金卡智能 江航成 丁渊明 李杭 林明星
来源：《自动化仪表》2019年2月刊
摘要：电子式温补膜式燃气表结构简单、功耗低、计量准确度较高，可实现标准温度下的体积计量，达到公平贸易结算的目的。对于其计量性能的测试，动态法的准确性优于静态法。由于其通过电子计数器显示，检测装置无法对其信号采样，通常采用静态法检测；但该方法显示分辨力低及间歇式计数，检测时间长、准确性低。机械计数器能被装置自动采样,根据其输入单片机的工况脉冲体积，与单片机输出以电子计数器形式显示标准温度体积的同步性，提出一种基于量值传递的测试法，设计一种在检测模式下的显示电路。该设计显示分辨力达到0.1升，可实现动态法测试。在25.1℃温度下测试g4型电子式温补表6次，误差重复性达到0.05%。试验结果表明，该方法准确度高、测试时间短，操作简单，通用性强，有助于电子温补表的推广，能有效促进贸易公平性。
关键词: 膜式燃气表；温度转换装置；温度补偿；电子式温补；动态法测试
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
膜式燃气表是一种基于容积式原理的计量仪表，相比超声波燃气表、热式质量燃气表，具有计量准确度较高、量程宽、性能稳定、适应性广、性价比高、与气体组分无关等优点。气体体积与温度关系密切相关，例如同样压力下20℃时的1m3天然气，在-10℃体积为0.8977 m3，体积缩小11.23%，燃气公司从上游购气的体积是按照20℃结算的，而下游却是按实际使用温度结算，由此造成了燃气体积计量误差，导致供销不平衡，有失贸易结算的公平性原则[1]。国家发布《关于颁发天然气商品量管理暂行办法的通知》，第五章第二十二条天然气按体积进行计量，天然气体积计算的状态标准为20摄氏度（293.15k）[2]。河北省颁布编号为jjf（冀）143内置温度转换装置燃气表检验规范[3]。俄罗斯燃气表国家标准гост р 50818明确规定燃气表必须安装内置温度转换装置，实行标准温度下的体积计量[2]。实现标准温度体积计量将是社会发展的趋势，有效解决办法是在燃气表内部加装机械式或电子式温度转换装置，将工况体积转换成为标准温度体积[4]。
1 温补方式及特点
电子式温补表原理是：在燃气表内部安装温度传感器，将磁铁固定在机械计数器尾轮上，通气时膜片的往复运动通过传动机构带动机械计数器转动，尾轮上的磁铁随之运转；当靠近固定在计数器上的干簧管时，干簧管吸合，代表1个脉冲。对于家用表而言，1个脉冲为10l，单片机根据输入工况脉冲及温度，转换成标准温度的体积以电子数字方式显示在液晶上。机械计数器显示原始工况体积，一方面有助于核查电子计数器是否异常，另一方面在电子计数异常情况下，保留原始工况体积，避免纠纷。当接收到脉冲信号时，电子计数器才会计数，电子计数是间歇性的，电路功耗低，有助于延长电池寿命。该方案实施成本低，只需在燃气表内部加装温度传感器，结构简单，可靠性高，通用性强。
机械式温补表原理是利用热敏双金属元件的热胀冷缩效应，改变中心轮曲柄半径，并通过改变皮膜的位移量来实现回转体积的微小变化，将标准温度下的体积直接显示在机械计数器[5]。
机械式温补表由于是通过控制行程，改变皮膜每次伸展的程度，导致皮膜没有完全展开，对计量准确性造成影响。电子温补表的准确度由两方面影响，即基表的计量准确性与温度传感器的准确性。目前国内很多厂家通过-25℃～ 55℃温度下的欧盟en1359认证，在工作温度范围内，能做到符合初始误差要求。温度传感器的技术非常成熟，最大偏差一般都在±0.3℃，根据气态方程式影响误差在±0.1%左右，基本可以忽略不计。由此可见，电子温补表的计量准确度较高。
膜式燃气表国家标准[6]规定燃气表以运行6000小时所通过的气体体积量不至于让所有的字轮回到初始位置，燃气表使用期限为10年。此外因液晶屏的尺寸限制，液晶上显示有效位数最多为8位，对于家用表而言其中6位是整数，2位是小数，电子计数器的分辨力为0.01 m3。
2 检测问题
从燃气表计量角度考虑，动态法检定是在燃气表模拟工作状态下进行检定的，能更好地反映出该燃气表计量性能。静态法由于存在人为操作因素，必然引入人为误差，而且静态法计量燃气表存在启停过程，由于惯性作用，会对计量结果有影响。
单片机接收到工况脉冲及温度，输出标准温度的体积，以电子计数器形式显示。测试误差时，检测装置只有与被检表同步计量体积才能确保检测准确性，同步的前提是被检表的读数信号必须能被装置采样识别。目前，设备只能采集到机械计数器及led信号，而对电子数字无效[7-8]。动态法测试的前提是被检表信号能被自动采集，所以对于电子温度补偿膜式燃气表（后续简称温补表）通常采用人工读数的静态测试法。目前，需特制的标准装置实现动态法测试，操作繁琐[9]。
