金卡智能集團股份有限公司 李杭/江航成/鈄偉明/項勇

來源：《工業(yè)儀表與自動化裝置》2019年第2期

摘要: 利用熱式傳感器輸出瞬時流量的計量特性，提出一種基于瞬時流量的校準方法，在熱式表主板模塊上加裝紅外發(fā)射及接收電路，通過紅外通信方式與上位機建立數(shù)據(jù)交互，讀取其顯示的瞬時流量，以音速噴嘴法氣體流量標準裝置為標準器，通過下位機讀取音速噴嘴處氣體的瞬時流量，計算出示值誤差。程序設置通信、初校、生成系數(shù)修正列表、寫入系數(shù)、復校、判定一共6個工序，一鍵實現(xiàn)熱式表連續(xù)化、批量化、自動化校準。通過用瞬時流量法測試G1. 6規(guī)格燃氣表0. 5 m3/h流量點的示值誤差，重復性為0. 053%，與累積流量方法比較提高了0. 05% ，縮短校準時間 87% ，極大提升工作效率。

關鍵詞: 熱式質(zhì)量燃氣表; 累積流量; 瞬時流量; 紅外通信; 自動化校準

Abstract: A calibration method based on instantaneous flow rate is proposed by utilizing the metro- logical performance of the output instantaneous flow rate for the thermal sensor. Infrared transmitting and receiving circuits are installed on the main board module of the thermal meter. The data are interacted with the host computer by means of infrared communication to read the instantaneous flow rate displayed by the thermal sensor. The calibration method is based on the sonic nozzle method. The instantaneous flow rate of the gas at the sonic nozzle is read by the lower computer and the indication error is calculated. Pro- gram settings communication，preliminary calibration，generating coefficient correction list，writing coeffi- cient，recalibration，judgment a total of six procedures，one key to achieve continuous，batch，automatic calibration of the thermal meter. The instantaneous flow method was used to test the indication error of 0. 5m3/h flow point of G1.6 gasmeter，and the repeatability was 0.053%. Compared with the cumulative flow method，it is improved by 0. 05% . The calibration time is shortened by 87% ，and the work efficien- cy is greatly improved.

Keywords: thermal mass gas meter; cumulative flow rate; instantaneous low rate; infrared commu- nication; automatic calibration

引言

氣體體積與溫度關系密切相關，例如同樣壓力20°C時的1m3天然氣，在-10°C體積為0.8977 m3，體積縮小11. 23% 。燃氣公司從上游購氣的體積是按照20 °C結(jié)算的，而下游卻是按實際使用溫度結(jié)算，由此造成了燃氣體積計量誤差，導致供銷不平衡，有失貿(mào)易結(jié)算的公平性 原則[1]。國家發(fā)布《關于頒發(fā)天然氣商品量管理暫行辦法的通知》，第五章第二十二條天然氣按體積進行計量，天然氣體積計算的狀態(tài)標準為20 °C。膜式燃氣表以及超聲波 =燃氣表均為測試工作狀況下流量的計量器具，需要加裝溫度傳感器以及壓力傳感器，通過溫壓補償才能實現(xiàn)標況計量。

隨著MEMS工藝的出現(xiàn)和技術的不斷創(chuàng)新，性價比高的超低功耗、高測量準確度的專用流量傳感器芯片日趨成熟。熱式質(zhì)量燃氣表(后續(xù)簡稱熱式表) 是一種利用熱傳遞原理測量標準狀況下流量的計量器具[2]。依據(jù)熱傳導理論設計，可對被測燃氣的氣體組份進行自動識別，使用十分方便。相比膜式燃氣表具有無可動部件、易集成、量程比寬、靈敏度高、智能化、標況輸出的優(yōu)點。熱式表的產(chǎn)品標準JB/T 13567[3]已經(jīng)頒布。

1 工作原理

熱式質(zhì)量燃氣表的工作原理是利用氣體與熱源之間熱量交換原理，由一個精密的電源，給熱式傳感器提供恒定的熱量，在流體靜止的條件下，2個測溫元件的溫度相同。當流量增大時，熱量從上游T1測試元件傳向下游T2測溫元件，熱式傳感器測出兩者的溫差，并提供與流量相關的輸出信號[2]，工作原理見圖1。

