張 寧，李 莉

（慶陽質(zhì)量檢驗檢測研究院，甘肅 慶陽 745000）

1 概述

超聲波技術(shù)在燃氣計量領(lǐng)域的應(yīng)用已有幾十年的歷史，早期主要應(yīng)用于工商業(yè)貿(mào)易結(jié)算領(lǐng)域，隨著技術(shù)的發(fā)展，家用超聲波燃氣表技術(shù)獲得較大突破，在2010 年前后家用超聲波燃氣表開始在國內(nèi)進行試應(yīng)用，隨著檢定規(guī)程及行業(yè)標準的出臺，家用超聲波燃氣表在國內(nèi)的用戶量得到迅猛發(fā)展，截至2019 年，國內(nèi)超聲波燃氣表累計用戶量已近百萬。

超聲波燃氣表不同于傳統(tǒng)的容積式膜式燃氣表，它是電子速度式燃氣表，采用時差法計量原理，除具有較高的計量精度外，由于其采樣周期短，可以更快更準確的識別異常流量并與燃氣閥門進行聯(lián)動，實現(xiàn)智能關(guān)閉閥門功能，并且可以物聯(lián)網(wǎng)功能結(jié)合實現(xiàn)自動報警功能，同時該表具可進行介質(zhì)聲速測量，通過聲速值變化智能判斷用戶私拆表或膠管脫落等異常狀況，大大提高居民用氣的安全性。

2 超聲波燃氣表在燃氣安全管理中的三種功能

超聲波燃氣表主要由超聲波換能器、氣道、外殼、液晶、智能電子部分等組成，它是通過測得氣道內(nèi)超聲波在順逆流條件下不同的飛行時間差，進而測量氣體體積量值。計量原理如圖1 所示：

管道內(nèi)的平均流速νm與聲道橫截面面積的乘積可得到瞬時流量，瞬時流量與時間的積分可得到累計用氣量。

也可采用相似的方法獲得聲波的傳輸速度：

2.1 異常流量切斷功能

2.1.1 安全功能的原理

超聲波燃氣表流量測量周期一般為2s，由于其采樣時間短，可時時監(jiān)測居民用戶的用氣情況，目前發(fā)生的燃氣泄漏爆炸事故，主要由未關(guān)緊閥門、膠管脫落情況造成的，其特征主要為恒定流量條件下未及時關(guān)閉閥門引起發(fā)爆炸事故，眾所周知，燃氣的爆炸是需要一定條件的，室內(nèi)可燃性氣體的爆炸濃度只有滿足達到5%～15%條件下才會形成爆炸條件。居民用戶使用的表具類型一般為G2.5，即最大流量為4m3/h，以廚房體積為5m3計算，泄漏燃氣量累計0.25m3即達到爆炸極限。我們可以通過公式計算得到一定空間內(nèi)，泄漏時間與表內(nèi)流量、燃氣泄漏量關(guān)聯(lián)關(guān)系，推導(dǎo)公式如下：

通過公式（3）、（4）、（5）表明，在燃氣表最大流量點、公稱流量點、最小流量點條件下，達到爆炸極限所需的時間分別為3.75min、6min、750min。若在此時間內(nèi)，燃氣表可實現(xiàn)智能關(guān)閥功能即可避免燃氣事故的發(fā)生。為保證智能關(guān)閥的準確性，避免居民用戶正常用氣過程中出現(xiàn)誤關(guān)閥現(xiàn)象，除了累計氣量的條件外，一般還引入瞬時流量波動值范圍限制條件使切斷功能工作更可靠，目前該誤差值范圍一般設(shè)置為3%～10%，超聲波燃氣表可實現(xiàn)對用氣量的高精度測量，通過內(nèi)部編程器實現(xiàn)誤差波動及持續(xù)時間的計算，在燃氣泄漏情況下，實現(xiàn)智能關(guān)閉閥門，防止安全事故的發(fā)生。

2.1.2 超聲波燃氣表在安全管理方面的特點

超聲波燃氣表的異常流量切斷功能與傳統(tǒng)的燃氣計量器具在異常流量切斷比較，有其獨有的特點：時間分辨率更高，響應(yīng)時間更短。G4 型號超聲波燃氣表與G4 型號傳統(tǒng)表具異常流量切斷響應(yīng)時間對比數(shù)據(jù)見表1。

