電磁場干擾對超聲波燃氣表計量性能影響的試驗研究

上海市燃氣設(shè)備計量檢測中心有限公司 劉辰慶

超聲波燃氣表是近年來發(fā)展較為迅速的一種新型貿(mào)易結(jié)算用計量器具。其相對于傳統(tǒng)的膜式燃氣表，具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、智能化程度優(yōu)等顯著優(yōu)點。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前上海市試使用量達到 10余萬臺，至“十四五”末，計劃使用量超過100萬臺。但國內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準剛剛發(fā)布，尚未正式實施。制造企業(yè)按企業(yè)標(biāo)準生產(chǎn)超聲波燃氣表后，出廠檢測項目和檢測方法不夠完善，缺乏系統(tǒng)性研究及長時間應(yīng)用經(jīng)驗。流量表計量性能的穩(wěn)定性和可靠性會直接影響到燃氣消費結(jié)算的公正、公平，關(guān)乎燃氣用戶及燃氣公司的切身利益。

2020年6月24日，上海市住建委發(fā)布了《上海市居民用燃氣計量表選型及相關(guān)管理要求》，對本市燃氣行業(yè)的用氣安全、智能化管理以及用戶體驗提出了全方位要求。超聲波燃氣表作為本市燃氣公司響應(yīng)上述《要求》而推廣應(yīng)用的一款產(chǎn)品，對其產(chǎn)品質(zhì)量的研究、驗證一直是政府以及燃氣行業(yè)關(guān)心的重點。本試驗以電磁場干擾為因素，研究W、S兩款超聲波燃氣表抗電磁場干擾性能的薄弱環(huán)節(jié)，提出參考建議，防患于未然，避免在使用過程中發(fā)生超聲波燃氣表的系統(tǒng)性功能缺陷，從而影響其正確應(yīng)用及推廣使用。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗內(nèi)容

對W、S兩款超聲波燃氣表分別開展靜態(tài)電磁場干擾試驗及動態(tài)電磁場干擾試驗，觀察并記錄兩款超聲波燃氣表受干擾后，瞬時流量及累積流量的變化程度，并對試驗數(shù)據(jù)進行研究。其中：“靜態(tài)”試驗是指超聲波燃氣表開機未通氣狀態(tài)，即瞬時流量為零的狀態(tài)下開展試驗；“動態(tài)”試驗是指超聲波燃氣表開機通氣狀態(tài)，即氣體流經(jīng)超聲波燃氣表的狀態(tài)下開展試驗。

1.2 試驗樣品

取相同技術(shù)規(guī)格、不同品牌的W、S兩款超聲波燃氣表各3臺，在確保其計量性能符合相關(guān)要求的情況下開展電磁場干擾試驗。樣品信息詳見表1。

表1 試驗樣品信息

1.3 試驗條件

靜態(tài)試驗環(huán)境條件符合JJG （滬）55－2016《超聲波燃氣表檢定規(guī)程》要求，動態(tài)試驗環(huán)境條件模擬居民室內(nèi)用氣環(huán)境，試驗條件詳見表2。

表2 試驗條件

1.4 試驗主要設(shè)備

電磁場干擾靜態(tài)試驗主要采用超聲功率放大器和磁近場天線作為試驗設(shè)備開展測試，動態(tài)試驗設(shè)備在前者的基礎(chǔ)上增加燃燒器和高精度標(biāo)準表開展測試。主要設(shè)備信息詳見表3。

表3 試驗主要設(shè)備

1.5 試驗方法

（1） 靜態(tài)電磁場干擾試驗。將超聲波燃氣表的X/Y/Z三軸六面分別置于干擾電磁場中心位置，施加頻率范圍為0～5 000 kHz，功率范圍為0～50 W的電磁場干擾信號。當(dāng)超聲波燃氣表受到干擾后，觀察記錄60 s內(nèi)其瞬時流量及累積流量的變化情況。軸面簡易圖見圖1

圖1 軸面簡易示意

（2） 動態(tài)電磁場干擾試驗。連接超聲波燃氣表出氣口端與高精度標(biāo)準表進氣口端串聯(lián)，在高精度標(biāo)準表出氣口處連接燃氣燃燒器以燃燒試驗用天然氣。在確認整體管路系統(tǒng)沒有泄漏點之后，打開管路進氣閥，同時點燃燃燒器，將試驗用天然氣進行充分燃燒。隨后控制流量控制器，使天然氣流量維持在4 m3/h，啟動干擾源對超聲波燃氣表施加干擾信號，并持續(xù)調(diào)整干擾頻率值，干擾功率范圍為0～50 W，干擾持續(xù)時間為600 s，觀察記錄瞬時流量的變化情況及累積流量值。試驗裝置示意見圖2。

