常見燃氣表的發展及其優缺點的比較

徐志豪 ,張海燕,劉晨陽,羅釗川

(1.廣東工業大學機電工程學院,廣東 廣州 510000；2.廣東工業大學自動化學院,廣東 廣州 510000)

0 引言

在燃氣普遍使用的今天，燃氣表已經成為燃氣網絡的基本構件，是我國民用計量領域的一種重要計量工具[1]。誕生于第一次工業革命的燃氣表，在第三次工業革命的浪潮下，燃氣表也逐漸走向智能化。智能燃氣表的結構和功能與原始的燃氣表有很大的改變。本文將介紹燃氣表發展歷史以及現在常用的三種智能燃氣表，并對它們的結構和工作原理進行闡述，同時對優缺點進行分析對比。最后指明燃氣表的發展趨勢。

1 燃氣表的發展歷史

煤用于生產煤氣是在18世紀末，最初確定煤氣的使用量是通過計算煤氣燈的數量和煤氣燈的使用時間。大面積的燃氣使用推動了燃氣表在歐洲問世。城市燃氣貿易結算的計算儀器(比如：容積式羅茨表、渦輪式渦輪表)的基礎是英國的Samuel兄弟在1815年發明的濕式燃氣計量表[2]。而膜式結構的家用煤氣表由Jimas Pocadas在1833年發明。1844 年,英國人Messrs Croll和Richards發明具有兩個圓形的膜和相關的滑動式閥的煤氣表。在這之后，英國的Thomas Glover對Messrs Croll和Richards發明的煤氣表繼續進行結構改進，從而發明了家用膜式燃氣表，并普及至今。傳統燃氣表的演化過程如表1所示。

表1 傳統燃氣表的演化過程Tab.1 Evolution process of conventional gas meters

隨著互聯網技術的普及以及物聯網的興起，智能燃氣表已逐漸成為應用主流。智能燃氣表的發展經歷了三個階段：卡式燃氣表階段、遠傳燃氣表階段和物聯網燃氣表階段。目前，常見的智能燃氣表有IC卡智能燃氣表、遠傳智能燃氣表和物聯網燃氣表等。

2 三類常見的智能燃氣表的結構與工作原理

IC卡智能燃氣表由膜式燃氣表作為計量基表，加裝微功耗單片機控制模塊、閥門控制模塊、采樣計數模塊、聲音報警模塊、顯示屏、IC卡座及電源。其中，微功耗單片機是整個控制器的核心，用于接收采樣、IC 卡等信息并發出相應的控制指令[3]。IC卡智能燃氣表系統如圖1所示。

圖1 IC卡智能燃氣表系統框架圖Fig.1 The frame diagram of IC card intelligent gas meter system

根據通信方式，遠傳智能燃氣表可以分為有線遠傳燃氣表和無線遠傳燃氣表[4]。二者均以膜式燃氣表為計量基表，加裝流量信號采集模塊、信號傳輸模塊、閥門控制模塊、顯示屏。其中，無線遠傳燃氣表需要電源。當用戶使用燃氣時，流量信號采集模塊會將基表計量的結果轉化為電信號，再通過信號傳輸模塊上傳到燃氣企業后臺管理系統，從而實現遠程抄表。遠傳智能燃氣表系統框架如圖2所示。

圖2 遠傳智能燃氣表系統框架圖Fig.2 The frame diagram of remote intelligent gas meter system

有線遠傳燃氣表和無線遠傳燃氣表二者的區別在于信號傳輸模塊的不同。有線遠傳燃氣表內置M-BUS/RS-485遠傳數據接口[5]，采用RS-485、M-Bus通信協議通過數據線進行數據傳輸。而無線遠傳燃氣表內置有射頻(radio frequency,RF)天線，采用無線RF特定頻率進行數據傳輸，我國無線抄表工作頻段為470～510 MHz。有線和無線遠傳燃氣表信號傳輸模塊區別如表2所示。

表2 有線和無線遠傳燃氣表信號傳輸模塊區別Tab.2 Differences of signal transmission module of wired and wireless remote gas metes

物聯網燃氣表系統框架如圖3所示。

圖3 物聯網燃氣表系統框架圖Fig.3 Framework structure of IoT gas meter system

物聯網燃氣表基于移動通信網絡，借助于移動通信公網。通過燃氣公司通信網關直接與燃氣公司的收費抄表管理系統進行數據交互，實現數據遠傳及控制的燃氣計量系統，為燃氣運營商提供公用資源智能管控。其結構與無線遠傳燃氣表相似，區別在于信號傳輸模塊。物聯網燃氣表是使用較低頻段的信號作為通信媒介來進行數據傳輸[6]。其中的典型代表便是利用窄帶物聯網(narrow band internet of things,NB-IoT)進行傳輸的物聯網燃氣表。NB-IoT是目前物聯網領域風頭正勁的新興技術[7]，其具有功耗低、覆蓋廣、接入量大等特點。

3 三類燃氣表的優缺點對比

三類燃氣表優缺點對比如表3所示[8-10]。

表3 三類燃氣表優缺點對比Tab.3 Comparison of advantages and disadvantages of three types of gas meters

4 燃氣表的發展趨勢

隨著技術的發展，燃氣表更加注重安全可靠、智能方便。現在，發展中國家的燃氣市場的主體仍然是舊燃氣表，而新興的智能燃氣表將逐步取代舊燃氣表。在遠程通信技術的不斷發展中，以遠程管理和智能服務為主要功能的燃氣表將成為熱點。通過數據深度挖掘的燃氣大數據也將給燃氣公司帶來巨額利潤。多種因素推動智能燃氣表市場的不斷擴大，如：智慧城市概念的提出、城鎮化率不斷提高以及國家相關政策的推動，同時極大地釋放了燃氣表的使用需求[12]。

5 結論

本文從燃氣表發展歷史的角度出發，介紹了燃氣表發展的三個階段，并著重闡述了常見的三種智能燃氣表的結構及工作原理，繼而對其三者的優缺點進行對比分析。隨著電子信息技術及網絡技術的發展，燃氣表的智能化和遠程管理及服務將成為燃氣表發展的主要方向。借助通信技術、物聯網技術，燃氣儀表在智能化的道路上將不斷前進。相信隨著技術的不斷發展和推廣，智能燃氣表能夠走進千家萬戶，讓生活更加便捷。