金卡智能集团股份有限公司 李杭/江航成/钭伟明/项勇

来源：《工业仪表与自动化装置》2019年第2期

摘要: 利用热式传感器输出瞬时流量的计量特性，提出一种基于瞬时流量的校准方法，在热式表主板模块上加装红外发射及接收电路，通过红外通信方式与上位机建立数据交互，读取其显示的瞬时流量，以音速喷嘴法气体流量标准装置为标准器，通过下位机读取音速喷嘴处气体的瞬时流量，计算出示值误差。程序设置通信、初校、生成系数修正列表、写入系数、复校、判定一共6个工序，一键实现热式表连续化、批量化、自动化校准。通过用瞬时流量法测试G1. 6规格燃气表0. 5 m3/h流量点的示值误差，重复性为0. 053%，与累积流量方法比较提高了0. 05% ，缩短校准时间 87% ，极大提升工作效率。

关键词: 热式质量燃气表; 累积流量; 瞬时流量; 红外通信; 自动化校准

Abstract: A calibration method based on instantaneous flow rate is proposed by utilizing the metro- logical performance of the output instantaneous flow rate for the thermal sensor. Infrared transmitting and receiving circuits are installed on the main board module of the thermal meter. The data are interacted with the host computer by means of infrared communication to read the instantaneous flow rate displayed by the thermal sensor. The calibration method is based on the sonic nozzle method. The instantaneous flow rate of the gas at the sonic nozzle is read by the lower computer and the indication error is calculated. Pro- gram settings communication，preliminary calibration，generating coefficient correction list，writing coeffi- cient，recalibration，judgment a total of six procedures，one key to achieve continuous，batch，automatic calibration of the thermal meter. The instantaneous flow method was used to test the indication error of 0. 5m3/h flow point of G1.6 gasmeter，and the repeatability was 0.053%. Compared with the cumulative flow method，it is improved by 0. 05% . The calibration time is shortened by 87% ，and the work efficien- cy is greatly improved.

Keywords: thermal mass gas meter; cumulative flow rate; instantaneous low rate; infrared commu- nication; automatic calibration

引言

气体体积与温度关系密切相关，例如同样压力20°C时的1m3天然气，在-10°C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 °C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 °C。膜式燃气表以及超声波 =燃气表均为测试工作状况下流量的计量器具，需要加装温度传感器以及压力传感器，通过温压补偿才能实现标况计量。

随着MEMS工艺的出现和技术的不断创新，性价比高的超低功耗、高测量准确度的专用流量传感器芯片日趋成熟。热式质量燃气表(后续简称热式表) 是一种利用热传递原理测量标准状况下流量的计量器具[2]。依据热传导理论设计，可对被测燃气的气体组份进行自动识别，使用十分方便。相比膜式燃气表具有无可动部件、易集成、量程比宽、灵敏度高、智能化、标况输出的优点。热式表的产品标准JB/T 13567[3]已经颁布。

1 工作原理

热式质量燃气表的工作原理是利用气体与热源之间热量交换原理，由一个精密的电源，给热式传感器提供恒定的热量，在流体静止的条件下，2个测温元件的温度相同。当流量增大时，热量从上游T1测试元件传向下游T2测温元件，热式传感器测出两者的温差，并提供与流量相关的输出信号[2]，工作原理见图1。

图1 工作原理 

热式表的工作流程见图2，热式传感器进行流量采集，是通过加热器对周围气体进行加热，加热后周围的气体产生热场，读取上下游的温度传感器检 测到周围的温度梯度以及气体识别参数等。计量模块主要是配置测试参数，读取热式传感器内部参数 信息以及参数存储，如温度参数及气体识别参数，计算出瞬时标况流量。主控模块作为输出终端，存储 瞬时标况流量及累积流量，以串口或红外通信方式 与外部进行数据交互输出测试结果，或通过 LED灯显示。

图2 工作流程

2 测试现状

传统的膜式燃气表是通过对qmax，0.2qmax，qmin流量点的累积流量进行初校[4]，取得初始误差，计算出修正系数，通过更换齿轮配比系数，将误差调整到合格范围。目前气体流量标准装置上的采样器可以识别机械计数器，取得被检表的采样信号。但是热式表是电子式的计量仪表，输出的是电子计数器，采样器无法识别出采样信号，为此需要将瞬时流量根据时间换算出累积流量，累计到刚好1L体积时，用LED指示灯闪烁一下，代表1个脉冲信号，被采样器所识别。由于每个产品的 LED 灯及固定位置有所差异，每个采样器需要对焦调整。另外测试时间太长，例如G1.6表的q流量点0.016m3/h，测试累积流量5个脉冲，至少需要20 min。初校完成后，测试系统生成具体的系数修正列表，需要人工逐台通过接口写入表中，并进行复校。可见校准过程并非连续化生产，效率较低。

