超聲波燃氣表在燃氣安全管理方面的應用

張 寧，李 莉

（慶陽質量檢驗檢測研究院，甘肅 慶陽 745000）

1 概述

超聲波技術在燃氣計量領域的應用已有幾十年的歷史，早期主要應用于工商業貿易結算領域，隨著技術的發展，家用超聲波燃氣表技術獲得較大突破，在2010 年前后家用超聲波燃氣表開始在國內進行試應用，隨著檢定規程及行業標準的出臺，家用超聲波燃氣表在國內的用戶量得到迅猛發展，截至2019 年，國內超聲波燃氣表累計用戶量已近百萬。

超聲波燃氣表不同于傳統的容積式膜式燃氣表，它是電子速度式燃氣表，采用時差法計量原理，除具有較高的計量精度外，由于其采樣周期短，可以更快更準確的識別異常流量并與燃氣閥門進行聯動，實現智能關閉閥門功能，并且可以物聯網功能結合實現自動報警功能，同時該表具可進行介質聲速測量，通過聲速值變化智能判斷用戶私拆表或膠管脫落等異常狀況，大大提高居民用氣的安全性。

2 超聲波燃氣表在燃氣安全管理中的三種功能

超聲波燃氣表主要由超聲波換能器、氣道、外殼、液晶、智能電子部分等組成，它是通過測得氣道內超聲波在順逆流條件下不同的飛行時間差，進而測量氣體體積量值。計量原理如圖1 所示：

管道內的平均流速νm與聲道橫截面面積的乘積可得到瞬時流量，瞬時流量與時間的積分可得到累計用氣量。

也可采用相似的方法獲得聲波的傳輸速度：

2.1 異常流量切斷功能

2.1.1 安全功能的原理

超聲波燃氣表流量測量周期一般為2s，由于其采樣時間短，可時時監測居民用戶的用氣情況，目前發生的燃氣泄漏爆炸事故，主要由未關緊閥門、膠管脫落情況造成的，其特征主要為恒定流量條件下未及時關閉閥門引起發爆炸事故，眾所周知，燃氣的爆炸是需要一定條件的，室內可燃性氣體的爆炸濃度只有滿足達到5%～15%條件下才會形成爆炸條件。居民用戶使用的表具類型一般為G2.5，即最大流量為4m3/h，以廚房體積為5m3計算，泄漏燃氣量累計0.25m3即達到爆炸極限。我們可以通過公式計算得到一定空間內，泄漏時間與表內流量、燃氣泄漏量關聯關系，推導公式如下：

通過公式（3）、（4）、（5）表明，在燃氣表最大流量點、公稱流量點、最小流量點條件下，達到爆炸極限所需的時間分別為3.75min、6min、750min。若在此時間內，燃氣表可實現智能關閥功能即可避免燃氣事故的發生。為保證智能關閥的準確性，避免居民用戶正常用氣過程中出現誤關閥現象，除了累計氣量的條件外，一般還引入瞬時流量波動值范圍限制條件使切斷功能工作更可靠，目前該誤差值范圍一般設置為3%～10%，超聲波燃氣表可實現對用氣量的高精度測量，通過內部編程器實現誤差波動及持續時間的計算，在燃氣泄漏情況下，實現智能關閉閥門，防止安全事故的發生。

2.1.2 超聲波燃氣表在安全管理方面的特點

超聲波燃氣表的異常流量切斷功能與傳統的燃氣計量器具在異常流量切斷比較，有其獨有的特點：時間分辨率更高，響應時間更短。G4 型號超聲波燃氣表與G4 型號傳統表具異常流量切斷響應時間對比數據見表1。

表1 超聲波燃氣表與傳統燃氣表流量切斷比較

通過以上對比數據可知超聲波燃氣表在整段流量范圍內時間分辨率為2s，而傳統燃氣表的時間分辨率為9～900s，分辨率最多相差數百倍，通過以上數據分析表明若發生燃氣泄漏超聲波燃氣表可以更快速的識別異常流量泄漏并切斷供氣，使居民用更安全。

2.1.3 異常流量參數的個性化設置

異常流量功能的實現離不開相關參數的設置，通過該參數表具才可以智能化識別異常流量，目前大部分的家用超聲波燃氣表都采用堿性電池供電的方式，換電池的情況時有發生，超聲波燃氣表的異常流量相關參數一般內置于表內的存儲單元，無論供電電源是否中斷，重新供電后安全參數都可保證不丟失，保證異常流量切斷功能的連續性。

居民用戶的居住環境千差萬別，廚房大小各有差異，初始化的安全功能參數可能適合大部分的居民用戶，而同一參數對個別用戶可能會引起誤關閥的情況，為避免此類情況的發生，就需要對不同用戶進行參數個性化設計。由于通訊技術的應用限制早期的燃氣表進行安全參數的個性化設置是很難辦到，表具一般只有計量功能，無法進行遠程參數設置。而今天，隨著物聯網技術的廣泛應用，戶外遠程設置表具參數已成為可能，而且物聯網技術已在燃氣表行業得到極大的發展，現已有2G、3G、4G、NB-IOT、短距無線等多種模式的燃氣表在全國各地廣泛使用。超聲波燃氣表作為電子式智能燃氣表可以和物聯網技術進行更好的“融合”，通過內置物聯網硬件電路，及內置編程設計可實現遠程修改表具內安全參數，實現對異常流量參數的遠程個性化設置；而且有的表具也具有本地通訊接口，例如RS485、紅外通訊等接口、也可通過該接口進行安全功能參數的設置與讀取。

