摘要：電子式溫補(bǔ)膜式燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)簡單、功耗低、計(jì)量準(zhǔn)確度較高，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)溫度下的體積計(jì)量，達(dá)到公平貿(mào)易結(jié)算的目的。對于其計(jì)量性能的測試，動態(tài)法的準(zhǔn)確性優(yōu)于靜態(tài)法。由于其通過電子計(jì)數(shù)器顯示，檢測裝置無法對其信號采樣，通常采用靜態(tài)法檢測；但該方法顯示分辨力低及間歇式計(jì)數(shù)，檢測時(shí)間長、準(zhǔn)確性低。機(jī)械計(jì)數(shù)器能被裝置自動采樣,根據(jù)其輸入單片機(jī)的工況脈沖體積，與單片機(jī)輸出以電子計(jì)數(shù)器形式顯示標(biāo)準(zhǔn)溫度體積的同步性，提出一種基于量值傳遞的測試法，設(shè)計(jì)一種在檢測模式下的顯示電路。該設(shè)計(jì)顯示分辨力達(dá)到0.1升，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)法測試。在25.1℃溫度下測試G4型電子式溫補(bǔ)表6次，誤差重復(fù)性達(dá)到0.05%。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法準(zhǔn)確度高、測試時(shí)間短，操作簡單，通用性強(qiáng)，有助于電子溫補(bǔ)表的推廣，能有效促進(jìn)貿(mào)易公平性。
關(guān)鍵詞: 膜式燃?xì)獗恚粶囟绒D(zhuǎn)換裝置；溫度補(bǔ)償；電子式溫補(bǔ)；動態(tài)法測試
Abstract :The electronic temperature compensation diaphragm gas meter has the advantages of simple structure, low power consumption and high measurement accuracy. It can realize the volume measurement under the standard temperature and achieve the purpose of fair trade settlement. The measurement performance test shows that the dynamic method is more accurate than the static method. Because it is displayed by electronic counter, the detection device can not sample its signal. The static method is usually used to test, but because of low display resolution and intermittent counting, the detection time is long and the accuracy is low. The mechanical counter can be automatically sampled by the device. According to the actual pulse volume of the input single chip computer, it can display the synchronization of the standard temperature volume with the output of the single chip computer in the form of an electronic counter,a measurement method based on metrological transfer is proposed. By designing a display circuit of electronic temperature compensation film gas meter in the detection mode, the display resolution reaches 0.1 liter, achieve dynamic testing through the above way . At the temperature of 25.1 C, test the electronic temperature compensation diaphragm gas meter of G4 for 6 times,the repeatability of the indication error is 0.05%. The test results show that the method has the advantages of high accuracy, short test time. simple operation and versatility. It helps to promote the electronic temperature compensation meter and effectively promote trade fairness.
