金卡智能 江航成 丁淵明 李杭 林明星
來源：《自動化儀表》2019年2月刊
摘要：電子式溫補膜式燃氣表結構簡單、功耗低、計量準确度較高，可實現标準溫度下的體積計量，達到公平貿易結算的目的。對于其計量性能的測試，動态法的準确性優于靜态法。由于其通過電子計數器顯示，檢測裝置無法對其信号采樣，通常采用靜态法檢測；但該方法顯示分辨力低及間歇式計數，檢測時間長、準确性低。機械計數器能被裝置自動采樣,根據其輸入單片機的工況脈沖體積，與單片機輸出以電子計數器形式顯示标準溫度體積的同步性，提出一種基于量值傳遞的測試法，設計一種在檢測模式下的顯示電路。該設計顯示分辨力達到0.1升，可實現動态法測試。在25.1℃溫度下測試G4型電子式溫補表6次，誤差重複性達到0.05%。試驗結果表明，該方法準确度高、測試時間短，操作簡單，通用性強，有助于電子溫補表的推廣，能有效促進貿易公平性。
關鍵詞: 膜式燃氣表；溫度轉換裝置；溫度補償；電子式溫補；動态法測試
Abstract :The electronic temperature compensation diaphragm gas meter has the advantages of simple structure, low power consumption and high measurement accuracy. It can realize the volume measurement under the standard temperature and achieve the purpose of fair trade settlement. The measurement performance test shows that the dynamic method is more accurate than the static method. Because it is displayed by electronic counter, the detection device can not sample its signal. The static method is usually used to test, but because of low display resolution and intermittent counting, the detection time is long and the accuracy is low. The mechanical counter can be automatically sampled by the device. According to the actual pulse volume of the input single chip computer, it can display the synchronization of the standard temperature volume with the output of the single chip computer in the form of an electronic counter,a measurement method based on metrological transfer is proposed. By designing a display circuit of electronic temperature compensation film gas meter in the detection mode, the display resolution reaches 0.1 liter, achieve dynamic testing through the above way . At the temperature of 25.1 C, test the electronic temperature compensation diaphragm gas meter of G4 for 6 times,the repeatability of the indication error is 0.05%. The test results show that the method has the advantages of high accuracy, short test time. simple operation and versatility. It helps to promote the electronic temperature compensation meter and effectively promote trade fairness.
Key Word: Diaphragm gas meter；Temperature conversion device； Temperature compensation；Electronic temperature compensation；Dynamic method test
前言
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，具有計量準确度較高、量程寬、性能穩定、适應性廣、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，例如同樣壓力下20℃時的1m3天然氣，在-10℃體積為0.8977 m3，體積縮小11.23%，燃氣公司從上遊購氣的體積是按照20℃結算的，而下遊卻是按實際使用溫度結算，由此造成了燃氣體積計量誤差，導緻供銷不平衡，有失貿易結算的公平性原則[1]。國家發布《關于頒發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态标準為20攝氏度（293.15K）[2]。河北省頒布編号為JJF（冀）143内置溫度轉換裝置燃氣表檢驗規範[3]。俄羅斯燃氣表國家标準ГОСТ Р 50818明确規定燃氣表必須安裝内置溫度轉換裝置，實行标準溫度下的體積計量[2]。實現标準溫度體積計量将是社會發展的趨勢，有效解決辦法是在燃氣表内部加裝機械式或電子式溫度轉換裝置，将工況體積轉換成為标準溫度體積[4]。
