作者：權亞強

第一作者單位：成都秦川科技發展有限公司

摘自《煤氣與熱力》2016年10月刊

1   概述

當前我國大力發展天然氣這種優質能源，天然氣消費從城市、鄉鎮到農村不斷普及。但是，隨著天然氣用戶數量的快速增加，燃氣使用安全也成為人們面臨的首要突出問題。在天然氣實際使用過程中，可能存在天然氣產量不足、供應系統能力不夠或設備故障等各種原因引起的燃氣供應不足或停氣等現象，尤其是在冬季天然氣使用高峰時段，燃氣供應不足而引起的低壓力現象更為明顯。上述現象的存在為燃氣使用安全帶來了不可忽視的隱患。例如，用戶在正常使用燃具過程中，遇到燃氣供氣壓力不足或停氣情況時燃具會熄滅，此時若用戶未及時發現燃具熄滅并關閉燃具閥門，燃氣供應恢復正常后的泄漏就可能會造成重大安全事故。

 

根據GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》，對于一般家庭用戶，天然氣供氣壓力應控制在1.5~3 kPa。在該壓力范圍內，家庭燃具能夠正常使用。但當供氣壓力過低時，燃具無法點火或點火后易熄滅而造成燃氣泄漏。根據CJ/T 449—2014《切斷型膜式燃氣表》的要求，燃氣壓力低于0.4 kPa時，燃氣表應切斷燃氣并報警。針對上述供氣壓力不足或突然停氣可能引起的燃氣泄漏現象，筆者及團隊研發了一種適用于燃氣表的壓力傳感器，該壓力傳感器已獲得國家專利^［1］。通過將該壓力傳感器與燃氣表安全切斷控制技術相結合，實現了燃氣表的低壓力安全切斷控制功能。

 

2   壓力傳感器 

2.1  壓力傳感器的結構

 

根據原理的不同，當前市場上的壓力傳感器（壓力開關）主要有機械式和電子式兩種。機械式壓力傳感器通常體積較大，不能安裝于燃氣表內。而電子式壓力傳感器雖然可以安裝于燃氣表內，但其在天然氣、人工煤氣、液化石油氣等腐蝕性介質環境下，使用壽命較短，易損壞，且其屬于有源測壓，使用過程中需持續供電，能耗高，斷電后不能正常工作，不滿足安全切斷的要求。

 

本文所使用的壓力傳感器是筆者及團隊根據燃氣表的使用特點所開發出的適用于燃氣表的內置機械式壓力傳感器，能夠解決現有技術中機械式壓力傳感器無法安裝在燃氣表內，電子式壓力傳感器能耗高、不可靠等問題。該壓力傳感器的結構見圖1，主要由外殼體、單刀單擲開關組件、壓力傳感皮膜組件、壓力異常值微調組件四部分組成。

 

 

圖1   壓力傳感器的結構
 

 

外殼體：由底座、上蓋、密封墊和密封蓋組成的具有燃氣進氣口和空氣泄氣口的空腔。其中，燃氣進氣口與燃氣表的出氣筒（基表機芯與外殼出氣口的連接部件）連接，流經燃氣表的燃氣可以通過燃氣進氣口充入壓力傳感器的第一腔室；空氣泄氣口則與外界空氣連通，外界空氣可以由此進入壓力傳感器的第二腔室。需要說明的是，由于圖1剖切面選擇的關系，空氣泄氣口不能直接展現出來，為便于理解，在圖1中用虛線簡單表示設置位置。

單刀單擲開關組件：由支架、彈簧片、壓片、觸片、第一導電觸點、第二導電觸點組成。其中，第一導電觸點為靜觸點，第二導電觸點為動觸點，它們均通過導線與燃氣表的電源連接，當它們相互接觸時，可形成閉合導電回路；反之，當它們相互分離時，則導電回路將處于斷開狀態。

壓力傳感皮膜組件：由皮膜片和皮膜板組成，將外殼體分為第一腔室和第二腔室，并利用第一腔室與第二腔室中微調彈簧的壓力差來控制單刀單擲開關的斷開或閉合。

 

壓力異常值微調組件：由微調彈簧、微調螺栓、螺紋鑲件、導向柱組成，用于對壓力異常值的設定與調節。

 

2.2  壓力傳感器的工作原理

 