Key Word: Diaphragm gas meter；Temperature conversion device； Temperature compensation；Electronic temperature compensation；Dynamic method test
前言
膜式燃?xì)獗硎且环N基于容積式原理的計(jì)量儀表，相比超聲波燃?xì)獗怼崾劫|(zhì)量燃?xì)獗恚哂杏?jì)量準(zhǔn)確度較高、量程寬、性能穩(wěn)定、適應(yīng)性廣、性價(jià)比高、與氣體組分無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。氣體體積與溫度關(guān)系密切相關(guān)，例如同樣壓力下20℃時(shí)的1m3天然氣，在-10℃體積為0.8977 m3，體積縮小11.23%，燃?xì)夤緩纳嫌钨彋獾捏w積是按照20℃結(jié)算的，而下游卻是按實(shí)際使用溫度結(jié)算，由此造成了燃?xì)怏w積計(jì)量誤差，導(dǎo)致供銷不平衡，有失貿(mào)易結(jié)算的公平性原則[1]。國家發(fā)布《關(guān)于頒發(fā)天然氣商品量管理暫行辦法的通知》，第五章第二十二條天然氣按體積進(jìn)行計(jì)量，天然氣體積計(jì)算的狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)為20攝氏度（293.15K）[2]。河北省頒布編號為JJF（冀）143內(nèi)置溫度轉(zhuǎn)換裝置燃?xì)獗頇z驗(yàn)規(guī)范[3]。俄羅斯燃?xì)獗韲覙?biāo)準(zhǔn)ГОСТ Р 50818明確規(guī)定燃?xì)獗肀仨毎惭b內(nèi)置溫度轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)溫度下的體積計(jì)量[2]。實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)溫度體積計(jì)量將是社會發(fā)展的趨勢，有效解決辦法是在燃?xì)獗韮?nèi)部加裝機(jī)械式或電子式溫度轉(zhuǎn)換裝置，將工況體積轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)溫度體積[4]。
1 溫補(bǔ)方式及特點(diǎn)
電子式溫補(bǔ)表原理是：在燃?xì)獗韮?nèi)部安裝溫度傳感器，將磁鐵固定在機(jī)械計(jì)數(shù)器尾輪上，通氣時(shí)膜片的往復(fù)運(yùn)動通過傳動機(jī)構(gòu)帶動機(jī)械計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)動，尾輪上的磁鐵隨之運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)靠近固定在計(jì)數(shù)器上的干簧管時(shí)，干簧管吸合，代表1個脈沖。對于家用表而言，1個脈沖為10L，單片機(jī)根據(jù)輸入工況脈沖及溫度，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)溫度的體積以電子數(shù)字方式顯示在液晶上。機(jī)械計(jì)數(shù)器顯示原始工況體積，一方面有助于核查電子計(jì)數(shù)器是否異常，另一方面在電子計(jì)數(shù)異常情況下，保留原始工況體積，避免糾紛。當(dāng)接收到脈沖信號時(shí)，電子計(jì)數(shù)器才會計(jì)數(shù)，電子計(jì)數(shù)是間歇性的，電路功耗低，有助于延長電池壽命。該方案實(shí)施成本低，只需在燃?xì)獗韮?nèi)部加裝溫度傳感器，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，通用性強(qiáng)。
機(jī)械式溫補(bǔ)表原理是利用熱敏雙金屬元件的熱脹冷縮效應(yīng)，改變中心輪曲柄半徑，并通過改變皮膜的位移量來實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體積的微小變化，將標(biāo)準(zhǔn)溫度下的體積直接顯示在機(jī)械計(jì)數(shù)器[5]。
