智能膜式燃氣表自動化校準技術

江航成， 郭 剛， 林明星

(金卡智能集團股份有限公司，浙江杭州310018)

1 概述

近年來隨著清潔能源的推廣，天然氣的應用日趨普遍，燃氣表廣泛應用于天然氣的貿易結算，也是燃氣能源計量的主要計量器具，膜式燃氣表產品已從當初機械結構，發展到IC卡表、無線遠傳表等智能燃氣表，我國膜式燃氣表制造領域步入快速發展期，整體實力和國際綜合競爭力顯著增強[1]。隨著我國城市化進程的加快以及城市燃氣普及率的不斷提高，國內燃氣表需求量高速增長。燃氣表的計量準確性、自動化生產將是今后發展的趨勢，也是流量儀表行業研究熱點。某研究所設計一種包括9個生產模塊的燃氣表成表自動裝配生產線，提高了產品裝配質量和生產效率[2]。有燃氣表單位為提高檢測效率，提出兩種小流量點誤差檢定技術，增加萬分位字輪和利用檢測盤檢定的思路[3]。為了提高膜式燃氣表的檢定效率,改善最小流量點耗時過長的問題,研究者提出了以雙計時法和回轉當量體積為測量原理的檢定技術[4]。這些技術雖有成效，但無法用于批量自動化生產。熱式燃氣表采用近紅外通信方式通過瞬時流量實現自動化校準[5]，該校準技術比較成熟，已用于批量生產，也適用于智能膜式燃氣表生產。本文以下所提燃氣表均指智能膜式燃氣表。

2 改進前燃氣表原理

改進前燃氣表原理見圖1，基表1通過柔性膜片計量室來測量氣體體積流量。在壓力差的作用下，燃氣經分配閥交替進入計量室，充滿后排向出氣口，同時推動計量室內的柔性膜片作往復式運動，經過轉換機構將充氣、排氣的循環過程轉換成相應的氣體體積流量。通過傳動軸2傳遞到基表外面，并經齒輪組件3帶動機械計數器4轉動，磁鋼5安裝在機械計數器4上，通氣時磁鋼5隨之運轉，當靠近霍爾元件6時，高的磁通量觸發霍爾元件6吸合計數產生電子脈沖信號，控制器7將接收到的電子脈沖信號經過處理顯示在電子計數器8上。控制器安裝通信模塊，實現數據的無線遠傳。

圖1 改進前燃氣表原理1.基表 2.傳動軸 3.齒輪組件 4.機械計數器 5.磁鋼 6.霍爾元件 7.控制器 8.電子計數器

校準誤差時采樣對象是燃氣表的機械計數器，目前標準裝置檢測誤差一般為以下兩種方式：一種是光電采樣法，機械計數器字輪上固定鋁箔，光電采樣器通過發光檢測反射光強度，當照射到鋁箔時感應到光強度，接收脈沖信號；另一種是圖像識別法，字輪數字0～9的圖像不一樣，測試時先采集一張圖像，再采集到一樣的圖像時表示接收到信號。可見采樣必須是字輪一圈的整數倍，燃氣表字輪轉動一圈最小值是10 L，采樣分辨力為10 L。較低的分辨力導致校準不準確、檢測效率低。另外檢定對象是機械計數器，實際貿易結算是電子計數器，按照JJG 577—2012《膜式燃氣表》還需要增加檢查機電轉換誤差測試項。

校準不準確體現為檢測準確性不高、修正不夠精準。由于每一個表的初始相對誤差都不盡相同，先初校得到大流量與中流量初始相對誤差，再用大齒輪、小齒輪一對配比，通過控制傳動比調整相對誤差，不同的齒輪配比相對誤差見表1，安裝相應配比齒輪及機械計數器再進行復校。本文大流量點為表的最大量程對應的流量值，中流量點為大流量點的0.2倍，小流量點為最小量程對應的流量值。

