紀(jì)建英 劉大壯

(1.山東省計(jì)量科學(xué)研究院，濟(jì)南 250014；2.大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，大連 116026)

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微熱量式燃?xì)獗砑捌湓囼?yàn)裝置的研究

紀(jì)建英1劉大壯2

(1.山東省計(jì)量科學(xué)研究院，濟(jì)南 250014；2.大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，大連 116026)

對家用燃?xì)庥?jì)量的創(chuàng)新型新產(chǎn)品——微熱量式燃?xì)獗磉M(jìn)行剖析，并對具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微熱量式燃?xì)獗頊囟仍囼?yàn)裝置進(jìn)行研究。微熱量式燃?xì)獗砜蓪?shí)現(xiàn)流量、溫度、溫差、壓力、密度等量的測量，并具有數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算功能，可用熱能值對燃?xì)膺M(jìn)行結(jié)算。微熱量燃?xì)獗碓囼?yàn)裝置是針對微熱量式燃?xì)獗?，在工況下進(jìn)行溫度變換檢測的試驗(yàn)裝置。

計(jì)量學(xué)；微熱量；燃?xì)獗?；試?yàn)裝置

0 引言

能源是產(chǎn)生能量的物質(zhì)，其價(jià)值在于產(chǎn)生能量的多少。當(dāng)今世界最先進(jìn)的天然氣計(jì)量是天然氣能量計(jì)量，是以天然氣體積與單位體積發(fā)熱量的乘積來量度。在全球能源緊缺的大形勢下，在能源貿(mào)易計(jì)量中實(shí)行能量計(jì)量勢在必行。

現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集(即傳感器技術(shù))、信息傳輸(通信技術(shù))和信息處理(計(jì)算機(jī)技術(shù))。微熱量式燃?xì)獗硎羌N技術(shù)于一體的智能新型燃?xì)獗?，根?jù)微熱量原理監(jiān)測燃?xì)獾臉?biāo)準(zhǔn)流量，在任意溫度和海拔下，更好地控制能耗，保證準(zhǔn)確計(jì)量。燃?xì)獗聿捎肅OMS半導(dǎo)體傳感技術(shù)，通過M-Bus通信和無線模塊實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過終端數(shù)據(jù)處理，有效提供能源計(jì)費(fèi)，滿足可持續(xù)利用珍貴能源的需求，為家庭自動(dòng)化和智能網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)鋪平道路，為家庭燃?xì)庥?jì)量開創(chuàng)了一個(gè)嶄新的局面。微熱量燃?xì)獗碓囼?yàn)裝置是針對微熱量燃?xì)獗?，在?shí)際工況下進(jìn)行溫度變換檢測的試驗(yàn)裝置。

1 微熱量式燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 微熱量式燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)(如圖1)

圖1 微熱量式燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)圖

位于燃?xì)獗砼月饭艿赖腃MOS半導(dǎo)體傳感器，其包含一個(gè)位于兩個(gè)傳感器之間的發(fā)熱單元。發(fā)熱單元加熱，溫度均勻分布，但在有氣體通過時(shí)，溫度分布有變化，因此就在兩個(gè)傳感器之間產(chǎn)生溫度差異。此差異信號(hào)通過一個(gè)處理器，經(jīng)溫度、壓力轉(zhuǎn)換，傳輸為一個(gè)流量值，并因此確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體積。燃?xì)獗順?biāo)準(zhǔn)體積值：

(1)

式中：Vb為燃?xì)獗硇拚暗闹?，L；pn為標(biāo)準(zhǔn)絕對壓力，Pa；Tn為標(biāo)準(zhǔn)熱力學(xué)溫度，K；pb為燃?xì)獗磉M(jìn)口端絕對壓力，Pa；Tb為燃?xì)獗磉M(jìn)口端熱力學(xué)溫度，K。

由檢測到的溫差判定燃?xì)饬髁?，由壓損確定燃?xì)饷芏?，通過計(jì)算處理可以得到天然氣的體積發(fā)熱量，一段時(shí)間內(nèi)的體積發(fā)熱量與該時(shí)間內(nèi)流過的標(biāo)準(zhǔn)體積值的乘積即為流過的燃?xì)獾臒崮苤?。燃?xì)獗頍嶂担?/p>

Q=Vn·Ho,n

(2)

即：

Q=f(ΔT=F·T,l ,T)

(3)

