基于GPRS通信的帶能量計量功能的新型氣體修正儀研制*

李孝評　謝象佐　潘友藝　孫治鵬　蘇紅玲

(天信儀表集團有限公司，蒼南 325800)

0　引言

當前，天然氣貿(mào)易交接計量的方式主要有體積計量(或質(zhì)量計量)和能量計量兩種。體積計量方式是天然氣傳統(tǒng)的計量方式，也是我國絕大部分地方采用的交接計量方式[1]。但是，對于大規(guī)模交接計量，國際上通行的方式是以能量計量為主，體積計量為輔的方式，如北美、西歐、中東等國家。

而且，天然氣是一種混合可燃性氣體，含有以甲烷、乙烷等為主的烴類和氮、二氧化碳等非烴類混合物。天然氣的價值以烴類物質(zhì)燃燒時所釋放的熱值來衡量，而非烴類如氮、二氧化碳等并不能貢獻熱值。因此，天然氣中非烴類物質(zhì)含量越高，其可利用的天然氣熱值含量就越低。那么，為體現(xiàn)更公平、更科學地貿(mào)易交接，需使用能量計量作為主要貿(mào)易交接方式。

另外，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，測量技術(shù)與通信技術(shù)的緊密結(jié)合使得測量技術(shù)領域向遠程計量及測量系統(tǒng)控制方向發(fā)展。采用無線遠傳GPRS通信技術(shù)，方便與其他二次儀表或計算機系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)組成網(wǎng)絡管理軟件(如能量系統(tǒng)管理軟件)，無需再配置相應的設備。

基于此，我們設計了一款基于無線遠傳GPRS通信且具有能量計量功能的新型氣體修正儀(以下簡稱修正儀)。

1　GPRS及其主要功能模塊

GPRS是通用分組無線業(yè)務的縮寫(General Packet Radio Service)，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務。

目前，通信模塊種類繁多，本論文采用MOTOROLA G24通信模塊。它是一款高速的GSM/GPRS/EDGE模塊，支持四頻850/900/1800/1900MHz，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，以先進的技術(shù)、穩(wěn)定的性能實現(xiàn)了M2M的高速無縫連接。G24通信模塊的功能框圖如圖1。

圖1　G24通信模塊框圖

其相關技術(shù)特點包括：GPRS傳輸類型為Class 10；符合SMG31bis技術(shù)規(guī)范；采用CS1～CS4編碼方案；天線接口50Ω/SMA/陰頭；電壓范圍+3.6～+12VDC；休眠期電流<10mA；數(shù)傳電流120～300mA。

基于G24通信模塊，本修正儀采用一款低功耗且低成本的MCU與G24通信模塊共同組成GPRS模塊，使GPRS數(shù)據(jù)通信能夠更方便快捷地建立起來，從而減少修正儀中的微機處理器資源的消耗，也方便了對GPRS模塊的調(diào)試、維護等作用。如圖2所示，MCU單片機起到連接修正儀中的微機處理器和G24通信模塊之間通信的橋梁作用。

圖2　GPRS模塊框圖

2　天然氣能量計量的原理

根據(jù)GB/T 22723—2008《天然氣能量的測定》標準，氣體的能量測定是基于隨時間而變化的氣體流量q(t)和發(fā)熱量H(t)。計算時間t0至tn內(nèi)流過的能量E，如式(1)所示。

(1)

式中，E為天然氣的能量，MJ；Vb為天然氣標準參比條件下的體積，m3；H為天然氣高位發(fā)熱量，MJ/m3。

氣體體積量一般是通過相應的流量計在實際操作條件下測量的體積，因此，需要將其轉(zhuǎn)換為標準參比條件下的等量體積，現(xiàn)有的修正儀通常都具備此項功能。

天然氣發(fā)熱量的測量系統(tǒng)由取樣系統(tǒng)和直接測量(如燃燒式熱量計)、間接測量(如氣相色譜儀)、關聯(lián)技術(shù)等3種測量設備中的一種組合構(gòu)成。本系統(tǒng)采用間接測量方法，即采用在線氣相色譜儀，其系統(tǒng)組成示意圖如圖3所示。