圖2 動態(tài)電磁場干擾試驗裝置示意

2 試驗數(shù)據(jù)

用W款和S款超聲波燃氣表分別進行靜態(tài)電磁場干擾試驗和動態(tài)電磁場干擾試驗，以下僅列出部分代表性數(shù)據(jù)，以各自受影響程度最嚴重的試驗樣品為例。

2.1 靜態(tài)電磁場干擾試驗

在確保燃氣表內(nèi)沒有氣體流動的狀態(tài)下，使用磁近場天線，采用臨近法對W款和S款超聲波燃氣表分別發(fā)射干擾磁場，觀察其瞬時流量及累積流量的變化情況。試驗數(shù)據(jù)詳見表4。

2.1.1 W款超聲波燃氣表

從表4中的試驗數(shù)據(jù)可以看出：

新一代無線定位技術(shù)研究與發(fā)展趨勢分析………………………………………陳詩軍，王慧強，陳大偉 24-2-54

（1） 當(dāng)干擾源分別處于W款超聲波燃氣表的三軸六面時，其瞬時流量均出現(xiàn)正偏差，累積流量由于受到瞬時流量影響，持續(xù)增加。當(dāng)干擾頻率不變，隨著干擾功率逐漸增加，瞬時流量跳變范圍的上限值逐漸增大。

（2） W款超聲波燃氣表的三軸六面受到電磁干擾后，均顯示 9-Err告警提示。當(dāng)移除干擾源后，其瞬時流量歸零，累積流量受影響數(shù)值未恢復(fù)。

3.1.2 S款超聲波燃氣表

從表4中的試驗數(shù)據(jù)可以看出：

表4 靜態(tài)電磁場干擾試驗數(shù)據(jù)

（1） 當(dāng)干擾源分別處于S款超聲波燃氣表的三軸六面時，其瞬時流量均出現(xiàn)負偏差，累積流量由于受到瞬時流量影響，持續(xù)增加。當(dāng)干擾頻率不變，隨著干擾功率逐漸增加，瞬時流量跳變范圍的下限值逐漸減小。

（2） S款超聲波燃氣表的三軸六面受到電磁干擾后，均顯示Err-97告警提示。當(dāng)移除干擾源后，其瞬時流量歸零，累積流量受影響數(shù)值未恢復(fù)。

2.2 動態(tài)電磁場干擾試驗

將燃氣表、標(biāo)準表和燃燒器進行串聯(lián)連接后通入天然氣，同時啟動燃燒器將管道天然氣進行燃燒。使用磁近場天線采用臨近法對W款和S款超聲波燃氣表分別發(fā)射干擾磁場，觀察其瞬時流量及累積流量的變化情況。試驗數(shù)據(jù)詳見表5。

2.2.1 W款超聲波燃氣表

（1） 當(dāng)干擾源處于W款超聲波燃氣表除X（后）的其余5個面時，相較高精度標(biāo)準表，其瞬時流量出現(xiàn)正、負偏差，正偏差上限值為8.00 m3/h。當(dāng)干擾頻率不變，隨著干擾功率逐漸增加，累積流量逐漸減少，其最大誤差值為－332 L。

（2） 當(dāng)干擾源處于W款超聲波燃氣表表蓋與表殼間縫隙處即 X（后）時，相較高精度標(biāo)準表其瞬時流量僅出現(xiàn)負偏差，負偏差下限值為0.00 m3/h。當(dāng)干擾頻率不變，隨著干擾功率逐漸增加，累積流量逐漸減少，其最大誤差值為－570 L。

（3） W款超聲波燃氣表的三軸六面受到電磁干擾后，均顯示 4-Err告警。當(dāng)移除干擾源后，其瞬時流量恢復(fù)正常，累積流量受影響數(shù)值未恢復(fù)。

2.2.2 S款超聲波燃氣表

從表5中的試驗數(shù)據(jù)可以看出：

表5 動態(tài)電磁場干擾試驗數(shù)據(jù)

（1） 當(dāng)干擾源處于 S款超聲波燃氣表除 Z（下）的其余5個面時，相較高精度標(biāo)準表其瞬時流量出現(xiàn)正、負偏差。當(dāng)干擾頻率不變，隨著干擾功率逐漸增加，累積流量逐漸減少，最大誤差值為－246 L。