表1 超聲波燃氣表與傳統(tǒng)燃氣表流量切斷比較

通過以上對比數(shù)據(jù)可知超聲波燃氣表在整段流量范圍內(nèi)時間分辨率為2s，而傳統(tǒng)燃氣表的時間分辨率為9～900s，分辨率最多相差數(shù)百倍，通過以上數(shù)據(jù)分析表明若發(fā)生燃氣泄漏超聲波燃氣表可以更快速的識別異常流量泄漏并切斷供氣，使居民用更安全。

2.1.3 異常流量參數(shù)的個性化設(shè)置

異常流量功能的實現(xiàn)離不開相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，通過該參數(shù)表具才可以智能化識別異常流量，目前大部分的家用超聲波燃氣表都采用堿性電池供電的方式，換電池的情況時有發(fā)生，超聲波燃氣表的異常流量相關(guān)參數(shù)一般內(nèi)置于表內(nèi)的存儲單元，無論供電電源是否中斷，重新供電后安全參數(shù)都可保證不丟失，保證異常流量切斷功能的連續(xù)性。

居民用戶的居住環(huán)境千差萬別，廚房大小各有差異，初始化的安全功能參數(shù)可能適合大部分的居民用戶，而同一參數(shù)對個別用戶可能會引起誤關(guān)閥的情況，為避免此類情況的發(fā)生，就需要對不同用戶進行參數(shù)個性化設(shè)計。由于通訊技術(shù)的應(yīng)用限制早期的燃氣表進行安全參數(shù)的個性化設(shè)置是很難辦到，表具一般只有計量功能，無法進行遠程參數(shù)設(shè)置。而今天，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，戶外遠程設(shè)置表具參數(shù)已成為可能，而且物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已在燃氣表行業(yè)得到極大的發(fā)展，現(xiàn)已有2G、3G、4G、NB-IOT、短距無線等多種模式的燃氣表在全國各地廣泛使用。超聲波燃氣表作為電子式智能燃氣表可以和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行更好的“融合”，通過內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)硬件電路，及內(nèi)置編程設(shè)計可實現(xiàn)遠程修改表具內(nèi)安全參數(shù)，實現(xiàn)對異常流量參數(shù)的遠程個性化設(shè)置；而且有的表具也具有本地通訊接口，例如RS485、紅外通訊等接口、也可通過該接口進行安全功能參數(shù)的設(shè)置與讀取。

2.1.4 應(yīng)用實例

超聲波燃氣表已在國內(nèi)很多地區(qū)大量使用，部分表具已內(nèi)置異常流量切斷功能，在用戶使用過程中發(fā)現(xiàn)多例由于小流量自動切斷關(guān)閥的實例，大部分原因是由于居民用戶室內(nèi)管道老化導(dǎo)致表后有微小泄漏點。還有其他情況，例如在某城市燃氣用戶使用過程中發(fā)生連續(xù)幾次的小流量異常切斷事件，技術(shù)人員到現(xiàn)場與用戶溝通后發(fā)現(xiàn)該用戶除正常用氣外，廚房內(nèi)還裝有老式熱水爐如圖2 所示。

圖2 廚房內(nèi)老式熱水爐

該型號熱水爐一般處于長明火狀態(tài)，該狀態(tài)下小流量一般為10～20L/h，在這種情況下超聲波燃氣表自動識別為小流量并自動關(guān)閉閥門，后通過相關(guān)設(shè)備進行異常流量個性化設(shè)置后再未出現(xiàn)報警關(guān)閥事件。

2.2 防私拆表功能

傳統(tǒng)的燃氣表無法智能化識別用戶私拆表行為，而超聲波燃氣表可以。超聲波燃氣表采用時差法進行流量測量，通過換能器可準確測得氣道內(nèi)聲波在順逆流條件下的飛行時間（時間精度一般為1ns），可通過如下公式(2)計算出管內(nèi)氣體的聲速值。眾所周知，不同介質(zhì)中聲音的傳播速度式不同的。因為聲速與溫度存在一定函數(shù)關(guān)系，可以粗略的認為空氣介質(zhì)中聲速為：

