微熱量式燃氣表及其試驗裝置的研究

紀建英 劉大壯

(1.山東省計量科學研究院，濟南 250014；2.大連海事大學輪機工程學院，大連 116026)

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微熱量式燃氣表及其試驗裝置的研究

紀建英1劉大壯2

(1.山東省計量科學研究院，濟南 250014；2.大連海事大學輪機工程學院，大連 116026)

對家用燃氣計量的創(chuàng)新型新產(chǎn)品——微熱量式燃氣表進行剖析，并對具有自主知識產(chǎn)權的微熱量式燃氣表溫度試驗裝置進行研究。微熱量式燃氣表可實現(xiàn)流量、溫度、溫差、壓力、密度等量的測量，并具有數(shù)據(jù)傳輸和計算功能，可用熱能值對燃氣進行結算。微熱量燃氣表試驗裝置是針對微熱量式燃氣表，在工況下進行溫度變換檢測的試驗裝置。

計量學；微熱量；燃氣表；試驗裝置

0 引言

能源是產(chǎn)生能量的物質(zhì)，其價值在于產(chǎn)生能量的多少。當今世界最先進的天然氣計量是天然氣能量計量，是以天然氣體積與單位體積發(fā)熱量的乘積來量度。在全球能源緊缺的大形勢下，在能源貿(mào)易計量中實行能量計量勢在必行。

現(xiàn)代信息技術的三大基礎是信息采集(即傳感器技術)、信息傳輸(通信技術)和信息處理(計算機技術)。微熱量式燃氣表是集三種技術于一體的智能新型燃氣表，根據(jù)微熱量原理監(jiān)測燃氣的標準流量，在任意溫度和海拔下，更好地控制能耗，保證準確計量。燃氣表采用COMS半導體傳感技術，通過M-Bus通信和無線模塊實現(xiàn)先進的數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過終端數(shù)據(jù)處理，有效提供能源計費，滿足可持續(xù)利用珍貴能源的需求，為家庭自動化和智能網(wǎng)絡的實現(xiàn)鋪平道路，為家庭燃氣計量開創(chuàng)了一個嶄新的局面。微熱量燃氣表試驗裝置是針對微熱量燃氣表，在實際工況下進行溫度變換檢測的試驗裝置。

1 微熱量式燃氣表結構及工作原理

1.1 微熱量式燃氣表結構(如圖1)

圖1 微熱量式燃氣表結構圖

位于燃氣表旁路管道的CMOS半導體傳感器，其包含一個位于兩個傳感器之間的發(fā)熱單元。發(fā)熱單元加熱，溫度均勻分布，但在有氣體通過時，溫度分布有變化，因此就在兩個傳感器之間產(chǎn)生溫度差異。此差異信號通過一個處理器，經(jīng)溫度、壓力轉換，傳輸為一個流量值，并因此確定一個標準體積。燃氣表標準體積值：

(1)

式中：Vb為燃氣表修正前的值，L；pn為標準絕對壓力，Pa；Tn為標準熱力學溫度，K；pb為燃氣表進口端絕對壓力，Pa；Tb為燃氣表進口端熱力學溫度，K。

由檢測到的溫差判定燃氣流量，由壓損確定燃氣密度，通過計算處理可以得到天然氣的體積發(fā)熱量，一段時間內(nèi)的體積發(fā)熱量與該時間內(nèi)流過的標準體積值的乘積即為流過的燃氣的熱能值。燃氣表熱值：

Q=Vn·Ho,n

(2)

即：

Q=f(ΔT=F·T,l ,T)

(3)

式中：Ho,n為燃氣發(fā)熱量；ΔT=FT為由時間傳導確定的溫差的微積分；l 為熱系數(shù)；T為絕對溫度。

1.COMS半導體芯片；2.半導體薄層；3.溫度傳感器； 4.熱源；5.溫度傳感器圖2 微熱量式燃氣工作原理氣相圖

微熱量式燃氣工作原理氣相圖如圖2所示。氣流進入腔體，通過壓阻件，使氣體壓力降低，使約1%的氣體量進入發(fā)熱單元所在的管路，發(fā)熱單元每間隔2s,加熱1ms，檢測氣體經(jīng)過管路時兩個半導體熱電阻傳感器之間的溫度差值。溫差可確定氣體流量，由燃氣表進出口壓損的測量，可確定通過氣體的密度，判定流過的介質(zhì)是空氣還是可燃氣體。