2.1.4 應用實例

超聲波燃氣表已在國內很多地區大量使用，部分表具已內置異常流量切斷功能，在用戶使用過程中發現多例由于小流量自動切斷關閥的實例，大部分原因是由于居民用戶室內管道老化導致表后有微小泄漏點。還有其他情況，例如在某城市燃氣用戶使用過程中發生連續幾次的小流量異常切斷事件，技術人員到現場與用戶溝通后發現該用戶除正常用氣外，廚房內還裝有老式熱水爐如圖2 所示。

圖2 廚房內老式熱水爐

該型號熱水爐一般處于長明火狀態，該狀態下小流量一般為10～20L/h，在這種情況下超聲波燃氣表自動識別為小流量并自動關閉閥門，后通過相關設備進行異常流量個性化設置后再未出現報警關閥事件。

2.2 防私拆表功能

傳統的燃氣表無法智能化識別用戶私拆表行為，而超聲波燃氣表可以。超聲波燃氣表采用時差法進行流量測量，通過換能器可準確測得氣道內聲波在順逆流條件下的飛行時間（時間精度一般為1ns），可通過如下公式(2)計算出管內氣體的聲速值。眾所周知，不同介質中聲音的傳播速度式不同的。因為聲速與溫度存在一定函數關系，可以粗略的認為空氣介質中聲速為：

式中：V——表示空氣中聲速；

T——空氣介質的溫度。

燃氣表一般的工作溫度范圍為-25～+40℃，按公式(6)計算空氣中聲速的范圍為316～355m/s，而國內天然氣種類較多，主要使用天然氣種類為10T、12T，人工煤氣等，由于甲烷、乙烷、丙烷、CO2含量不同，在20℃超聲波在天然氣中傳播聲速一般為360～420m/s，經過以上比較得知在不考慮溫度條件下，天然氣與空氣中聲速值差值較小，在實際測量過程中存在介質識別錯誤的情況，為避免此類情況的發生，一般會引入溫度補償機制，在20℃時空氣值中聲速約為343m/s，而天然氣介質的聲速一般為390～410m/s，兩者差別明顯。基于聲速差異原理，安裝溫度傳感器部件的超聲波燃氣表便可準確識別是否存在私拆表行為。

在超聲波燃氣表的使用過程中，成功判斷出多起私拆表行為，但也發生過多起由于用戶出差或習慣原因關閉表前閥的情況，導致表具判斷為私拆表誤關閥的案例，經試驗確認主要是由灶前閥與表前閥中間的管道存在漏點，由于天然氣與空氣的濃度存在較大差異，經過長時間的介質混合，管道內天然氣和空氣混合后聲速值降低導致的。為避免此類情況的發生，提高拆表判別的準確性，在溫補償機制的前提下引入時間比較機制。通過實驗驗證，在私拆表情況下，天然氣聲速變化為空氣聲速大約需要2min 左右，而關閉表前閥情況下，介質聲速由天然氣聲速將至空氣聲速至少需要24h 以上，超聲波燃氣表引入時間比較機制后便可更準確判斷私拆表行為。

2.3 智能報警

隨著物聯網技術發展，逐漸將手機物聯網技術應用于燃氣行業，隨著國內近幾年物聯網流量資費的的降低，智能物聯技術已在智能燃氣表行業得到廣泛應用，使智能燃氣表與物聯網技術完美組合，使燃氣表更智能化。

傳統的表具一般分為后付費方式及表端預付費方式；后付費方式是早期較多使用的方式，居民用戶先用氣后付費，該方式存在收費難、需要燃氣公司大量的人力物力等問題。智能物聯網表具可以通過短距無線方式或表端直接安裝通訊模塊的方式更好的彌補傳統表具的不足之處，通過物聯網功能的一體化設計一方面解決了傳統表具抄表入戶難、數據抄收不及時等問題，可實現遠程采集用戶氣量信息，并監控表具的運行狀態；另一方面通過物聯網功能使傳統的充值方式改變得以實現，可借助微信、支付寶、網上銀行等現代充值媒介進行網上交費，同時居民用戶可通過充值記錄詳細查詢自家消費情況，除此之外很多智能表具廠家還提供了手機APP，通過它與后臺服務器數據的交互，可以使燃氣用戶清楚自助查詢自家表內每日、每月、每月甚至每小時的燃氣消費數據，使用消費更透明化，更好的改善了用戶體驗。

不止如此，超聲波燃氣表可借助物聯網功能實現智能報警功能，當用戶發生異常流量切斷或私拆表動作時，表具可實現自動連接公共網絡，將報警信息主動上報至傳輸至燃氣公司服務器，并可將報警信息轉發至小區物業及給予居民用報警提示，形成表具、燃氣公司、小區物業、用戶的聯動，可有效縮短安全事故的響應時間或避免安全事故的發生。

3 結束語

電子式超聲波燃氣表在國內燃氣表行業的推廣應用，其更快速的異常流量切斷功能、準確的防私拆表功能、與物聯網技術的一體化設計的智能報警功能，能很好的為戶內安全用氣保駕護航，使然氣使用更安全，更放心。