浅谈积算器设计对膜式燃气表计量的影响

浅谈积算器设计对膜式燃气表计量的影响

刘仁河

河北华通燃气设备有限公司，河北 邯郸 056000

摘要：物联网膜式燃气表在中国的发展方兴未艾。燃气表依托的积算器设计直接影响到表具的计量精度和误差，用户购买的天然气是不是公平计量，表具电池寿命能否满足一年使用，表具运行是否存在安全隐患。这些问题不一而足，都跟积算器的设计存在莫大关系，燃气表企业的电子设计人员必须予以足够的重视，并在积算器设计中予以优化。

关键词：膜式燃气表；积算器；电子设计

前言

膜式燃气表误差等级在生产企业一般控制在0.8%以内，积算器引起的测量误差就存在一个最大限，超限之后整个表具将不能再满足1.5级的准确度。中国地缘广阔，南北温差较大，东西海拔的不同造成了气压的不一致。我国相关法律规定，公平的燃气贸易结算条件是20摄氏度，101325Pa，用户购买的天然气在此条件下进行结算是比较公平的，积算器通过温度和压力采集电路，转换为标况条件进行结算。这个功能需求对积算器的电子电路设计和软件设计提出严格要求。在保证计量准确性的前提下，须保证物联网通信的顺畅和稳定，提高老百姓用气的满意度。这要求电子设计者充分考虑需求和不稳定因素，从设计上规避故障的产生。

1 膜式燃气表的原理

膜式燃气表主要由外壳、膜片计量室、分配阀、连杆机构、防止逆转装置、传动机构和计数器等部件组成。在压力差的作用下，燃气经分配阀交替进入计量室，充满后排向出气口，同时推动计量室内的柔性膜片作往复式运动，通过转换机构将这一充、排气循环过程转换成相应的体积流量，再通过传动机构传递到计数器，完成计量功能。

2 积算器与膜式燃气表的关系

膜式燃气表积算器附带的干簧管或者霍尔开关可以采集到字轮的转动圈数，进而换算出流过燃气表的气体体积。该转换装置为机电转换装置。积算器在没有对计量气体进行温度压力补偿以前的计量数字行业习惯称为工况计量数据。

积算器的计量触发信号必须由膜式燃气表基表给出，因此二者紧密结合，融为一体。

3 积算器的组成

积算器一般由主控系统、供电系统、无线远传系统、计量信号采集系统、异常报警系统、阀门控制系统、近端通信系统及显示系统组成。

3.1 积算器主控的选择

积算器主控一般选择8位单片机就可满足使用。当下主流主控是意法半导体的STM8L及MSP430系列单片机。国内各大燃气表厂商逐渐采用国产MCU替换这些进口芯片。

厂家如果要实现燃气表远程固件升级，上述8位机就显得捉襟见肘甚至力不从心。而32位机的配置一般可以满足这个需求。

3.2 积算器供电系统设计

燃气表一般都采用外置电池供电。燃气表整机工作电流要求低于50μA，供电系统自身的损耗必须足够小。

积算器的主控一般是直流3.3V供电，4节LR6碱性电池的降压电路优先考虑LDO（低压差线性稳压器），功耗电流典型值为1μA，只分摊了总电流的2%。

通信模组可进入低功耗模式，但其通信状态电流较大。因此供电电路要考虑最大电流，保证通信的成功率。

电池电量较低时，保证将阀门完全关闭。异常发生时，积算器关闭阀门。外部电池异常，阀门关闭的能量来源，采用超级电容的储能。超级电容电路用二极管进行隔离。

3.3 积算器计量信号采集系统

燃气表的基本功能是计量，准确计量用户使用的燃气。积算器保证信号采集的正常。国内燃气表行业采用两种方式采样：干簧管和霍尔传感器方式。

二者将基表的字轮运转转换为积算器可以识别的电信号。机械字轮上磁钢通过传感器时，可以输出一个类方波信号。

积算器不能出现脉冲丢失或多计的情况，否则会产生较大误差。因此计量脉冲的捕捉要有软件算法做支撑。每个计量脉冲都会有上升沿和下降沿，确定流量的表具，脉冲边沿的时差有一个最大范围，从这个角度可确定是否发生脉冲丢失。