1 溫補方式及特點
電子式溫補表原理是：在燃氣表内部安裝溫度傳感器，将磁鐵固定在機械計數器尾輪上，通氣時膜片的往複運動通過傳動機構帶動機械計數器轉動，尾輪上的磁鐵随之運轉；當靠近固定在計數器上的幹簧管時，幹簧管吸合，代表1個脈沖。對于家用表而言，1個脈沖為10L，單片機根據輸入工況脈沖及溫度，轉換成标準溫度的體積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，避免糾紛。當接收到脈沖信号時，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，隻需在燃氣表内部加裝溫度傳感器，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，将标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，導緻皮膜沒有完全展開，對計量準确性造成影響。電子溫補表的準确度由兩方面影響，即基表的計量準确性與溫度傳感器的準确性。目前國内很多廠家通過-25℃～+55℃溫度下的歐盟EN1359認證，在工作溫度範圍内，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℃，根據氣态方程式影響誤差在±0.1%左右，基本可以忽略不計。由此可見，電子溫補表的計量準确度較高。
膜式燃氣表國家标準[6]規定燃氣表以運行6000小時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，動态法檢定是在燃氣表模拟工作狀态下進行檢定的，能更好地反映出該燃氣表計量性能。靜态法由于存在人為操作因素，必然引入人為誤差，而且靜态法計量燃氣表存在啟停過程，由于慣性作用，會對計量結果有影響。
單片機接收到工況脈沖及溫度，輸出标準溫度的體積，以電子計數器形式顯示。測試誤差時，檢測裝置隻有與被檢表同步計量體積才能确保檢測準确性，同步的前提是被檢表的讀數信号必須能被裝置采樣識别。目前，設備隻能采集到機械計數器及LED信号，而對電子數字無效[7-8]。動态法測試的前提是被檢表信号能被自動采集，所以對于電子溫度補償膜式燃氣表（後續簡稱溫補表）通常采用人工讀數的靜态測試法。目前，需特制的标準裝置實現動态法測試，操作繁瑣[9]。
靜态法測試過程為：先讀取被檢表的初始讀數；通氣後，讀取被檢表的終止讀數，由此計算出被檢表測得的體積；與标準器測出的實際标準體積進行比較，計算出誤差。由于電子計數是間歇性的，隻有接收到脈沖信号才會計數，标準器與被檢表體積計量的不同步造成偏差。舉例說明，-10℃下标準體積與溫補表體積如圖1所示，溫補表分辨力為10L。假設标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，标準體積與溫補表體積都是33升，誤差為0%；如控制在圖中的B點，标準體積為32.99升，而溫補表體積為22升，相差10.99升，由此造成很大的測試偏差。為确保測試的準确性，需要增加測試體積到5000升以上，測試分辨力及間歇性計數引起的偏差才可以忽略，可見靜态法測試時間長、準确度低、且對标準裝置有要求。
圖 1 -10℃下标準體積與溫補表體積
Fig.1 Standard volume and temperature compensation volume at -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0.01m3即10L,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0.00001m3即0.01升，滿足檢測時的準确度要求。
圖2 液晶示意圖
Fig.2 Schematic diagram of liquid crystal
液晶顯示屏由電路闆、供電電源和多個間隔排布的LED數碼管組成，與單片機相連，電路闆用于控制LED數碼管呈用戶模式顯示的第一回路，以及控制LED數碼管呈檢測模式顯示的第二回路。對應實現該兩種模式的電路如圖3所示。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。
圖3 電路示意圖
Fig.3 Schematic diagram of circuit
3.2 量值傳遞測試法
本文提出了一種基于量值傳遞測試方法，量值傳遞流程如圖4所示。量值傳遞流程為：氣體流量标準裝置→機械計數體積→工況脈沖體積→标準溫度脈沖體積→電子計數體積。标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，得到标準溫度脈沖體積，将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，實現動态法準确測試溫補表的計量性能。測試過程詳見以下說明。
圖4 量值傳遞流程圖
Fig.4 Flow chart of metrological transfer
當溫度為-10℃、流量為0.6m3/h時，溫補表的标準溫度脈沖體積如圖5所示。通氣時機械計數器尾輪轉動，運轉一圈，固定在計數器上的幹簧管吸合輸出1個脈沖，單片機接收到工況脈沖體積為10升；标準裝置對機械計數器采樣，根據一圈為10升的儀表系數，測試出在标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，得到标準溫度脈沖體積。通過機械計數器作為中間傳遞載體，實現将标準裝置的量值傳遞到标準溫度脈沖體積。
圖5 标準溫度脈沖體積
Fig.5 Standard temperature pulse volume
