上海市燃?xì)庠O(shè)備計(jì)量檢測(cè)中心有限公司 劉辰慶

超聲波燃?xì)獗硎墙陙戆l(fā)展較為迅速的一種新型貿(mào)易結(jié)算用計(jì)量器具。其相對(duì)于傳統(tǒng)的膜式燃?xì)獗?，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、智能化程度優(yōu)等顯著優(yōu)點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前上海市試使用量達(dá)到 10余萬臺(tái)，至“十四五”末，計(jì)劃使用量超過100萬臺(tái)。但國內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)剛剛發(fā)布，尚未正式實(shí)施。制造企業(yè)按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)超聲波燃?xì)獗砗?，出廠檢測(cè)項(xiàng)目和檢測(cè)方法不夠完善，缺乏系統(tǒng)性研究及長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。流量表計(jì)量性能的穩(wěn)定性和可靠性會(huì)直接影響到燃?xì)庀M(fèi)結(jié)算的公正、公平，關(guān)乎燃?xì)庥脩艏叭細(xì)夤镜那猩砝妗?/p>

2020年6月24日，上海市住建委發(fā)布了《上海市居民用燃?xì)庥?jì)量表選型及相關(guān)管理要求》，對(duì)本市燃?xì)庑袠I(yè)的用氣安全、智能化管理以及用戶體驗(yàn)提出了全方位要求。超聲波燃?xì)獗碜鳛楸臼腥細(xì)夤卷憫?yīng)上述《要求》而推廣應(yīng)用的一款產(chǎn)品，對(duì)其產(chǎn)品質(zhì)量的研究、驗(yàn)證一直是政府以及燃?xì)庑袠I(yè)關(guān)心的重點(diǎn)。本試驗(yàn)以電磁場(chǎng)干擾為因素，研究W、S兩款超聲波燃?xì)獗砜闺姶艌?chǎng)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?xì)獗淼南到y(tǒng)性功能缺陷，從而影響其正確應(yīng)用及推廣使用。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

對(duì)W、S兩款超聲波燃?xì)獗矸謩e開展靜態(tài)電磁場(chǎng)干擾試驗(yàn)及動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)干擾試驗(yàn)，觀察并記錄兩款超聲波燃?xì)獗硎芨蓴_后，瞬時(shí)流量及累積流量的變化程度，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。其中：“靜態(tài)”試驗(yàn)是指超聲波燃?xì)獗黹_機(jī)未通氣狀態(tài)，即瞬時(shí)流量為零的狀態(tài)下開展試驗(yàn)；“動(dòng)態(tài)”試驗(yàn)是指超聲波燃?xì)獗黹_機(jī)通氣狀態(tài)，即氣體流經(jīng)超聲波燃?xì)獗淼臓顟B(tài)下開展試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)樣品

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

表1 試驗(yàn)樣品信息

1.3 試驗(yàn)條件

靜態(tài)試驗(yàn)環(huán)境條件符合JJG （滬）55－2016《超聲波燃?xì)獗頇z定規(guī)程》要求，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)環(huán)境條件模擬居民室內(nèi)用氣環(huán)境，試驗(yàn)條件詳見表2。

表2 試驗(yàn)條件

1.4 試驗(yàn)主要設(shè)備

電磁場(chǎng)干擾靜態(tài)試驗(yàn)主要采用超聲功率放大器和磁近場(chǎng)天線作為試驗(yàn)設(shè)備開展測(cè)試，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)設(shè)備在前者的基礎(chǔ)上增加燃燒器和高精度標(biāo)準(zhǔn)表開展測(cè)試。主要設(shè)備信息詳見表3。

表3 試驗(yàn)主要設(shè)備

1.5 試驗(yàn)方法

（1） 靜態(tài)電磁場(chǎng)干擾試驗(yàn)。將超聲波燃?xì)獗淼腦/Y/Z三軸六面分別置于干擾電磁場(chǎng)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(chǎng)干擾信號(hào)。當(dāng)超聲波燃?xì)獗硎艿礁蓴_后，觀察記錄60 s內(nèi)其瞬時(shí)流量及累積流量的變化情況。軸面簡(jiǎn)易圖見圖1

圖1 軸面簡(jiǎn)易示意

（2） 動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)干擾試驗(yàn)。連接超聲波燃?xì)獗沓鰵饪诙伺c高精度標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)氣口端串聯(lián)，在高精度標(biāo)準(zhǔn)表出氣口處連接燃?xì)馊紵饕匀紵囼?yàn)用天然氣。在確認(rèn)整體管路系統(tǒng)沒有泄漏點(diǎn)之后，打開管路進(jìn)氣閥，同時(shí)點(diǎn)燃燃燒器，將試驗(yàn)用天然氣進(jìn)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(dòng)干擾源對(duì)超聲波燃?xì)獗硎┘痈蓴_信號(hào)，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(shí)間為600 s，觀察記錄瞬時(shí)流量的變化情況及累積流量值。試驗(yàn)裝置示意見圖2。

圖2 動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)干擾試驗(yàn)裝置示意

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

用W款和S款超聲波燃?xì)獗矸謩e進(jìn)行靜態(tài)電磁場(chǎng)干擾試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)干擾試驗(yàn)，以下僅列出部分代表性數(shù)據(jù)，以各自受影響程度最嚴(yán)重的試驗(yàn)樣品為例。

2.1 靜態(tài)電磁場(chǎng)干擾試驗(yàn)

在確保燃?xì)獗韮?nèi)沒有氣體流動(dòng)的狀態(tài)下，使用磁近場(chǎng)天線，采用臨近法對(duì)W款和S款超聲波燃?xì)獗矸謩e發(fā)射干擾磁場(chǎng)，觀察其瞬時(shí)流量及累積流量的變化情況。試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表4。