用户停止用气之后，磁钢可能刚好静止在干簧管的敏感触发区域，一般的表厂都会采用上下两个干簧管来互相弥补计量，保证计量准确性。

3.4 积算器阀门控制系统

积算器必须增加阀门控制。在通常情况下阀门是关闭的。表具获得开阀授权之后会及时打开阀门。

从电气上讲阀门是由一只直流电机带动机械齿轮完成开关阀动作的。阀门的控制就简化为直流电机的正反转控制。需要注意的是，积算器必须有开关阀到位的闭环检测。

整个智能表的电子电路，阀门是一个大功耗元件，必须在保证开关阀到位前提下，尽可能减少阀门电机的运转。防止堵转。一般的积算器都要设计阀门到位检测电路，保证安全和节能。

3.5 积算器通信单元

积算器一般都有近端通信接口。常见的远端通信电路都是采用核心模组的方式实现的。

模组的供电必须保证纹波小或无纹波，还可以应对突发大电流导致的电压跌落，对静电也要有应对措施。

积算器面临一个天线匹配问题。所有的射频工程师都在想方设法让积算器的PCB射频部分满足50欧姆阻抗，但是天线工程师在匹配天线时一般不会去改动匹配电路的元件焊接情况，最大程度保留原始BOM和降低成本。工程师可以根据PCB板厂的基板材质以及推荐的计算公式对PCB板上模组天线的走向和线宽做出合适的计算。业内常用的阻抗计算软件是Si9000，把PCB加工商的基板材质信息输入该软件之后，就可以计算出合适的线宽。

模组工作电流较大，给模组供电的DCDC芯片自身功耗也较大，在通信完毕之后，可以通过控制电源芯片关闭输出。

3.6 积算器显示单元

积算器的显示单元一般都是选用定制段码液晶屏，主流MCU都内部集成了断码液晶的驱动电路。积算器的控制软件可以适当优化，在不需要显示时适时关闭显示，可以最大程度节能。也有的积算器可以输出计量信息，比如每计量100L时表端LED闪烁一次。

3.7 积算器异常报警单元

积算器的异常报警通常有蜂鸣提示，屏幕闪烁提示等功能组成。物联网表具还支持异常上报功能。这些对燃气表的计量都会产生影响。

燃气表采用外部电池供电时，屏幕会提示低电信息，用户如果不及时更换电池，会通过关闭阀门的方式来强制用户更换，异常情况。当发生异常时，积算器上加速度传感器可以检测到这些异常，进行关阀并向主站平台发出异常上报，燃气公司或者其他相关方可以第一时间进行确认处理。

3.8 积算器给整表带来的不确定度分析

积算器的带来的不确定度要整合到整表的不确定度内进行合成不确定度分析。

选取MPE:±0.5ºC的温度传感器，计算不确定度，取最大值，结果如下。

u_t= *100%=0.11%

压力传感器，经过计算后选取±0.5%P_FS的传感器，不确定度为：

u_p= *100%=0.3%

膜式燃气表的误差符合正态分布，则

u_f= =0.87%

合成不确定度为：u_i= =0.93%

扩展不确定度为U_rel=2u_i=1.85%

选取传感器时要符合上述分析要求，积算器产生的不确定度是表计厂商不得不考虑的一个重要因素。

4 结束语

膜式燃气表在我国应用广泛，市场保有量较大，技术沉淀深厚，工艺流程成熟。短时间内将继续为中国的“蓝天保卫战”------煤改气工作做出贡献。积算器作为更新换代频繁的电子产品，生产企业对其做出全面细致的研究设计是必要的。

参考文献:

[1]江航成等.热式燃气表脉动流量测试技术的研究[J].化工自动化及仪表，2016（12）

[2]张大宏.编制温度补偿燃气表检定规程必要性的探讨[J].品牌与标准化，2014，（15）：87-88.