超聲波燃?xì)獗碓谌細(xì)獍踩芾矸矫娴膽?yīng)用

張 寧，李 莉

（慶陽質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，甘肅 慶陽 745000）

1 概述

超聲波技術(shù)在燃?xì)庥?jì)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?xì)獗砑夹g(shù)獲得較大突破，在2010 年前后家用超聲波燃?xì)獗黹_始在國(guó)內(nèi)進(jìn)行試應(yīng)用，隨著檢定規(guī)程及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，家用超聲波燃?xì)獗碓趪?guó)內(nèi)的用戶量得到迅猛發(fā)展，截至2019 年，國(guó)內(nèi)超聲波燃?xì)獗砝塾?jì)用戶量已近百萬。

超聲波燃?xì)獗聿煌趥鹘y(tǒng)的容積式膜式燃?xì)獗恚请娮铀俣仁饺細(xì)獗?，采用時(shí)差法計(jì)量原理，除具有較高的計(jì)量精度外，由于其采樣周期短，可以更快更準(zhǔn)確的識(shí)別異常流量并與燃?xì)忾y門進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，實(shí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能，同時(shí)該表具可進(jìn)行介質(zhì)聲速測(cè)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?xì)獗碓谌細(xì)獍踩芾碇械娜N功能

超聲波燃?xì)獗碇饕沙暡〒Q能器、氣道、外殼、液晶、智能電子部分等組成，它是通過測(cè)得氣道內(nèi)超聲波在順逆流條件下不同的飛行時(shí)間差，進(jìn)而測(cè)量氣體體積量值。計(jì)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(shí)流量，瞬時(shí)流量與時(shí)間的積分可得到累計(jì)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?xì)獗砹髁繙y(cè)量周期一般為2s，由于其采樣時(shí)間短，可時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)居民用戶的用氣情況，目前發(fā)生的燃?xì)庑孤┍ㄊ鹿?，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(shí)關(guān)閉閥門引起發(fā)爆炸事故，眾所周知，燃?xì)獾谋ㄊ切枰欢l件的，室內(nèi)可燃性氣體的爆炸濃度只有滿足達(dá)到5%～15%條件下才會(huì)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(jì)算，泄漏燃?xì)饬坷塾?jì)0.25m3即達(dá)到爆炸極限。我們可以通過公式計(jì)算得到一定空間內(nèi)，泄漏時(shí)間與表內(nèi)流量、燃?xì)庑孤┝筷P(guān)聯(lián)關(guān)系，推導(dǎo)公式如下：

通過公式（3）、（4）、（5）表明，在燃?xì)獗碜畲罅髁奎c(diǎn)、公稱流量點(diǎn)、最小流量點(diǎn)條件下，達(dá)到爆炸極限所需的時(shí)間分別為3.75min、6min、750min。若在此時(shí)間內(nèi)，燃?xì)獗砜蓪?shí)現(xiàn)智能關(guān)閥功能即可避免燃?xì)馐鹿实陌l(fā)生。為保證智能關(guān)閥的準(zhǔn)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(jì)氣量的條件外，一般還引入瞬時(shí)流量波動(dòng)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?xì)獗砜蓪?shí)現(xiàn)對(duì)用氣量的高精度測(cè)量，通過內(nèi)部編程器實(shí)現(xiàn)誤差波動(dòng)及持續(xù)時(shí)間的計(jì)算，在燃?xì)庑孤┣闆r下，實(shí)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?xì)獗碓诎踩芾矸矫娴奶攸c(diǎn)

超聲波燃?xì)獗淼漠惓Ａ髁壳袛喙δ芘c傳統(tǒng)的燃?xì)庥?jì)量器具在異常流量切斷比較，有其獨(dú)有的特點(diǎn)：時(shí)間分辨率更高，響應(yīng)時(shí)間更短。G4 型號(hào)超聲波燃?xì)獗砼cG4 型號(hào)傳統(tǒng)表具異常流量切斷響應(yīng)時(shí)間對(duì)比數(shù)據(jù)見表1。

表1 超聲波燃?xì)獗砼c傳統(tǒng)燃?xì)獗砹髁壳袛啾容^

通過以上對(duì)比數(shù)據(jù)可知超聲波燃?xì)獗碓谡瘟髁糠秶鷥?nèi)時(shí)間分辨率為2s，而傳統(tǒng)燃?xì)獗淼臅r(shí)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?xì)庑孤┏暡ㄈ細(xì)獗砜梢愿焖俚淖R(shí)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(gè)性化設(shè)置

異常流量功能的實(shí)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(shí)別異常流量，目前大部分的家用超聲波燃?xì)獗矶疾捎脡A性電池供電的方式，換電池的情況時(shí)有發(fā)生，超聲波燃?xì)獗淼漠惓Ａ髁肯嚓P(guān)參數(shù)一般內(nèi)置于表內(nèi)的存儲(chǔ)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(duì)個(gè)別用戶可能會(huì)引起誤關(guān)閥的情況，為避免此類情況的發(fā)生，就需要對(duì)不同用戶進(jìn)行參數(shù)個(gè)性化設(shè)計(jì)。由于通訊技術(shù)的應(yīng)用限制早期的燃?xì)獗磉M(jìn)行安全參數(shù)的個(gè)性化設(shè)置是很難辦到，表具一般只有計(jì)量功能，無法進(jìn)行遠(yuǎn)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(yuǎn)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?xì)獗硇袠I(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?xì)獗碓谌珖?guó)各地廣泛使用。超聲波燃?xì)獗碜鳛殡娮邮街悄苋細(xì)獗砜梢院臀锫?lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)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(jì)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程修改表具內(nèi)安全參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常流量參數(shù)的遠(yuǎn)程個(gè)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(jìn)行安全功能參數(shù)的設(shè)置與讀取。

