燃气嗅敏仪原理

由中科院合肥物质研究所研制的&ldquo 城市天然气管网监测系统&rdquo ，近日通过了国家安全生产监督管理总局组织的专家鉴定，有望实现产业化推广。该系统在50毫秒内即可迅速检测出泄漏点。 　　去年11月，山东青岛发生输油管道爆燃事故 今年8月1日，台湾高雄又发生天然气管道爆炸。当整座城市坐落在有着燃、爆危险的天然气管网上，如何实现有效的安全监控是一个世界性难题。 　　系统由中科院合肥物质研究所和安徽中科瀚海光电技术发展公司联合研发而成，采用激光吸收光谱检测技术，通过气体分子对激光波长的改变识别甲烷，检测灵敏度达到0.05%。 　　&ldquo 系统采用定点实时监测和移动巡检相结合的方式，可以实时将检测数据传输到远程监控中心，为安全调度、应急处置提供依据。&rdquo 中科瀚海负责人李树广介绍，所谓&ldquo 定点&rdquo 就是对储气场站、调压站等易泄漏点进行24小时全天候监控 &ldquo 巡检&rdquo 则是通过巡检车查出地下管道的微小泄漏隐患，并以红黄绿不同的颜色标示在电子地图的轨迹上，对严重泄漏即时报警，从而实现有效监控。 　　专家鉴定组副组长、中国燃气学会副秘书长李颜强认为，该系统的亮点在于可以对每一辆运行中的燃气运输车辆进行定位和泄漏监测。通过与北斗定位系统的一体化融合，把燃气运输车辆的安全状态实时传送，一旦发生泄漏立刻向驾驶员和监控中心报警。

2024年9月10-11日，由中国市政工程华北设计研究总院有限公司城市燃气热力研究院、贵州省燃气协会、贵州省厨具协会联合主办的2024年中国燃气具行业年会在贵阳成功举办。四方光电股份有限公司（以下简称“四方光电”）携多款重磅产品与行业解决方案亮相并发表主题演讲，同时荣获主办方颁发的“优秀论文一等奖”。年会期间，四方光电低碳热工研发团队带来了主题演讲 ——“传感器驱动：燃气壁挂炉行业智能化技术解决方案”。其报告从四个关键方面详细阐释了传感器在提升燃气壁挂炉燃烧系统性能方面的核心作用和燃气壁挂炉技术最新研究成果：(1) 传感器助力燃气壁挂炉清洁高效燃烧：凭借四方光电提供的高性能风机、燃气阀、燃烧器等执行器与控制器，融合基于火焰离子电流传感器控制的智能燃烧控制算法，为燃气壁挂炉行业提供高效低碳的智能燃烧解决方案，实现燃气的充分燃烧，降低能源消耗，提升环保效益。(2) 传感器解决燃烧系统稳定性与环境适应性问题：依托流量传感器加离子感应针技术方案，解决壁挂炉对外界环境的适应性问题，轻松应对不同燃气压力波动、外部风压变化、地理位置差异、烟道风阻变化等复杂情况，有效解决壁挂炉燃烧稳定性问题，精准反馈与调节空/燃比和流量，降低熄火风险。(3) 传感器解决燃气和掺氢适应性问题：借助空气/燃气流量传感器、燃气热值传感器以及离子感应针，可实时精准反馈系统所需的理论空燃比，降低燃烧系统的控制误差度，有效解决天然气成分波动以及不同掺氢比下引起的燃气适应性问题。(4)传感器简化安装维护保养：基于CO2、O2、CO等气体浓度传感器和流量传感器，可实现燃气壁挂炉的自动化调试。本次年会设置论文颁奖环节，其中共设置一等奖6名，四方光电低碳热工研发团队发表的研究性论文《全预混燃气壁挂炉筒形燃烧器火焰燃烧特性与污染物排放特性实验研究》在120篇优秀论文中脱颖而出，荣获“优秀论文一等奖”，评审专家组对论文给予了高度肯定。论文分析了5种不同火孔结构的筒形燃烧器在多样化的热负荷和过量空气系数条件下的性能，揭示了燃烧器在不同工况下的火焰特性、热效率以及烟气污染物排放情况，为筒形燃烧器的设计提供了参考，利于燃气采暖热水炉的性能提升。同时，四方光电展台上展示了ACS 智能燃烧系统（此套系统分别采用了四方光电核心传感器技术以及控股子公司精鼎电器和诺普热能所自主研发生产的燃气比例阀、热交换器和燃烧器）、家用燃气安全、工业安全监测、燃气计量等综合解决方案，吸引了众多专家和观众前来参观洽谈。通过此次年会，四方光电不仅展示了其在燃气具行业的综合解决方案，也进一步加深了业内交流与合作。四方光电将继续秉持创新驱动的发展理念，致力于为行业提供更加智能化、安全化的技术与全面解决方案，不断推动燃气具行业的技术进步与可持续发展。

