新型超聲波燃氣表在燃氣運行管理方面的應用

劉 新

（遼寧思凱科技股份有限公司，遼寧 丹東 118008）

0 引言

物聯網技術初期應用于數據采集，燃氣表將數據通過短距無線的方式上傳至集中器，數據集中器將采集到燃氣表數據通過公共網絡傳輸到后臺系統(tǒng)。隨著物聯網技術的高速發(fā)展，燃氣表內部直接配有物聯網通訊模組，燃氣表本身具備數據遠傳功能。

普通的物聯網技術應用于燃氣表中，雖然使燃氣表具有物聯網功能，但存在功耗大，覆蓋能力不強等缺點。NB-IoT物聯網通訊技術[1]可以彌補普通物聯網技術的缺陷，更適合應用于燃氣表上，以實現低功耗、廣覆蓋的物聯網功能。

超聲波技術在燃氣計量領域的應用已有幾十年的歷史，早期主要應用于工商業(yè)貿易結算領域。隨著科學技術的發(fā)展，生產工藝的提高，居民用超聲波燃氣表技術獲得較大突破。在2010年前后居民用超聲波燃氣表開始在國內進行試應用，隨著國內各地檢定規(guī)程及行業(yè)標準的出臺，居民用超聲波燃氣表在國內的用戶量得到迅猛發(fā)展。截止目前為止，國內超聲波燃氣表累計用戶量已近百萬。

新型物聯網超聲波燃氣[2]表結合NB-IoT物聯網技術及超聲波計量技術這兩大技術優(yōu)勢，充分滿足了燃氣公司在燃氣運行管理方面對燃氣使用安全性，用氣數據的實時性、準確性等多方面要求。此外，該款超聲波燃氣表配備生產運維系統(tǒng)、費控服務系統(tǒng)及售后服務系統(tǒng)。依托于這3大系統(tǒng)，可有效地統(tǒng)籌規(guī)劃并提升生產效率，記錄表具在其生命周期內的運行情況，又可結合用戶現場實際使用情況切換多種費控模式，既可保證產品的全生命周期的運維安全，又可提升售后服務質量，增強用戶體驗感。

1 NB-IoT物聯網超聲波燃氣表

1.1 NB-IoT技術

窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT），NB-IoT的帶寬很窄只有180kHz，也就是說它占用頻帶的資源少，所以可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡（2G/3G/4G）上，充分利用現有已部署完成的資源，網絡部署成本低。NB-IoT部署在現有的通信運營商（電信、移動、聯通）的網絡上，所以NB-IoT的通訊可靠性非常高。

NB-IoT技術覆蓋廣，在相同的頻段下，比現有的網絡高20dB，相當于網絡覆蓋面積擴大了100倍。低功耗、低待機電流、數據收發(fā)電流低，更適合于物聯網燃氣表的應用。

1.2 超聲波燃氣表

1）超聲波燃氣表的組成與原理

超聲波燃氣表主要由超聲波換能器、氣道、外殼、智能電子部分等組成，它是通過測得氣道[3]內超聲波在順逆流條件下不同的飛行時間差，進而測量氣體體積量值。計量原理如圖1。

圖1 超聲波燃氣表計量原理示意圖Fig.1 Measuring principle diagram of ultrasonic gas meter

管道內的平均流速Vm與聲道橫截面面積的乘積可得到瞬時流量，瞬時流量與時間的積分可得到累計用氣量。也可采用相似的方法獲得聲波的傳輸速度：

2）超聲波燃氣表的特點

超聲波燃氣表基于其工作原理[4]，決定了其全電子結構的特點，內部無機械傳動部分，氣體計量時無機械噪音，不受機械磨損及故障影響，內部無磁感元件，計量不易受磁場影響，與傳統(tǒng)膜式機械表相比無論在體積、精度、重復性還是在壽命上都有著無可比擬的優(yōu)勢。該表具的結構簡單、可靠性高，主要計量部件為氣道、超聲波換能器，裝配工藝更簡單。該表具體積小，為傳統(tǒng)表具體積的1/2，此特性使它更適應于狹小空間等苛刻環(huán)境下的安裝。

超聲波燃氣表計量精度高、量程寬，居民用超聲波燃氣表具有較寬的量程比（1:375），居民用超聲波燃氣表在流量范圍0.016m3/h～6m3/h內，計量精度均能達到±1%內。超聲波燃氣表在分界流量點以上，計量穩(wěn)定性更優(yōu)異，誤差間波動值小于0.6%。超聲波燃氣表計量靈敏度高，超聲波燃氣表獨特的計量方式能夠檢測到細微的氣體流量。