機(jī)械式溫補(bǔ)表由于是通過控制行程，改變皮膜每次伸展的程度，導(dǎo)致皮膜沒有完全展開，對計(jì)量準(zhǔn)確性造成影響。電子溫補(bǔ)表的準(zhǔn)確度由兩方面影響，即基表的計(jì)量準(zhǔn)確性與溫度傳感器的準(zhǔn)確性。目前國內(nèi)很多廠家通過-25℃～+55℃溫度下的歐盟EN1359認(rèn)證，在工作溫度范圍內(nèi)，能做到符合初始誤差要求。溫度傳感器的技術(shù)非常成熟，最大偏差一般都在±0.3℃，根據(jù)氣態(tài)方程式影響誤差在±0.1%左右，基本可以忽略不計(jì)。由此可見，電子溫補(bǔ)表的計(jì)量準(zhǔn)確度較高。
膜式燃?xì)獗韲覙?biāo)準(zhǔn)[6]規(guī)定燃?xì)獗硪赃\(yùn)行6000小時(shí)所通過的氣體體積量不至于讓所有的字輪回到初始位置，燃?xì)獗硎褂闷谙逓?0年。此外因液晶屏的尺寸限制，液晶上顯示有效位數(shù)最多為8位，對于家用表而言其中6位是整數(shù)，2位是小數(shù)，電子計(jì)數(shù)器的分辨力為0.01 m3。
2 檢測問題
從燃?xì)獗碛?jì)量角度考慮，動態(tài)法檢定是在燃?xì)獗砟M工作狀態(tài)下進(jìn)行檢定的，能更好地反映出該燃?xì)獗碛?jì)量性能。靜態(tài)法由于存在人為操作因素，必然引入人為誤差，而且靜態(tài)法計(jì)量燃?xì)獗泶嬖趩⑼＿^程，由于慣性作用，會對計(jì)量結(jié)果有影響。
單片機(jī)接收到工況脈沖及溫度，輸出標(biāo)準(zhǔn)溫度的體積，以電子計(jì)數(shù)器形式顯示。測試誤差時(shí)，檢測裝置只有與被檢表同步計(jì)量體積才能確保檢測準(zhǔn)確性，同步的前提是被檢表的讀數(shù)信號必須能被裝置采樣識別。目前，設(shè)備只能采集到機(jī)械計(jì)數(shù)器及LED信號，而對電子數(shù)字無效[7-8]。動態(tài)法測試的前提是被檢表信號能被自動采集，所以對于電子溫度補(bǔ)償膜式燃?xì)獗恚ê罄m(xù)簡稱溫補(bǔ)表）通常采用人工讀數(shù)的靜態(tài)測試法。目前，需特制的標(biāo)準(zhǔn)裝置實(shí)現(xiàn)動態(tài)法測試，操作繁瑣[9]。
靜態(tài)法測試過程為：先讀取被檢表的初始讀數(shù)；通氣后，讀取被檢表的終止讀數(shù)，由此計(jì)算出被檢表測得的體積；與標(biāo)準(zhǔn)器測出的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)體積進(jìn)行比較，計(jì)算出誤差。由于電子計(jì)數(shù)是間歇性的，只有接收到脈沖信號才會計(jì)數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)器與被檢表體積計(jì)量的不同步造成偏差。舉例說明，-10℃下標(biāo)準(zhǔn)體積與溫補(bǔ)表體積如圖1所示，溫補(bǔ)表分辨力為10L。假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)器與溫補(bǔ)表同時(shí)從0開始體積計(jì)量，結(jié)束點(diǎn)如控制在圖中的A點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)體積與溫補(bǔ)表體積都是33升，誤差為0%；如控制在圖中的B點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)體積為32.99升，而溫補(bǔ)表體積為22升，相差10.99升，由此造成很大的測試偏差。為確保測試的準(zhǔn)確性，需要增加測試體積到5000升以上，測試分辨力及間歇性計(jì)數(shù)引起的偏差才可以忽略，可見靜態(tài)法測試時(shí)間長、準(zhǔn)確度低、且對標(biāo)準(zhǔn)裝置有要求。
圖 1 -10℃下標(biāo)準(zhǔn)體積與溫補(bǔ)表體積
Fig.1 Standard volume and temperature compensation volume at -10℃
3 解決方法
3.1 檢測模式