壓力傳感器的第一腔室與燃氣連通，其壓力與燃氣供氣壓力保持一致；第二腔室與大氣連通，其壓力為零。壓力傳感皮膜組件所受到的力為第一腔室的燃氣供氣壓力和第二腔室中微調彈簧的壓力，并在兩種力的作用下會進行位置的調整以達到一個力的平衡狀態。而壓力傳感皮膜組件在位置調整過程中會帶動單刀單擲開關組件的閉合或斷開，從而實現異常壓力的感知。其具體過程為：在正常工作條件下，第一腔室的壓力與燃氣供氣壓力保持一致，并隨燃氣供氣壓力的變化而變化，當燃氣供氣壓力正常時，第一腔室施加給壓力傳感皮膜組件的壓力大于第二腔室中預先設定的微調彈簧的壓力（即預設的壓力異常值，根據CJ/T 449—2014《切斷型膜式燃氣表》的要求，本文預設的壓力異常值為0.4 kPa），此時，第一導電觸點與第二導電觸點處于分離狀態，它們所形成的導電回路是斷開的。在燃氣壓力降低時，第一腔室的壓力也隨著降低，此時為保持力的平衡，壓力傳感皮膜組件在第一腔室與第二腔室微調彈簧之間的壓力差作用下將向底座的方向移動，并帶動第二導電觸點向第一導電觸點靠近。當燃氣壓力降低至預先設定的壓力異常值時，第二導電觸點正好與第一導電觸點接觸，即此時它們所形成的導電回路處于閉合狀態，隨即產生的電信號被燃氣表微電腦控制器所接收，從而實現燃氣異常低壓力的感知。

 

燃氣壓力異常值是通過壓力異常值微調組件進行設定與調節的。在壓力異常值微調組件中，微調螺栓與安裝在上蓋中的螺紋鑲件配合連接，利用螺紋的作用調節微調螺栓來壓緊或放松微調彈簧，而微調彈簧受壓所形成的壓力即為設定的壓力異常值。當燃氣壓力大于設定的壓力異常值時，第一導電觸點與第二導電觸點分離，燃氣表正常工作；當燃氣壓力小于或等于設定的壓力異常值時，第一導電觸點與第二導電觸點接觸而形成閉合導電回路，產生電信號而被燃氣表所感知。

 

3   燃氣表低壓力安全切斷控制技術的原理

 

燃氣表低壓力安全切斷控制技術是指當燃氣供應出現壓力不足（低于設定值）時，燃氣表能夠自動關閉切斷閥（本文所采用的是安裝于燃氣表進氣口的內置切斷閥，簡稱切斷閥）并進行報警。燃氣表低壓力安全切斷控制技術原理見圖2。其主要由壓力傳感器、壓力傳感器檢測模塊、燃氣表內置微電腦控制器、切斷閥、切斷閥控制電路、液晶顯示屏、液晶顯示電路、蜂鳴器、數據傳輸模塊以及狀態恢復電路等部分組成。

 

 

圖2   燃氣表低壓力安全切斷控制技術原理
 

 

3.1  低壓力感知與安全切斷控制

 

燃氣表低壓力安全切斷控制技術包括低壓力感知技術和安全切斷控制技術。其功能的實現原理首先是在感知單元部分，通過燃氣表內置壓力傳感器對燃氣供氣壓力進行實時感知監測，并通過傳感器檢測模塊將燃氣壓力異常信息傳輸至燃氣表內置微電腦控制器。在控制單元部分，燃氣表內置微電腦控制器接收到燃氣壓力異常信息后，通過切斷閥控制電路向切斷閥發送關閥命令，實現燃氣的自動切斷。同時，通過液晶顯示屏和蜂鳴器可以實現向燃氣用戶的輔助報警，通過數據傳輸模塊向燃氣公司實時發送表端狀態，并受燃氣公司遠程管理與控制。

 

3.2  安全復位功能

 

為了不影響燃氣用戶的正常用氣，燃氣表應具有針對發生安全切斷之后的安全復位功能。本文中的燃氣表內置微電腦控制器連接了狀態恢復電路，可以通過燃氣表端的狀態恢復按鈕啟動狀態恢復電路，以使燃氣表進行安全自檢，從而實現燃氣表發生安全切斷后的燃氣供應恢復。燃氣表具體的安全復位步驟如下：

 