静态法测试过程为：先读取被检表的初始读数；通气后，读取被检表的终止读数，由此计算出被检表测得的体积；与标准器测出的实际标准体积进行比较，计算出误差。由于电子计数是间歇性的，只有接收到脉冲信号才会计数，标准器与被检表体积计量的不同步造成偏差。举例说明，-10℃下标准体积与温补表体积如图1所示，温补表分辨力为10l。假设标准器与温补表同时从0开始体积计量，结束点如控制在图中的a点，标准体积与温补表体积都是33升，误差为0%；如控制在图中的b点，标准体积为32.99升，而温补表体积为22升，相差10.99升，由此造成很大的测试偏差。为确保测试的准确性，需要增加测试体积到5000升以上，测试分辨力及间歇性计数引起的偏差才可以忽略，可见静态法测试时间长、准确度低、且对标准装置有要求。
图 1 -10℃下标准体积与温补表体积
fig.1 standard volume and temperature compensation volume at -10℃
3 解决方法
3.1 检测模式
对温补表设置2种模式，用户模式与检测模式。液晶屏示意图如图2所示。 默认为用户模式。该模式下d2位置的led数码管点亮,d1位置的led熄灭，代表6位整数 2位小数，分辨力为0.01m3即10l,满足日常抄表贸易结算时读数的要求。检测时，通过按键时切换进入检测模式，d1位置的led数码管点亮,d2位置的led熄灭，代表3位整数 5位小数，分辨力为0.00001m3即0.01升，满足检测时的准确度要求。
图2 液晶示意图
fig.2 schematic diagram of liquid crystal
液晶显示屏由电路板、供电电源和多个间隔排布的led数码管组成，与单片机相连，电路板用于控制led数码管呈用户模式显示的第一回路，以及控制led数码管呈检测模式显示的第二回路。对应实现该两种模式的电路如图3所示。d1 、d2为led数码管指示
灯 ，q1、q2为三极管开关电路，k1为按键。用户模式下，当k1键断开，q2基极电压为零，截止，d1指示灯不亮，q1基极有电压，导通，d2指示灯亮；当k1键按下，进入检测模式，q2基极有电压，导通，d1指示灯亮，q1基极电压为零，截止，d2指示灯不亮。
图3 电路示意图
fig.3 schematic diagram of circuit
3.2 量值传递测试法
本文提出了一种基于量值传递测试方法，量值传递流程如图4所示。量值传递流程为：气体流量标准装置→机械计数体积→工况脉冲体积→标准温度脉冲体积→电子计数体积。标准装置对机械计数器进行采样测试得到误差值，按此值对机械计数器输出的工况脉冲体积进行修正，得到标准温度脉冲体积，将该值与人工读取的电子计数器示值进行比较，得出温补表的示值误差。装置自动采样与人工读数相结合，实现动态法准确测试温补表的计量性能。测试过程详见以下说明。
图4 量值传递流程图
fig.4 flow chart of metrological transfer
当温度为-10℃、流量为0.6m3/h时，温补表的标准温度脉冲体积如图5所示。通气时机械计数器尾轮转动，运转一圈，固定在计数器上的干簧管吸合输出1个脉冲，单片机接收到工况脉冲体积为10升；标准装置对机械计数器采样，根据一圈为10升的仪表系数，测试出在标准温度下的示值误差。按照该误差值，对工况脉冲体积进行修正，得到标准温度脉冲体积。通过机械计数器作为中间传递载体，实现将标准装置的量值传递到标准温度脉冲体积。
图5 标准温度脉冲体积
fig.5 standard temperature pulse volume
温补表的单片机根据机械计数器输入的工况脉冲以及温度传感器输入的温度值，将工况体积转换为标准温度下的示值，以电子计数器方式显示在液晶，电子计数器示值与输入的脉冲保持同步性，人工读取n个电子计数器示值，即输入n个脉冲。已知n个脉冲的标准温度体积，与n个电子计数器示值比较得到温补表的示值误差。家用表最大流量为10m3/h,电子计数器示值更新1次间隔3.6s，人工有充分时间读取示值。
4 计算原理