對溫補(bǔ)表設(shè)置2種模式，用戶模式與檢測模式。液晶屏示意圖如圖2所示。 默認(rèn)為用戶模式。該模式下D2位置的LED數(shù)碼管點(diǎn)亮,D1位置的LED熄滅，代表6位整數(shù)+2位小數(shù)，分辨力為0.01m3即10L,滿足日常抄表貿(mào)易結(jié)算時(shí)讀數(shù)的要求。檢測時(shí)，通過按鍵時(shí)切換進(jìn)入檢測模式，D1位置的LED數(shù)碼管點(diǎn)亮,D2位置的LED熄滅，代表3位整數(shù)+5位小數(shù)，分辨力為0.00001m3即0.01升，滿足檢測時(shí)的準(zhǔn)確度要求。
圖2 液晶示意圖
Fig.2 Schematic diagram of liquid crystal
液晶顯示屏由電路板、供電電源和多個間隔排布的LED數(shù)碼管組成，與單片機(jī)相連，電路板用于控制LED數(shù)碼管呈用戶模式顯示的第一回路，以及控制LED數(shù)碼管呈檢測模式顯示的第二回路。對應(yīng)實(shí)現(xiàn)該兩種模式的電路如圖3所示。D1 、D2為LED數(shù)碼管指示
燈 ，Q1、Q2為三極管開關(guān)電路，K1為按鍵。用戶模式下，當(dāng)K1鍵斷開，Q2基極電壓為零，截止，D1指示燈不亮，Q1基極有電壓，導(dǎo)通，D2指示燈亮；當(dāng)K1鍵按下，進(jìn)入檢測模式，Q2基極有電壓，導(dǎo)通，D1指示燈亮，Q1基極電壓為零，截止，D2指示燈不亮。
圖3 電路示意圖
Fig.3 Schematic diagram of circuit
3.2 量值傳遞測試法
本文提出了一種基于量值傳遞測試方法，量值傳遞流程如圖4所示。量值傳遞流程為：氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置→機(jī)械計(jì)數(shù)體積→工況脈沖體積→標(biāo)準(zhǔn)溫度脈沖體積→電子計(jì)數(shù)體積。標(biāo)準(zhǔn)裝置對機(jī)械計(jì)數(shù)器進(jìn)行采樣測試得到誤差值，按此值對機(jī)械計(jì)數(shù)器輸出的工況脈沖體積進(jìn)行修正，得到標(biāo)準(zhǔn)溫度脈沖體積，將該值與人工讀取的電子計(jì)數(shù)器示值進(jìn)行比較，得出溫補(bǔ)表的示值誤差。裝置自動采樣與人工讀數(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)動態(tài)法準(zhǔn)確測試溫補(bǔ)表的計(jì)量性能。測試過程詳見以下說明。
圖4 量值傳遞流程圖
Fig.4 Flow chart of metrological transfer
當(dāng)溫度為-10℃、流量為0.6m3/h時(shí)，溫補(bǔ)表的標(biāo)準(zhǔn)溫度脈沖體積如圖5所示。通氣時(shí)機(jī)械計(jì)數(shù)器尾輪轉(zhuǎn)動，運(yùn)轉(zhuǎn)一圈，固定在計(jì)數(shù)器上的干簧管吸合輸出1個脈沖，單片機(jī)接收到工況脈沖體積為10升；標(biāo)準(zhǔn)裝置對機(jī)械計(jì)數(shù)器采樣，根據(jù)一圈為10升的儀表系數(shù)，測試出在標(biāo)準(zhǔn)溫度下的示值誤差。按照該誤差值，對工況脈沖體積進(jìn)行修正，得到標(biāo)準(zhǔn)溫度脈沖體積。通過機(jī)械計(jì)數(shù)器作為中間傳遞載體，實(shí)現(xiàn)將標(biāo)準(zhǔn)裝置的量值傳遞到標(biāo)準(zhǔn)溫度脈沖體積。
圖5 標(biāo)準(zhǔn)溫度脈沖體積
Fig.5 Standard temperature pulse volume
溫補(bǔ)表的單片機(jī)根據(jù)機(jī)械計(jì)數(shù)器輸入的工況脈沖以及溫度傳感器輸入的溫度值，將工況體積轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)溫度下的示值，以電子計(jì)數(shù)器方式顯示在液晶，電子計(jì)數(shù)器示值與輸入的脈沖保持同步性，人工讀取N個電子計(jì)數(shù)器示值，即輸入N個脈沖。已知N個脈沖的標(biāo)準(zhǔn)溫度體積，與N個電子計(jì)數(shù)器示值比較得到溫補(bǔ)表的示值誤差。家用表最大流量為10m3/h,電子計(jì)數(shù)器示值更新1次間隔3.6s，人工有充分時(shí)間讀取示值。
