摘要：電子式溫補膜式燃氣表結構簡單、功耗低、計量準確度較高，可實現(xiàn)標準溫度下的體積計量，達到公平貿(mào)易結算的目的。對于其計量性能的測試，動態(tài)法的準確性優(yōu)于靜態(tài)法。由于其通過電子計數(shù)器顯示，檢測裝置無法對其信號采樣，通常采用靜態(tài)法檢測；但該方法顯示分辨力低及間歇式計數(shù)，檢測時間長、準確性低。機械計數(shù)器能被裝置自動采樣,根據(jù)其輸入單片機的工況脈沖體積，與單片機輸出以電子計數(shù)器形式顯示標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(xiàn)動態(tài)法測試。在25.1℃溫度下測試G4型電子式溫補表6次，誤差重復性達到0.05%。試驗結果表明，該方法準確度高、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(mào)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；動態(tài)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，具有計量準確度較高、量程寬、性能穩(wěn)定、適應性廣、性價比高、與氣體組分無關等優(yōu)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%，燃氣公司從上游購氣的體積是按照20℃結算的，而下游卻是按實際使用溫度結算，由此造成了燃氣體積計量誤差，導致供銷不平衡，有失貿(mào)易結算的公平性原則[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攝氏度（293.15K）[2]。河北省頒布編號為JJF（冀）143內置溫度轉換裝置燃氣表檢驗規(guī)范[3]。俄羅斯燃氣表國家標準ГОСТ Р 50818明確規(guī)定燃氣表必須安裝內置溫度轉換裝置，實行標準溫度下的體積計量[2]。實現(xiàn)標準溫度體積計量將是社會發(fā)展的趨勢，有效解決辦法是在燃氣表內部加裝機械式或電子式溫度轉換裝置，將工況體積轉換成為標準溫度體積[4]。
1 溫補方式及特點
電子式溫補表原理是：在燃氣表內部安裝溫度傳感器，將磁鐵固定在機械計數(shù)器尾輪上，通氣時膜片的往復運動通過傳動機構帶動機械計數(shù)器轉動，尾輪上的磁鐵隨之運轉；當靠近固定在計數(shù)器上的干簧管時，干簧管吸合，代表1個脈沖。對于家用表而言，1個脈沖為10L，單片機根據(jù)輸入工況脈沖及溫度，轉換成標準溫度的體積以電子數(shù)字方式顯示在液晶上。機械計數(shù)器顯示原始工況體積，一方面有助于核查電子計數(shù)器是否異常，另一方面在電子計數(shù)異常情況下，保留原始工況體積，避免糾紛。當接收到脈沖信號時，電子計數(shù)器才會計數(shù)，電子計數(shù)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，只需在燃氣表內部加裝溫度傳感器，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(xiàn)回轉體積的微小變化，將標準溫度下的體積直接顯示在機械計數(shù)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，導致皮膜沒有完全展開，對計量準確性造成影響。電子溫補表的準確度由兩方面影響，即基表的計量準確性與溫度傳感器的準確性。目前國內很多廠家通過-25℃～+55℃溫度下的歐盟EN1359認證，在工作溫度范圍內，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(jù)氣態(tài)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確度較高。
膜式燃氣表國家標準[6]規(guī)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(shù)最多為8位，對于家用表而言其中6位是整數(shù)，2位是小數(shù)，電子計數(shù)器的分辨力為0.01 m3。
2 檢測問題
從燃氣表計量角度考慮，動態(tài)法檢定是在燃氣表模擬工作狀態(tài)下進行檢定的，能更好地反映出該燃氣表計量性能。靜態(tài)法由于存在人為操作因素，必然引入人為誤差，而且靜態(tài)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，輸出標準溫度的體積，以電子計數(shù)器形式顯示。測試誤差時，檢測裝置只有與被檢表同步計量體積才能確保檢測準確性，同步的前提是被檢表的讀數(shù)信號必須能被裝置采樣識別。目前，設備只能采集到機械計數(shù)器及LED信號，而對電子數(shù)字無效[7-8]。動態(tài)法測試的前提是被檢表信號能被自動采集，所以對于電子溫度補償膜式燃氣表（后續(xù)簡稱溫補表）通常采用人工讀數(shù)的靜態(tài)測試法。目前，需特制的標準裝置實現(xiàn)動態(tài)法測試，操作繁瑣[9]。
