刘辰庆
上海市燃气设备计量检测中心有限公司 上海市 201112
摘要
超声波燃气表作为一款智能型电子式计量仪表，若结构、电路系统等存在设计、加工缺陷，在使用过程中受到间歇性或连续性的电磁场干扰下，可能会对其计量性能造成影响，甚至无法实现正常计量工作。本文通过试验，研究超声波燃气表在可能受到电磁场各种干扰的情况下，对其静态及动态两种工作状态下的计量性能影响。
关键词：超声波燃气表、电磁场干扰、计量性能
引言
超声波燃气表是近年来国际、国内发展较为迅速的一种新型贸易结算用燃气计量器具，相对于传统的膜式燃气表，具有结构简单、灵敏度高、智能化程度优等显著优点。据不完全统计，目前上海市试用量达到10余万台。至“十四五”末，计划使用量超过100万台，但国内对于该产品的国家相关标准刚刚发布，尚未正式实施，制造企业一般按企业标准生产超声波燃气表，出厂检测项目和检测方法不够完善，缺乏系统性研究及长时间应用经验，而其计量性能的稳定性和可靠性直接影响到燃气消费结算的公正、公平，关乎燃气用户及燃气公司的切身利益，影响社会经济发展和稳定。
一、试验目的
2020年6月24日，上海市住建委发布了《上海市居民用燃气计量表选型及相关管理要求》，对于本市燃气行业的用气安全、智能化管理以及用户体验提出了全方位要求。超声波燃气表作为本市燃气公司响应《要求》推广应用的一款产品，对其产品质量的研究、验证一直是政府以及行业关心的重点。本试验以电磁场干扰为因素，研究超声波燃气表抗干扰性能的薄弱环节，提出参考建议，防患于未然，避免在使用过程中发生系统性功能缺陷，从而影响其正确应用及推广使用。
二、试验设计
（一）试验项目
对两款超声波燃气表分别开展静态电磁场干扰试验及动态电磁场干扰试验，观察并记录两款超声波燃气表受干扰后，瞬时流量及累计流量的变化程度，并对试验数据进行研究得出结论。
静态：指超声波燃气表开机未通气状态，即瞬时流量为零的状态下开展试验；
动态：指超声波燃气表开机通气状态，即气体流经超声波燃气表的状态下开展试验。
（二）试验样品
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表1试验样品信息
（三）试验条件
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表2试验环境条件
（四）试验主要设备
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表3试验主要设备
（五）试验方法
1.静态电磁场干扰试验
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表4 X\Y\Z三轴六面示意图
将超声波燃气表的X\Y\Z三轴六面分别置于干扰电磁场正中心位置，施加频率范围为（0-5000）kHz，功率范围为(0-50)W的电磁场干扰信号,当超声波燃气表受到干扰后，观察记录60s内其瞬时流量及累计流量的变化情况。
2.动态电磁场干扰试验
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图1 动态电磁场干扰试验装置示意图
将超声波燃气表出气口端与高精度标准表进气口端进行串联连接，在高精度标准表出气口处连接燃气燃烧器用于燃烧试验用天然气。在确认整体管路系统没有泄漏点之后，打开管路进气阀，同时点燃燃烧器，将试验用天然气进行充分燃烧。随后控制流量控制器，使天然气流量维持在4m3/h，启动干扰源对超声波燃气表施加干扰信号，并持续调整干扰频率值，干扰功率范围为(0-50)W，干扰持续时间为600s,观察记录瞬时流量的变化情况及累计流量值。
三、试验数据（仅列出部分代表性数据）
（一）静态电磁场干扰试验
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表5 W款超声波燃气表试验数据
分析表5数据：
1.当干扰源分别处于W款超声波燃气表的三轴六面时，其瞬时流量均出现正偏差，累计流量由于受到瞬时流量影响，持续增加。当干扰频率不变，随着干扰功率逐渐增加，瞬时流量跳变范围的上限值逐渐增大。
2.W款超声波燃气表的三轴六面受到电磁干扰后，均显示4-Err告警提示。当移除干扰源后，其瞬时流量归零，累计流量受影响数值未恢复。
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表6：S款超声波燃气表试验数据
分析表6数据：
1.当干扰源分别处于S款超声波燃气表的三轴六面时，其瞬时流量均出现负偏差，累计流量由于受到瞬时流量影响，持续增加。当干扰频率不变，随着干扰功率逐渐增加，瞬时流量跳变范围的下限值逐渐减小。