4 計(jì)算原理
采用音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，當(dāng)氣體經(jīng)膜表進(jìn)入容器后音速噴嘴的出口壓力之比為一定值時(shí)，噴嘴喉部的雷諾數(shù)一定，則氣流通過噴嘴候補(bǔ)的流速恒定，此時(shí)即為臨界流狀態(tài)[10]。根據(jù)連續(xù)性原理，此時(shí)通過被檢表的氣體質(zhì)量流量，一定等于通過噴嘴處氣體的質(zhì)量流量。設(shè)置測試流量、脈沖系數(shù)f、檢測脈沖數(shù)N、穩(wěn)定時(shí)間后啟動測試，當(dāng)采樣器自動采集到機(jī)械計(jì)數(shù)器第1個脈沖后，標(biāo)準(zhǔn)器計(jì)時(shí)開始，當(dāng)采集到機(jī)械計(jì)數(shù)器第N+1個脈沖數(shù)后，標(biāo)準(zhǔn)器計(jì)時(shí)終止。由式（1）計(jì)算出被檢表的工況體積；式（2）計(jì)算出此時(shí)通過臨界流文丘里噴嘴的工況體積；式（3）將噴嘴的工況體積換算成被檢表處的壓力與標(biāo)準(zhǔn)溫度的體積；式（4）計(jì)算出機(jī)械計(jì)數(shù)器顯示的標(biāo)準(zhǔn)溫度下的示值誤差；式（5）將脈沖系數(shù)f修正成標(biāo)準(zhǔn)溫度脈沖系數(shù) 。
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
式中：Vm 為被檢表的工況體積；Vs為噴嘴的工況體積；A為噴嘴喉部面積； 為流出系數(shù)；C*為臨界流函數(shù)；Z0為壓縮因子；TS為噴嘴入口的氣體熱力學(xué)溫度；M為氣體摩爾質(zhì)量；R為通用氣體常數(shù)；t為測量時(shí)間；Ps 為標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)的氣體絕對壓力；Pm 為被檢表處的氣體絕對壓力；TB 為標(biāo)準(zhǔn)氣體溫度；Vref為通過被檢表標(biāo)準(zhǔn)溫度下的體積值； E為示值誤差；f為工況脈沖系數(shù)； 為標(biāo)準(zhǔn)溫度脈沖系數(shù)。
測試時(shí)序如圖6所示。
圖6 測試時(shí)序
Fig.6 Test process
在裝置對機(jī)械計(jì)數(shù)器采樣測試的同時(shí)，人工讀取電子計(jì)數(shù)器上的顯示，讀取第a個脈沖以及第（a+M）脈沖時(shí)的電子計(jì)數(shù)器示值。由式（6）計(jì)算出M個脈沖電子計(jì)數(shù)器標(biāo)準(zhǔn)溫度下累計(jì)體積；式（7）計(jì)算出M個脈沖實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)溫度下累計(jì)體積；式（8）計(jì)算出溫補(bǔ)表的示值誤差。
（6）
（7）
（8）
式中： ??為M個脈沖電子計(jì)數(shù)器標(biāo)準(zhǔn)溫度下累計(jì)體積； ??為第a個脈沖電子計(jì)數(shù)器標(biāo)準(zhǔn)溫度下體積讀數(shù)； 為第（a+M）個脈沖電子計(jì)數(shù)器標(biāo)準(zhǔn)溫度下體積讀數(shù)； 為M個脈沖實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)溫度下累計(jì)體積； 為溫補(bǔ)表的示值誤差。
5 試驗(yàn)驗(yàn)證
