作者：权亚强
第一作者单位：成都秦川科技发展有限公司
摘自《煤气与热力》2016年10月刊
1 概述
当前我国大力发展天然气这种优质能源，天然气消费从城市、乡镇到农村不断普及。但是，随着天然气用户数量的快速增加，燃气使用安全也成为人们面临的首要突出问题。在天然气实际使用过程中，可能存在天然气产量不足、供应系统能力不够或设备故障等各种原因引起的燃气供应不足或停气等现象，尤其是在冬季天然气使用高峰时段，燃气供应不足而引起的低压力现象更为明显。上述现象的存在为燃气使用安全带来了不可忽视的隐患。例如，用户在正常使用燃具过程中，遇到燃气供气压力不足或停气情况时燃具会熄灭，此时若用户未及时发现燃具熄灭并关闭燃具阀门，燃气供应恢复正常后的泄漏就可能会造成重大安全事故。
根据GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》，对于一般家庭用户，天然气供气压力应控制在1.5~3 kPa。在该压力范围内，家庭燃具能够正常使用。但当供气压力过低时，燃具无法点火或点火后易熄灭而造成燃气泄漏。根据CJ/T 449—2014《切断型膜式燃气表》的要求，燃气压力低于0.4 kPa时，燃气表应切断燃气并报警。针对上述供气压力不足或突然停气可能引起的燃气泄漏现象，笔者及团队研发了一种适用于燃气表的压力传感器，该压力传感器已获得国家专利［1］。通过将该压力传感器与燃气表安全切断控制技术相结合，实现了燃气表的低压力安全切断控制功能。
2 压力传感器
2.1 压力传感器的结构
根据原理的不同，当前市场上的压力传感器（压力开关）主要有机械式和电子式两种。机械式压力传感器通常体积较大，不能安装于燃气表内。而电子式压力传感器虽然可以安装于燃气表内，但其在天然气、人工煤气、液化石油气等腐蚀性介质环境下，使用寿命较短，易损坏，且其属于有源测压，使用过程中需持续供电，能耗高，断电后不能正常工作，不满足安全切断的要求。
本文所使用的压力传感器是笔者及团队根据燃气表的使用特点所开发出的适用于燃气表的内置机械式压力传感器，能够解决现有技术中机械式压力传感器无法安装在燃气表内，电子式压力传感器能耗高、不可靠等问题。该压力传感器的结构见图1，主要由外壳体、单刀单掷开关组件、压力传感皮膜组件、压力异常值微调组件四部分组成。
图1 压力传感器的结构
外壳体：由底座、上盖、密封垫和密封盖组成的具有燃气进气口和空气泄气口的空腔。其中，燃气进气口与燃气表的出气筒（基表机芯与外壳出气口的连接部件）连接，流经燃气表的燃气可以通过燃气进气口充入压力传感器的第一腔室；空气泄气口则与外界空气连通，外界空气可以由此进入压力传感器的第二腔室。需要说明的是，由于图1剖切面选择的关系，空气泄气口不能直接展现出来，为便于理解，在图1中用虚线简单表示设置位置。
单刀单掷开关组件：由支架、弹簧片、压片、触片、第一导电触点、第二导电触点组成。其中，第一导电触点为静触点，第二导电触点为动触点，它们均通过导线与燃气表的电源连接，当它们相互接触时，可形成闭合导电回路；反之，当它们相互分离时，则导电回路将处于断开状态。
压力传感皮膜组件：由皮膜片和皮膜板组成，将外壳体分为第一腔室和第二腔室，并利用第一腔室与第二腔室中微调弹簧的压力差来控制单刀单掷开关的断开或闭合。
压力异常值微调组件：由微调弹簧、微调螺栓、螺纹镶件、导向柱组成，用于对压力异常值的设定与调节。
2.2 压力传感器的工作原理
压力传感器的第一腔室与燃气连通，其压力与燃气供气压力保持一致；第二腔室与大气连通，其压力为零。压力传感皮膜组件所受到的力为第一腔室的燃气供气压力和第二腔室中微调弹簧的压力，并在两种力的作用下会进行位置的调整以达到一个力的平衡状态。而压力传感皮膜组件在位置调整过程中会带动单刀单掷开关组件的闭合或断开，从而实现异常压力的感知。其具体过程为：在正常工作条件下，第一腔室的压力与燃气供气压力保持一致，并随燃气供气压力的变化而变化，当燃气供气压力正常时，第一腔室施加给压力传感皮膜组件的压力大于第二腔室中预先设定的微调弹簧的压力（即预设的压力异常值，根据CJ/T 449—2014《切断型膜式燃气表》的要求，本文预设的压力异常值为0.4 kPa），此时，第一导电触点与第二导电触点处于分离状态，它们所形成的导电回路是断开的。在燃气压力降低时，第一腔室的压力也随着降低，此时为保持力的平衡，压力传感皮膜组件在第一腔室与第二腔室微调弹簧之间的压力差作用下将向底座的方向移动，并带动第二导电触点向第一导电触点靠近。当燃气压力降低至预先设定的压力异常值时，第二导电触点正好与第一导电触点接触，即此时它们所形成的导电回路处于闭合状态，随即产生的电信号被燃气表微电脑控制器所接收，从而实现燃气异常低压力的感知。