圖3　能量計量系統(tǒng)示意圖

如圖3所示，天然氣發(fā)熱量相關的氣質(zhì)數(shù)據(jù)通過通信(如RS485)或設定的方式輸入至修正儀，在修正儀中被換算為發(fā)熱量H。同時，修正儀根據(jù)實際操作條件下的體積Vm、壓力p、溫度T和壓縮因子Z計算某一時刻的標準參比條件下的體積Vb，如式(2)所示。然后，根據(jù)發(fā)熱量H和標準參比條件下的體積Vb，由式(1)獲得某一時間段內(nèi)天然氣的能量E。最后，通過GPRS無線遠傳通信，修正儀將該能量數(shù)據(jù)上傳至上位機能量管理系統(tǒng)，以便進行天然氣貿(mào)易結(jié)算。當然，遠傳的數(shù)據(jù)還包含標準體積Vb，壓力p，溫度T，發(fā)熱量等。

(2)

式中：Tb為標準參比條件下絕對溫度，K；pb為標準參比條件下壓力，kPa；Zb為標準參比條件下壓縮因子。

3　硬件設計

3.1　總體結(jié)構(gòu)

修正儀系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，整個系統(tǒng)大致可分為電源管理、信號采集、通信方式及按鍵顯示存儲四大部分。所有通用的對外輸出接口均與內(nèi)部CPU系統(tǒng)實現(xiàn)全電氣隔離設計，既提高了修正儀的可靠性、抗干擾性，又便于在本安防爆電路中提供分塊儲能計算。另外，系統(tǒng)采用了微功耗先進技術(shù)，在僅有內(nèi)電源電池供電時，平均工作電流大約為200～300μA，可長期穩(wěn)定運行。

3.2　電源管理部分

如圖4所示，外接電源有外電源1和外電源2，它們都通過隔離的方式給CPU內(nèi)部系統(tǒng)供電。另外，應用戶需求，外電源2處也含有可輸出大電流的TADIRAN型電池，其與外接電源之間可實現(xiàn)自動切換。

圖4　修正儀原理框圖

圖5　GPRS升壓電路

由于GPRS通信模塊在開啟或數(shù)據(jù)傳送時瞬態(tài)電流激增，從而引起其電源電壓下降。鑒于此，設計外電源2時，需引入一種升壓電路。如圖5所示，通過調(diào)節(jié)R24和R25電阻比值，將電池的端電壓3.9V提高至5V。另外，升壓電路中的LT3539芯片具有輸出電流大，靜態(tài)電流小，且能完全關斷的功能。因而，保證在電池端電壓下降或電流激增時GPRS模塊也能正常工作。

3.3　通信方式部分

由于傳統(tǒng)的有線連接很難實現(xiàn)遠程通訊，使用范圍受到了限制，而且成本較大[2]。另一方面，短程無線通信如射頻通信、紅外通信，由于受發(fā)射功率的限制，其通信只有在空曠地幾十米至百米內(nèi)進行，同樣難以實現(xiàn)遠程無線組網(wǎng)。因此，在有線通信和短程無線通信的基礎上研制一款具有真正意義上的遠程無線通信功能的修正儀是非常必要的。

如圖4所示，修正儀含有多種通信或輸出接口，可與用戶設備相聯(lián)接。其中的通信方式包括RS485通信、射頻通信、紅外通信及GPRS通信；輸出方式有4～20mA輸出、脈沖輸出及參數(shù)報警輸出。有線RS485通信與短程無線射頻通信傳輸修正儀的當前參數(shù)、歷史記錄數(shù)據(jù)及內(nèi)置參數(shù)，實現(xiàn)短距離內(nèi)的組網(wǎng)；紅外通信使得修正儀可與紅外抄表器進行信息交換；GPRS通信可完成與上位機系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)流量計參數(shù)數(shù)據(jù)遠傳功能。

