超聲波計量技術在燃氣計量的應用

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摘要：超聲波計量技術越來越被燃氣公司和燃氣用戶認可，已經廣泛應用于大管徑、大流量的管道燃氣的計量，但在家用和工商業天然計量場景尚未大面積規模應用。隨著超聲波計量技術和通信技術的發展與結合，為計量公平和安全用氣提供了技術支撐。本文闡述了超聲波的計量技術的發展歷程、超聲波計量基本原理、超聲波計量產品的特點與優勢、產品的試掛方案及試掛總結、不同角度分析超聲波計量技術應用的思考。

關鍵詞：超聲波計量；超聲波燃氣表；通信技術

1概述

在國外，利用超聲波對流體計量的研究已有數十年的歷史。1931年，德國科研人員取得關于利用聲波測量管道流體流量的專利成為超聲波流體計量最早的參考文獻，但測得的時間精度無法達到計量需要；50年代初，美國科研人員通過多次循環測量方案將時差擴大，用于燃油流量測量，標志著超聲波計量技術由理論研究階段進入應用階段，但方案太復雜而未能規?；瘧?。進入70年代，隨著集成電路技術的快速發展，出現了頻差法超聲波流量計，但主要測量大管徑、大流量不適用于小管徑、小流量測量。同期，前蘇聯科研人員發現管道內流體流動有層流和紊流狀態，并給出了層流狀態下的理論計算公式，為超聲波流量計量進一步提高測量精度提供了理論依據。至此，超聲波流量計量的研究和應用才快速發展起來。到上世紀90年代，電子技術的快速發展，新材料、新工藝的不斷涌現，促進超聲波流量計量的應用范圍獲得擴展，測量精度顯著提升。超聲波流量計應用領域由早期的液體流量計量，擴展到氣體流量測量。隨著天然氣工業的快速發展和應用范圍的迅速擴大，更加促進了超聲波氣體計量的應用。超聲波燃氣表在歐洲和日本已經開始進入民用市場，對于擁有年使用量近3000萬臺燃氣表的中國市場來說，目前部分燃氣公司已經有規模使用，并獲得相應的試用和使用經驗，遠期看超聲波燃氣表的應用未來可期，必將會給燃氣公司的產品選型和應用帶來一個新的挑戰和發展機遇。20年前，智能IC卡燃氣表的推出不啻是燃氣計量及收費方面的一次革命，智能IC卡燃氣表一方面解決了燃氣公司抄表難、收費難的問題，使燃氣公司能夠及時回籠資金，極大地節省了抄表方面的人力、物力；另一方面使用戶能夠自主購氣，避免抄表人員入戶。十年前，無線遠傳燃氣表的推出對燃氣公司的管理提升有著巨大的推動作用，一方面解決了無法見表帶來的表具運行狀態的監控；另一方面方便對表具的供氣的戶外關閥，解決了供氣控制、提高使用的安全性。隨著科技的進步傳統的IC卡燃氣表、無線遠傳燃氣表的一些弊端也逐漸顯現出來：各燃氣企業存在不少用氣設備達不到計量表最小流量（俗稱“大馬拉小車”）或超出流量計最大計量（俗稱“小馬拉大車”）的情況，造成燃氣表不計量或計量不準確的現象。燃氣公司為了了解用戶用氣信息，會依據原有的智能控制部分和現有的無線通信技術會選擇適合自己的無線通信方式，如選擇NB-iot、4G、LORA、BLE等無線通信方式，傳輸表具的計量信息和運行信息。超聲波計量技術的發展和產品的成熟、穩定與通信技術的蓬勃發展特別是NB-iot通信技術的在公用事業的廣泛應用，會促進計量技術和通信技術的快速融合，為燃氣公司經營管理需求提供相應的產品。

