江航成，牛立娜，邢静芳，林明星

摘要：电子式温度补偿膜式燃气表不改变原来膜片正常计量方式，仅仅通过数据修正转换，较好地实现标准温度下的气体体积计量，但由于其显示分辨力过低，导致测试准确性很差，影响该产品的市场推广。在不改变燃气表结构的基础上，提出一种用户模式与检测模式的解决方法，两种电路分别对应这两种模式下的显示方案，通过按键控制电路，达到切换具体模式的目的。用户模式下显示分辨力为10 L，满足平时贸易抄表的需求；在检测模式下达到0.01 L，符合检测时的准确度要求。以音速喷嘴作为测试标准器，采用图像摄像采样方式读取温补表的标准温度下的体积读数，利用流过音速喷嘴的气体达到临界流状态时，流过喷嘴的气体质量流量保持不变的原理，获得标准温度下的实际体积値。在不改进测试装置的前提下，对温补表进行-20 ℃温度下的示值误差测试，测试结果重复性达到0.11%，检测时间缩短96%。

关键词:膜式燃气表；温度补偿；温度转换装置；音速喷嘴；贸易结算；标准温度

中图分类号:TH814；TP206           文献标志码:A

Metrological performance test for diaphragm gas meter with electronic temperature compensation

JIANG Hang Cheng1， NIU Li Na2， XING Jing Fang2

                   ( GoldCard Smart Group CO.,LTD. , Hang Zhou, 310018

                 Institute of Metrology of Hebei Province,Shi JiaZhuang ,050200)

Abstract :  The electronic temperature compensation diaphrag gas meter does not change the normal measurement mode of the original film. Only through the data correction conversion,it is better to realize the gas volume measurement under the standard temperature. However, because of its low display resolution, the accuracy of the test is very poor, which affects the market promotion of the product.On the basis of not changing the structure of the gas meter,a solution of the use mode and the test mode is put forward. The two circuits correspond to the display schemes under the two modes, and the specific mode is achieved through the key control circuit. The display resolution is 10 L in use mode, which meets the demand of normal trade meter reading, and reaches 0.01 L in test mode, which accords with the accuracy requirement in testing. The sonic nozzle is used as a standard device,using the image sampling method to read the  volume value of the gas meter under the standard temperature , the gas mass flow through the nozzle remains the same principle when the gas flow through the sonic nozzle reaches the critical flow state ,Obtain actual volume at standard temperature. Under the premise of not improving the test device, the indication error is tested at the temperature of -20 ℃, the repeatability of the test results is 0.11%, and the detection time is reduced by 96%.

Key word: Diaphragm gas meter； Temperature compensation；Built-in Temperature Conversion Device； Sonic nozzle； Trade settlement; Standard temperature

前言：

膜式燃气表是一种被广泛应用的燃气计量表，具有计量准确度较高、量程宽、性能稳定、工艺易于控制、性价比高等优点。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]

为将不同温度下的体积计量换算到20℃标准温度的体积，膜式燃气表需要加装内置温度补偿装置，主要方式有机械式与电子式。机械式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，通过改变皮膜的位移量来实现回转体积的微小变化，从而实现标准温度下体积计量的目的[2]。电子式原理是首先将工况显示的计数器累积体积值转换为工况数字读数，再利用温度传感器采集到的温度值，将工况数字读数换算成标准温度下的数字读数。

机械式温补装置通过控制行程，改变皮膜每次伸展的程度，导致皮膜没有完全展开，改变原来膜片正常计量方式，对计量准确性造成影响。而电子式温补装置，仅仅通过数据修正转换，不改变原计量方式。[3]

1、 测试问题

目前常用的电子式温度补偿膜式燃气表（简称温补表）的实现方式，是将磁钢安装在机械计数器的尾轮上，通气时运转，当磁钢靠近控制器上的霍尔元件，高的磁通量触发霍尔元件吸合计数，从而将机械信号读数转化为电子脉冲读数。尾轮转动一整圈，工况体积为10 L，触发霍尔元件吸合1次，接收电子脉冲信号为1个，电子脉冲系数为10 L/个。控制器根据温度传感器采集到气体的温度值，自动将表示工况体积的电子读数根据气态方程换算到20 ℃的电子读数，显示于液晶屏上。

膜式燃气表国家标准[4]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，另外液晶屏的尺寸限制，液晶上读数显示有效位数为8位，其中6位是整数，2位是小数，液晶电子读数的分辨力为0.01 m3。该显示方式给测试带来很大偏差，例如测试时标准器的体积为100 L，实际温补表体积为99.9 L，因液晶电子读数分辨力为10 L，显示在液晶上的读数为90 L，根据公式（1）温补表的测试误差值为-10%，但实际误差为-0.1%，严重影响温补表检测的准确性。为消除分辨力过低的影响，保证测试准确性，只能增加累积体积测试量，至少要求通气量为3000 L，其后果是极大增加了测试时间。