靜態(tài)法測試過程為：先讀取被檢表的初始讀數(shù)；通氣后，讀取被檢表的終止讀數(shù)，由此計算出被檢表測得的體積；與標準器測出的實際標準體積進行比較，計算出誤差。由于電子計數(shù)是間歇性的，只有接收到脈沖信號才會計數(shù)，標準器與被檢表體積計量的不同步造成偏差。舉例說明，-10℃下標準體積與溫補表體積如圖1所示，溫補表分辨力為10L。假設標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，標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，標準體積為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。為確保測試的準確性，需要增加測試體積到5000升以上，測試分辨力及間歇性計數(shù)引起的偏差才可以忽略，可見靜態(tài)法測試時間長、準確度低、且對標準裝置有要求。
圖 1 -10℃下標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(shù)碼管點亮,D1位置的LED熄滅，代表6位整數(shù)+2位小數(shù)，分辨力為0.01m3即10L,滿足日常抄表貿(mào)易結算時讀數(shù)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(shù)碼管點亮,D2位置的LED熄滅，代表3位整數(shù)+5位小數(shù)，分辨力為0.00001m3即0.01升，滿足檢測時的準確度要求。
圖2 液晶示意圖
Fig.2 Schematic diagram of liquid crystal
液晶顯示屏由電路板、供電電源和多個間隔排布的LED數(shù)碼管組成，與單片機相連，電路板用于控制LED數(shù)碼管呈用戶模式顯示的第一回路，以及控制LED數(shù)碼管呈檢測模式顯示的第二回路。對應實現(xiàn)該兩種模式的電路如圖3所示。D1 、D2為LED數(shù)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：氣體流量標準裝置→機械計數(shù)體積→工況脈沖體積→標準溫度脈沖體積→電子計數(shù)體積。標準裝置對機械計數(shù)器進行采樣測試得到誤差值，按此值對機械計數(shù)器輸出的工況脈沖體積進行修正，得到標準溫度脈沖體積，將該值與人工讀取的電子計數(shù)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(shù)相結合，實現(xiàn)動態(tài)法準確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，溫補表的標準溫度脈沖體積如圖5所示。通氣時機械計數(shù)器尾輪轉動，運轉一圈，固定在計數(shù)器上的干簧管吸合輸出1個脈沖，單片機接收到工況脈沖體積為10升；標準裝置對機械計數(shù)器采樣，根據(jù)一圈為10升的儀表系數(shù)，測試出在標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，得到標準溫度脈沖體積。通過機械計數(shù)器作為中間傳遞載體，實現(xiàn)將標準裝置的量值傳遞到標準溫度脈沖體積。
圖5 標準溫度脈沖體積
Fig.5 Standard temperature pulse volume
溫補表的單片機根據(jù)機械計數(shù)器輸入的工況脈沖以及溫度傳感器輸入的溫度值，將工況體積轉換為標準溫度下的示值，以電子計數(shù)器方式顯示在液晶，電子計數(shù)器示值與輸入的脈沖保持同步性，人工讀取N個電子計數(shù)器示值，即輸入N個脈沖。已知N個脈沖的標準溫度體積，與N個電子計數(shù)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(shù)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標準裝置，當氣體經(jīng)膜表進入容器后音速噴嘴的出口壓力之比為一定值時，噴嘴喉部的雷諾數(shù)一定，則氣流通過噴嘴候補的流速恒定，此時即為臨界流狀態(tài)[10]。根據(jù)連續(xù)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(shù)f、檢測脈沖數(shù)N、穩(wěn)定時間后啟動測試，當采樣器自動采集到機械計數(shù)器第1個脈沖后，標準器計時開始，當采集到機械計數(shù)器第N+1個脈沖數(shù)后，標準器計時終止。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里噴嘴的工況體積；式（3）將噴嘴的工況體積換算成被檢表處的壓力與標準溫度的體積；式（4）計算出機械計數(shù)器顯示的標準溫度下的示值誤差；式（5）將脈沖系數(shù)f修正成標準溫度脈沖系數(shù) 。
（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(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；M為氣體摩爾質量；R為通用氣體常數(shù)；t為測量時間；Ps 為標準器內的氣體絕對壓力；Pm 為被檢表處的氣體絕對壓力；TB 為標準氣體溫度；Vref為通過被檢表標準溫度下的體積值； E為示值誤差；f為工況脈沖系數(shù)； 為標準溫度脈沖系數(shù)。