2超聲波計量基本原理及特點

2.1基本原理

超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由壓電陶瓷片在激勵電壓的作用下發生振動產生的，具有頻率高、波長短、繞射現象小，指向性好從而實現定向傳播等特點。利用安裝在流路上下游的一對或多對超聲波傳感器Senser1和Senser2進行時差法測量，在較短時間間隔內，超聲波傳感器分別作為接收換能器和發送換能器，即發送傳感器發送超聲波信號，接收傳感器接收超聲波信號，分別得到超聲波在流體中的傳播時間t1和t2，再得到流體的流速，然后利用已知的流路截面積算出瞬時體積量，單位時間內的瞬時體積量累加得到流體的積計體積量，而得到流體的計量信息。超聲波計量產品由于是全電子式、無運動的機械部件，產品的可靠性和準確度提高，具有體積小、重量輕、計量精度高、重復性好、壓損小，不易老化使用壽命長的特點；全電子設計更易智能化，可以擴展為具備多種通信方式的表具。

2.2示值誤差曲線平直

皮膜表由于受內部的機械運動影響，皮膜表的誤差曲線是一個拋物線的形狀，示值誤差受流量大小影響較大；而超聲波燃氣表示值誤差曲線近似一條直線，示值誤差幾乎不受流量大小的影響，計量更準確、更穩定。

2.3量程比寬

皮膜表的量程比為160:1，而超聲波表可以達到200:1最高可達800:1，以G25方為例，皮膜表的最大流量為40m3/h,而超聲波表可以達到48m3/h，出廠標定為50m3/h，最小流量為0.06m3/h。由于皮膜表有機械運動部件，超流量時誤差是負值，且不能長時間超流量運行，容易損壞皮膜，而超聲波表能夠長期超流量運行并保證其精度。尤其對飯店等用氣流量波動較大商業用戶，超聲波氣表有效的解決了超量程的問題。

2.4誤差曲線平穩

超聲波燃氣表是全電子采集信號來計算流量，示值誤差多段修正，保證不同流量點都具有相近的示值誤差。計量具有高重復性，獨特的計量算法保證產品的重復性＜產品允許示值誤差的1/3。表具在不同的溫度條件下、不同流量點下的示值誤差，組成的誤差曲線具有平直特性，誤差曲線接近一條直線。

2.5可選擇溫度補償、壓力補償

采用高精度、低功耗的MEMS溫度壓力傳感器，通過實時獲取表具計量過程中燃氣的溫度和壓力值，對計量數據進行補償，使計量更公平。

2.6具有多種智能處理方案及功能

（1）超聲波表有計量探頭故障自檢、溫度探頭故障自檢、壓力探頭故障自檢等功能，并可實現故障自動關閥等功能，保證在使用計量公平。（2）由于超聲波燃氣表可以檢測出內部通過的是空氣還是天然氣，如果用戶在使用過程中，私自把燃氣表拆掉，可以提供燃氣表拆表時間及詳細的表具信息（3）用戶反裝表盜氣，表具自動關閥，且可以記錄表具反裝時間及表具信息。（4）超聲波燃氣表采用時差計量，不分左右表，自動識別氣體流動方向，倒裝表仍可正常計量。用戶用于普通膜式表的破壞計數器盜氣手段無法應用。超聲波表具有防打孔功能，超聲波燃氣表計量方式為速度式，不存在普通皮膜表的氣室，因而打孔盜氣無可能。超聲波燃氣表無磁感元件，計量不受磁場影響。

3北方某市超聲波表具試掛

3.1試掛方案

選擇北方某居民區和工商業用戶作為實施對象，居民393塊G2.5，工商業用戶79塊。對20部戶用表具采用皮膜表具比對測試，對10部工商業表具同羅茨流量計進行比對測試，要求單日超表成功率為98%以上，周抄讀成功率達到100%。表具無告警信息和無故障，滿足燃氣公司計量需求和燃氣用戶使用要求。試掛表具通過NB傳輸方式，每天數據定時上報表具信息至公司數據中心。3.1.1數據中心中心計費模式下的一戶多表用戶按用戶進行收費、計費功能。中心完成用戶各種資料統計及查詢、系統安全管理及數據維護等工作。數據實時更新，采集表具數據并可下發各種控制指令。3.1.2數據信道數據信道采用移動運營商的NB無線網絡，數據由表具傳輸到移動運營商，再傳送到公司數據中心。采用專用NB網絡，保證設備正常運行。3.1.3表具表具計量采用超聲波計量，數據傳輸采用NB物聯網傳輸技術，采用中心結算模式。表具內置控制閥門，實現遠程監控表具。戶用表具采用干電池供電要求使用時間超過1年，工商業表具使用鋰電池供電，通信要求使用3年，計量要求使用10年。表具具有氣質識別、進水識別、故障自檢、微小流量泄漏監測切斷、超大流量監測切斷、拆表判斷功能。

