謝象佐，陶朝建,2，李孝評(píng)，董文潤(rùn),2，孫治鵬，宋方冰,2

（1.天信儀表集團(tuán)有限公司，浙江 蒼南 325800；2.上海理工大學(xué)，上海 200093）

0 引言

天然氣是一種混合氣體，它含有甲烷、乙烷、丙烷等烴類(lèi)組分和氮、二氧化碳等非烴類(lèi)組分，不同地區(qū)的天然氣組分含量并不相同。當(dāng)前工商業(yè)用戶(hù)使用的修正儀還是以體積計(jì)量為主，但是天然氣作為能源使用，最終要體現(xiàn)的是能量?jī)r(jià)值，相同體積的天然氣因?yàn)榻M分不同，發(fā)熱量不同，最終釋放的能量也不同。為了體現(xiàn)公平貿(mào)易計(jì)量的原則和與國(guó)際普遍使用能量計(jì)量的貿(mào)易結(jié)算平臺(tái)統(tǒng)一、接軌，采用能量計(jì)量勢(shì)在必行[1]。本修正儀采用微功耗設(shè)計(jì)，可以配套各種帶脈沖輸出的流量計(jì)，采用高精度數(shù)字式壓力和溫度傳感器，內(nèi)嵌多種壓縮因子修正數(shù)學(xué)模型，計(jì)算工況體積量，并轉(zhuǎn)換為標(biāo)況體積量。修正儀采用GPRS無(wú)線(xiàn)通信方式與氣相色譜儀等氣體分析儀器進(jìn)行通信，修正儀可根據(jù)氣分析結(jié)果計(jì)算出能量流量和能量總量值，并且采用kWh作為能量結(jié)算單位。

1 天然氣能量計(jì)量的原理

天然氣氣體的能量（E）為一定時(shí)間內(nèi)氣體標(biāo)況體積量（Q）與對(duì)應(yīng)發(fā)熱量（Hs）乘積的累加和。其計(jì)算公式如式（1）、（2）。

式中：E-天然氣的能量總量，單位kWh；

Q-某段時(shí)間內(nèi)基準(zhǔn)條件下的體積量，單位m3；

F(t)-天然氣在測(cè)量條件下t時(shí)刻的的體積流量；

Hs-某段時(shí)間內(nèi)或t時(shí)刻基準(zhǔn)條件下天然氣單位發(fā)熱量，單位MJ/m3；

P-為天然氣壓力，單位MPa；

T-為天然氣溫度，單位K；

Z-為天然氣壓縮因子。

圖1 能量計(jì)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of energy metering system

圖2 修正儀原理框圖Fig.2 Modifi ed block diagram instrument

（下標(biāo)“b”代表基準(zhǔn)狀態(tài)，(t)表示在t時(shí)刻）[2]。

標(biāo)況條件下的氣體體積量的計(jì)算通過(guò)流量計(jì)和修正儀完成。修正儀采集流量計(jì)輸出的流量信號(hào)，計(jì)算出工況體積量，再根據(jù)壓力、溫度、壓縮因子修正模式，轉(zhuǎn)換為標(biāo)況條件下的氣體體積量。標(biāo)況條件為大氣壓101.325 kPa，溫度20.0℃。

天然氣發(fā)熱量的測(cè)量方式有直接測(cè)量（例如燃燒式熱量計(jì)）、間接測(cè)量（例如氣相色譜儀）、關(guān)聯(lián)技術(shù)等。本方案采用的是間接測(cè)量。

如圖1所示，氣相色譜儀對(duì)天然氣氣質(zhì)數(shù)據(jù)分析，計(jì)算發(fā)熱量數(shù)值，傳輸給服務(wù)器中心。服務(wù)器中心通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)方式把天然氣發(fā)熱量傳輸給修正儀，修正儀根據(jù)接收到的發(fā)熱量和計(jì)算得到的標(biāo)況條件下的氣體體積量，計(jì)算出氣體能量。

2 硬件設(shè)計(jì)

修正儀的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。按功能分為信號(hào)采集、控制輸出、通信、顯示按鍵存儲(chǔ)、電源管理。內(nèi)嵌脈沖群抑制、防雷等保護(hù)電路，所有輸出接口都與內(nèi)部的主控電路電氣隔離，提高了修正儀的抗干擾性和可靠性。

