中的B點，標準體積為32.99 L，而溫補表體積為22 L，相差10.99 L，由此造成很大的測試偏差。為確保測試的準確性，需要將測試體積增加到5 000 L以上，才可以忽略測試分辨力及間歇性計數引起的偏差。由此可見，靜態法測試時間長、準確度低，且對標準裝置有要求。

圖 1 標準體積與溫補表體積示意圖(-10 ℃)

3 解決方法

3.1 檢測模式

對溫補表設置2種模式：用戶模式與檢測模式。液晶屏示意圖如圖2所示。 默認為用戶模式。該模式下，D2位置的LED數碼管點亮、D1位置的LED熄滅，代表6位整數+2位小數，分辨力為0.01 m3(即10 L),滿足日常抄表貿易結算時讀數的要求。檢測時，通過按鍵時切換進入檢測模式，D1位置的LED數碼管點亮、D2位置的LED熄滅，代表3位整數+5位小數，分辨力為0.000 01 m3(即0.01 L)，滿足檢測時的準確度要求。

圖2 液晶屏示意圖

液晶顯示屏由電路板、供電電源和多個間隔排布的LED數碼管組成，與單片機相連。電路板用于控制LED數碼管呈用戶模式顯示的第一回路，以及LED數碼管呈檢測模式顯示的第二回路。對應實現這兩種模式的電路如圖3所示。

圖3 電路示意圖

圖3中：D1、D2為LED數碼管指示燈，Q1、Q2為三極管開關電路，K1為按鍵。用戶模式下：當K1鍵斷開，Q2基極電壓為零，截止，D1指示燈不亮，Q1基極有電壓，導通，D2指示燈亮；當K1鍵按下，進入檢測模式，Q2基極有電壓，導通，D1指示燈亮，Q1基極電壓為零，截止，D2指示燈不亮。

3.2 量值傳遞測試法

本文提出了一種基于量值傳遞的測試方法。量值傳遞流程為：氣體流量標準裝置→機械計數體積→工況脈沖體積→標準溫度脈沖體積→電子計數體積。標準裝置對機械計數器進行采樣測試得到誤差值，按此值對機械計數器輸出的工況脈沖體積進行修正，得到標準溫度脈沖體積；將該值與人工讀取的電子計數器示值進行比較，得出溫補表的示值誤差。裝置自動采樣與人工讀數相結合，實現動態法準確測試溫補表的計量性能。測試過程詳見以下說明。

當溫度為-10 ℃、流量為0.6 m3/h時，溫補表的標準溫度脈沖體積如圖4所示。通氣時，機械計數器尾輪轉動，每運轉一圈，固定在計數器上的干簧管吸合輸出1個脈沖，單片機接收到工況脈沖體積為10 L；標準裝置對機械計數器采樣，根據一圈為10 L的儀表系數，測試出在標準溫度下的示值誤差。按照該誤差值，對工況脈沖體積進行修正，得到標準溫度脈沖體積。

圖4 標準溫度脈沖體積示意圖

溫補表的單片機根據機械計數器輸入的工況脈沖以及溫度傳感器輸入的溫度值，將工況體積轉換為標準溫度下的示值，以電子計數器方式顯示在液晶屏，電子計數器示值與輸入的脈沖保持同步性，人工讀取N個電子計數器示值，即輸入N個脈沖。已知N個脈沖的標準溫度體積，與N個電子計數器示值比較得到溫補表的示值誤差。家用表最大流量為10 m3/h,電子計數器示值更新1次的間隔為3.6 s，為人工讀取示值提供充分時間。

4 計算原理

采用音速噴嘴法氣體流量標準裝置，當氣體經膜表進入容器與音速噴嘴的出口壓力之比為定值時，噴嘴喉部的雷諾數一定，則氣流通過噴嘴候補的流速恒定，此時即為臨界流狀態[10]。根據連續性原理，此時通過被檢表的氣體質量流量，一定等于通過噴嘴處氣體的質量流量。設置測試流量、脈沖系數f、檢測脈沖數N、穩定時間后，啟動測試。當采樣器自動采集到機械計數器第1個脈沖后，標準器計時開始。當采集到機械計數器第(N+1)個脈沖數后，標準器計時終止。由式(1)計算出被檢表的工況體積；式(2)計算出此時通過臨界流文丘里噴嘴的工況體積；式(3)將噴嘴的工況體積換算成被檢表的壓力與標準溫度的體積；式(4)計算出機械計數器顯示的標準溫度下的示值誤差；式(5)將脈沖系數f修正成標準溫度脈沖系數fB。

Vm=f×N

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

在裝置對機械計數器采樣測試的同時，人工讀取電子計數器上的顯示，讀取第a個脈沖以及第(a+M)個脈沖時的電子計數器示值。由式(6)計算出M個脈沖電子計數器標準溫度下累計體積；式(7)計算出M個脈沖實際的標準溫度下累計體積；式(8)計算出溫補表的示值誤差。

(6)

(7)

(8)

測試時序如圖5所示。

圖5 測試時序圖

5 試驗驗證

為驗證方法的有效性，用準確度等級為0.5級的音速噴嘴法氣體流量標準裝置，測試1臺G4規格溫補表的示值誤差。將環境溫度控制在25 ℃，通過按鍵將溫補表進入檢測模式，恒溫4 h后進行誤差測試。測試程序設置脈沖系數為10 L/P、測試脈沖數為80個、測試流量為6 m3/h、穩定時間20 s、被檢表溫度設置為20℃，采樣器對準機械計數器，點擊開始測試。測試過程中，人工每隔10個脈沖讀取電子計數器上示值，共讀取7次。25.1 ℃時，溫度測試示值誤差如表1所示。

表1 測試示值誤差(25.1 ℃)

溫補表測試6次，機械計數器輸入10個脈沖體積，電子計數器輸出顯示標準溫度累計體積最小為100.18 L，最大為100.30 L,差異僅有0.12%。由此說明，機械計數器輸入的脈沖體積與輸出電子計數器示值的同步，具有高度的一致性，滿足準確測試的前提基礎，驗證了該測試方法的正確性以及溫補表的設計合理性。磁鐵固定在機械計數器的尾輪，安裝在計數器上的干簧管感應到它靠近時，會產生吸合輸出脈沖。因此，將機械計數器的轉動輸出電子信號的方案性能可靠。測試6次示值誤差的標準偏差為0.05%，表明該方法準確度高，測試時只需輸入10個脈沖體積(即100 L)，檢測時間為1 min，檢測時間短，相比靜態法測試體積需到5 000 L，測試時間減少了98%。

6 結束語

膜式燃氣表國家標準[6]對于溫度補償方式僅規定機械式。隨著技術的不斷發展，電子式溫補表將得到快速發展。最新歐盟標準EN1359對溫補方式未作要求[2]，修訂版國標已取消限制要求。從其工作原理分析，電子式溫補表具有較高的計量準確性，但因分辨率過低、間歇性計數、裝置無法對其電子計數進行采樣的缺點，難以準確測試其計量性能，限制了市場推廣及使用。本文設計了一種檢測模式下的顯示電路，通過按鍵選擇，顯示分辨力達到0.1 L。在不改變現有檢測裝置基礎上，提出了基于量值傳遞測試法，將裝置自動采樣與人工讀數相結合，實現了動態法準確測試其計量性能。該方法測試準確度高、測量時間短，相比靜態法檢測時間降低98%，適用于所有的氣體流量標準裝置。該方法實施成本低、效果明顯，有助于電子溫補表的推廣，將有效促進貿易公平性，具有較強實際應用價值，值得在燃氣表行業推廣。