电磁场干扰对超声波燃气表计量性能影响的试验研究

上海市燃气设备计量检测中心有限公司 刘辰庆

超声波燃气表是近年来发展较为迅速的一种新型贸易结算用计量器具。其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，目前上海市试使用量达到 10余万台，至“十四五”末，计划使用量超过100万台。但国内的相关标准刚刚发布，尚未正式实施。制造企业按企业标准生产超声波燃气表后，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。流量表计量性能的稳定性和可靠性会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。

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上述《要求》而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燃气行业关心的重点。本试验以电磁场干扰为因素，研究W、S两款超声波燃气表抗电磁场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超声波燃气表的系统性功能缺陷，从而影响其正确应用及推广使用。

1 试验设计

1.1 试验内容

对W、S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，瞬时流量及累积流量的变化程度，并对试验数据进行研究。其中：“静态”试验是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”试验是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。

1.2 试验样品

取相同技术规格、不同品牌的W、S两款超声波燃气表各3台，在确保其计量性能符合相关要求的情况下开展电磁场干扰试验。样品信息详见表1。

表1 试验样品信息

1.3 试验条件

静态试验环境条件符合JJG （沪）55－2016《超声波燃气表检定规程》要求，动态试验环境条件模拟居民室内用气环境，试验条件详见表2。

表2 试验条件

1.4 试验主要设备

电磁场干扰静态试验主要采用超声功率放大器和磁近场天线作为试验设备开展测试，动态试验设备在前者的基础上增加燃烧器和高精度标准表开展测试。主要设备信息详见表3。

表3 试验主要设备

1.5 试验方法

（1） 静态电磁场干扰试验。将超声波燃气表的X/Y/Z三轴六面分别置于干扰电磁场中心位置，施加频率范围为0～5 000 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60 s内其瞬时流量及累积流量的变化情况。轴面简易图见图1

图1 轴面简易示意

（2） 动态电磁场干扰试验。连接超声波燃气表出气口端与高精度标准表进气口端串联，在高精度标准表出气口处连接燃气燃烧器以燃烧试验用天然气。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4 m³/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600 s，观察记录瞬时流量的变化情况及累积流量值。试验装置示意见图2。

图2 动态电磁场干扰试验装置示意

2 试验数据

用W款和S款超声波燃气表分别进行静态电磁场干扰试验和动态电磁场干扰试验，以下仅列出部分代表性数据，以各自受影响程度最严重的试验样品为例。

2.1 静态电磁场干扰试验

在确保燃气表内没有气体流动的状态下，使用磁近场天线，采用临近法对W款和S款超声波燃气表分别发射干扰磁场，观察其瞬时流量及累积流量的变化情况。试验数据详见表4。

2.1.1 W款超声波燃气表

从表4中的试验数据可以看出：

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（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，累积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 9-Err告警提示。当移除干扰源后，其瞬时流量归零，累积流量受影响数值未恢复。

3.1.2 S款超声波燃气表

从表4中的试验数据可以看出：

表4 静态电磁场干扰试验数据

（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，累积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，累积流量受影响数值未恢复。

2.2 动态电磁场干扰试验

将燃气表、标准表和燃烧器进行串联连接后通入天然气，同时启动燃烧器将管道天然气进行燃烧。使用磁近场天线采用临近法对W款和S款超声波燃气表分别发射干扰磁场，观察其瞬时流量及累积流量的变化情况。试验数据详见表5。

2.2.1 W款超声波燃气表

（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，其瞬时流量出现正、负偏差，正偏差上限值为8.00 m³/h。当干扰频率不变，随着干扰功率逐渐增加，累积流量逐渐减少，其最大误差值为－332 L。

（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，相较高精度标准表其瞬时流量仅出现负偏差，负偏差下限值为0.00 m³/h。当干扰频率不变，随着干扰功率逐渐增加，累积流量逐渐减少，其最大误差值为－570 L。

（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。当移除干扰源后，其瞬时流量恢复正常，累积流量受影响数值未恢复。

2.2.2 S款超声波燃气表

从表5中的试验数据可以看出：

表5 动态电磁场干扰试验数据

（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，累积流量逐渐减少，最大误差值为－246 L。

（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，相较高精度标准表其瞬时流量仅出现负偏差，负偏差下限值为0.00 m³/h。当干扰频率不变，随着干扰功率逐渐增加，累积流量逐渐减少，其最大误差值为－519 L。

（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。当移除干扰源后，其瞬时流量恢复正常，累积流量受影响数值未恢复。

3 试验分析和建议

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，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。即当干扰频率不变时，干扰功率与静态下超声波燃气表瞬时流量跳变范围上/下限绝对值的大小成正比；当干扰频率不变时，干扰功率与动态下超声波燃气表累积流量的负偏差程度成正比，若干扰源在表盖与表壳间缝隙处时，受影响程度更严重。

3.1 原因分析

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。

两款超声波燃气表的计量性能受干扰最严重的位置主要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。

3.2 建议

（1） 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（1 MHz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（1 MHz以上）磁场时，选用良导体材料，如铜、铝等。

（2） 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。

4 结语

超声波燃气表作为贸易结算的一杆“电子秤”，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。电磁场作为日常生活中普遍存在的干扰源，可能会对超声波燃气表的计量性能造成影响，因此在大范围应用超声波燃气表之前，对该类型燃气表进行抗电磁场干扰研究势在必行。研究结果可以为“十四五”数字化城市赋能；可以打造燃气智能管理网络；可以提升燃气行业的科学化、精细化和数字化管理水平。从而，可为建设韧性城市、智能城市奠定坚实的基础。