石理碧　王瑛輝　滿李寧

(杭州市質量技術監(jiān)督檢測院，杭州 310019)

0　引言

隨著國內對天然氣使用的推廣，據住建部發(fā)布的預測報告，預計至2016年全國城鎮(zhèn)燃氣普及率將達到94％，用氣家庭超過2億戶。目前，我國民用燃氣計量普遍采用膜式燃氣表戶內掛表的管理模式，但是在入戶抄表、安全檢查等方面，其弊端不可避免的暴露出來。于是，出現了戶外集中掛表的管理模式，也基本可以避免戶內掛表的缺點。但是膜式燃氣表的殼體通常為鐵質或鋁制品，導熱性較強，外界的氣溫變化對其計量的準確性會有較大的影響。

為了解決戶外掛表受環(huán)境溫度影響的問題，市面上曾經出現了帶有溫度補償的膜式燃氣表，但是由于膜式燃氣表的計量原理以機械方式實現，因此使用電子化的傳感器技術進行溫度補償實現難度大，需要先將機械信號進行轉換，再根據溫度傳感器的數據進行修正。除了本身膜式燃氣表的基本成本外，需要增加電子電路的成本，使得整個產品成本極高。

針對以上問題，我們設計了一款帶有溫度補償的民用超聲波燃氣表。超聲波燃氣計量技術是一種高精度、長時間穩(wěn)定計量的可靠計量技術，經過多年的發(fā)展，主要應用于大中流量的工業(yè)燃氣計量中，在民用燃氣計量領域還沒有廣泛應用?，F在，將超聲波計量技術引入到民用燃氣計量領域中，全電子式結構的優(yōu)點必然使超聲波燃氣表擁有可觀的應用前景。

1　超聲波計量技術工作原理

超聲波計量是借助超聲波在氣體介質中傳播的時差來進行計量的。如圖1所示，一對存在傾斜角度的傳感器，相互發(fā)送超聲波信號，當沒有氣介質體流動時，從上方振子發(fā)出的超聲波到達下端所花的時間與從下端發(fā)送到上端的時間一樣。但當氣體從左向右運動時，上下分別發(fā)出的超聲波受到氣體介質流動的影響，上端向下端快于下端向上端發(fā)送的速度，形成逆流時間t2和順流時間t1的時間差。

圖1　超聲波計量技術工作原理圖

(1)

(2)

式中：L為聲程；c為聲波在靜止氣體中的聲速；v為氣體沿管道軸向的流速。

流速的快慢與時間差是一個函數關系，由式(1)和式(2)可以得出氣體的流速：

從而可以計算出一定時間內流過固定截面通道的氣體體積。

2　超聲波燃氣表設計

2.1　超聲波燃氣表結構圖

通過對超聲波計量技術工作原理的分析，設計一款帶有溫度補償的超聲波燃氣表。表體內包括超聲波檢測模塊、溫度補償模塊、控制模塊、顯示模塊以及電池，如圖2所示。

圖2　超聲波燃氣表結構圖

2.2　超聲波燃氣表的溫度補償規(guī)則

根據理想氣體狀態(tài)方程，一定質量氣體的體積與壓力的乘積和它的熱力學溫度成正比。即：p1V1/T1=p2V2/T2，當壓力不變時，則V1/T1=V2/T2，一定質量的氣體的體積隨溫度升高而體積變大，隨溫度降低而體積變小。

管內氣體溫度對計量誤差的影響( 設被檢表在標準檢定溫度20℃下誤差為0)，如表1所示。由于膜式燃氣表沒有溫度補償，所以燃氣通過膜式燃氣表時，環(huán)境溫度低于20℃時，計量值偏小，就會產生計量誤差。

表1　溫度對計量誤差的影響

2.3　溫度補償模塊設計

控制模塊選用宏晶科技生產的STC89C52RC型單片機，該單片機是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，內置8K字節(jié)的Flash存儲器和512字節(jié)的數據存儲空間，STC89C52RC具有在系統(tǒng)可編程(ISP)特性，方便對系統(tǒng)進行后期維護和再開發(fā)。

溫度補償采用傳感器實時補償方式，選用美國DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器DS18B20。其具有3引腳TO-92小體積封裝形式，檢測溫度范圍為﹣50～125℃；最高12位分辨力，準確度可達0.5℃；最大工作周期為750ms；供電電壓范圍為3～5.5V；可設置超限溫度報警，并有搜索命令識別報警條件；單總線接口，僅需一條輸入輸出線(DQ)就能與單片機(P1.3)進行通信。溫度補償模塊電路圖如圖3所示。

圖3　溫度補償模塊電路圖

3　實測試驗及數據分析

超聲波燃氣表制作完畢后，我們在沈陽某小區(qū)一戶居民家進行了為期一年的普通膜式燃氣表與超聲波燃氣表計量比較試驗。儀表安裝采取鋁塑復合管串聯(lián)連接，用戶的儀表位置不變，在試驗期間不影響用戶的正常使用和抄表收費工作。試驗數據如表2所示。

從表2可以看出．溫度補償型超聲波燃氣表與普通膜式燃氣表的計量值相比較，超聲波燃氣表的計量值更加準確可靠，具有良好的溫度補償功能。

表2

試驗月份平均溫度(℃)用氣量標準值(m3)膜式燃氣表計量值(m3)超聲波燃氣表計量值(m3)1-1450　09345　08549　8652-8　852　38547　79352　13430　150　14646　60649　91349　348　26646　24848　032516　950　89550　46150　533621　948　63249　31848　857724　646　56947　73846　787823　644　02345　55344　254917　249　01848　53248　786109　447　88746　26447　65411-450　01545　90749　73612-12　951　28745　27651　048

通過近一年的試驗，儀表穩(wěn)定可靠，沒有出現故障，說明儀表的穩(wěn)定性和可靠性基本滿足現場使用要求。

4　結論

帶有溫度補償的超聲波燃氣表的成功研發(fā)，為戶外集中掛表管理模式提供了一種新的產品支持。該燃氣表性能穩(wěn)定，量值可靠，也為燃氣表向智能化方向發(fā)展提供了有利條件，具有實用性和推廣價值。

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