一、燃气表行业背景分析近年来，我国加快推进“煤改气”工程建设，天然气已经成为我国现代清洁能源体系的主体能源之一。到2020年，天然气在一次能源消费结构中的占比力争达到10%左右，到 2030 年，占比提高到15%左右。在这些燃气迅速发展的利好消息促进下，燃气计量行业将迎来巨大的发展契机。膜式燃气表因其技术成熟、质量稳定和价格低廉等优点，在我国城市燃气发展中得到广泛应用，随着计算机和微电子技术的发展，膜式表也逐步实现了智能化，目前在燃气计量行业仍然占据着主导地位。但膜式燃气表结构复杂、易磨损、易受管道介质温度压力等客观因素的影响，导致测量精度降低。热式（MEMS）燃气表是利用热传递原理测量燃气标准状况下流量的一种新型燃气计量器具，采用全电子结构，无机械运转部件，体积小、精度高。虽然可以针对特定天然气组分进行修正，但是从原理上还是易受多种不同气体组分影响，温度的影响修正也相对复杂，同时长期的污染物沉积使得MEMS芯片响应变慢影响精度，使得其应用受到限制。超声波燃气表以其非接触测量、无可动部件、无压力损失、极高的计量精度和可结合更多的智能化应用等优势，引起国内外的高度重视，是近年来燃气计量领域的开发热点。 二、超声波燃气表的研究与应用现状其实早在上世纪九十年代，英国、德国等国的多家燃气公司已陆续开发了超声波燃气表。受当时超声波探头、计时芯片、电子技术等的因素限制，价格还是非常高昂，无法与传统膜式燃气表竞争。进入二十世纪后，超声波燃气表的关键部件价格大大降低，迎来了超声波燃气表的快速发展。日本东京燃气公司于2003年7月开展了超声波燃气表的各种现场测试，于2005年率先安装了5000台超声波燃气表至用户家中，在2008年全面使用超声波燃气表。目前国际上的超声波燃气表技术主要来源于松下、西门子等公司，他们在超声波领域深耕多年，从流道结构、软件算法、超声波换能器及模块到整机，都有着诸多专利。虽然国内现有多家燃气表公司已开始研发超声波燃气表，但是大多数厂家还是使用松下的超声波燃气表传感器方案，也就是购买松下的电路板和超声波探测器，自己配套外壳组装成超声波燃气表。这样的模式使得国内厂家生产的超声波燃气表价格偏高，市场推广受到限制。我国燃气表产业生态已经基本建立，因此积极开展自主知识产权、可以满足燃气表规范要求的超声波气体流量传感器的技术研究，对于打破国外技术垄断、促进我国燃气表转型升级发展具有重要意义。 三、超声波燃气表用气体流量传感器核心关键（1）超声波换能器的自主研制。目前满足超声波燃气表计量要求的核心部件的超声波换能器基本都是进口，价格占总成本的40%。国产化的难点是其带宽以及高低温特性，既要保证较长的测试距离提高测试分辨率、较高灵敏度提高信噪比，还需要考虑不同温度下的测试漂移。 （2）燃气表的性能和稳定性问题。超声波燃气表由于无机械部件，理论上稳定性较传统膜式表要高很多，但膜式表在国内多年的使用中，已广泛被燃气表公司和客户接受。超声波燃气表如何在稳定性上达到燃气表公司的需求，打消燃气表公司的顾虑，是超声波燃气表迈向市场化的非常重要的一关。（3）气体污染问题。与膜式燃气表一样，由于超声波燃气表的常年运行，燃气中的粉尘或杂质会附着在超声波换能器上，影响换能器对信号的接收敏感度，从而影响燃气表测量准确度。（4）气源适应性问题。天然气密度比空气小，信号也较空气小；不同密度的气体通过超声波换能器后，其信号的波形会很不稳定。超声波信号传输会受传播介质、环境（温度、湿度、压力）以及管道内反射等各种因素影响，接收到的超声波信号通常存在着波形变化、幅值变化。因此，家用波燃气表要想进入家庭，并广泛使用，对气源的适应性是需要克服的最重要一关。 四、超声波燃气表用气体流量传感器技术特点四方光电公司自2008年开展对超声波气体传感器的研究以来，通过在超声波换能器、时间计量芯片以及时差自动计算方法、流程成分同时感知等领域取得突破，特别是在超声波氧气流量传感器、超声波沼气流量计等领域实现了规模化生产应用，具有较好的技术和产业基础。针对家用燃气表需要的超宽量程比、宽温度范围、抗污能力、脉动气流测量等特殊要求，开发成功满足超声波燃气表用的超声波气体流量传感器。（1）“L”型流道结构设计。