第一步：首先由現場人員（燃氣供應企業維護人員或燃氣用戶）關閉燃氣表下游的燃氣灶、熱水器等所有燃具的閥門。

 

第二步：通過燃氣表上安裝的狀態恢復按鈕啟動燃氣表的狀態恢復電路，此時燃氣表將進行安全自檢。其具體過程為：①安裝于燃氣表進氣口端的切斷閥自動短暫打開3 s左右，此時，燃氣將充入燃氣表及其內置壓力傳感器。②燃氣充入時間完成后，切斷閥自動關閉，使燃具與燃氣表進氣口之間形成封閉狀態。③燃氣表內置壓力傳感器將開始對燃氣表內的燃氣壓力進行檢測，若在持續2 min的檢測時間內燃氣表內置微電腦控制器未收到壓力傳感器所產生的電信號，則說明燃氣供應壓力正常并且燃氣表進氣口與燃具閥門之間沒有漏氣現象，燃氣表內置微電腦控制器將向切斷閥發送開閥命令，燃氣供應恢復正常。反之，當燃氣壓力仍然不足或者存在燃氣泄漏時，燃氣表內置微電腦控制器將接收到壓力傳感器產生的電信號，燃氣表將繼續保持切斷和報警狀態。

 

4   切斷閥

4.1  切斷閥的結構與工作原理

 

切斷閥是安全切斷控制單元部分的重要部件，其本身性能的優劣將直接影響燃氣表異常狀態下安全切斷的安全性、可靠性和及時性。例如過大的開關閥電流易產生電火花，易引發燃氣燃燒甚至爆炸等危險事故。切斷閥在關閉后的密封性優劣也將決定燃氣表關閥后是否能處于完全安全的狀態。本文所采用的切斷閥是筆者及團隊研究出的具有先進水平的“雙向無堵轉齒輪傳動的燃氣表專用機電閥”^［2］，其整體結構見圖3，主要包括外殼體、齒輪變速箱、直流電動機、閥桿、密封帽等部件。

 

 

圖3   切斷閥整體結構
 

 
 

切斷閥的基本工作原理：在正常用氣情況下，切斷閥處于開啟狀態，燃氣按圖3中箭頭依次從切斷閥進氣口和出氣口流經切斷閥。當切斷閥接收到燃氣表內置微電腦控制器的關閥指令時，則通過直流電動機的運轉，將動力經其傳動軸傳遞給齒輪變速箱，再由齒輪變速箱內的多級齒輪傳動機構將動力傳遞給閥桿，并控制閥桿帶動密封帽向出氣口移動，最終由密封帽完成出氣口的密封，實現燃氣的切斷。反之，當切斷閥需要再次開啟時，由微電腦控制器向切斷閥發送開閥指令，直流電動機通過相對于關閥時的反向運轉，將動力傳遞給齒輪變速箱，再由齒輪變速箱將動力傳遞給閥桿，并控制閥桿帶動密封帽遠離出氣口，從而恢復燃氣的流通。

 

4.2  切斷閥的關鍵技術特點及性能指標

 

①開關閥電流小

 

通常開關閥電流大于300 mA時易產生電火花，具有安全隱患；開關閥電流大于100 mA時，如果電池和電容電量過低，易引起開關閥失靈的情況。本文燃氣表所使用的切斷閥采用齒輪傳動，通過齒輪逐級傳動，將電動機輸出軸的扭矩放大，從而降低開關閥時所需要的動力，進而降低開關閥所需要的電流及電壓，能夠防止電流過大產生電火花以及開關閥失靈而帶來的安全隱患。

 

對于具體的開關閥電流指標，我國標準GB/T 6968—2011《膜式燃氣表》中并未作具體要求，只是規定了燃氣表輔助裝置的最大工作電流不大于500 mA。歐洲標準EN 161：2007《燃氣燃燒器和燃氣用具自動切斷閥》以及日本工業標準JIS S 2151-1993《燃氣燃燒設備用自動燃氣閥》中也未對開關閥電流作具體要求。而本文所采用的切斷閥，經過試驗檢測，其開閥電流≤40 mA，關閥電流≤20 mA，完全滿足燃氣表的防爆要求。

 

②閥門內泄漏量極低

 

