超声波计量技术在燃气计量的应用

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摘要：超声波计量技术越来越被燃气公司和燃气用户认可，已经广泛应用于大管径、大流量的管道燃气的计量，但在家用和工商业天然计量场景尚未大面积规模应用。随着超声波计量技术和通信技术的发展与结合，为计量公平和安全用气提供了技术支撑。本文阐述了超声波的计量技术的发展历程、超声波计量基本原理、超声波计量产品的特点与优势、产品的试挂方案及试挂总结、不同角度分析超声波计量技术应用的思考。

关键词：超声波计量；超声波燃气表；通信技术

1概述

在国外，利用超声波对流体计量的研究已有数十年的历史。1931年，德国科研人员取得关于利用声波测量管道流体流量的专利成为超声波流体计量最早的参考文献，但测得的时间精度无法达到计量需要；50年代初，美国科研人员通过多次循环测量方案将时差扩大，用于燃油流量测量，标志着超声波计量技术由理论研究阶段进入应用阶段，但方案太复杂而未能规模化应用。进入70年代，随着集成电路技术的快速发展，出现了频差法超声波流量计，但主要测量大管径、大流量不适用于小管径、小流量测量。同期，前苏联科研人员发现管道内流体流动有层流和紊流状态，并给出了层流状态下的理论计算公式，为超声波流量计量进一步提高测量精度提供了理论依据。至此，超声波流量计量的研究和应用才快速发展起来。到上世纪90年代，电子技术的快速发展，新材料、新工艺的不断涌现，促进超声波流量计量的应用范围获得扩展，测量精度显著提升。超声波流量计应用领域由早期的液体流量计量，扩展到气体流量测量。随着天然气工业的快速发展和应用范围的迅速扩大，更加促进了超声波气体计量的应用。超声波燃气表在欧洲和日本已经开始进入民用市场，对于拥有年使用量近3000万台燃气表的中国市场来说，目前部分燃气公司已经有规模使用，并获得相应的试用和使用经验，远期看超声波燃气表的应用未来可期，必将会给燃气公司的产品选型和应用带来一个新的挑战和发展机遇。20年前，智能IC卡燃气表的推出不啻是燃气计量及收费方面的一次革命，智能IC卡燃气表一方面解决了燃气公司抄表难、收费难的问题，使燃气公司能够及时回笼资金，极大地节省了抄表方面的人力、物力；另一方面使用户能够自主购气，避免抄表人员入户。十年前，无线远传燃气表的推出对燃气公司的管理提升有着巨大的推动作用，一方面解决了无法见表带来的表具运行状态的监控；另一方面方便对表具的供气的户外关阀，解决了供气控制、提高使用的安全性。随着科技的进步传统的IC卡燃气表、无线远传燃气表的一些弊端也逐渐显现出来：各燃气企业存在不少用气设备达不到计量表最小流量（俗称“大马拉小车”）或超出流量计最大计量（俗称“小马拉大车”）的情况，造成燃气表不计量或计量不准确的现象。燃气公司为了了解用户用气信息，会依据原有的智能控制部分和现有的无线通信技术会选择适合自己的无线通信方式，如选择NB-iot、4G、LORA、BLE等无线通信方式，传输表具的计量信息和运行信息。超声波计量技术的发展和产品的成熟、稳定与通信技术的蓬勃发展特别是NB-iot通信技术的在公用事业的广泛应用，会促进计量技术和通信技术的快速融合，为燃气公司经营管理需求提供相应的产品。

2超声波计量基本原理及特点

2.1基本原理

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由压电陶瓷片在激励电压的作用下发生振动产生的，具有频率高、波长短、绕射现象小，指向性好从而实现定向传播等特点。利用安装在流路上下游的一对或多对超声波传感器Senser1和Senser2进行时差法测量，在较短时间间隔内，超声波传感器分别作为接收换能器和发送换能器，即发送传感器发送超声波信号，接收传感器接收超声波信号，分别得到超声波在流体中的传播时间t1和t2，再得到流体的流速，然后利用已知的流路截面积算出瞬时体积量，单位时间内的瞬时体积量累加得到流体的积计体积量，而得到流体的计量信息。超声波计量产品由于是全电子式、无运动的机械部件，产品的可靠性和准确度提高，具有体积小、重量轻、计量精度高、重复性好、压损小，不易老化使用寿命长的特点；全电子设计更易智能化，可以扩展为具备多种通信方式的表具。

