基于GPRS通信的带能量计量功能的新型气体修正仪研制*

李孝评　谢象佐　潘友艺　孙治鹏　苏红玲

(天信仪表集团有限公司，苍南 325800)

0　引言

当前，天然气贸易交接计量的方式主要有体积计量(或质量计量)和能量计量两种。体积计量方式是天然气传统的计量方式，也是我国绝大部分地方采用的交接计量方式[1]。但是，对于大规模交接计量，国际上通行的方式是以能量计量为主，体积计量为辅的方式，如北美、西欧、中东等国家。

而且，天然气是一种混合可燃性气体，含有以甲烷、乙烷等为主的烃类和氮、二氧化碳等非烃类混合物。天然气的价值以烃类物质燃烧时所释放的热值来衡量，而非烃类如氮、二氧化碳等并不能贡献热值。因此，天然气中非烃类物质含量越高，其可利用的天然气热值含量就越低。那么，为体现更公平、更科学地贸易交接，需使用能量计量作为主要贸易交接方式。

另外，随着信息技术的发展，测量技术与通信技术的紧密结合使得测量技术领域向远程计量及测量系统控制方向发展。采用无线远传GPRS通信技术，方便与其他二次仪表或计算机系统联网组成网络管理软件(如能量系统管理软件)，无需再配置相应的设备。

基于此，我们设计了一款基于无线远传GPRS通信且具有能量计量功能的新型气体修正仪(以下简称修正仪)。

1　GPRS及其主要功能模块

GPRS是通用分组无线业务的缩写(General Packet Radio Service)，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务。

目前，通信模块种类繁多，本论文采用MOTOROLA G24通信模块。它是一款高速的GSM/GPRS/EDGE模块，支持四频850/900/1800/1900MHz，内置TCP/IP协议栈，以先进的技术、稳定的性能实现了M2M的高速无缝连接。G24通信模块的功能框图如图1。

图1　G24通信模块框图

其相关技术特点包括：GPRS传输类型为Class 10；符合SMG31bis技术规范；采用CS1～CS4编码方案；天线接口50Ω/SMA/阴头；电压范围+3.6～+12VDC；休眠期电流<10mA；数传电流120～300mA。

基于G24通信模块，本修正仪采用一款低功耗且低成本的MCU与G24通信模块共同组成GPRS模块，使GPRS数据通信能够更方便快捷地建立起来，从而减少修正仪中的微机处理器资源的消耗，也方便了对GPRS模块的调试、维护等作用。如图2所示，MCU单片机起到连接修正仪中的微机处理器和G24通信模块之间通信的桥梁作用。

图2　GPRS模块框图

2　天然气能量计量的原理

根据GB/T 22723—2008《天然气能量的测定》标准，气体的能量测定是基于随时间而变化的气体流量q(t)和发热量H(t)。计算时间t0至tn内流过的能量E，如式(1)所示。

(1)

式中，E为天然气的能量，MJ；Vb为天然气标准参比条件下的体积，m3；H为天然气高位发热量，MJ/m3。

气体体积量一般是通过相应的流量计在实际操作条件下测量的体积，因此，需要将其转换为标准参比条件下的等量体积，现有的修正仪通常都具备此项功能。

天然气发热量的测量系统由取样系统和直接测量(如燃烧式热量计)、间接测量(如气相色谱仪)、关联技术等3种测量设备中的一种组合构成。本系统采用间接测量方法，即采用在线气相色谱仪，其系统组成示意图如图3所示。

图3　能量计量系统示意图

如图3所示，天然气发热量相关的气质数据通过通信(如RS485)或设定的方式输入至修正仪，在修正仪中被换算为发热量H。同时，修正仪根据实际操作条件下的体积Vm、压力p、温度T和压缩因子Z计算某一时刻的标准参比条件下的体积Vb，如式(2)所示。然后，根据发热量H和标准参比条件下的体积Vb，由式(1)获得某一时间段内天然气的能量E。最后，通过GPRS无线远传通信，修正仪将该能量数据上传至上位机能量管理系统，以便进行天然气贸易结算。当然，远传的数据还包含标准体积Vb，压力p，温度T，发热量等。

(2)

式中：Tb为标准参比条件下绝对温度，K；pb为标准参比条件下压力，kPa；Zb为标准参比条件下压缩因子。

3　硬件设计

3.1　总体结构

修正仪系统的总体结构如图4所示，整个系统大致可分为电源管理、信号采集、通信方式及按键显示存储四大部分。所有通用的对外输出接口均与内部CPU系统实现全电气隔离设计，既提高了修正仪的可靠性、抗干扰性，又便于在本安防爆电路中提供分块储能计算。另外，系统采用了微功耗先进技术，在仅有内电源电池供电时，平均工作电流大约为200～300μA，可长期稳定运行。

3.2　电源管理部分

如图4所示，外接电源有外电源1和外电源2，它们都通过隔离的方式给CPU内部系统供电。另外，应用户需求，外电源2处也含有可输出大电流的TADIRAN型电池，其与外接电源之间可实现自动切换。

图4　修正仪原理框图

图5　GPRS升压电路

由于GPRS通信模块在开启或数据传送时瞬态电流激增，从而引起其电源电压下降。鉴于此，设计外电源2时，需引入一种升压电路。如图5所示，通过调节R24和R25电阻比值，将电池的端电压3.9V提高至5V。另外，升压电路中的LT3539芯片具有输出电流大，静态电流小，且能完全关断的功能。因而，保证在电池端电压下降或电流激增时GPRS模块也能正常工作。