（2） 當(dāng)干擾源處于S款超聲波燃氣表表蓋與表殼間縫隙處即 Z（下）時，相較高精度標(biāo)準表其瞬時流量僅出現(xiàn)負偏差，負偏差下限值為0.00 m3/h。當(dāng)干擾頻率不變，隨著干擾功率逐漸增加，累積流量逐漸減少，其最大誤差值為－519 L。

（3） S款超聲波燃氣表的三軸六面受到電磁干擾后，均顯示Err-97告警。當(dāng)移除干擾源后，其瞬時流量恢復(fù)正常，累積流量受影響數(shù)值未恢復(fù)。

3 試驗分析和建議

試驗發(fā)現(xiàn)，電磁場干擾會對W、S兩款超聲波燃氣表的計量性能產(chǎn)生不同程度的影響，干擾頻率決定干擾性質(zhì)，干擾功率及干擾源位置決定干擾程度。即當(dāng)干擾頻率不變時，干擾功率與靜態(tài)下超聲波燃氣表瞬時流量跳變范圍上/下限絕對值的大小成正比；當(dāng)干擾頻率不變時，干擾功率與動態(tài)下超聲波燃氣表累積流量的負偏差程度成正比，若干擾源在表蓋與表殼間縫隙處時，受影響程度更嚴重。

3.1 原因分析

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，兩款超聲波燃氣表內(nèi)使用的核心部件（超聲換能器）均為同一進口品牌產(chǎn)品，且與超聲波燃氣表的計量結(jié)算功能相關(guān)，推測受干擾頻率與其工作頻率（即頻率諧振點）相近，導(dǎo)致兩款超聲波燃氣表的計量性能受到影響，且受影響的頻率范圍相近。

兩款超聲波燃氣表的計量性能受干擾最嚴重的位置主要在表蓋與表殼間縫隙處，當(dāng)干擾源靠近縫隙處時，可以明顯發(fā)現(xiàn)其瞬時流量負偏差程度加劇，推測表蓋與表殼縫隙處未進行防干擾處理，導(dǎo)致干擾信號較易透過縫隙影響內(nèi)部計量模塊。

3.2 建議

（1） 屏蔽干擾信號。建議采用金屬或磁性材料對超聲波燃氣表表蓋與表殼間縫隙處及易受干擾的核心部件進行屏蔽防護，屏蔽體接縫處應(yīng)使用導(dǎo)電襯墊，以改善接觸面的導(dǎo)電性能，屏蔽體上盡量不要開孔、開洞，從而阻斷或削弱電磁場的空間耦合通道，阻止其電磁信號的傳輸，有效抑制電磁場干擾。屏蔽效果的好壞主要取決于屏蔽體的材質(zhì)特性，抑制低頻（1 MHz以下）磁場時，應(yīng)選用導(dǎo)磁率高的材料，如玻莫合金、鐵等；抑制高頻（1 MHz以上）磁場時，選用良導(dǎo)體材料，如銅、鋁等。

（2） 引入濾波方法。建議采用濾波的方法，充分發(fā)揮超聲波燃氣表智能化的優(yōu)勢，增加信號接收單元的濾波功能，通過軟件處理程序，將干擾頻率信號過濾，僅讓正常工作頻率信號通過，有效抑制電磁場干擾。同時應(yīng)綜合考量，增加濾波功能帶來的額外功耗，避免超聲波燃氣表的整體使用功耗過高，致使電池壽命無法滿足規(guī)定使用年限。

4 結(jié)語

超聲波燃氣表作為貿(mào)易結(jié)算的一桿“電子秤”，只有在確保計量性能穩(wěn)定、可靠的基礎(chǔ)上，智能化功能的開發(fā)應(yīng)用才有更寬、更廣的發(fā)揮空間，對于其更好地推廣應(yīng)用意義重大。電磁場作為日常生活中普遍存在的干擾源，可能會對超聲波燃氣表的計量性能造成影響，因此在大范圍應(yīng)用超聲波燃氣表之前，對該類型燃氣表進行抗電磁場干擾研究勢在必行。研究結(jié)果可以為“十四五”數(shù)字化城市賦能；可以打造燃氣智能管理網(wǎng)絡(luò)；可以提升燃氣行業(yè)的科學(xué)化、精細化和數(shù)字化管理水平。從而，可為建設(shè)韌性城市、智能城市奠定堅實的基礎(chǔ)。