超聲波燃氣表耐久性強、無機械損耗，由于采用時差法進行計量測量精度除時差外，內部無機械運動部件，只與氣道的機械尺寸相關。超聲波燃氣表組裝成整表后，內部用于計量的氣道的機械尺寸不變，所以整表無磨損精度，不隨時間發(fā)生變化。超聲波燃氣表抗干擾能力強，超聲波燃氣表采用電子式數字式計量方式，內部無磁感元件，不受磁場干擾，抗干擾能力強。

3）超聲波燃氣表的功能

超聲波燃氣表配有計量模塊、閥門控制模塊、數據存儲模塊、無線通訊模塊等，用以實現異常流量切斷閥門防倒流、防私自拆卸、數據存儲、遠程控制、智能報警等功能。

異常流量切斷閥門功能，超聲波燃氣表采用電子式速度式，具有數據采樣周期短的計量特性。當異常流量發(fā)生時，該表具判斷異常的響應時間短、準確性高，可切斷表內閥門，及時避免突發(fā)膠管脫管、膠管斷裂或老化，及長時間的非正常流量使用等原因而導致的燃氣泄漏引發(fā)的事故。各個異常流量參數可以根據燃氣公司規(guī)定或者用戶用氣習慣進行個性化設置，避免因燃氣用戶的用氣環(huán)境差別，使用同一組參數而誤判斷切斷關閥的情況發(fā)生。

防倒流功能。由于超聲波燃氣表采用時差法計量，利用超聲波在流動氣體中順流傳播和逆流傳播時間的倒數差與流體流速成正比的原理來判斷表具在安裝及使用過程中是否存在反向安裝及倒流的現象，進而切斷關閥。

防私自拆卸功能。根據聲波在不同介質中的傳播速度不同的特性，超聲波燃氣表可識別表內氣體介質的變化，進而判斷出表具從管道上被拆卸動作。該燃氣表自身具有拆蓋檢測功能，當超聲波燃氣表控制器殼體被拆開后，表具自動切斷閥門，并記錄異常事件。

無線通訊功能。每天定時或通過表端按鍵將超聲波燃氣表數據（批量計量數據壓縮[5]上報）、表具狀態(tài)等參數上傳至后臺服務器，后臺系統(tǒng)可以根據上報的數據分析用戶用氣狀態(tài)，后臺管理系統(tǒng)也可以遠程讀取表內歷史數據及異常記錄數據等。

智能報警功能。超聲波燃氣表根據表內實時運行狀態(tài)及數據分析出用戶用氣情況，當用戶發(fā)生異常流量切斷閥門或私拆表動作時，超聲波燃氣表立即連接公共網絡，將報警信息主動上報至后臺管理系統(tǒng)，后臺管理系統(tǒng)將報警信息同步轉發(fā)燃氣公司、燃氣用戶及小區(qū)物業(yè)用以提示燃氣使用異常及時處理，形成表具、燃氣公司、燃氣用戶、小區(qū)物業(yè)的聯動，可有效縮短安全事故的響應時間或避免安全事故的發(fā)生。除此之外，超聲波燃氣表將表內異常上報給后臺管理系統(tǒng)，后臺管理系統(tǒng)將異常信息通知給表具維修人員及時上門排查處理。

遠程控制功能。超聲波燃氣表通過內部的閥門控制模塊及無線通訊模塊，實現遠程控制閥門操作。超聲波燃氣表通過主動上報或者報警上報將數據上傳至后臺管理系統(tǒng)，后臺管理系統(tǒng)對表內運行狀態(tài)、用戶用氣數據進行分析，根據燃氣公司要求對閥門進行遠程關閥操作。

數據記錄存儲功能。超聲波燃氣表內部具有大容量、高可靠性的數據存儲模塊，數據存儲模塊可以對超聲波燃氣表所有過程數據、狀態(tài)數據、設置參數、異常記錄等數據進行存儲。

溫壓補償功能。眾所周知氣體的體積受溫度、壓力等因素影響，依據理想氣體狀態(tài)方程推算出當溫度每變化1℃，氣體的工況體積會有0.3%左右的變化。當壓力每變化1kPa，氣體體積會有1%左右的變化。超聲波燃氣表內部可配有高精度溫度、壓力傳感器，通過硬件電路與軟件程序處理使超聲波燃氣表具有氣體體積溫壓補償功能。