3.3　通信方式部分

由于传统的有线连接很难实现远程通讯，使用范围受到了限制，而且成本较大[2]。另一方面，短程无线通信如射频通信、红外通信，由于受发射功率的限制，其通信只有在空旷地几十米至百米内进行，同样难以实现远程无线组网。因此，在有线通信和短程无线通信的基础上研制一款具有真正意义上的远程无线通信功能的修正仪是非常必要的。

如图4所示，修正仪含有多种通信或输出接口，可与用户设备相联接。其中的通信方式包括RS485通信、射频通信、红外通信及GPRS通信；输出方式有4～20mA输出、脉冲输出及参数报警输出。有线RS485通信与短程无线射频通信传输修正仪的当前参数、历史记录数据及内置参数，实现短距离内的组网；红外通信使得修正仪可与红外抄表器进行信息交换；GPRS通信可完成与上位机系统联网，实现流量计参数数据远传功能。

3.4　按键显示存储部分

本修正仪采用一键多用、双键复用技术，依靠4个按键，结合MST-G240128点阵液晶屏显示，可以完成用户参数、厂家参数设置。为降低修正仪功耗，点阵液晶屏处于关断状态，打开显示需按下面板上的显示按钮，一分钟后又自动关闭显示。另外，为保证数据安全，选用512K容量的E2PROM存储用户参数、厂家参数、累积量等众多数据。

4　软件总体设计

整个软件构架采用模块化设计，将各功能设计成相互独立的函数供主程序调用，这样既增强了程序的可读性，又方便系统的维护与升级。此外，整个系统采用前后台的控制方式来协调各功能模块，控制和任务分配是由主程序和中断服务程序完成。主程序流程图见图6所示。

图6　应用主程序流程图

需要特别说明的是，在计算显示处理程序中，本修正仪植入了天然气、空气、氮气、氢气等多种气体的压缩系数数学模型或表格。对于天然气，两种数学模型AGA NX-19方程和SGERG-88方程可供选择[3-5]，以满足不同计量场合之需要。

5　修正仪的误差分析

由上可知，修正仪需要测量三种物理量，它们分别是温度、压力及流量。如何准确可靠的采集温度、压力及流量信号很大程度上决定了修正仪的准确度等级，同时也决定了整个产品的稳定性[6]。

本文采用高度集成的高精度数字温度传感器和数字压力传感器，采用I2C接口与修正仪进行数据交换，温度与压力测量精度与修正仪主机无关，可随意组合，调试、维护非常方便。其中，温度满量程误差≤±0.2%(±0.5℃)，压力满量程误差≤±0.2%，流量、能量计算误差≤±0.1%。因而，根据式(3)获得的修正仪综合最大误差为±0.5%。

Ec=±(|Et|+|Ep|+|Ev|)

(3)

式中，Ec为修正仪综合最大误差，%；Et为修正仪温度示值最大误差，%；Ep为修正仪在≥20%pmax压力示值最大误差，%；Ev为修正仪流量计算最大误差，%。

由式(3)可知，本修正仪的综合最大误差计算不包含气相色谱仪气体组分测量的不确定度和流量计最大允许误差，在计算系统整体能量计量不确定时[7-8]，应考虑以上两部分的不确定度。

6　性能试验与分析

本修正仪通过示值误差试验、4～20mA电流输出误差试验、绝缘电阻及强度试验、电磁兼容试验、工作电流试验、各种通信方式试验、高低温试验和防爆性能试验等全方位的试验[9-11]。随机抽取两台样机进行示值误差试验、EMC电磁兼容试验和工作电流测试，其试验测试记录结果如表1所示。

表1　部分试验记录表

这一系列试验结果验证了本修正仪无论是计量转换精度还是性能指标都到达了设计的要求，而且在其综合性能方面也达到了国内外同类产品的先进水平。

7　结论

为顺应我国天然气能量计量贸易结算发展的趋势，且能科学、公平地体现贸易计量，本文设计了一款具有GPRS远程通信，并带能量计量功能的新型气体修正仪。本修正仪不仅具有精度高、功能丰富、运行可靠安全等特点，而且，可为使用越来越广泛的天然气能量计量系统提供相应的计量转换设备。另外，该设备可与各种主流的流量计配套使用，并能连接多种气相色谱仪。

[1]安建川，梁光川.天然气计量技术现状及趋势[J].内蒙古石油化工，2007(1)

[2]任建国.GPRS无线通讯在计量检测中的应用[J].计量与测试技术，2012，39(9)

[3]GB/T 17747.1—2011天然气压缩因子的计算第1部分：导论和指南[S].北京：中国标准出版社，2011

[4]GB/T 17747.2—2011天然气压缩因子的计算第2部分：用摩尔组成进行计算[S].北京：中国标准出版社，2011

[5]GB/T 17747.3—2011天然气压缩因子的计算第3部分：用物性值进行计算[S].北京：中国标准出版社，2011

[6]周庆.实用流量仪表的原理及其应用[M].北京：国防工业出版社，2003

[7]Attari A，Klass D L.Natural gas energy measurement [M].Taylor & Francis Group，2005

[8]陈赓良.天然气能量计量的不确定度评定探讨[J].天然气工业，2009，25(4)

[9]EN12405-1:2005.Gas meters-Conversion devices - Part 1： Volume conversion[S].2005

[10]GB 3836.4—2010爆炸性气体环境用电气设备第4部分：本质安全型“i”[S].北京：中国标准出版社，2010

[11]吴静，郭全文.万家宝.体积修正仪概述[J].中国计量，2011(11)