3.2試用結果

表具試掛從2020年6月~2021年5月，共計365天。對表具計量精度、重復性、重現性，數據采集成功率、計量準確性，環境適應性、異常統計進行跟蹤。結果為：3.2.1計量精度、重復性、重現性所有使用的表具經過國家授權的計量檢定機構，按照JJG（津）3001-2017戶用超聲波燃氣表和JB/T12958-2016家用超聲波燃氣表的1.5級檢定，實測示值誤差為標準要求的2/3，重復性達到要求。對串聯膜式表具的超聲波表具每間隔2000h下墻做示值誤差和重復性、重現性測試，6次測試均達到標準要求。3.2.2數據采集成功率采用每日（節假日除外）統計和每周統計數據中心數據，對居民393塊G2.5，工商業用戶79塊，對日采集數據進行統計，共計242次，達到單日超表成功率為98%以上要求的天數為230天，占比95%。周超表成功率為100%以上要求，52周均達到要求。3.2.3數據準確性20部采用皮膜表具串聯戶用表具和10部采用同羅茨流量計串聯工商業表具的計量數據通過數據中心查看和現場實抄數據比對，數據一致。3.2.4環境適應性測試對串聯膜式表的超聲波各抽3部，每間隔2000h下墻，做環境適應性測試，達到JJG（津）3001-2017戶用超聲波燃氣表和JB/T12958-2016家用超聲波燃氣表的1.5級檢定要求。3.2.5表具異常統計對居民393塊G2.5，工商業用戶79塊，對日采集數據進行異常表具統計。在測試期間無異常數據，跟蹤中干電池異常5部，分析為表具電池倉進水，導致電池損壞，更換后正常。其他使用一年。整表更換為5部，其中戶用3部，工商業2部且存在惡意破壞，表具將拆表記錄實時上傳到數據中心。

4試用后思考

4.1計量體系和法規

規劃有序的市場應用，需要有嚴密的體系和法規做支撐。目前采用的方案為地方性法規和行業標準，行業標準又有不同的編制單位，超聲波表標準具有CJ/T477-2015《超聲波燃氣表》和JB/T12958-2016《家用超聲波燃氣表》，檢定規程為地方性，國家標準GB/T39841-2021《超聲波燃氣表》出臺解決了產品標準的需求，也規范了產品的各標準要求，但法律法規需完善和上層次，亟需出臺對應的型評大綱和檢定規程。對燃氣公司亟需建立產品選型標準和產品評測大綱、評測平臺。

4.2產品氣源適應性

超聲波信號受到被測氣體組分的影響很大，而我國的供氣種類繁多，即使在同一個燃氣公司在不同的時間供氣的氣源也有很大的差異性，保證產品的氣源適應性，是制約產品推廣的重要因素，也是保證使用過程中計量公平的根源。

4.3產品成本壓力

產品成本壓力在戶用超聲波表具上有突出的表現，現在的NB皮膜表在300元左右，而超聲波表具在400元左右，產品成本是整個推廣的最大阻力。

4.4國家計量安全

目前能夠滿足高穩定性、高可靠性且經過長期使用的產品，均為國外產品，為了保證國家計量安全需多方努力，產品核心國產化，建立完成的供應鏈。

4.5做好表具應用準備

第一步：對選擇超聲波燃氣表做系統的可行性進行論證。第二步：對目標供貨廠家考察。對產品供應商和市場使用用戶進行實地考察，考察廠家的產品研發能力、實際使用效果。第三步：做好應用方案①同供貨廠家確定表具使用的方案，做好表具安裝運行環境的實測。做好用戶的宣講，確定安裝流程。②對表具進行嚴格的測試方案和數據統計。③在小批量試用成功后，進行大規模的推廣。目前，基于超聲波氣體計量的超聲波燃氣表產品剛興起，由于其全電子機構特點，同機械膜式燃氣表相比在機械噪音、計量準確度、重復性以及產品使用壽命、產品現場維護性、生產可制造性都有優勢。不但節約能源，且提高經濟性和安全性。

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作者：李金陸 單位：津燃華潤燃氣有限公司