燃氣表中的CMOS半導體傳感器定位在測試通道，該傳感器是基于微熱量測量原理，由加熱體及加熱體兩邊的兩個溫度傳感器組成。加熱體提供了一個均勻的溫度分布，通過氣體流，氣體被加熱，兩個溫度傳感器之間產(chǎn)生溫差。測量信號由微處理器將光信號轉換成電信號，處理成流量和體積值，由LCD顯示屏將其顯示出來。

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)數(shù)字集成電路基本單元，將邏輯運算的功能轉變成接收外界光線后轉化為電能，再通過芯片上的模數(shù)轉換器(A/D)將獲得的電訊號轉變?yōu)閿?shù)碼訊號輸出，其功耗很低。LCD驅(qū)動芯片驅(qū)動LCD顯示屏直接輸出壓力和溫度轉換后燃氣的標準體積。

1.2 微熱量式燃氣表性能

1.2.1 壓力損失

由于微熱量式燃氣表內(nèi)部結構無活動部件、無磨損，所以燃氣表壓力損失低。由大量試驗數(shù)據(jù)分析得出：密度低，壓力損失??；反之，可根據(jù)壓損值，判定流過的氣體密度(如圖3)。設空氣密度為1，則天然氣密度相對值為0.61。

圖3 微熱量式燃氣表壓損曲線圖

1.2.2 誤差特性

與普通家用膜式燃氣表相比，微熱量式燃氣表小流量誤差較小，可以準確計量所用燃氣，氣流連續(xù)高流速情況下，流量誤差平穩(wěn)(如圖4)。

圖4 微熱量式燃氣表誤差曲線圖

1.2.3 參數(shù)影響量

在我國寒冷的東北地區(qū)，燃氣體積收縮；在低大氣壓的青藏高原，燃氣體積膨大。使用一般的燃氣表，燃氣實際熱值與燃氣表的容積示值體現(xiàn)的熱值有較大的區(qū)別。根據(jù)大量的試驗數(shù)據(jù)，微熱量式燃氣表，無論是在炎熱的55℃，寒冷地區(qū)的-25℃，高山或低地山谷深處，表明燃氣表溫度補償可達0.3%，微熱量式燃氣表更適用于偏冷及低地勢地區(qū)。

微熱量式燃氣表重復性小，穩(wěn)定性好，即使在流量非常小的情況下，也能夠準確測量壓力和溫度，準確傳輸其轉換量。微熱量式燃氣表采用緊湊型設計，體積為普通燃氣表的1/2～1/3，節(jié)省空間且安裝簡單。

1.3 通信系統(tǒng)M-Bus(Meter-Bus)總線(如圖5)

M-Bus標準是歐洲為儀表數(shù)據(jù)傳輸而設計的總線系統(tǒng)。微熱量式燃氣表采用M-Bus或Radio M-Bus智能通訊標準和方式。

圖5 M-Bus連接圖

現(xiàn)場采集的流量、溫度、壓力等信號通過模/數(shù)轉換、通訊接口或網(wǎng)絡實現(xiàn)傳輸。支持光學接口lRDA(infrared data association)的微熱量式燃氣表，可以向lRDA通信的其它設備如筆記本電腦或終端系統(tǒng)傳輸信息。通過無線電或電纜集成有線M-Bus或無線M-Bus通信,使得天然氣計量方便、公平、快速、自動計費。

微熱量式燃氣表綜合通信自動抄表系統(tǒng)AMR(automatic meter-reading system)、無線模塊、有線或無線M-Bus接口、開放式手抄器操作系統(tǒng)OMS(Open Mobile System)，用于小區(qū)的無線燃氣表智能采集系統(tǒng)(如圖6)。有線、無線數(shù)據(jù)傳輸符合EN13757標準，M-Bus保證自動和安全的數(shù)據(jù)流，并建立自動抄表和智能計數(shù)的完善的數(shù)據(jù)庫。