2.2示值误差曲线平直

皮膜表由于受内部的机械运动影响，皮膜表的误差曲线是一个抛物线的形状，示值误差受流量大小影响较大；而超声波燃气表示值误差曲线近似一条直线，示值误差几乎不受流量大小的影响，计量更准确、更稳定。

2.3量程比宽

皮膜表的量程比为160:1，而超声波表可以达到200:1最高可达800:1，以G25方为例，皮膜表的最大流量为40m3/h,而超声波表可以达到48m3/h，出厂标定为50m3/h，最小流量为0.06m3/h。由于皮膜表有机械运动部件，超流量时误差是负值，且不能长时间超流量运行，容易损坏皮膜，而超声波表能够长期超流量运行并保证其精度。尤其对饭店等用气流量波动较大商业用户，超声波气表有效的解决了超量程的问题。

2.4误差曲线平稳

超声波燃气表是全电子采集信号来计算流量，示值误差多段修正，保证不同流量点都具有相近的示值误差。计量具有高重复性，独特的计量算法保证产品的重复性＜产品允许示值误差的1/3。表具在不同的温度条件下、不同流量点下的示值误差，组成的误差曲线具有平直特性，误差曲线接近一条直线。

2.5可选择温度补偿、压力补偿

采用高精度、低功耗的MEMS温度压力传感器，通过实时获取表具计量过程中燃气的温度和压力值，对计量数据进行补偿，使计量更公平。

2.6具有多种智能处理方案及功能

（1）超声波表有计量探头故障自检、温度探头故障自检、压力探头故障自检等功能，并可实现故障自动关阀等功能，保证在使用计量公平。（2）由于超声波燃气表可以检测出内部通过的是空气还是天然气，如果用户在使用过程中，私自把燃气表拆掉，可以提供燃气表拆表时间及详细的表具信息（3）用户反装表盗气，表具自动关阀，且可以记录表具反装时间及表具信息。（4）超声波燃气表采用时差计量，不分左右表，自动识别气体流动方向，倒装表仍可正常计量。用户用于普通膜式表的破坏计数器盗气手段无法应用。超声波表具有防打孔功能，超声波燃气表计量方式为速度式，不存在普通皮膜表的气室，因而打孔盗气无可能。超声波燃气表无磁感元件，计量不受磁场影响。

3北方某市超声波表具试挂

3.1试挂方案

选择北方某居民区和工商业用户作为实施对象，居民393块G2.5，工商业用户79块。对20部户用表具采用皮膜表具比对测试，对10部工商业表具同罗茨流量计进行比对测试，要求单日超表成功率为98%以上，周抄读成功率达到100%。表具无告警信息和无故障，满足燃气公司计量需求和燃气用户使用要求。试挂表具通过NB传输方式，每天数据定时上报表具信息至公司数据中心。3.1.1数据中心中心计费模式下的一户多表用户按用户进行收费、计费功能。中心完成用户各种资料统计及查询、系统安全管理及数据维护等工作。数据实时更新，采集表具数据并可下发各种控制指令。3.1.2数据信道数据信道采用移动运营商的NB无线网络，数据由表具传输到移动运营商，再传送到公司数据中心。采用专用NB网络，保证设备正常运行。3.1.3表具表具计量采用超声波计量，数据传输采用NB物联网传输技术，采用中心结算模式。表具内置控制阀门，实现远程监控表具。户用表具采用干电池供电要求使用时间超过1年，工商业表具使用锂电池供电，通信要求使用3年，计量要求使用10年。表具具有气质识别、进水识别、故障自检、微小流量泄漏监测切断、超大流量监测切断、拆表判断功能。