圖1 工作原理 

熱式表的工作流程見圖2，熱式傳感器進行流量采集，是通過加熱器對周圍氣體進行加熱，加熱后周圍的氣體產(chǎn)生熱場，讀取上下游的溫度傳感器檢 測到周圍的溫度梯度以及氣體識別參數(shù)等。計量模塊主要是配置測試參數(shù)，讀取熱式傳感器內(nèi)部參數(shù) 信息以及參數(shù)存儲，如溫度參數(shù)及氣體識別參數(shù)，計算出瞬時標況流量。主控模塊作為輸出終端，存儲 瞬時標況流量及累積流量，以串口或紅外通信方式 與外部進行數(shù)據(jù)交互輸出測試結(jié)果，或通過 LED燈顯示。

圖2 工作流程

2 測試現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的膜式燃氣表是通過對qmax，0.2qmax，qmin流量點的累積流量進行初校[4]，取得初始誤差，計算出修正系數(shù)，通過更換齒輪配比系數(shù)，將誤差調(diào)整到合格范圍。目前氣體流量標準裝置上的采樣器可以識別機械計數(shù)器，取得被檢表的采樣信號。但是熱式表是電子式的計量儀表，輸出的是電子計數(shù)器，采樣器無法識別出采樣信號，為此需要將瞬時流量根據(jù)時間換算出累積流量，累計到剛好1L體積時，用LED指示燈閃爍一下，代表1個脈沖信號，被采樣器所識別。由于每個產(chǎn)品的 LED 燈及固定位置有所差異，每個采樣器需要對焦調(diào)整。另外測試時間太長，例如G1.6表的q流量點0.016m3/h，測試累積流量5個脈沖，至少需要20 min。初校完成后，測試系統(tǒng)生成具體的系數(shù)修正列表，需要人工逐臺通過接口寫入表中，并進行復校。可見校準過程并非連續(xù)化生產(chǎn)，效率較低。

3 自動化校準方法

研制一種基于瞬時流量的自動化校準方法，利用熱式表主控模塊輸出的瞬時流量與音速噴嘴測試的標準值進行比較，計算出示值誤差，測試裝置見圖3，操作流程見圖4。

1-檢測臺;2-熱式表;3-連接管路;4-閥門;5-滯止容器; 6-音速噴嘴;7-真空泵;8-下位機;9-溫度變送器;10-計算機; 11-壓力變送器; 12-紅外通信工裝

 圖 3 測試裝置圖

 圖4 操作流程 

將熱式表固定在檢測臺上，紅外通信工裝與熱式表上建立紅外通信，紅外通信利用 950 nm 近紅外波段的紅外線作為通信載體來進行通信[5]。通信原理是發(fā)送端將二進制數(shù)調(diào)制成某一頻率的脈沖序列，并利用該脈沖序列驅(qū)動紅外線發(fā)射管以光脈沖的形式向外發(fā)射紅外光; 而接收端將接收到的光脈 沖信號轉(zhuǎn)換成電信號，再還原成二進制電信號[6]。 熱式表內(nèi)置發(fā)射電路見圖5，通過主控模塊的紅外發(fā)射端MCU-IP-TXD將瞬時流量值，以一定的通信編碼協(xié)議通過光電器件D204以紅外光發(fā)射出去，通過紅外通信工裝被上位機所獲取。上位機通過紅外通信工裝發(fā)出指令，通過接收電路(見圖6) ，D205接收到紅外信號，被紅外接收端 MCU-IP-RXD所接收，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。計算機通過RS485串口與紅外通信工裝連接。下位機讀取溫度變送器、壓力變送器的參數(shù)，控制閥門開關，通過RS485串口與計算機連接。在計算機操作程序上設定初校參數(shù)、復校參數(shù)后，開啟真空泵，點擊測試，系統(tǒng)通過紅外通信將指令發(fā)送到燃氣表，開啟瞬時流 量測試模式。當流過音速噴嘴的氣體達到臨界流狀態(tài) 時，流過噴嘴的氣體質(zhì)量流量保持不變[7]，由于溫度以及壓力恒定，體積流量不變，根據(jù)式(1) 計算出流經(jīng)音速噴嘴處氣體的瞬時流量Vs，根據(jù) 連續(xù)性原理將Vs 通過氣態(tài)方程式(2) 換算成流經(jīng)被檢表的實際瞬時流量Vref，式(3) 將實際瞬時流Vref與被檢表瞬時流量Vm計算出初始示值誤差E。初校完成后，操作系統(tǒng)根據(jù)初始誤差值生成系數(shù)修正列表，通過紅外通信寫入計量模塊中，完成后進入復校程序，系統(tǒng)根據(jù)測試結(jié)果以及標準要求，判定測試結(jié)論。