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(shù)器采樣測試的同時，人工讀取電子計數(shù)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(shù)器示值。由式（6）計算出M個脈沖電子計數(shù)器標準溫度下累計體積；式（7）計算出M個脈沖實際的標準溫度下累計體積；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(shù)器標準溫度下累計體積； ??為第a個脈沖電子計數(shù)器標準溫度下體積讀數(shù)； 為第（a+M）個脈沖電子計數(shù)器標準溫度下體積讀數(shù)； 為M個脈沖實際的標準溫度下累計體積； 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G4規(guī)格溫補表的示值誤差。環(huán)境溫度控制在25℃，通過按鍵將溫補表進入檢測模式，恒溫4小時后，進行誤差測試。測試程序設置脈沖系數(shù)為10L/P、測試脈沖數(shù)為80個、測試流量為6m3/h、穩(wěn)定時間20s、被檢表溫度設置為20℃，采樣器對準機械計數(shù)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(shù)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(shù)器輸入10個脈沖體積，電子計數(shù)器輸出顯示標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(shù)器輸入的脈沖體積與輸出電子計數(shù)器示值的同步，具有高度的一致性，滿足準確測試的前提基礎，由此驗證了該測試方法的正確性以及溫補表的設計合理性。磁鐵固定在機械計數(shù)器的尾輪，安裝在計數(shù)器上的干簧管感應它靠近時，產(chǎn)生吸合輸出脈沖，將機械計數(shù)器的轉動輸出電子信號的方案，性能可靠。測試6次示值誤差的標準偏差為0.05%，結果表明該方法準確度高，測試時只需輸入10個脈沖體積既100 L，檢測時間為1min，檢測時間短，相比靜態(tài)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(shù)器誤差
（%）脈沖
系數(shù)
（L/P）電子計數(shù)器起始值(L)電子計數(shù)器終止值(L)電子計數(shù)器累計體積(L)脈沖個數(shù)(P)脈沖
體積
(L)電子計數(shù)器
誤差
（%）標準
偏差
（%）
1.689.835 012.16110.73 98.57 1098.350.220.05
110.73 209.28 98.55 1098.350.20
209.28307.93 98.65 1098.350.31
307.93406.49 98.56 1098.350.21
406.49505.12 98.63 1098.350.28
505.12603.78 98.66 1098.350.32
6 結束語
膜式燃氣表國家標準[6]對于溫度補償方式僅規(guī)定機械式，隨著技術的不斷發(fā)展，電子式溫補表將得到快速發(fā)展。最新歐盟標準EN1359對溫補方式未做要求[2]，修訂版國標已取消限制要求。電子式溫補表從其工作原理分析具有較高的計量準確性，但因分辨率過低、間歇性計數(shù)、裝置無法對其電子計數(shù)進行采樣，難以準確測試其計量性能，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(xiàn)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(shù)想結合，實現(xiàn)動態(tài)法準確測試其計量性能。測試準確度高，測量時間短，相比靜態(tài)法檢測時間降低98%，適用性廣，適用于所有的氣體流量標準裝置。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(mào)易公平性，具有較強實際應用價值，值得在燃氣表行業(yè)推廣。
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]江航成,鈄偉明,鄭水云,等.EN1359:2017解讀內置溫度轉換裝置膜式燃氣表[J].標準科學,2018(06):140-142.
[3]河北省質量技術監(jiān)督局.JJF（冀）143-2018內置溫度轉換裝置燃氣表檢驗規(guī)范[S].北京：中國質檢出版社，2018.
[4]陳海林.在膜式燃氣表中使用溫壓修正技術以減少輸差和促進燃氣公平貿(mào)易的探討[J].城市燃氣,2012(02):17-20
[5]鄧立三.機械溫度補償型燃氣表計量性能的實驗研究 [J].中國計量,2010( 9),79-80
[6]國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB/T6968-2011膜式燃氣表國家標準[s]. 北京：中國標準出版社，2012.
[7]唐子成,馮玉田,侯玖廷.基于圖像的智能燃氣表自動檢測系統(tǒng)設計[J].電子測量技術,2018,41(16):102-107.
[8]董志強,李榮書,胡桂青.淺談膜式燃氣表的數(shù)字識別方法[J].科技與創(chuàng)新,2017(19):37-38+41.
[9]江航成,牛立娜,邢靜芳,等.電子式溫度補償膜式燃氣表計量性能測試[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2018(04):107-109+113.
[10]江航成,張道雋,李杭.膜式燃氣表回轉體積測試及應用[J].自動化儀表,2017,38(10):96-98+102.