為驗(yàn)證方法的有效性，用準(zhǔn)確度等級為0.5級的音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，測試1臺G4規(guī)格溫補(bǔ)表的示值誤差。環(huán)境溫度控制在25℃，通過按鍵將溫補(bǔ)表進(jìn)入檢測模式，恒溫4小時(shí)后，進(jìn)行誤差測試。測試程序設(shè)置脈沖系數(shù)為10L/P、測試脈沖數(shù)為80個、測試流量為6m3/h、穩(wěn)定時(shí)間20s、被檢表溫度設(shè)置為20℃，采樣器對準(zhǔn)機(jī)械計(jì)數(shù)器，點(diǎn)擊開始測試。測試過程中，人工每隔10個脈沖讀取電子計(jì)數(shù)器上示值，一共讀取7次。25.1℃溫度測試示值誤差見表1所示。溫補(bǔ)表測試6次，機(jī)械計(jì)數(shù)器輸入10個脈沖體積，電子計(jì)數(shù)器輸出顯示標(biāo)準(zhǔn)溫度累計(jì)體積最小為100.18 L，最大為100.30 L,差異僅有0.12%，說明機(jī)械計(jì)數(shù)器輸入的脈沖體積與輸出電子計(jì)數(shù)器示值的同步，具有高度的一致性，滿足準(zhǔn)確測試的前提基礎(chǔ)，由此驗(yàn)證了該測試方法的正確性以及溫補(bǔ)表的設(shè)計(jì)合理性。磁鐵固定在機(jī)械計(jì)數(shù)器的尾輪，安裝在計(jì)數(shù)器上的干簧管感應(yīng)它靠近時(shí)，產(chǎn)生吸合輸出脈沖，將機(jī)械計(jì)數(shù)器的轉(zhuǎn)動輸出電子信號的方案，性能可靠。測試6次示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.05%，結(jié)果表明該方法準(zhǔn)確度高，測試時(shí)只需輸入10個脈沖體積既100 L，檢測時(shí)間為1min，檢測時(shí)間短，相比靜態(tài)法測試體積需到5000 L，降低測試時(shí)間98%。
表1 25.1℃溫度測試示值誤差
Tab.1 Measurement error at 25.1 ℃ temperature
機(jī)械計(jì)數(shù)器誤差
（%）脈沖
系數(shù)
（L/P）電子計(jì)數(shù)器起始值(L)電子計(jì)數(shù)器終止值(L)電子計(jì)數(shù)器累計(jì)體積(L)脈沖個數(shù)(P)脈沖
體積
(L)電子計(jì)數(shù)器
誤差
（%）標(biāo)準(zhǔn)
偏差
（%）
1.689.835 012.16110.73 98.57 1098.350.220.05
110.73 209.28 98.55 1098.350.20
209.28307.93 98.65 1098.350.31
307.93406.49 98.56 1098.350.21
406.49505.12 98.63 1098.350.28
505.12603.78 98.66 1098.350.32
6 結(jié)束語
膜式燃?xì)獗韲覙?biāo)準(zhǔn)[6]對于溫度補(bǔ)償方式僅規(guī)定機(jī)械式，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，電子式溫補(bǔ)表將得到快速發(fā)展。最新歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN1359對溫補(bǔ)方式未做要求[2]，修訂版國標(biāo)已取消限制要求。電子式溫補(bǔ)表從其工作原理分析具有較高的計(jì)量準(zhǔn)確性，但因分辨率過低、間歇性計(jì)數(shù)、裝置無法對其電子計(jì)數(shù)進(jìn)行采樣，難以準(zhǔn)確測試其計(jì)量性能，限制了市場推廣及使用。本文提出一種檢測模式下的顯示電路，通過按鍵選擇，顯示分辨力達(dá)到0.1L；在不改變現(xiàn)有檢測裝置基礎(chǔ)上，提出基于量值傳遞測試法，裝置自動采樣與人工讀數(shù)想結(jié)合，實(shí)現(xiàn)動態(tài)法準(zhǔn)確測試其計(jì)量性能。測試準(zhǔn)確度高，測量時(shí)間短，相比靜態(tài)法檢測時(shí)間降低98%，適用性廣，適用于所有的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。該方法實(shí)施成本低，效果明顯，有助于電子溫補(bǔ)表的推廣，有效促進(jìn)貿(mào)易公平性，具有較強(qiáng)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，值得在燃?xì)獗硇袠I(yè)推廣。
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