2.S款超声波燃气表的三轴六面受到电磁干扰后，均显示Err-97告警提示。当移除干扰源后，其瞬时流量归零，累计流量受影响数值未恢复。
（二）动态电磁场干扰试验
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表7：W款超声波燃气表试验数据
分析表7数据：
1.当干扰源处于W款超声波燃气表除X（后）的其余5个面时，相较高精度标准表 [瞬时流量：（4.00-4.10）m3/h；累计流量：665L]其瞬时流量出现正、负偏差，正偏差上限值为8.00m3/h。当干扰频率不变，随着干扰功率逐渐增加，累计流量逐渐减少，其最大误差值为 -332L。
2.当干扰源处于W款超声波燃气表表盖与表壳间缝隙处即X（后）时，相较高精度标准表 [瞬时流量：（4.00-4.10）m3/h；累计流量：665L]其瞬时流量仅出现负偏差，负偏差下限值为0.00m3/h。当干扰频率不变，随着干扰功率逐渐增加，累计流量逐渐减少，其最大误差值为 -577L。
3.W款超声波燃气表的三轴六面受到电磁干扰后，均显示4-Err告警提示。当移除干扰源后，其瞬时流量恢复正常，累计流量受影响数值未恢复。
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表8：S款超声波燃气表试验数据
分析表8数据：
1.当干扰源处于S款超声波燃气表除Z（下）的其余5个面时，相较高精度标准表 [瞬时流量：（4.00-4.09）m3/h；累计流量：663L]其瞬时流量出现正、负偏差。当干扰频率不变，随着干扰功率逐渐增加，累计流量逐渐减少，其最大误差值为 -246L。
2.当干扰源处于S款超声波燃气表表盖与表壳间缝隙处即Z（下）时，相较高精度标准表 [瞬时流量：（4.00-4.09）m3/h；累计流量：663L]其瞬时流量仅出现负偏差，负偏差下限值为0.00m3/h。当干扰频率不变，随着干扰功率逐渐增加，累计流量逐渐减少，其最大误差值为 -535L。
3.S款超声波燃气表的三轴六面受到电磁干扰后，均显示Err-97告警提示。当移除干扰源后，其瞬时流量恢复正常，累计流量受影响数值未恢复。
四、试验结论
试验发现，电磁场干扰会对W、S两款超声波燃气表的计量性能产生不同程度的影响，结论如下：
（一）当干扰频率不变时，干扰功率与静态下超声波燃气表瞬时流量跳变范围的上/下限绝对值的大小成正比；
（二）当干扰频率不变时，干扰功率与动态下超声波燃气表累计流量的负偏差程度成正比，若干扰源处于表盖与表壳间缝隙处时，受影响程度尤为严重。
综上所述，干扰频率决定干扰性质，干扰功率及干扰源位置决定干扰程度。
五、原因推测分析
（一）通过调查发现，两款超声波燃气表内使用的核心部件（超声换能器）均为同一进口品牌产品，且与超声波燃气表的计量结算功能相关，推测受干扰频率与其工作频率（即频率谐振点）相近，导致两款超声波燃气表的计量性能受到影响，且受影响的频率范围相近。
（二）两款超声波燃气表的计量性能受到干扰最严重的位置主要集中在表盖与表壳间缝隙处，当干扰源靠近缝隙处时，可以明显发现其瞬时流量负偏差程度加剧，推测表盖与表壳缝隙处未进行防干扰处理，导致干扰信号较易透过缝隙影响内部计量模块。
六、建议
（一）屏蔽干扰信号
建议采用金属或磁性材料对超声波燃气表表盖与表壳间缝隙处及易受干扰的核心部件进行屏蔽防护，屏蔽体接缝处应使用导电衬垫，以改善接触面的导电性能，屏蔽体上尽量不要开孔、开洞，从而阻断或削弱电磁场的空间耦合通道，阻止其电磁信号的传输，有效抑制电磁场干扰。屏蔽效果的好坏主要取决于屏蔽体的材质特性，抑制低频（1MHz以下）磁场时，应选用导磁率高的材料，如玻莫合金、铁等。抑制高频（1MHz以上）磁场时，选用良导体材料，如铜、铝等。
（二）引入滤波方法
建议采用滤波的方法，充分发挥超声波燃气表智能化的优势，增加信号接收单元的滤波功能，通过软件处理程序，将干扰频率信号过滤，仅让正常工作频率信号通过，有效抑制电磁场干扰。同时应综合考量，增加滤波功能带来的额外功耗，避免超声波燃气表的整体使用功耗过高，致使电池寿命无法满足规定使用年限。
七.结束语
超声波燃气表作为燃气智能网络的“电子神经元”，只有在确保计量性能稳定、可靠的基础上，智能化功能的开发应用才有更宽、更广的发挥空间，对于其更好地推广应用意义重大。为“十四五”数字化城市赋能，提升燃气行业的科学化、精细化、数字化管理水平，打造韧性城市、智能城市奠定基础。
参考文献
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[3]杨志忠，高锡秋，郭顺华.电磁干扰的抑制方法[J].电力自动化设备，1994,3（51）：4-14.
[4] 伍淑辉.浅析超声波燃气表的计量性能和应用前景[J].科学工程与电力，2019,4（23）：20-24.