3.4　按鍵顯示存儲部分

本修正儀采用一鍵多用、雙鍵復用技術(shù)，依靠4個按鍵，結(jié)合MST-G240128點陣液晶屏顯示，可以完成用戶參數(shù)、廠家參數(shù)設置。為降低修正儀功耗，點陣液晶屏處于關斷狀態(tài)，打開顯示需按下面板上的顯示按鈕，一分鐘后又自動關閉顯示。另外，為保證數(shù)據(jù)安全，選用512K容量的E2PROM存儲用戶參數(shù)、廠家參數(shù)、累積量等眾多數(shù)據(jù)。

4　軟件總體設計

整個軟件構(gòu)架采用模塊化設計，將各功能設計成相互獨立的函數(shù)供主程序調(diào)用，這樣既增強了程序的可讀性，又方便系統(tǒng)的維護與升級。此外，整個系統(tǒng)采用前后臺的控制方式來協(xié)調(diào)各功能模塊，控制和任務分配是由主程序和中斷服務程序完成。主程序流程圖見圖6所示。

圖6　應用主程序流程圖

需要特別說明的是，在計算顯示處理程序中，本修正儀植入了天然氣、空氣、氮氣、氫氣等多種氣體的壓縮系數(shù)數(shù)學模型或表格。對于天然氣，兩種數(shù)學模型AGA NX-19方程和SGERG-88方程可供選擇[3-5]，以滿足不同計量場合之需要。

5　修正儀的誤差分析

由上可知，修正儀需要測量三種物理量，它們分別是溫度、壓力及流量。如何準確可靠的采集溫度、壓力及流量信號很大程度上決定了修正儀的準確度等級，同時也決定了整個產(chǎn)品的穩(wěn)定性[6]。

本文采用高度集成的高精度數(shù)字溫度傳感器和數(shù)字壓力傳感器，采用I2C接口與修正儀進行數(shù)據(jù)交換，溫度與壓力測量精度與修正儀主機無關，可隨意組合，調(diào)試、維護非常方便。其中，溫度滿量程誤差≤±0.2%(±0.5℃)，壓力滿量程誤差≤±0.2%，流量、能量計算誤差≤±0.1%。因而，根據(jù)式(3)獲得的修正儀綜合最大誤差為±0.5%。

Ec=±(|Et|+|Ep|+|Ev|)

(3)

式中，Ec為修正儀綜合最大誤差，%；Et為修正儀溫度示值最大誤差，%；Ep為修正儀在≥20%pmax壓力示值最大誤差，%；Ev為修正儀流量計算最大誤差，%。

由式(3)可知，本修正儀的綜合最大誤差計算不包含氣相色譜儀氣體組分測量的不確定度和流量計最大允許誤差，在計算系統(tǒng)整體能量計量不確定時[7-8]，應考慮以上兩部分的不確定度。

6　性能試驗與分析

本修正儀通過示值誤差試驗、4～20mA電流輸出誤差試驗、絕緣電阻及強度試驗、電磁兼容試驗、工作電流試驗、各種通信方式試驗、高低溫試驗和防爆性能試驗等全方位的試驗[9-11]。隨機抽取兩臺樣機進行示值誤差試驗、EMC電磁兼容試驗和工作電流測試，其試驗測試記錄結(jié)果如表1所示。

表1　部分試驗記錄表

這一系列試驗結(jié)果驗證了本修正儀無論是計量轉(zhuǎn)換精度還是性能指標都到達了設計的要求，而且在其綜合性能方面也達到了國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進水平。

7　結(jié)論

為順應我國天然氣能量計量貿(mào)易結(jié)算發(fā)展的趨勢，且能科學、公平地體現(xiàn)貿(mào)易計量，本文設計了一款具有GPRS遠程通信，并帶能量計量功能的新型氣體修正儀。本修正儀不僅具有精度高、功能豐富、運行可靠安全等特點，而且，可為使用越來越廣泛的天然氣能量計量系統(tǒng)提供相應的計量轉(zhuǎn)換設備。另外，該設備可與各種主流的流量計配套使用，并能連接多種氣相色譜儀。

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