2 NB-IoT物聯網超聲波燃氣表在燃氣運行管理的應用

近年來隨著城市燃氣用氣量需求大量增加，燃氣行業(yè)取得了巨大的發(fā)展，給燃氣用戶帶來使用清潔、方便能源，保證燃氣用戶用氣的安全同時，隨著燃氣用戶數量的急劇增加，使燃氣公司用于用氣數據抄收、燃氣表安檢、維護等工作帶來人工成本、管理成本居高不下，燃氣價格也根據不同情況帶來燃氣價格波動。階梯氣價的實施使得傳統(tǒng)的管理模式不再適用，也給燃氣公司的運營管理帶來了新的困難及挑戰(zhàn)。新型NB-IoT超聲波燃氣表可以幫助燃氣公司很好地解決燃氣運營管理上的問題。

2.1 燃氣運行管理的難點

1）抄表難、調價難、收費難

居民用戶數量的大量增加及居民安全意識的提高，采用傳統(tǒng)燃氣表使得燃氣公司抄表人員面臨入戶難、抄表難的問題。隨著國家相關政策的出臺，要求燃氣價格需要支持階梯氣價并進行合理的收費，氣價波動而調價等一系列情況，給燃氣公司帶來運行成本居高不下的問題。

2）用氣數據統(tǒng)計的實時性、準確性差

燃氣市場的快速發(fā)展使燃氣用戶用氣數據的統(tǒng)計能力滯后于燃氣用戶的增長速度，在一個統(tǒng)計周期內很難保證用氣數據統(tǒng)計的實時性與準確性，給燃氣公司的日常運營及燃氣管網的調控造成一定的困難。

3）用氣安全監(jiān)測與隱患排查難

近年來居民對燃氣的用途也從單一的居家做飯、燒水等，逐漸往沐浴、取暖等多元化用氣形式發(fā)展。燃氣給人們的生活帶來方便的同時，由于燃氣的易燃、易爆、易中毒等特性，也帶來用氣安全的問題。燃氣使用中由燃氣的泄漏引發(fā)的中毒、爆炸事故屢有發(fā)生，燃氣安全隱患主要來自用戶缺乏必要的燃氣安全使用常識及使用不當造成的。燃氣公司對于燃氣用戶用氣安全監(jiān)測及隱患排查存在一定的難度，也給燃氣運行管理帶來很大的問題。

4）供銷差控制難

居民燃氣用戶數量的增加及非居民用戶（工商業(yè)）燃氣需求量快速增長。例如，居民燃氣表無穩(wěn)壓補償措施、非居民用戶（工商業(yè)用戶）的表具選型不當、抄表率低、偷盜氣行為不能及時地監(jiān)控及制止等原因帶來燃氣供銷差大，從而給燃氣公司帶來一定程度的經濟損失。

2.2 NB-IoT物聯網超聲波燃氣表在燃氣運行管理方面的應用

依據NB-IoT物聯網超聲波燃氣表其功能特點及技術優(yōu)勢，可以更好應用于現代燃氣運行管理上，更好地解決燃氣公司抄表難、收費難，用氣數據實時性、準確性差，用氣安全檢測難，供銷差難以控制等問題。

1）用氣數據統(tǒng)計的實時性、準確性

每天可將表內用氣數據、電量、閥門狀態(tài)、表具運行狀態(tài)、異常信息等數據通過NB-IoT物聯網模塊接入到NB-IoT網絡，并將數據上傳至后臺管理系統(tǒng)，后臺管理系統(tǒng)對表具上報的數據進行分析。NB-IoT物聯網超聲波燃氣表每日數據抄收成功率不低于98%，實現全自動抄表可以很好地解決傳統(tǒng)表具抄表入戶難，數據實時性差、數據不準確等問題，減少燃氣公司用于抄表的人工成本、管理成本。

該燃氣表可與后臺管理系統(tǒng)配合讀取、查詢表內存儲的日用氣量數據、月用氣量數據、年用氣量數據甚至可以讀取小時用氣量數據，分析用戶用氣習慣，實現大數據、信息化建設。