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，将工況體積轉換為标準溫度下的示值，以電子計數器方式顯示在液晶，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個脈沖的标準溫度體積，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10m3/h,電子計數器示值更新1次間隔3.6s，人工有充分時間讀取示值。
4 計算原理
采用音速噴嘴法氣體流量标準裝置，當氣體經膜表進入容器後音速噴嘴的出口壓力之比為一定值時，噴嘴喉部的雷諾數一定，則氣流通過噴嘴候補的流速恒定，此時即為臨界流狀态[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、穩定時間後啟動測試，當采樣器自動采集到機械計數器第1個脈沖後，标準器計時開始，當采集到機械計數器第N+1個脈沖數後，标準器計時終止。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裡噴嘴的工況體積；式（3）将噴嘴的工況體積換算成被檢表處的壓力與标準溫度的體積；式（4）計算出機械計數器顯示的标準溫度下的示值誤差；式（5）将脈沖系數f修正成标準溫度脈沖系數 。
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
式中：Vm 為被檢表的工況體積；Vs為噴嘴的工況體積；A為噴嘴喉部面積； 為流出系數；C*為臨界流函數；Z0為壓縮因子；TS為噴嘴入口的氣體熱力學溫度；M為氣體摩爾質量；R為通用氣體常數；t為測量時間；Ps 為标準器内的氣體絕對壓力；Pm 為被檢表處的氣體絕對壓力；TB 為标準氣體溫度；Vref為通過被檢表标準溫度下的體積值； E為示值誤差；f為工況脈沖系數； 為标準溫度脈沖系數。
測試時序如圖6所示。
圖6 測試時序
Fig.6 Test process
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）脈沖時的電子計數器示值。由式（6）計算出M個脈沖電子計數器标準溫度下累計體積；式（7）計算出M個脈沖實際的标準溫度下累計體積；式（8）計算出溫補表的示值誤差。
（6）
（7）
（8）
式中： ¬¬為M個脈沖電子計數器标準溫度下累計體積； ¬¬為第a個脈沖電子計數器标準溫度下體積讀數； 為第（a+M）個脈沖電子計數器标準溫度下體積讀數； 為M個脈沖實際的标準溫度下累計體積； 為溫補表的示值誤差。
5 試驗驗證
為驗證方法的有效性，用準确度等級為0.5級的音速噴嘴法氣體流量标準裝置，測試1台G4規格溫補表的示值誤差。環境溫度控制在25℃，通過按鍵将溫補表進入檢測模式，恒溫4小時後，進行誤差測試。測試程序設置脈沖系數為10L/P、測試脈沖數為80個、測試流量為6m3/h、穩定時間20s、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，一共讀取7次。25.1℃溫度測試示值誤差見表1所示。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标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%，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，具有高度的一緻性，滿足準确測試的前提基礎，由此驗證了該測試方法的正确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，安裝在計數器上的幹簧管感應它靠近時，産生吸合輸出脈沖，将機械計數器的轉動輸出電子信号的方案，性能可靠。測試6次示值誤差的标準偏差為0.05%，結果表明該方法準确度高，測試時隻需輸入10個脈沖體積既100 L，檢測時間為1min，檢測時間短，相比靜态法測試體積需到5000 L，降低測試時間98%。
表1 25.1℃溫度測試示值誤差
Tab.1 Measurement error at 25.1 ℃ temperature
機械計數器誤差
（%） 脈沖
系數
（L/P） 電子計數器起始值(L) 電子計數器終止值(L) 電子計數器累計體積(L) 脈沖個數(P) 脈沖
體積
(L) 電子計數器
誤差
（%） 标準
偏差
（%）
1.68 9.835 012.16 110.73 98.57 10 98.35 0.22 0.05
110.73 209.28 98.55 10 98.35 0.20
209.28 307.93 98.65 10 98.35 0.31
307.93 406.49 98.56 10 98.35 0.21
406.49 505.12 98.63 10 98.35 0.28
505.12 603.78 98.66 10 98.35 0.32
6 結束語
膜式燃氣表國家标準[6]對于溫度補償方式僅規定機械式，随着技術的不斷發展，電子式溫補表将得到快速發展。最新歐盟标準EN1359對溫補方式未做要求[2]，修訂版國标已取消限制要求。電子式溫補表從其工作原理分析具有較高的計量準确性，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，難以準确測試其計量性能，限制了市場推廣及使用。本文提出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0.1L；在不改變現有檢測裝置基礎上，提出基于量值傳遞測試法，裝置自動采樣與人工讀數想結合，實現動态法準确測試其計量性能。測試準确度高，測量時間短，相比靜态法檢測時間降低98%，适用性廣，适用于所有的氣體流量标準裝置。該方法實施成本低，效果明顯，有助于電子溫補表的推廣，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。
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