3.2试用结果

表具试挂从2020年6月~2021年5月，共计365天。对表具计量精度、重复性、重现性，数据采集成功率、计量准确性，环境适应性、异常统计进行跟踪。结果为：3.2.1计量精度、重复性、重现性所有使用的表具经过国家授权的计量检定机构，按照JJG（津）3001-2017户用超声波燃气表和JB/T12958-2016家用超声波燃气表的1.5级检定，实测示值误差为标准要求的2/3，重复性达到要求。对串联膜式表具的超声波表具每间隔2000h下墙做示值误差和重复性、重现性测试，6次测试均达到标准要求。3.2.2数据采集成功率采用每日（节假日除外）统计和每周统计数据中心数据，对居民393块G2.5，工商业用户79块，对日采集数据进行统计，共计242次，达到单日超表成功率为98%以上要求的天数为230天，占比95%。周超表成功率为100%以上要求，52周均达到要求。3.2.3数据准确性20部采用皮膜表具串联户用表具和10部采用同罗茨流量计串联工商业表具的计量数据通过数据中心查看和现场实抄数据比对，数据一致。3.2.4环境适应性测试对串联膜式表的超声波各抽3部，每间隔2000h下墙，做环境适应性测试，达到JJG（津）3001-2017户用超声波燃气表和JB/T12958-2016家用超声波燃气表的1.5级检定要求。3.2.5表具异常统计对居民393块G2.5，工商业用户79块，对日采集数据进行异常表具统计。在测试期间无异常数据，跟踪中干电池异常5部，分析为表具电池仓进水，导致电池损坏，更换后正常。其他使用一年。整表更换为5部，其中户用3部，工商业2部且存在恶意破坏，表具将拆表记录实时上传到数据中心。

4试用后思考

4.1计量体系和法规

规划有序的市场应用，需要有严密的体系和法规做支撑。目前采用的方案为地方性法规和行业标准，行业标准又有不同的编制单位，超声波表标准具有CJ/T477-2015《超声波燃气表》和JB/T12958-2016《家用超声波燃气表》，检定规程为地方性，国家标准GB/T39841-2021《超声波燃气表》出台解决了产品标准的需求，也规范了产品的各标准要求，但法律法规需完善和上层次，亟需出台对应的型评大纲和检定规程。对燃气公司亟需建立产品选型标准和产品评测大纲、评测平台。

4.2产品气源适应性

超声波信号受到被测气体组分的影响很大，而我国的供气种类繁多，即使在同一个燃气公司在不同的时间供气的气源也有很大的差异性，保证产品的气源适应性，是制约产品推广的重要因素，也是保证使用过程中计量公平的根源。

4.3产品成本压力

产品成本压力在户用超声波表具上有突出的表现，现在的NB皮膜表在300元左右，而超声波表具在400元左右，产品成本是整个推广的最大阻力。

4.4国家计量安全

目前能够满足高稳定性、高可靠性且经过长期使用的产品，均为国外产品，为了保证国家计量安全需多方努力，产品核心国产化，建立完成的供应链。

4.5做好表具应用准备

第一步：对选择超声波燃气表做系统的可行性进行论证。第二步：对目标供货厂家考察。对产品供应商和市场使用用户进行实地考察，考察厂家的产品研发能力、实际使用效果。第三步：做好应用方案①同供货厂家确定表具使用的方案，做好表具安装运行环境的实测。做好用户的宣讲，确定安装流程。②对表具进行严格的测试方案和数据统计。③在小批量试用成功后，进行大规模的推广。目前，基于超声波气体计量的超声波燃气表产品刚兴起，由于其全电子机构特点，同机械膜式燃气表相比在机械噪音、计量准确度、重复性以及产品使用寿命、产品现场维护性、生产可制造性都有优势。不但节约能源，且提高经济性和安全性。

参考文献

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作者：李金陆 单位：津燃华润燃气有限公司