2.1 信號(hào)采集部分

信號(hào)采集包括流量信號(hào)采集和溫度、壓力信號(hào)采集。

修正儀接收來(lái)自流量計(jì)的流量信號(hào)，包括高頻和低頻信號(hào)，并根據(jù)設(shè)定的模式進(jìn)行工況流量計(jì)量。

溫度、壓力傳感器均為獨(dú)立的數(shù)字式傳感器，檢測(cè)精度與修正儀無(wú)關(guān)，可單獨(dú)校準(zhǔn)與檢定。傳感器內(nèi)部含獨(dú)立微處理器和AD芯片，能自動(dòng)檢測(cè)介質(zhì)的溫度和壓力，并進(jìn)行非線(xiàn)性修正和溫度系數(shù)校正，穩(wěn)定性好，溫漂小。修正儀通過(guò)I2C接口與傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，直接讀取出溫度和壓力值。溫度滿(mǎn)量程誤差≤±0.2%（0.5℃），壓力滿(mǎn)量程誤差≤±0.2%。

2.2 控制輸出部分

控制輸出包括電流輸出、脈沖輸出、報(bào)警輸出。

電流輸出為標(biāo)準(zhǔn)的兩線(xiàn)制4-20mA電流信號(hào)，對(duì)應(yīng)輸出的物理量可以選擇溫度、壓力、標(biāo)況流量、工況流量之一。模塊采用光電隔離，內(nèi)部包含DA轉(zhuǎn)換和精密電流輸出變送器，把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為電壓，再轉(zhuǎn)換為電流值輸出，電流輸出最大誤差≤±0.25%。

脈沖輸出是頻率為0-2000Hz，幅值24V，占空比50%的方波信號(hào)，頻率與工況或標(biāo)況體積流量成正比的，最大誤差≤±0.05%。

報(bào)警輸出包括欠壓報(bào)警輸出和關(guān)閥報(bào)警輸出。在電池電壓低于一定值時(shí)，輸出電池欠壓報(bào)警，提示更換電池。在電池電壓更低于一定值時(shí)，輸出關(guān)閥信號(hào)。

2.3 通信部分

修正儀內(nèi)嵌RS485、射頻、GPRS等多種通信方式，可方便組成數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。

采用光電隔離RS485通信模塊，可直接與上位機(jī)或二次儀表聯(lián)網(wǎng)，波特率9600bps，符合Modbus協(xié)議。上位機(jī)系統(tǒng)可以讀取修正儀的當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，以及儀表內(nèi)部參數(shù)。

射頻模塊采用433MHz頻率的CC1100集成塊，可以在短距離范圍內(nèi)（無(wú)阻擋物時(shí)100m內(nèi)）傳輸修正儀的有關(guān)數(shù)據(jù)。射頻模塊主要用在多臺(tái)修正儀組網(wǎng)時(shí)，可以作為無(wú)線(xiàn)方式收集從機(jī)的數(shù)據(jù)，收集的數(shù)據(jù)全部暫存于主修正儀，通過(guò)主修正儀的GPRS功能，上傳到服務(wù)器中心，針對(duì)修正儀位置集中的區(qū)域，通過(guò)這種方式可以減少GPRS模塊的使用，節(jié)約成本和管理。

傳統(tǒng)的有線(xiàn)方式和射頻等短距離通信的方式在遠(yuǎn)程通信方面受到很大限制。因此為了徹底解決遠(yuǎn)程通信問(wèn)題，修正儀采用了GPRS無(wú)線(xiàn)通信，真正意義上解決了區(qū)域和距離的問(wèn)題。

GPRS是指通用無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)，是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展出的一種新的承載業(yè)務(wù)[3]。本修正儀采用的是摩托羅拉G24通信模塊。它是一款高速的GSM/GPRS/EDGE模塊，支持四頻850/900/1800/1900MHz，以先進(jìn)的技術(shù)、穩(wěn)定的性能實(shí)現(xiàn)了M2M的高速無(wú)縫連接，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧。修正儀通過(guò)GPRS方式上傳當(dāng)前數(shù)據(jù)到服務(wù)器中心，同時(shí)接收服務(wù)器中心的各種指令，包括接收服務(wù)器中心從氣相色譜儀讀取的天然氣發(fā)熱量。