采用音速喷嘴法气体流量标准装置，当气体经膜表进入容器后音速喷嘴的出口压力之比为一定值时，喷嘴喉部的雷诺数一定，则气流通过喷嘴候补的流速恒定，此时即为临界流状态[10]。根据连续性原理，此时通过被检表的气体质量流量，一定等于通过喷嘴处气体的质量流量。设置测试流量、脉冲系数f、检测脉冲数n、稳定时间后启动测试，当采样器自动采集到机械计数器第1个脉冲后，标准器计时开始，当采集到机械计数器第n 1个脉冲数后，标准器计时终止。由式（1）计算出被检表的工况体积；式（2）计算出此时通过临界流文丘里喷嘴的工况体积；式（3）将喷嘴的工况体积换算成被检表处的压力与标准温度的体积；式（4）计算出机械计数器显示的标准温度下的示值误差；式（5）将脉冲系数f修正成标准温度脉冲系数 。
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
式中：vm 为被检表的工况体积；vs为喷嘴的工况体积；a为喷嘴喉部面积； 为流出系数；c*为临界流函数；z0为压缩因子；ts为喷嘴入口的气体热力学温度；m为气体摩尔质量；r为通用气体常数；t为测量时间；ps 为标准器内的气体绝对压力；pm 为被检表处的气体绝对压力；tb 为标准气体温度；vref为通过被检表标准温度下的体积值； e为示值误差；f为工况脉冲系数； 为标准温度脉冲系数。
测试时序如图6所示。
图6 测试时序
fig.6 test process
在装置对机械计数器采样测试的同时，人工读取电子计数器上的显示，读取第a个脉冲以及第（a m）脉冲时的电子计数器示值。由式（6）计算出m个脉冲电子计数器标准温度下累计体积；式（7）计算出m个脉冲实际的标准温度下累计体积；式（8）计算出温补表的示值误差。
（6）
（7）
（8）
式中： ¬¬为m个脉冲电子计数器标准温度下累计体积； ¬¬为第a个脉冲电子计数器标准温度下体积读数； 为第（a m）个脉冲电子计数器标准温度下体积读数； 为m个脉冲实际的标准温度下累计体积； 为温补表的示值误差。
5 试验验证
为验证方法的有效性，用准确度等级为0.5级的音速喷嘴法气体流量标准装置，测试1台g4规格温补表的示值误差。环境温度控制在25℃，通过按键将温补表进入检测模式，恒温4小时后，进行误差测试。测试程序设置脉冲系数为10l/p、测试脉冲数为80个、测试流量为6m3/h、稳定时间20s、被检表温度设置为20℃，采样器对准机械计数器，点击开始测试。测试过程中，人工每隔10个脉冲读取电子计数器上示值，一共读取7次。25.1℃温度测试示值误差见表1所示。温补表测试6次，机械计数器输入10个脉冲体积，电子计数器输出显示标准温度累计体积最小为100.18 l，最大为100.30 l,差异仅有0.12%，说明机械计数器输入的脉冲体积与输出电子计数器示值的同步，具有高度的一致性，满足准确测试的前提基础，由此验证了该测试方法的正确性以及温补表的设计合理性。磁铁固定在机械计数器的尾轮，安装在计数器上的干簧管感应它靠近时，产生吸合输出脉冲，将机械计数器的转动输出电子信号的方案，性能可靠。测试6次示值误差的标准偏差为0.05%，结果表明该方法准确度高，测试时只需输入10个脉冲体积既100 l，检测时间为1min，检测时间短，相比静态法测试体积需到5000 l，降低测试时间98%。
表1 25.1℃温度测试示值误差
tab.1 measurement error at 25.1 ℃ temperature
机械计数器误差
（%）脉冲
系数
（l/p）电子计数器起始值(l)电子计数器终止值(l)电子计数器累计体积(l)脉冲个数(p)脉冲
体积
(l)电子计数器
误差
（%）标准
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 结束语
膜式燃气表国家标准[6]对于温度补偿方式仅规定机械式，随着技术的不断发展，电子式温补表将得到快速发展。最新欧盟标准en1359对温补方式未做要求[2]，修订版国标已取消限制要求。电子式温补表从其工作原理分析具有较高的计量准确性，但因分辨率过低、间歇性计数、装置无法对其电子计数进行采样，难以准确测试其计量性能，限制了市场推广及使用。本文提出一种检测模式下的显示电路，通过按键选择，显示分辨力达到0.1l；在不改变现有检测装置基础上，提出基于量值传递测试法，装置自动采样与人工读数想结合，实现动态法准确测试其计量性能。测试准确度高，测量时间短，相比静态法检测时间降低98%，适用性广，适用于所有的气体流量标准装置。该方法实施成本低，效果明显，有助于电子温补表的推广，有效促进贸易公平性，具有较强实际应用价值，值得在燃气表行业推广。
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