切斷閥的內泄漏量反映其關閥后的密封性，而密封性的高低決定了燃氣表關閥后是否處于完全安全狀態。本文切斷閥通過相應的靜密封和動密封手段，能夠有效保證切斷閥在泄漏量上的安全性。

 

對于具體的內泄漏量指標，GB/T 6968—2011中規定，當閥門處于關閉狀態，進氣壓力為4.5~5 kPa時，閥門的允許內泄漏量不應大于550 mL/h。EN 161：2007中規定，對于閥門公稱口徑為10~25 mm的閥門，內外泄漏量≤40 mL/h。JIS S 2151-1993中規定，當閥門處于關閉狀態，進氣壓力為0.5~4.2 kPa時，閥門的允許內外泄漏量≤0.03 L/h。而本文所采用的切斷閥，按照GB/T 6968—2011的規定，經國家燃氣用具質量監督檢驗中心檢測，結果為內泄漏量＜10 mL/h，滿足國內、外相關標準要求，保證了燃氣表關閥后的完全安全性。

 

③雙向無堵轉

 

通過齒輪變速箱減速增力、不完整齒輪卸載、棘齒雙連齒鎖緊及解鎖，實現了雙向無堵轉，避免了普通螺桿傳動機電閥和蝸桿傳動機電閥在發生堵轉時引起的電流增大和機械損壞。

④開關閥時間短

開關閥時間在很大程度上決定了開關閥的可靠性。當電池和電容電量低，供電不足時，如果開關閥時間過長，閥的開關動作可能無法完整地完成，會出現開關閥失靈的現象。對于開關閥時間的具體指標，相關標準中并未有明確規定。而本文所采用的切斷閥通過結構的優化設計，具有極短的開關閥時間。其中，開閥時間為0.8 s，關閉時間為0.1 s，能夠有效保證開關閥的可靠性。

 

⑤使用壽命長

 

切斷閥的使用壽命決定了燃氣表可控性的時間。若切斷閥使用壽命較短時，則在燃氣表整表使用壽命后期可能會出現切斷閥失控。本文使用的切斷閥通過優化零件間相互配合尺寸，并選用高耐磨的、自潤性好的POM材料，以及配合雙向無堵轉齒輪傳動結構，具有較長的使用壽命。

 

切斷閥的使用壽命通過耐用性指標體現，其具體的指標參數，GB/T 6968—2011中要求在室溫下開關2 000 次后，密封性符合要求。CJ/T 449—2014中要求切斷閥在2.5 kPa工作壓力下開關5 000 次后，切斷閥的內泄漏量（即密封性）符合要求。歐洲標準EN 16314：2013《燃氣表附加功能》中要求在實驗室溫度開關3 200次后，密封性符合要求。日本標準JIA E 006-99《微電腦式燃氣表檢查規程》中要求在1.5 kPa的通氣壓力下反復開關500次，復位功能和密封性正常。而對于本文所采用的切斷閥，按照我國國家標準GB/T 6968—2011《膜式燃氣表》的試驗要求進行試驗，在開關30 000次后，其密封性也符合要求，耐用性遠高于上述國內外標準，進一步保證了燃氣表開關閥的可靠性、安全性。

 

5   結語

筆者及團隊自主研發的燃氣表專用壓力傳感器結構簡單、成本低廉，在克服了現有技術中機械式壓力傳感器無法安裝于燃氣表內，電子式壓力傳感器價格昂貴、能耗較高的問題的同時，能夠準確實現對燃氣異常低壓力的感知。

 

燃氣表低壓力安全切斷控制技術是燃氣低壓力感知技術與燃氣表安全切斷控制技術的結合，該技術的實現能夠保證對燃氣壓力進行實時、有效的監測，并在出現燃氣異常低壓力情況時，燃氣表能夠自動完成燃氣的可靠、安全和及時切斷，從而防止因燃氣低壓力引起的燃氣泄漏，避免燃氣火災、爆炸等安全事故的發生，保障燃氣用戶生命財產安全，加強燃氣供應企業對安全用氣的管理。

 

參考文獻：

［1］任長清，邵澤華，權亞強. 安全切斷型智能燃氣表專用壓力傳感器：201420306746.0［P］. 2014-12-10.

 

［2］邵澤華，吳岳飛，徐朝應，等. 雙向無堵轉齒輪傳動的燃氣表專用機電閥：201010230368.9［P］.2010-01-04.