表1 不同的齒輪配比相對誤差 %

如型號為G1.6的燃氣表，初校用18格采樣盤，采樣分辨力為0.133 L，初校時間短，測試大、中流量各100個脈沖，只需要2 min。初校得知大流量初始相對誤差為-3.83%，中流量初始相對誤差為-2.73%，按照表1，選擇42/51齒輪配比、39/47齒輪配比調整，兩者的相對誤差分別為+2.94%、+3.72%，齒輪配比修正后相對誤差見表2。

表2 齒輪配比修正后相對誤差

從表2可以看出選擇42/51齒輪配比，使得大流量修正后相對誤差明顯偏負，選擇39/47齒輪配比中流量修正后相對誤差明顯偏正，雖然都符合國家標準，但都不夠理想。

目前標準裝置對于機械計數器的采樣分辨力為10 L，測試0.016 m3/h流量點，即使采用最小體積，測試時間仍需要約40 min。按照JJG 577—2012，盡可能使燃氣表最小位字輪轉動一圈或數圈，以減少周期性變化的影響。小流量測試10 L，不是回轉體積1.2 L的整數倍，影響測試的準確性。

檢測效率低一方面體現在測試時間長，另一方面表現在初校完成需要中途停頓，每個表逐一選擇合適的配比齒輪及機械計數器，再進行復測。齒輪的配比選擇、安裝以及機械計數器裝配工藝復雜,難以實現自動化生產。

3 改進后燃氣表原理

改進后燃氣表原理見圖2，與改進前相比，最大區別是無機械計數器，磁鋼直接安裝在齒輪組件3上，同時增加光學接口7。G1.6燃氣表的回轉體積為1.2 L，齒輪組件轉速提高，1個回轉體積齒輪組件轉動3圈，齒輪組件的轉臂上下各裝一個磁鋼，轉動一圈霍爾元件采集2個信號，電子脈沖信號分辨力提高到0.2 L，相比之前結構10 L的采樣分辨力，提高了50倍。信號分辨力增加，測試的準確度提高，效率提升。

圖2 改進后燃氣表原理1.基表 2.傳動軸 3.齒輪組件 4.磁鋼 5.霍爾元件 6.控制器 7.光學接口 8.電子計數器

由于直接采用電子脈沖累計體積，相對誤差不是通過固定的齒輪配比調整，可根據實際初始相對誤差選擇最佳修正量，前面舉例的G1.6燃氣表采用電子脈沖當量修正數據見表3，校準數據更加合理。

表3 電子脈沖當量修正數據

通過光電接口按照近紅外通信協議，對電子脈沖當量進行初校、修正、復校，實現自動化校準，做到一鍵全部完成。另外減少機械計數器，結構更加簡單。由于檢定對象與實際貿易結算都是電子計數器，無須檢測機電轉換誤差。

4 自動化校表方案

采樣光學接口按近紅外通信測試方法,光學接口見圖3，光學接口內置紅外發射器與紅外接收器。校表原理為：檢測裝置帶有光學接口，檢測裝置上位機以二進制形式將指令轉換成某一頻率的脈沖序列,通過光學接口的紅外發射器，發出波長為900～1 000 nm紅外光[6],燃氣表的光電器件D205接收到紅外信號轉換成電脈沖信號,單片機將此電脈沖信號解析成指令信息并執行。燃氣表將內部信息轉換成電脈沖信號，通過光電器件D204以紅外光形式發出，被光學接口的紅外接收器所接收，由此實現檢測裝置與燃氣表雙方信息的交互。當未接收到電脈沖信號時，紅外發射器持續發光，紅外接收器默認為是0，當接收到電脈沖信號時，紅外發射器不發光，紅外接收器認為是1。

檢測裝置與燃氣表根據GB/T 19897.1—2005《自動抄表系統低層通信協議 第1部分：直接本地數據交換》的C模式,一種支持帶有波特率切換的數據交換,允許數據讀出,帶增強口令安全的編程和廠家定義模式實現信息互通,按ISO/IEC 1177—1985《信息處理 啟動/停止和同步定向字符傳輸的字符結構》，要求為異步串行(起始—停止)位傳送，半雙工模式形式進行字符傳輸。