圖5  紅外發(fā)射電路

圖6紅外接收電路

式中: Vm為被檢表的瞬時流量( m3/h)；Vs為噴嘴的瞬時流量(m3/h)；A為噴嘴喉部面積(m2)；C' d為流出系數(shù)；C*為臨界流函數(shù)；Z0為壓縮因子；Ts為噴嘴入口的氣體熱力學溫度(K)；M為氣體摩爾質(zhì)量 ( kg·mol - 1 )；R為通用氣體常數(shù)( J·mol - 1 ·K - 1) ；Ps為標準器內(nèi)的氣體絕對壓力( Pa) ; Vref 為通過被檢表的實際瞬時流量( m3/h)；E為示值誤差( %)。

4 測試試驗

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G1. 6熱式表0.5 m3/h流量點的示值誤差，先通過累積流量測試6遍，用時60min; 再用瞬時流量測試6遍，用時 8min，具體測試數(shù)據(jù)見表 1。

表1  累積流量與瞬時流量測試誤差

采用累積流量測試的重復性誤差為0. 099% ，而采用瞬時流量為0. 053%，從結(jié)果分析看采用瞬時流量測試方法的重復性更好，兩者比較差異只有0. 05%，但是校準時間縮短 87% ，驗證了瞬時流量測試方法準確、高效。

5 結(jié)論

累積流量校準方案是基于傳統(tǒng)的機械式膜式燃 氣表，熱式表作為新型的電子式流量儀表，充分利用其電子式以及瞬時流量輸出的計量特點，通過紅外通信方式與測試系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，編制測試程序達到一鍵實現(xiàn)熱式表連續(xù)化、批量化、自動化校準。 通過兩種方法測試G1. 6規(guī)格燃氣表示值誤差的分析比較，驗證瞬時流量測試方法的準確性，測試重復性優(yōu)于累積流量法，同時縮短校準時間87%，極大提升生產(chǎn)效率，值得在燃氣表行業(yè)中推廣使用。 

參考文獻:

[1] 趙會平，崔浩.膜式燃氣表的溫度補償研究[J].科技 與創(chuàng)新，2017(16):78-79.

[2] 重慶市質(zhì)量技術監(jiān)督局. JJG( 渝) 010—2017 熱式質(zhì)量 燃氣表[S]北京: 中國質(zhì)檢出版社，2017.

[3] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部. JB/T 13567—2018 熱式質(zhì)量燃氣表[S]. 北京: 中國標準出版社，2018.

[4] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. JJG577—2012 膜式燃氣 表[S]北京: 中國質(zhì)檢出版社，2012.

[5] 馬忠梅. ARM & Linux 嵌入式系統(tǒng)教程[M]. 北京: 北 京航空航天大學出版社，2004: 358 - 375.

[6] 許繼彥，杜欽生.紅外通信模塊的設計與實現(xiàn)[J].長 春大學學報，2009，19( 10) : 49 - 51.

[7] 江航成，張道雋，李杭. 膜式燃氣表回轉(zhuǎn)體積測試及應 用[J]. 自動化儀表，2017，38( 10) ( 96 - 98 + 102.