圖6 微熱量式燃氣表遠傳系統(tǒng)圖

2 微熱量式燃氣表溫度試驗裝置的研制

2.1 背景

目前已有膜式燃氣表溫度試驗裝置，換能器放置于高低溫試驗箱中，以氣體為介質(zhì)對換能器內(nèi)的氣體進行升溫或降溫，升降溫效果較慢。國際建議R31中要求標準表處氣體溫度為20℃，燃氣表入口溫度為-25℃或+55℃。經(jīng)過換能器的氣體，壓力損失很大，換能器出口的氣體溫度、流量、壓力很難達到要求，且難以控制。在低溫試驗時，其換能器入口流量64m3/h時,出口流量還不及10m3/h。

2.2 具體實施方式

參照OIML R31和OIML R137，燃氣表在低溫(如-25℃)或高溫(+55℃)運行的試驗情況下，測定其示值。

微熱量式燃氣表溫度試驗裝置，包括通過管路相連接的穩(wěn)壓氣源、標準表、空調(diào)系統(tǒng)及高低溫試驗箱組成，高低溫試驗箱內(nèi)設被檢表，標準表和被檢表信號連接控制及顯示儀表，在被檢表前側的管路上安裝空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)具有獨特的換熱功能。裝置具有在高低溫條件下，對燃氣表進行試驗的功能，使燃氣表入口溫度達到-25℃或+55℃，符合國際建議的要求，極大地降低氣體壓力損失，且體積小、造價低，時間更短、更快地達到設定的溫度、壓力和流量的要求，彌補了現(xiàn)有技術的缺陷。

穩(wěn)壓氣源的氣體輸入至標準流量計，對標準流量計入口處氣體的溫度、壓力進行測量，氣體經(jīng)過空調(diào)系統(tǒng)，達到要求的溫度、壓力和流量，進入被檢燃氣表，對各燃氣表入口處氣體的溫度、壓力進行測量，所有測量數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)處理。整套裝置設計專用軟件，自動設定溫度和壓力，自動調(diào)控流量大小，自動采集、處理數(shù)據(jù)，流量傳感器、燃氣表與計算顯示器實現(xiàn)信號傳輸。

在OIML膜式燃氣表溫度試驗裝置(如圖7)的基礎上進行創(chuàng)新和改造的微熱量式燃氣表溫度試驗裝置(如圖8)，由于空調(diào)系統(tǒng)的設計獨特，具有使氣體快速升降溫功能。裝置滿足OIML R31和OIML R137的技術要求。

圖7 膜式燃氣表OIML溫度試驗裝置結構示意圖

圖8 微熱量式燃氣表溫度試驗裝置結構示意圖

3 總結

在能源貿(mào)易結算中，采用能量計量比體積計量更科學、更合理。微熱量式燃氣表無嗓音，無損耗，準確，重復性好，長期穩(wěn)定，即使在非常低的流速下，也能準確測量壓力和溫度，并傳輸其測量轉換量。燃氣表試驗裝置能夠創(chuàng)建燃氣公正計量和智能能源數(shù)據(jù)管理的基礎?？傊崃渴饺細獗頌榭蛻籼峁┩耆该鞯南M，并建立改善服務的基礎，更好地實現(xiàn)個性化解決方案。

[1] 紀建英.燃氣表溫度試驗裝置：中國，ZL 2012 2 0119160.4[P]. 2012-11-07

[2] 劉大壯,等. 一種微熱量式燃氣表：中國，ZL 2012 2 0678611.8[P]. 2013-07-17

[3] 王池,等．天然氣能量計量系統(tǒng)及方法[J].計量學報，2008(5)

[4] 吳煥芬,等. 基于網(wǎng)絡平臺的天然氣能量計量方法研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011(9)

[5] 游明定.天然氣能量計量[J].天然氣與石油，1998(3)

[6] 陳學林,等.微熱量熱法測定導熱系數(shù)的原理及其理論推導[J].含能材料，1993(3)

[7] 梁國偉,等.熱式氣體流量計原理及影響因數(shù)分析研究[J].中國計量學院學報，2008(3)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.4.10