超声波燃气表用超声波气体流量传感器采用“L”型流道设计，包括腔体、进气口、出气口及两个超声波换能器，通过将气室腔体的横截面设置为圆形，将超声波信号在第一个换能器安装孔和第二换能器安装孔之间的传播路径设置为“L”型流道，如图1所示。 图1. 燃气表用超声波气体流量传感器结构原理图传统超声波燃气表气体流量计量气室的“W”型发射流道，“V”型对射单通单流道以及“N”型对射单通单流道，都是通过超声波在流道内产生一次或多次反射而形成的路径以增加超声波声程，间接增大了换能器的有效距离，从而获得更高测量精度。但其缺点是通过反射后探测器信号较弱，信噪比降低，对换能器的要求很高。因此造成成本也较高。采用“L”型流道、圆形横截面的超声波燃气模块，克服了现有超声波燃气表气体流量计量气室管道的横截面积较大，气室体积较大，成本较高的问题，以及两个超声波换能器之间传播距离较短，降低测量结果准确性的问题。同时，还避免了被测气体中的污染物污染超声波换能器，从而影响检测结果准确性的问题。（2）用双阈值过零检测与数据选择技术。以时差法超声波气体流量计为基础，采用双阈值过零检测与数据选择算法技术，区别于超声波自动增益控制法，不对信号进行处理，通过关联幅值与飞行时间周期变化的关系，根据幅值判断飞行时间是否发生周期性变化，从实际测量得到多个结束方波脉冲对应的时间值中选择合适的结果，作为最终的飞行时间，从而精确计算气体流量。（3）自动调零算法。燃气表在温度、压力等外部因素变化条件下，对超声信号产生一定的影响，从而影响计量的时间差；此产生的时间差变化，可能只有ns级别，对高端流量几乎没影响；但对于低端流量，特别是Qmin，影响非常大，造成测量精度超过标准要求。另外，燃气表在无流量情况下的零点，可能受到超声波换能器零点的漂移影响，产生整体计量的漂移，对低端流量造成较大的影响，这是低端流量精度和稳定性超标最重要的原因。针对超声波换能器的零点漂移问题，在软件算法上，采用自动调零的处理算法，超声波燃气表采用可调整的零点，并根据超声波换能器的信号波动特点，软件上自动调整超声波燃气表的零点，保证在外部因素或内部因素作用下，超声波燃气表的零点随环境变化而适当做出调整，抵消由于零点漂移对低端流量产生的影响；同时，考虑电路整体对时间差值的影响，在软件算法上，补偿此部分对测量的影响。 五、超声波燃气表用气体流量传感器的应用基于专利的气体流量传感器硬件和软件核心技术，四方光电公司针对我国家用表以及五小工商户客户的需求，成功开发出超声波家用和商用燃气表。其核心传感器部件见图2：图2. 家用和商用超声波燃气表核心传感器部件解决核心燃气表气体流量传感器后，就可以利用以往具有的外壳、皮膜阀、电源管理等组装燃气表。图3是采用超声波核心流量传感器的G4燃气表。 图3. G4超声波燃气表(内置国产化核心流量传感器)根据燃气表的计量要求，进行了宽量程的燃气表误差特性以及耐久性实验。 图4. G4超声波燃气表典型误差曲线 图5. G4超声波燃气表耐久性误差曲线由于我国超声波燃气表的国家标准还处于征求意见稿阶段，因此借鉴了EN-14236欧洲有关“ultrasonic-domestic-gas-meters”标准进行完整的测试。除以上图示的基本试验，还进行了线性度、压损、高低温、交变湿热、耐粉尘、脉动流量等试验。试验表明基于超声波气体流量传感器核心模块的燃气表均满足燃气表的各项指标要求。作者简介熊友辉博士，教授级高工。中国科协九大代表、中国仪器仪表学会理事、分析仪器分会副理事长。主持过科技部重大科学仪器设备开发专项、工信部物联网专项、湖北省重大科技专项等多项国家和省市科技项目。现任武汉四方光电科技有限公司总经理。 公司简介武汉四方光电科技有限公司是一家专业从事气体传感器、气体分析仪器及物联网解决方案的国家高新技术企业，其全资子公司——四方仪器自控系统有限公司，以自主知识产权的核心传感器技术为依托，陆续推出了红外/紫外烟气分析仪、红外煤气分析仪、红外天然气热值仪、激光拉曼气体分析仪等气体成分分析仪器，并先后研制了超声波气体流量计、超声波燃气表核心传感器部件、智能超声波燃气表等燃气流量测量产品。四方光电通过了ISO9001、ISO14000、ISO18000、IATF16949等有关质量、环境、健康安全、汽车电子等体系认证，目前已与多家世界五百强企业建立长期配套合作关系。