GPRS模塊采用獨(dú)立CPU，處理模塊與GSM網(wǎng)絡(luò)之間的通信。修正儀與GPRS模塊之間采用透明傳輸方式，修正儀

圖3 GPRS模塊原理框圖及與修正儀連接Fig.3 GPRS module principle block diagram and the correction instrument connections

圖4 GPRS模塊電源原理框圖Fig.4 GPRS module power supply schematic diagram

只需把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過(guò)RS232接口給GPRS模塊即可。

2.4 顯示按鍵存儲(chǔ)部分

修正儀采用MST-G240128型大屏幕點(diǎn)陣液晶顯示，顯示工況、標(biāo)況的總量和流量，以及溫度、壓力、轉(zhuǎn)換系數(shù)、壓縮系數(shù)比、日期時(shí)間等數(shù)據(jù)，清晰直觀，讀數(shù)方便。內(nèi)部UC1608點(diǎn)陣LCD驅(qū)動(dòng)芯片，通過(guò)并口方式與修正儀連接。

采用組合按鍵和一鍵功能多用，依靠4個(gè)按鍵，完成廠家參數(shù)、用戶(hù)參數(shù)、GPRS運(yùn)行參數(shù)等的設(shè)置。設(shè)置過(guò)程中，超過(guò)2min沒(méi)有按鍵操作，自動(dòng)退出。修正儀能自動(dòng)判斷環(huán)境光線(xiàn)強(qiáng)度，自動(dòng)打開(kāi)或關(guān)閉液晶背光。在退出設(shè)置界面1min后，為了降低修正儀功耗，自動(dòng)關(guān)閉液晶顯示和背光。

為了記錄修正儀運(yùn)行時(shí)的歷史數(shù)據(jù)和各種故障事件，配備了4Mbit的串行FLASH存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)2個(gè)月的小時(shí)記錄和600條的日記錄，200條的上下限報(bào)警記錄，溫度、壓力傳感器故障記錄。

2.5 電源管理部分

修正儀電源電路由內(nèi)電池和外電源組成，可以根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)切換使用的電源模式。有外電源情況下，由外電源供電，內(nèi)電池基本不耗電。在沒(méi)有外電源的情況下，內(nèi)電池給修正儀主板和GPRS模塊供電。修正儀主板采用微功耗技術(shù)，GPRS模塊不工作時(shí)，修正儀平均工作電流大約0.3-0.4mA。GPRS模塊工作時(shí)，瞬態(tài)電流激增。鑒于此，在GPRS模塊電源增加可大電流放電的充電型電池，滿(mǎn)足GPRS工作時(shí)瞬間大電流的需要。原理框圖如圖4所示，通過(guò)檢測(cè)判斷，自動(dòng)選擇合適的電源提供給GPRS模塊，并控制對(duì)充電電池的安全充電。

圖5 主程序流程圖Fig.5 The main program fl ow chart

3 軟件設(shè)計(jì)

修正儀軟件包括壓縮因子計(jì)算程序，鍵盤(pán)設(shè)置程序，溫壓測(cè)量程序，流量計(jì)算總量累加程序，LCD顯示程序，電流輸出程序，頻率輸出程序，GPRS傳輸程序，中斷程序。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，各個(gè)功能程序設(shè)計(jì)為獨(dú)立的模塊，在事件觸發(fā)時(shí)，由主程序調(diào)用運(yùn)行。流程清晰，運(yùn)行時(shí)間短，系統(tǒng)多數(shù)時(shí)間處于休眠狀態(tài)，有效降低功耗。

壓縮因子計(jì)算程序是涉及到計(jì)量精度的重要程序，參與工況體積量轉(zhuǎn)換為標(biāo)況體積量的計(jì)算。本修正儀中使用的壓縮因子數(shù)學(xué)模型有AGA NX-19，SGERG-88。在使用范圍和精度方面，SGERG-88高于前者。SGERG-88主要用于正常進(jìn)行輸氣和配氣條件范圍內(nèi)的管輸干氣，包括交接計(jì)量或其他用于結(jié)算的計(jì)量[4]。通常輸氣和配氣的操作溫度為263-338K（-10~+65℃），操作壓力不超過(guò)12MPa。在此范圍內(nèi)，如果不計(jì)包括相關(guān)的壓力和溫度等輸入數(shù)據(jù)的不確定度，則SGERG-88的計(jì)算最大誤差≤±0.1%。根據(jù)AGA NX-19的計(jì)算公式，在要求范圍內(nèi)的超壓縮因子Fz=f1(τ,H)=f2(P1,t)因此可將上述過(guò)程簡(jiǎn)化為二維數(shù)據(jù)表格，再查表并進(jìn)行線(xiàn)性插值計(jì)算。SGERG-88的計(jì)算方法，按GB/T17747.2-1999天然氣壓縮因子計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)要求，輸入真實(shí)相對(duì)密度、氫氣摩爾含量、二氧化碳含量、高位發(fā)熱量進(jìn)行計(jì)算[5]。計(jì)算流程如圖6所示。