3 自动化校准方法

研制一种基于瞬时流量的自动化校准方法，利用热式表主控模块输出的瞬时流量与音速喷嘴测试的标准值进行比较，计算出示值误差，测试装置见图3，操作流程见图4。

1-检测台;2-热式表;3-连接管路;4-阀门;5-滞止容器; 6-音速喷嘴;7-真空泵;8-下位机;9-温度变送器;10-计算机; 11-压力变送器; 12-红外通信工装

 图 3 测试装置图

 图4 操作流程 

将热式表固定在检测台上，红外通信工装与热式表上建立红外通信，红外通信利用 950 nm 近红外波段的红外线作为通信载体来进行通信[5]。通信原理是发送端将二进制数调制成某一频率的脉冲序列，并利用该脉冲序列驱动红外线发射管以光脉冲的形式向外发射红外光; 而接收端将接收到的光脉 冲信号转换成电信号，再还原成二进制电信号[6]。 热式表内置发射电路见图5，通过主控模块的红外发射端MCU-IP-TXD将瞬时流量值，以一定的通信编码协议通过光电器件D204以红外光发射出去，通过红外通信工装被上位机所获取。上位机通过红外通信工装发出指令，通过接收电路(见图6) ，D205接收到红外信号，被红外接收端 MCU-IP-RXD所接收，实现数据交互。计算机通过RS485串口与红外通信工装连接。下位机读取温度变送器、压力变送器的参数，控制阀门开关，通过RS485串口与计算机连接。在计算机操作程序上设定初校参数、复校参数后，开启真空泵，点击测试，系统通过红外通信将指令发送到燃气表，开启瞬时流 量测试模式。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[7]，由于温度以及压力恒定，体积流量不变，根据式(1) 计算出流经音速喷嘴处气体的瞬时流量Vs，根据 连续性原理将Vs 通过气态方程式(2) 换算成流经被检表的实际瞬时流量Vref，式(3) 将实际瞬时流Vref与被检表瞬时流量Vm计算出初始示值误差E。初校完成后，操作系统根据初始误差值生成系数修正列表，通过红外通信写入计量模块中，完成后进入复校程序，系统根据测试结果以及标准要求，判定测试结论。

图5  红外发射电路

图6红外接收电路

式中: Vm为被检表的瞬时流量( m3/h)；Vs为喷嘴的瞬时流量(m3/h)；A为喷嘴喉部面积(m2)；C' d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(K)；M为气体摩尔质量 ( kg·mol - 1 )；R为通用气体常数( J·mol - 1 ·K - 1) ；Ps为标准器内的气体绝对压力( Pa) ; Vref 为通过被检表的实际瞬时流量( m3/h)；E为示值误差( %)。

4 测试试验

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G1. 6热式表0.5 m3/h流量点的示值误差，先通过累积流量测试6遍，用时60min; 再用瞬时流量测试6遍，用时 8min，具体测试数据见表 1。

表1  累积流量与瞬时流量测试误差

采用累积流量测试的重复性误差为0. 099% ，而采用瞬时流量为0. 053%，从结果分析看采用瞬时流量测试方法的重复性更好，两者比较差异只有0. 05%，但是校准时间缩短 87% ，验证了瞬时流量测试方法准确、高效。

5 结论

累积流量校准方案是基于传统的机械式膜式燃 气表，热式表作为新型的电子式流量仪表，充分利用其电子式以及瞬时流量输出的计量特点，通过红外通信方式与测试系统进行数据交互，编制测试程序达到一键实现热式表连续化、批量化、自动化校准。 通过两种方法测试G1. 6规格燃气表示值误差的分析比较，验证瞬时流量测试方法的准确性，测试重复性优于累积流量法，同时缩短校准时间87%，极大提升生产效率，值得在燃气表行业中推广使用。 

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] 重庆市质量技术监督局. JJG( 渝) 010—2017 热式质量 燃气表[S]北京: 中国质检出版社，2017.

[3] 中华人民共和国工业和信息化部. JB/T 13567—2018 热式质量燃气表[S]. 北京: 中国标准出版社，2018.

[4] 国家质量监督检验检疫总局. JJG577—2012 膜式燃气 表[S]北京: 中国质检出版社，2012.

[5] 马忠梅. ARM & Linux 嵌入式系统教程[M]. 北京: 北 京航空航天大学出版社，2004: 358 - 375.

[6] 许继彦，杜钦生.红外通信模块的设计与实现[J].长 春大学学报，2009，19( 10) : 49 - 51.

[7] 江航成，张道隽，李杭. 膜式燃气表回转体积测试及应 用[J]. 自动化仪表，2017，38( 10) ( 96 - 98 + 102.