式中：Ho,n為燃?xì)獍l(fā)熱量；ΔT=FT為由時(shí)間傳導(dǎo)確定的溫差的微積分；l 為熱系數(shù)；T為絕對溫度。

1.COMS半導(dǎo)體芯片；2.半導(dǎo)體薄層；3.溫度傳感器； 4.熱源；5.溫度傳感器圖2 微熱量式燃?xì)夤ぷ髟須庀鄨D

微熱量式燃?xì)夤ぷ髟須庀鄨D如圖2所示。氣流進(jìn)入腔體，通過壓阻件，使氣體壓力降低，使約1%的氣體量進(jìn)入發(fā)熱單元所在的管路，發(fā)熱單元每間隔2s,加熱1ms，檢測氣體經(jīng)過管路時(shí)兩個(gè)半導(dǎo)體熱電阻傳感器之間的溫度差值。溫差可確定氣體流量，由燃?xì)獗磉M(jìn)出口壓損的測量，可確定通過氣體的密度，判定流過的介質(zhì)是空氣還是可燃?xì)怏w。

燃?xì)獗碇械腃MOS半導(dǎo)體傳感器定位在測試通道，該傳感器是基于微熱量測量原理，由加熱體及加熱體兩邊的兩個(gè)溫度傳感器組成。加熱體提供了一個(gè)均勻的溫度分布，通過氣體流，氣體被加熱，兩個(gè)溫度傳感器之間產(chǎn)生溫差。測量信號(hào)由微處理器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，處理成流量和體積值，由LCD顯示屏將其顯示出來。

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)數(shù)字集成電路基本單元，將邏輯運(yùn)算的功能轉(zhuǎn)變成接收外界光線后轉(zhuǎn)化為電能，再通過芯片上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)將獲得的電訊號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)碼訊號(hào)輸出，其功耗很低。LCD驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)LCD顯示屏直接輸出壓力和溫度轉(zhuǎn)換后燃?xì)獾臉?biāo)準(zhǔn)體積。

1.2 微熱量式燃?xì)獗硇阅?/p>

1.2.1 壓力損失

由于微熱量式燃?xì)獗韮?nèi)部結(jié)構(gòu)無活動(dòng)部件、無磨損，所以燃?xì)獗韷毫p失低。由大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出：密度低，壓力損失??；反之，可根據(jù)壓損值，判定流過的氣體密度(如圖3)。設(shè)空氣密度為1，則天然氣密度相對值為0.61。

圖3 微熱量式燃?xì)獗韷簱p曲線圖

1.2.2 誤差特性

與普通家用膜式燃?xì)獗硐啾?，微熱量式燃?xì)獗硇×髁空`差較小，可以準(zhǔn)確計(jì)量所用燃?xì)?，氣流連續(xù)高流速情況下，流量誤差平穩(wěn)(如圖4)。

圖4 微熱量式燃?xì)獗碚`差曲線圖

1.2.3 參數(shù)影響量

在我國寒冷的東北地區(qū)，燃?xì)怏w積收縮；在低大氣壓的青藏高原，燃?xì)怏w積膨大。使用一般的燃?xì)獗?，燃?xì)鈱?shí)際熱值與燃?xì)獗淼娜莘e示值體現(xiàn)的熱值有較大的區(qū)別。根據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，微熱量式燃?xì)獗恚瑹o論是在炎熱的55℃，寒冷地區(qū)的-25℃，高山或低地山谷深處，表明燃?xì)獗頊囟妊a(bǔ)償可達(dá)0.3%，微熱量式燃?xì)獗砀m用于偏冷及低地勢地區(qū)。

微熱量式燃?xì)獗碇貜?fù)性小，穩(wěn)定性好，即使在流量非常小的情況下，也能夠準(zhǔn)確測量壓力和溫度，準(zhǔn)確傳輸其轉(zhuǎn)換量。微熱量式燃?xì)獗聿捎镁o湊型設(shè)計(jì)，體積為普通燃?xì)獗淼?/2～1/3，節(jié)省空間且安裝簡單。

1.3 通信系統(tǒng)M-Bus(Meter-Bus)總線(如圖5)

M-Bus標(biāo)準(zhǔn)是歐洲為儀表數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)的總線系統(tǒng)。微熱量式燃?xì)獗聿捎肕-Bus或Radio M-Bus智能通訊標(biāo)準(zhǔn)和方式。

圖5 M-Bus連接圖

現(xiàn)場采集的流量、溫度、壓力等信號(hào)通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換、通訊接口或網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳輸。支持光學(xué)接口lRDA(infrared data association)的微熱量式燃?xì)獗?，可以向lRDA通信的其它設(shè)備如筆記本電腦或終端系統(tǒng)傳輸信息。通過無線電或電纜集成有線M-Bus或無線M-Bus通信,使得天然氣計(jì)量方便、公平、快速、自動(dòng)計(jì)費(fèi)。