2.1.1 W款超聲波燃?xì)獗?/p>

從表4中的試驗(yàn)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(shì)分析………………………………………陳詩軍，王慧強(qiáng)，陳大偉 24-2-54

（1） 當(dāng)干擾源分別處于W款超聲波燃?xì)獗淼娜S六面時(shí)，其瞬時(shí)流量均出現(xiàn)正偏差，累積流量由于受到瞬時(shí)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(shí)流量跳變范圍的上限值逐漸增大。

（2） W款超聲波燃?xì)獗淼娜S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(shí)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?xì)獗?/p>

從表4中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：

表4 靜態(tài)電磁場(chǎng)干擾試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（1） 當(dāng)干擾源分別處于S款超聲波燃?xì)獗淼娜S六面時(shí)，其瞬時(shí)流量均出現(xiàn)負(fù)偏差，累積流量由于受到瞬時(shí)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(shí)流量跳變范圍的下限值逐漸減小。

（2） S款超聲波燃?xì)獗淼娜S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(shí)流量歸零，累積流量受影響數(shù)值未恢復(fù)。

2.2 動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)干擾試驗(yàn)

將燃?xì)獗?、?biāo)準(zhǔn)表和燃燒器進(jìn)行串聯(lián)連接后通入天然氣，同時(shí)啟動(dòng)燃燒器將管道天然氣進(jìn)行燃燒。使用磁近場(chǎng)天線采用臨近法對(duì)W款和S款超聲波燃?xì)獗矸謩e發(fā)射干擾磁場(chǎng)，觀察其瞬時(shí)流量及累積流量的變化情況。試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表5。

2.2.1 W款超聲波燃?xì)獗?/p>

（1） 當(dāng)干擾源處于W款超聲波燃?xì)獗沓齒（后）的其余5個(gè)面時(shí)，相較高精度標(biāo)準(zhǔn)表，其瞬時(shí)流量出現(xiàn)正、負(fù)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?xì)獗肀砩w與表殼間縫隙處即 X（后）時(shí)，相較高精度標(biāo)準(zhǔn)表其瞬時(shí)流量?jī)H出現(xiàn)負(fù)偏差，負(fù)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?xì)獗淼娜S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(shí)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?xì)獗?/p>

從表5中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：

表5 動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)干擾試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（1） 當(dāng)干擾源處于 S款超聲波燃?xì)獗沓?Z（下）的其余5個(gè)面時(shí)，相較高精度標(biāo)準(zhǔn)表其瞬時(shí)流量出現(xiàn)正、負(fù)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?xì)獗肀砩w與表殼間縫隙處即 Z（下）時(shí)，相較高精度標(biāo)準(zhǔn)表其瞬時(shí)流量?jī)H出現(xiàn)負(fù)偏差，負(fù)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?xì)獗淼娜S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(shí)流量恢復(fù)正常，累積流量受影響數(shù)值未恢復(fù)。

3 試驗(yàn)分析和建議

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電磁場(chǎng)干擾會(huì)對(duì)W、S兩款超聲波燃?xì)獗淼挠?jì)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(shí)，干擾功率與靜態(tài)下超聲波燃?xì)獗硭矔r(shí)流量跳變范圍上/下限絕對(duì)值的大小成正比；當(dāng)干擾頻率不變時(shí)，干擾功率與動(dòng)態(tài)下超聲波燃?xì)獗砝鄯e流量的負(fù)偏差程度成正比，若干擾源在表蓋與表殼間縫隙處時(shí)，受影響程度更嚴(yán)重。

3.1 原因分析

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

兩款超聲波燃?xì)獗淼挠?jì)量性能受干擾最嚴(yán)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(shí)，可以明顯發(fā)現(xiàn)其瞬時(shí)流量負(fù)偏差程度加劇，推測(cè)表蓋與表殼縫隙處未進(jìn)行防干擾處理，導(dǎo)致干擾信號(hào)較易透過縫隙影響內(nèi)部計(jì)量模塊。

3.2 建議

（1） 屏蔽干擾信號(hào)。建議采用金屬或磁性材料對(duì)超聲波燃?xì)獗肀砩w與表殼間縫隙處及易受干擾的核心部件進(jìn)行屏蔽防護(hù)，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(chǎng)的空間耦合通道，阻止其電磁信號(hào)的傳輸，有效抑制電磁場(chǎng)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(chǎng)時(shí)，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(chǎng)時(shí)，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?xì)獗碇悄芑膬?yōu)勢(shì)，增加信號(hào)接收單元的濾波功能，通過軟件處理程序，將干擾頻率信號(hào)過濾，僅讓正常工作頻率信號(hào)通過，有效抑制電磁場(chǎng)干擾。同時(shí)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?xì)獗淼恼w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?xì)獗碜鳛橘Q(mào)易結(jié)算的一桿“電子秤”，只有在確保計(jì)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(duì)于其更好地推廣應(yīng)用意義重大。電磁場(chǎng)作為日常生活中普遍存在的干擾源，可能會(huì)對(duì)超聲波燃?xì)獗淼挠?jì)量性能造成影響，因此在大范圍應(yīng)用超聲波燃?xì)獗碇?，?duì)該類型燃?xì)獗磉M(jìn)行抗電磁場(chǎng)干擾研究勢(shì)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?xì)庵悄芄芾砭W(wǎng)絡(luò)；可以提升燃?xì)庑袠I(yè)的科學(xué)化、精細(xì)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。