         （1）                             

式中：E——示值误差（%）；Vref——通过被检表的气体体积值（L）； Vm ——被检表的显示体积值（L）

2、解决方案

温补表的控制软件系统上设置2种模式，用户模式与检测模式，其对应的硬件系统的液晶屏示意图见图1, 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0.01 m3,满足日常抄表贸易时读数的要求。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0.00001 m3，满足检测时的准确度要求。

图1 液晶示意图

对应实现该两种模式的电路示意图见图2，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，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；当按下K1键，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2电路示意图

3、 测试方法

根据JJF（冀）143 [5]在宣称工作范围内的最低温度与最高温度对温补表进行误差测试。为此设计一套计量性能测试装置如图3所示，放置于具有中央空调的房间内，由除湿机、高低温箱、热交换器、采样器、音速喷嘴、调节阀、真空泵、计算机、连接管路及温度压力传感器组成，采样器对准被检表的液晶，被检表处的环境温度通过高低温箱控制，被检表的介质温度通过热交换器来控制，音速喷嘴的环境温度由中央空调来调节，介质温度通过热交换器来调节，被检表与音速喷嘴串联在封闭的管路中。气体的流动是靠真空泵的抽吸完成。

                  图3、装置装置示意图

本装置采用动态法测试被检表的示值误差，摄像图像采样方式读取温补表的标准温度下的读数。设定具体流量点，温度恒定以后进入测试状态。当液晶屏读数更新时快速按下计算机上的控制键，测试软件抓拍被检表上液晶屏上读数，此时为被检表累计体积的起始值，并触发音速喷嘴开始计时。当音速喷嘴累积值达到设定体积时，等待液晶屏上读数的更新，观察到数据更新时再次按下控制键，抓拍被检表上液晶屏上读数，此时为被检表累积体积的终止值，音速喷嘴计时结束。根据公式（2）计算出被检表的显示体积。当流过音速喷嘴的气体达到临界流状态时，流过喷嘴的气体质量流量保持不变，由于温度以及压力恒定，体积流量不变，根据所计时间及公式（3）[6]，计算出流经音速喷嘴的体积Vs，根据连续性原理将Vs通过气态方程式（4）换算成流经被检表的实际体积Vref[7]。公式（5）将实际体积值与被检表显示体积计算出示值误差E。

                （2）                   

       （3）      

 （4）

            （5）           

式中：

Vm —被检表的累积体积（m3）；Vm2 —被检表的终止读数（m3）；Vm1 —被检表的起始读数（m3）；Vs—喷嘴的累积体积(m3)；A—喷嘴喉部面积（m2）； —流出系数；C*—临界流函数；Z0—压缩因子；TS—喷嘴入口的气体热力学温度(K)；M—气体摩尔质量（kg.mol-1)；R-通用气体常数（J.mol-1.K-1)；t—测量时间（s）；Ps —标准器内的气体绝对压力（Pa）;Pm —被检表处的气体绝对压力（Pa）; TB —基准气体温度293.15K；Vref—通过被检表的气体实际值（m3）； E—示值误差（%）

4、试验验证 

     将1台G4规格的电子式温补表通过按键进入检测模式，置于高低温试验箱内，采样器对准被检表的液晶屏，设定测试流量为1.2 m3/h，测试累积体积为100 L～120 L，调节试验温度Tm为-20 ℃，调节热交换器使得音速喷嘴处的温度Ts为20 ℃。温度稳定后，测试示值误差6次，具体测试数据见表1。该温补表的工况脉冲系数为10 L/个,按常规方法测试,至少需要3000 L,而实际只需要115 L左右,测试6次误差的标准偏差达到0.11%，同时缩短检测时间96%。

表1最低温度下的示值误差

5、结束语

      膜式燃气表国家标准[4]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[8]对温补方式未做要求，修订版国标也取消限制要求。温补表采用用户模式与检测模式的解决方案，不改变产品结构，费用成本低廉，且能大幅提高测试准确性，缩短检测时间，建议在燃气表行业推广使用。

参考文献

[1]赵会平,崔浩.膜式燃气表的温度补偿研究[J].科技与创新,2017(16):78-79.

[2]邓立三.机械温度补偿型燃气表计量性能的实验研究 [J].中国计量,2010( 9),79-80

[3]王海芳,于航,李树旺等.膜式燃气表的温度压力补偿[J].煤气与热力,2012,32(01):63-65+81.

[4] 国家质量监督检验检疫总局. GB/T6986-2011膜式燃气表国家标准[s]. 北京：中国标准出版社，2012.

[5] 河北省质量技术监督局.JJF（冀）143-2018内置温度转换装置燃气表检验规范[S]北京：中国质检出版社，2018.

[6] 国家质量监督检验检疫总局.JJG620-2008 [s]. 北京：中国标准出版社，2009.

[7] 国家质量监督检验检疫总局.JJG 577－2012膜式燃气表国家计量检定规程[s]. 北京: 中国计量出版社, 2012. 

[8] CEN-CENELEC Management Centre. EN1359：2017 diaphragm gas meter