2.1.4 應(yīng)用實(shí)例

超聲波燃?xì)獗硪言趪?guó)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(dòng)切斷關(guān)閥的實(shí)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(diǎn)。還有其他情況，例如在某城市燃?xì)庥脩羰褂眠^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(chǎng)與用戶溝通后發(fā)現(xiàn)該用戶除正常用氣外，廚房?jī)?nèi)還裝有老式熱水爐如圖2 所示。

圖2 廚房?jī)?nèi)老式熱水爐

該型號(hào)熱水爐一般處于長(zhǎng)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?xì)獗碜詣?dòng)識(shí)別為小流量并自動(dòng)關(guān)閉閥門，后通過相關(guān)設(shè)備進(jìn)行異常流量個(gè)性化設(shè)置后再未出現(xiàn)報(bào)警關(guān)閥事件。

2.2 防私拆表功能

傳統(tǒng)的燃?xì)獗頍o法智能化識(shí)別用戶私拆表行為，而超聲波燃?xì)獗砜梢?。超聲波燃?xì)獗聿捎脮r(shí)差法進(jìn)行流量測(cè)量，通過換能器可準(zhǔn)確測(cè)得氣道內(nèi)聲波在順逆流條件下的飛行時(shí)間（時(shí)間精度一般為1ns），可通過如下公式(2)計(jì)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?yàn)槁曀倥c溫度存在一定函數(shù)關(guān)系，可以粗略的認(rèn)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?xì)獗硪话愕墓ぷ鳒囟确秶鸀?25～+40℃，按公式(6)計(jì)算空氣中聲速的范圍為316～355m/s，而國(guó)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(shí)際測(cè)量過程中存在介質(zhì)識(shí)別錯(cuò)誤的情況，為避免此類情況的發(fā)生，一般會(huì)引入溫度補(bǔ)償機(jī)制，在20℃時(shí)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?，安裝溫度傳感器部件的超聲波燃?xì)獗肀憧蓽?zhǔn)確識(shí)別是否存在私拆表行為。

在超聲波燃?xì)獗淼氖褂眠^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(xí)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(yàn)確認(rèn)主要是由灶前閥與表前閥中間的管道存在漏點(diǎn)，由于天然氣與空氣的濃度存在較大差異，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)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(zhǔn)確性，在溫補(bǔ)償機(jī)制的前提下引入時(shí)間比較機(jī)制。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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?xì)獗硪霑r(shí)間比較機(jī)制后便可更準(zhǔn)確判斷私拆表行為。

2.3 智能報(bào)警

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，逐漸將手機(jī)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)庑袠I(yè)，隨著國(guó)內(nèi)近幾年物聯(lián)網(wǎng)流量資費(fèi)的的降低，智能物聯(lián)技術(shù)已在智能燃?xì)獗硇袠I(yè)得到廣泛應(yīng)用，使智能燃?xì)獗砼c物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完美組合，使燃?xì)獗砀悄芑?/p>

傳統(tǒng)的表具一般分為后付費(fèi)方式及表端預(yù)付費(fèi)方式；后付費(fèi)方式是早期較多使用的方式，居民用戶先用氣后付費(fèi)，該方式存在收費(fèi)難、需要燃?xì)夤敬罅康娜肆ξ锪Φ葐栴}。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(bǔ)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(jì)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(shí)等問題，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集用戶氣量信息，并監(jiān)控表具的運(yùn)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(shí)現(xiàn)，可借助微信、支付寶、網(wǎng)上銀行等現(xiàn)代充值媒介進(jìn)行網(wǎng)上交費(fèi)，同時(shí)居民用戶可通過充值記錄詳細(xì)查詢自家消費(fèi)情況，除此之外很多智能表具廠家還提供了手機(jī)APP，通過它與后臺(tái)服務(wù)器數(shù)據(jù)的交互，可以使燃?xì)庥脩羟宄灾樵冏约冶韮?nèi)每日、每月、每月甚至每小時(shí)的燃?xì)庀M(fèi)數(shù)據(jù)，使用消費(fèi)更透明化，更好的改善了用戶體驗(yàn)。

不止如此，超聲波燃?xì)獗砜山柚锫?lián)網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)智能報(bào)警功能，當(dāng)用戶發(fā)生異常流量切斷或私拆表動(dòng)作時(shí)，表具可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連接公共網(wǎng)絡(luò)，將報(bào)警信息主動(dòng)上報(bào)至傳輸至燃?xì)夤痉?wù)器，并可將報(bào)警信息轉(zhuǎn)發(fā)至小區(qū)物業(yè)及給予居民用報(bào)警提示，形成表具、燃?xì)夤?、小區(qū)物業(yè)、用戶的聯(lián)動(dòng)，可有效縮短安全事故的響應(yīng)時(shí)間或避免安全事故的發(fā)生。

3 結(jié)束語

電子式超聲波燃?xì)獗碓趪?guó)內(nèi)燃?xì)獗硇袠I(yè)的推廣應(yīng)用，其更快速的異常流量切斷功能、準(zhǔn)確的防私拆表功能、與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一體化設(shè)計(jì)的智能報(bào)警功能，能很好的為戶內(nèi)安全用氣保駕護(hù)航，使然氣使用更安全，更放心。