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如何利用温度传感器提升燃气表的计量精度?

近些年,随着国家“煤改气”工程的大规模推进,户外挂表已经成为了一种新的安装方式。但是,在我国北方,由于冬季昼夜温差较大,对燃气表的计量性能会产生较大的影响。尽管户外挂表用户均配备了表箱,但仍然无法解决温度对燃气表计量误差的影响。因此,膜式燃气表加装温度补偿组件已成为一种必要的措施。

2020年9月,中国城市燃气协会发布并实施《T/CGAS 011-2020电子温压修正膜式燃气表》,对电子温压修正膜式燃气表的工作条件、技术要求、试验方法以及检测规则等进行了规定和说明。其中指出,温度传感器是指燃气表中用于采集燃气温度信号的电子部件(或电子元件),由此确立了温度传感器是该类型燃气表中的标配部件。


1.为什么要用温补式燃气表?

传统的膜式燃气表的燃气计量是在标况(20℃,101.3kPa)下进行计量,但终端用户的实际使用过程却是在非标准状态下进行的。不同季节、不同温度或压力气候条件都会产生计量误差。例如,20℃条件下,同等压强下的1立方米天然气在-10℃时的体积为0.8977m³,体积缩小了11.23%。这就导致了燃气体积计量误差,从而导致供销不平衡,有失贸易结算的公平性原则。

国家发布的《关于颁发天然气商品量管理暂行办法的通知》第五章第二十二条明确规定,天然气按体积进行计量,天然气体积计算的状态标准为20℃(293.15K)。河北省颁布的编号为JJF(冀)143内置温度转换装置燃气表检验规范,以及俄罗斯燃气表国家标准ГОСТ Р 50818明确规定,燃气表必须安装内置温度转换装置,实行标准温度下的体积计量。实现标准温度体积计量将是社会发展的趋势,有效解决办法是在燃气表内部加装机械式或电子式温度转换装置,将工况体积转换成为标准温度体积。

温度、压力对燃气计量的影响按照理想气体状态方程进行计算:

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温度每降低10℃,计量损失为3.43%,这也是燃气公司普遍反应冬季输差特别突出的原因。

按照上述方程计算,燃气压力每升高1kPa,计量损失0.987%。管道燃气民用户供气的表压力一般为2kPa,商业用户为2~3kPa,压力值基本稳定。

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图:室外安装的燃气表


2. 电子式温补膜式燃气表中的温度传感器及其应用

膜式燃气表国家标准规定,燃气表运行6000小时所通过的气体体积量不至于让所有的字轮回到初始位置。燃气表使用期限为10年,其供电方式为电池供电,因此,对于电子部件的整机功耗要求极为严苛。

2022年4月,京津冀市场监督管理三局(委)分别下达了京津冀共建地方计量检定规程《电子温压修正膜式燃气表》任务。该规程目前已形成了征求意见稿,JJG(京津冀)《电子温压修正膜式燃气表》地方计量检定规程已向社会公开征求意见。

该规程根据JJF1002-2010《计量检定规程编写规则》编制,依据的主要技术文件有:JJG 577-2012膜式燃气表、JJG 860-2015压力传感器(静态)、JJG 875-2019数字压力计等10个相关文件。规程项目完成后可以解决目前电子温压修正膜式燃气表强制检定工作遇到的问题。明确的技术要求和试验方法有利于电子温压修正膜式燃气表检定工作的顺利开展,规范电子温压修正膜式燃气表制造企业的生产。

纳芯微提供的NST1001/1002-QTZB温度补偿解决方案,在-20℃~85℃测温范围内,最大误差值±0.5℃(Max)。根据气态方程式计算其带给产品最终示值影响误差小于±0.2%,电子温补表的计量准确度较高。


3. NST1001/NST1002优势:功耗、精度和工作温度范围、通信接口

纳芯微提供的NST1001-QTZB/NST1002-QTZB解决方案,具有高精度、低功耗的特点:



  • 首先其精度在-20℃~85℃,误差最大值为±0.5℃,根据气态方程式计算,其影响误差不超过±0.2%,基本可以忽略不计;



  • 其次,智能燃气表是电池供电,传感器的功耗和供电电压是首先要考虑的参数,在不进行通信的情况下,NST1001和NST1002功耗基本为零;



  • 最后,要选择合适的数字通信接口,NST1001为数字脉冲计数,NST1002为单总线协议输出,不会受限于MCU资源。




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图:典型应用电路


待机状态下的零功耗应用满足燃气表对于整机功耗的严格要求,在通信完成之后,通过GPIO1下拉至低电平,使温度传感器芯片处于掉电状态,功耗为零。

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图:芯片特性


以NST1001-QTZB为例,其特性表现如下:

在TA = +25℃和VPU = 3.3 V,T(initial)= 25℃的热响应测试,T(final)= 100℃。

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图:使用TO-92S测试(利用方程1-1)

1672147397599151.jpg其中,Temp和Num所代表的的具体内容请参考NST1001 数据手册。

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图:使用TO-92S测试(利用方程1-2)

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其中,Temp和Num所代表的具体内容请参考NST1001 数据手册。


综上所述,目前户外挂表已经成为一种新的安装方式,会对燃气公司的燃气计量准确性产生一定的影响,为此,膜式燃气表加装温度补偿组件已成为一种必要的措施。纳芯微提供的NST1001/1002-QTZB温度补偿解决方案,可以在-20℃~85℃测温范围内,实现小于±0.5℃的误差,带给产品最终示值影响误差小于0.2%,基本可以忽略不计,从而提高电子温补表的计量准确度。

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