微熱量式燃?xì)獗砭C合通信自動(dòng)抄表系統(tǒng)AMR(automatic meter-reading system)、無線模塊、有線或無線M-Bus接口、開放式手抄器操作系統(tǒng)OMS(Open Mobile System)，用于小區(qū)的無線燃?xì)獗碇悄懿杉到y(tǒng)(如圖6)。有線、無線數(shù)據(jù)傳輸符合EN13757標(biāo)準(zhǔn)，M-Bus保證自動(dòng)和安全的數(shù)據(jù)流，并建立自動(dòng)抄表和智能計(jì)數(shù)的完善的數(shù)據(jù)庫。

圖6 微熱量式燃?xì)獗磉h(yuǎn)傳系統(tǒng)圖

2 微熱量式燃?xì)獗頊囟仍囼?yàn)裝置的研制

2.1 背景

目前已有膜式燃?xì)獗頊囟仍囼?yàn)裝置，換能器放置于高低溫試驗(yàn)箱中，以氣體為介質(zhì)對換能器內(nèi)的氣體進(jìn)行升溫或降溫，升降溫效果較慢。國際建議R31中要求標(biāo)準(zhǔn)表處氣體溫度為20℃，燃?xì)獗砣肟跍囟葹?25℃或+55℃。經(jīng)過換能器的氣體，壓力損失很大，換能器出口的氣體溫度、流量、壓力很難達(dá)到要求，且難以控制。在低溫試驗(yàn)時(shí)，其換能器入口流量64m3/h時(shí),出口流量還不及10m3/h。

2.2 具體實(shí)施方式

參照OIML R31和OIML R137，燃?xì)獗碓诘蜏?如-25℃)或高溫(+55℃)運(yùn)行的試驗(yàn)情況下，測定其示值。

微熱量式燃?xì)獗頊囟仍囼?yàn)裝置，包括通過管路相連接的穩(wěn)壓氣源、標(biāo)準(zhǔn)表、空調(diào)系統(tǒng)及高低溫試驗(yàn)箱組成，高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)設(shè)被檢表，標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表信號(hào)連接控制及顯示儀表，在被檢表前側(cè)的管路上安裝空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)具有獨(dú)特的換熱功能。裝置具有在高低溫條件下，對燃?xì)獗磉M(jìn)行試驗(yàn)的功能，使燃?xì)獗砣肟跍囟冗_(dá)到-25℃或+55℃，符合國際建議的要求，極大地降低氣體壓力損失，且體積小、造價(jià)低，時(shí)間更短、更快地達(dá)到設(shè)定的溫度、壓力和流量的要求，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

穩(wěn)壓氣源的氣體輸入至標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，對標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)入口處氣體的溫度、壓力進(jìn)行測量，氣體經(jīng)過空調(diào)系統(tǒng)，達(dá)到要求的溫度、壓力和流量，進(jìn)入被檢燃?xì)獗?，對各燃?xì)獗砣肟谔帤怏w的溫度、壓力進(jìn)行測量，所有測量數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。整套裝置設(shè)計(jì)專用軟件，自動(dòng)設(shè)定溫度和壓力，自動(dòng)調(diào)控流量大小，自動(dòng)采集、處理數(shù)據(jù)，流量傳感器、燃?xì)獗砼c計(jì)算顯示器實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。

在OIML膜式燃?xì)獗頊囟仍囼?yàn)裝置(如圖7)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新和改造的微熱量式燃?xì)獗頊囟仍囼?yàn)裝置(如圖8)，由于空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)獨(dú)特，具有使氣體快速升降溫功能。裝置滿足OIML R31和OIML R137的技術(shù)要求。

圖7 膜式燃?xì)獗鞳IML溫度試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 微熱量式燃?xì)獗頊囟仍囼?yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 總結(jié)

在能源貿(mào)易結(jié)算中，采用能量計(jì)量比體積計(jì)量更科學(xué)、更合理。微熱量式燃?xì)獗頍o嗓音，無損耗，準(zhǔn)確，重復(fù)性好，長期穩(wěn)定，即使在非常低的流速下，也能準(zhǔn)確測量壓力和溫度，并傳輸其測量轉(zhuǎn)換量。燃?xì)獗碓囼?yàn)裝置能夠創(chuàng)建燃?xì)夤?jì)量和智能能源數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)。總之，微熱量式燃?xì)獗頌榭蛻籼峁┩耆该鞯南M(fèi)，并建立改善服務(wù)的基礎(chǔ)，更好地實(shí)現(xiàn)個(gè)性化解決方案。

[1] 紀(jì)建英.燃?xì)獗頊囟仍囼?yàn)裝置：中國，ZL 2012 2 0119160.4[P]. 2012-11-07

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.4.10