2）保障用氣安全，提高用氣安全性

NB-IoT物聯網超聲波燃氣表計量采樣周期通常為2s，即可以檢測到燃氣的瞬時流量，以G4型號的超聲波燃氣表2s就可以測量出0.04m3～6m3/h任意一點瞬時流量，而同樣型號為G4傳統(tǒng)膜式燃氣表測量出6m3/h的流量時最少需要6s，測量0.04m3/h的流量則至少需要900s而且容積式燃氣表在小流量測量時需要連續(xù)多個脈沖信號才能準確地判斷出小流量。當燃氣發(fā)生泄漏時，超聲波燃氣表無論從異常流量響應速度還是從異常流量判斷的準確性上都要優(yōu)于膜式燃氣表。該款燃氣表能夠快速、準確地判斷異常流量的發(fā)生并及時切斷閥門，同時啟動異常流量報警功能，將異常信息上傳至管理平臺，管理平臺將異常流量信息立即推送給燃氣公司、小區(qū)物業(yè)、燃氣用戶，能更好地保障用戶用氣的安全，提高用氣的安全性。

NB-IoT物聯網超聲波燃氣表已在國內很多地區(qū)大量使用，表具啟動異常流量切斷功能，在燃氣用戶使用過程中，異常流量報警的排查發(fā)現多數是由于異常小流量而引起的自動切斷閥門并報警，而觸發(fā)異常小流量大部分原因是由于居民用戶室內管道老化、灶具膠管老化導致存在微小泄漏點。

3）智能報警、遠程監(jiān)控[6]、遠程充值

NB-IoT物聯網超聲波燃氣表具有異常流量檢測、拆表檢測、倒流檢測并實時報警功能。

從使用過程中，NB-IoT物聯網超聲波燃氣表成功地判斷用戶私自拆表的現象，其中部分是因用戶裝修改造燃氣管道造成，燃氣公司對其改造進行監(jiān)控檢測，檢查表具重新安裝后的密封性，排查安全隱患。各別用戶確實存在偷盜氣行為，燃氣公司采取一定的措置，有效地降低用戶偷盜氣給燃氣公司帶來的經濟損失。

隨著社會的發(fā)展、物聯網信息化時代的到來，居民的消費方式從現金支付、柜臺支付轉變?yōu)槲⑿?、支付寶、網上銀行等現代化、便捷化的支付，而傳統(tǒng)的表具一般分為后付費方式及表端IC卡預付費方式，不能滿足社會的發(fā)展，而現在可以通過微信、支付寶、手機APP的多種渠道對NB-IoT物聯網超聲波燃氣表進行充值實現預付費、后付費的管理模式，通過表具上傳的用氣數據，后臺管理系統(tǒng)根據用氣量、燃氣單價、剩余金額可生成用氣賬單，對用氣量不足或者欠費的用戶進行提醒或者進行遠程關閥等操作，杜絕用戶拖欠、拒繳等惡意行為。

4）有效地控制燃氣供銷差

NB-IoT物聯網超聲波燃氣表可實時監(jiān)測用戶的瞬時用量信息并定時存儲相關運行數據，可實現對表具運行狀態(tài)的有效監(jiān)控，一定程度上杜絕“小馬拉大車”“大馬拉小車”，表具選型不當引起的計量不準確，可為表具選型提供足夠的數據依據支撐，減小因表具選型不當帶來的對燃氣供銷差的影響。

目前，隨著各地“煤改氣”政策的出臺實施，很多燃氣表安裝在戶外。戶外溫度受季節(jié)、天氣的影響很大，使氣體體積的變化大，居民用戶對燃氣的需求由單一變成多元化，使居民用戶對燃氣的需求量變大。NB-IoT物聯網超聲波燃氣表的溫度壓力補償功能可以彌補氣體體積隨溫度壓力變化帶來計量的影響，從目前使用的NB-IoT物聯網超聲波燃氣表在不改變用戶用氣習慣的條件下，通過后臺管理平臺[7]分析的數據得出NB-IoT物聯網超聲波燃氣表相比于普通物聯網燃氣表從燃氣計量數據上多出2%～3%，減少氣體由于溫度壓力的變化帶來的供銷差的影響。表具全生命周期維護系統(tǒng)架構圖如圖2。

圖2 表具全生命周期維護系統(tǒng)架構圖Fig.2 Architecture diagram of full life cycle maintenance system

3 結束語

NB-IoT物聯網超聲波燃氣表更適合于當前燃氣運行管理的需求，具有智能抄表與監(jiān)控、保障用戶用氣安全、燃氣利用率與能效分析等功能，成為燃氣公司實現物聯網、云平臺和大數據的智慧燃氣建設的重要組成部分。