圖6 SGERG-88計(jì)算流程圖Fig.6 SGERG-88 fl ow

GPRS遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)通信上傳修正儀數(shù)據(jù)到服務(wù)器中心，接收服務(wù)器中心下傳的天然氣發(fā)熱量和服務(wù)器中心對(duì)修正儀的參數(shù)設(shè)置。通信協(xié)議有自定義協(xié)議，Modbus-RTU協(xié)議，Modbus-TCP協(xié)議。GPRS模塊工作模式可以選擇“長(zhǎng)期在線(xiàn)”/“非長(zhǎng)期在線(xiàn)”模式。非長(zhǎng)期在線(xiàn)模式下，可以通過(guò)選擇“定時(shí)”/“間隔”模式以及設(shè)定相應(yīng)的定時(shí)時(shí)間點(diǎn)或間隔時(shí)間來(lái)確定GPRS模塊的上線(xiàn)時(shí)間。長(zhǎng)期在線(xiàn)模式下，GPRS模塊一直在線(xiàn)，“定時(shí)”/“間隔”模式無(wú)效。

4 整機(jī)最大綜合誤差

本修正儀采集輸入的物理量有流量、溫度、壓力。溫度、壓力信號(hào)采集的準(zhǔn)確度，流量計(jì)算的準(zhǔn)確度，很大程度上決定了修正儀的準(zhǔn)確度。

本修正儀采用的數(shù)字式溫度、壓力傳感器精度與修正儀無(wú)關(guān)，傳感器自動(dòng)進(jìn)行非線(xiàn)性修正和溫度系數(shù)校正，在量程范圍內(nèi)，溫度傳感器的最大誤差Et≤±0.2%，壓力傳感器的最大誤差Ep≤±0.2%，流量計(jì)算和轉(zhuǎn)換誤差Ev≤±0.1%。在不考慮氣相色譜儀氣體組分分析誤差和流量計(jì)基表誤差的情況下修正儀整機(jī)的最大綜合誤差Ec≤±0.5%，計(jì)算公式如式（3）。

式中：Ec-修正儀最大綜合誤差；

Et-溫度最大誤差；

Ep-壓力最大誤差；

Ee-流量計(jì)算最大誤差[6]。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了滿(mǎn)足天然氣計(jì)量貿(mào)易結(jié)算的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了天然氣能量計(jì)量修正儀。本修正儀能與氣體渦輪、腰輪、旋進(jìn)旋渦、渦街等帶脈沖信號(hào)輸出的氣體流量計(jì)配套使用，采用高精度數(shù)字式溫度壓力傳感器，同時(shí)具備多種壓縮因子數(shù)學(xué)模型，將工況體積量轉(zhuǎn)換為標(biāo)況體積量和能量，計(jì)量準(zhǔn)確度高。內(nèi)嵌GPRS、射頻、RS485等多種通信方式，具備多種組網(wǎng)方式，方便與其它二次儀表或計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，一旦國(guó)家相關(guān)能量計(jì)量政策確定后，它必將是城市燃?xì)?、石油、化工、冶金等行業(yè)氣體流量計(jì)的理想配套儀表。

[1]安建川,梁光川,天然氣計(jì)量技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].內(nèi)蒙古石油化工,2007(1).

[2]GB/T22723-2008.天然氣能量的測(cè)定[S].

[3]GB/T17747.天然氣壓縮因子的計(jì)算[S].

[4]張福元.用于計(jì)量的天然氣壓縮因子計(jì)算方法比較[J].天然氣工業(yè),2000,20(5):73-76.

[5]任建國(guó).GPRS無(wú)線(xiàn)通訊在 計(jì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2012,39(9).

[6]陳賡良.天然氣能量計(jì)量的不確定度評(píng)定探討[J].天然氣工業(yè),2009,25(4).