圖3 光學接口

目前測試燃氣表的設備有音速噴嘴氣體流量標準裝置(以下簡稱音速噴嘴裝置)、鐘罩式氣體流量標準裝置、標準表法氣體流量標準裝置。音速噴嘴裝置特點是結構簡單、性能穩定、準確度較高、無可動部件、維護方便，是燃氣表誤差檢測的主流標準裝置。

校準流程見圖4。上位機和燃氣表先通過近紅外通信握手確認測試方案，首先對燃氣表的夾表密封性進行檢測，檢測合格后進行初校，打開相應流量噴嘴的閥門，經過30 s左右的穩定時間后，上位機通過近紅外通信接收到燃氣表發出的首個脈沖信號，晶振開始計時，當接收到設定脈沖個數后，晶振停止計時。根據大流量、中流量初校的結果，計算出修正脈沖當量，通過近紅外通信將該修正脈沖當量寫入表內，再根據復校方案完成大流量、中流量、小流量的復校。

圖4 校準流程

依據JJF 1240—2010《臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置校準規范》，被檢表顯示的累計體積通過式(1)計算，通過式(2)計算出流經燃氣表的實際體積，通過式(3)計算出被檢表的相對誤差，修正脈沖當量計算見式(4)。式(1)～(4)如下：

(1)

(2)

(3)

fx=fc[1+0.5(Emax+Emid)]

(4)

式中Vm——被檢表累計體積，m3

N——被檢表脈沖個數，pul

fc——初始脈沖當量，pul/m3

Vs——被檢表實際體積，m3

Cd——噴嘴流出系數

A——噴嘴喉部面積，m2

C——噴嘴流函數

ps——噴嘴處氣體壓力，kPa

Z——噴嘴前滯止容器處氣體壓縮因子

Tm——被檢表處氣體溫度，K

pm——被檢表處氣體壓力，kPa

M——氣體摩爾質量，kg/mol

Ts——噴嘴處氣體溫度，K

R——摩爾氣體常數, J/(mol·K)

t——測試時間，s

E——被檢表相對誤差

fx——修正脈沖當量，pul/m3

Emax——被檢表大流量相對誤差

Emid——被檢表中流量相對誤差

5 實驗測試

被檢表準確度等級為1.5級，規格G1.6，流量范圍為0.016～2.500 m3/h，用0.5級流量范圍為0.016～6.000 m3/h音速噴嘴氣體流量標準裝置進行檢測。軟件完成測試方案程序設置，將檢測裝置的光學接口固定在被檢表上。點擊測試，上位機首先與被檢表進行通信握手確認，檢查每個表是否與裝置通信成功。通信成功后，檢測被檢表與裝置安裝的密封性，檢測合格后進行初校，初校流量點為2.5 m3/h、0.5 m3/h，初校完成后計算出修正脈沖當量，通過近紅外通信寫入燃氣表內，執行復校方案完成測試，測試數據見表4。

為驗證該測試方法的準確性，將該被檢表用音速噴嘴氣體流量標準裝置靜態法測試大、中流量點，兩種方法測試相對誤差對比見表5。

表4 測試數據

表5 兩種方法測試相對誤差對比

兩種測試方法之間的相對誤差差異很小，在0.13%以內，小于標準裝置擴展不確定度(0.5%)。按照常規方案復校流量需要45 min，按照該方案復校只需12 min，復校效率提升了約73%。

6 結語

① 分析當前智能膜式燃氣表及改進后的智能膜式燃氣表原理，提出一種通過光學接口按照近紅外通信協議的相對誤差校準技術，通過改進結構，取消機械計數器，增加光學接口，通過脈沖當量實施初校、修正、復校，實現自動化校準。

② 以準確度等級為0.5級、流量范圍為0.016～6.000 m3/h音速噴嘴氣體流量標準裝置, 測試規格為G1.6、流量范圍為0.016～2.500 m3/h的1.5級燃氣表，比較近紅外通信方法測試與靜態法測試的相對誤差差異，結果表明相對誤差差異在0.13%以內，小于標準裝置擴展不確定度(0.5%)。

③ 近紅外通信方法測試的準確性滿足要求，復校效率提升了約73%。