式中：V——表示空氣中聲速；

T——空氣介質(zhì)的溫度。

燃氣表一般的工作溫度范圍為-25～+40℃，按公式(6)計算空氣中聲速的范圍為316～355m/s，而國內(nèi)天然氣種類較多，主要使用天然氣種類為10T、12T，人工煤氣等，由于甲烷、乙烷、丙烷、CO2含量不同，在20℃超聲波在天然氣中傳播聲速一般為360～420m/s，經(jīng)過以上比較得知在不考慮溫度條件下，天然氣與空氣中聲速值差值較小，在實際測量過程中存在介質(zhì)識別錯誤的情況，為避免此類情況的發(fā)生，一般會引入溫度補償機制，在20℃時空氣值中聲速約為343m/s，而天然氣介質(zhì)的聲速一般為390～410m/s，兩者差別明顯?；诼曀俨町愒恚惭b溫度傳感器部件的超聲波燃氣表便可準確識別是否存在私拆表行為。

在超聲波燃氣表的使用過程中，成功判斷出多起私拆表行為，但也發(fā)生過多起由于用戶出差或習慣原因關(guān)閉表前閥的情況，導(dǎo)致表具判斷為私拆表誤關(guān)閥的案例，經(jīng)試驗確認主要是由灶前閥與表前閥中間的管道存在漏點，由于天然氣與空氣的濃度存在較大差異，經(jīng)過長時間的介質(zhì)混合，管道內(nèi)天然氣和空氣混合后聲速值降低導(dǎo)致的。為避免此類情況的發(fā)生，提高拆表判別的準確性，在溫補償機制的前提下引入時間比較機制。通過實驗驗證，在私拆表情況下，天然氣聲速變化為空氣聲速大約需要2min 左右，而關(guān)閉表前閥情況下，介質(zhì)聲速由天然氣聲速將至空氣聲速至少需要24h 以上，超聲波燃氣表引入時間比較機制后便可更準確判斷私拆表行為。

2.3 智能報警

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，逐漸將手機物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于燃氣行業(yè)，隨著國內(nèi)近幾年物聯(lián)網(wǎng)流量資費的的降低，智能物聯(lián)技術(shù)已在智能燃氣表行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，使智能燃氣表與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完美組合，使燃氣表更智能化。

傳統(tǒng)的表具一般分為后付費方式及表端預(yù)付費方式；后付費方式是早期較多使用的方式，居民用戶先用氣后付費，該方式存在收費難、需要燃氣公司大量的人力物力等問題。智能物聯(lián)網(wǎng)表具可以通過短距無線方式或表端直接安裝通訊模塊的方式更好的彌補傳統(tǒng)表具的不足之處，通過物聯(lián)網(wǎng)功能的一體化設(shè)計一方面解決了傳統(tǒng)表具抄表入戶難、數(shù)據(jù)抄收不及時等問題，可實現(xiàn)遠程采集用戶氣量信息，并監(jiān)控表具的運行狀態(tài)；另一方面通過物聯(lián)網(wǎng)功能使傳統(tǒng)的充值方式改變得以實現(xiàn)，可借助微信、支付寶、網(wǎng)上銀行等現(xiàn)代充值媒介進行網(wǎng)上交費，同時居民用戶可通過充值記錄詳細查詢自家消費情況，除此之外很多智能表具廠家還提供了手機APP，通過它與后臺服務(wù)器數(shù)據(jù)的交互，可以使燃氣用戶清楚自助查詢自家表內(nèi)每日、每月、每月甚至每小時的燃氣消費數(shù)據(jù)，使用消費更透明化，更好的改善了用戶體驗。

不止如此，超聲波燃氣表可借助物聯(lián)網(wǎng)功能實現(xiàn)智能報警功能，當用戶發(fā)生異常流量切斷或私拆表動作時，表具可實現(xiàn)自動連接公共網(wǎng)絡(luò)，將報警信息主動上報至傳輸至燃氣公司服務(wù)器，并可將報警信息轉(zhuǎn)發(fā)至小區(qū)物業(yè)及給予居民用報警提示，形成表具、燃氣公司、小區(qū)物業(yè)、用戶的聯(lián)動，可有效縮短安全事故的響應(yīng)時間或避免安全事故的發(fā)生。

3 結(jié)束語

電子式超聲波燃氣表在國內(nèi)燃氣表行業(yè)的推廣應(yīng)用，其更快速的異常流量切斷功能、準確的防私拆表功能、與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一體化設(shè)計的智能報警功能，能很好的為戶內(nèi)安全用氣保駕護航，使然氣使用更安全，更放心。