燃气压力异常值是通过压力异常值微调组件进行设定与调节的。在压力异常值微调组件中，微调螺栓与安装在上盖中的螺纹镶件配合连接，利用螺纹的作用调节微调螺栓来压紧或放松微调弹簧，而微调弹簧受压所形成的压力即为设定的压力异常值。当燃气压力大于设定的压力异常值时，第一导电触点与第二导电触点分离，燃气表正常工作；当燃气压力小于或等于设定的压力异常值时，第一导电触点与第二导电触点接触而形成闭合导电回路，产生电信号而被燃气表所感知。
3 燃气表低压力安全切断控制技术的原理
燃气表低压力安全切断控制技术是指当燃气供应出现压力不足（低于设定值）时，燃气表能够自动关闭切断阀（本文所采用的是安装于燃气表进气口的内置切断阀，简称切断阀）并进行报警。燃气表低压力安全切断控制技术原理见图2。其主要由压力传感器、压力传感器检测模块、燃气表内置微电脑控制器、切断阀、切断阀控制电路、液晶显示屏、液晶显示电路、蜂鸣器、数据传输模块以及状态恢复电路等部分组成。
图2 燃气表低压力安全切断控制技术原理
3.1 低压力感知与安全切断控制
燃气表低压力安全切断控制技术包括低压力感知技术和安全切断控制技术。其功能的实现原理首先是在感知单元部分，通过燃气表内置压力传感器对燃气供气压力进行实时感知监测，并通过传感器检测模块将燃气压力异常信息传输至燃气表内置微电脑控制器。在控制单元部分，燃气表内置微电脑控制器接收到燃气压力异常信息后，通过切断阀控制电路向切断阀发送关阀命令，实现燃气的自动切断。同时，通过液晶显示屏和蜂鸣器可以实现向燃气用户的辅助报警，通过数据传输模块向燃气公司实时发送表端状态，并受燃气公司远程管理与控制。
3.2 安全复位功能
为了不影响燃气用户的正常用气，燃气表应具有针对发生安全切断之后的安全复位功能。本文中的燃气表内置微电脑控制器连接了状态恢复电路，可以通过燃气表端的状态恢复按钮启动状态恢复电路，以使燃气表进行安全自检，从而实现燃气表发生安全切断后的燃气供应恢复。燃气表具体的安全复位步骤如下：
第一步：首先由现场人员（燃气供应企业维护人员或燃气用户）关闭燃气表下游的燃气灶、热水器等所有燃具的阀门。
第二步：通过燃气表上安装的状态恢复按钮启动燃气表的状态恢复电路，此时燃气表将进行安全自检。其具体过程为：①安装于燃气表进气口端的切断阀自动短暂打开3 s左右，此时，燃气将充入燃气表及其内置压力传感器。②燃气充入时间完成后，切断阀自动关闭，使燃具与燃气表进气口之间形成封闭状态。③燃气表内置压力传感器将开始对燃气表内的燃气压力进行检测，若在持续2 min的检测时间内燃气表内置微电脑控制器未收到压力传感器所产生的电信号，则说明燃气供应压力正常并且燃气表进气口与燃具阀门之间没有漏气现象，燃气表内置微电脑控制器将向切断阀发送开阀命令，燃气供应恢复正常。反之，当燃气压力仍然不足或者存在燃气泄漏时，燃气表内置微电脑控制器将接收到压力传感器产生的电信号，燃气表将继续保持切断和报警状态。
4 切断阀
4.1 切断阀的结构与工作原理
切断阀是安全切断控制单元部分的重要部件，其本身性能的优劣将直接影响燃气表异常状态下安全切断的安全性、可靠性和及时性。例如过大的开关阀电流易产生电火花，易引发燃气燃烧甚至爆炸等危险事故。切断阀在关闭后的密封性优劣也将决定燃气表关阀后是否能处于完全安全的状态。本文所采用的切断阀是笔者及团队研究出的具有先进水平的“双向无堵转齿轮传动的燃气表专用机电阀”［2］，其整体结构见图3，主要包括外壳体、齿轮变速箱、直流电动机、阀杆、密封帽等部件。
图3 切断阀整体结构
切断阀的基本工作原理：在正常用气情况下，切断阀处于开启状态，燃气按图3中箭头依次从切断阀进气口和出气口流经切断阀。当切断阀接收到燃气表内置微电脑控制器的关阀指令时，则通过直流电动机的运转，将动力经其传动轴传递给齿轮变速箱，再由齿轮变速箱内的多级齿轮传动机构将动力传递给阀杆，并控制阀杆带动密封帽向出气口移动，最终由密封帽完成出气口的密封，实现燃气的切断。反之，当切断阀需要再次开启时，由微电脑控制器向切断阀发送开阀指令，直流电动机通过相对于关阀时的反向运转，将动力传递给齿轮变速箱，再由齿轮变速箱将动力传递给阀杆，并控制阀杆带动密封帽远离出气口，从而恢复燃气的流通。
4.2 切断阀的关键技术特点及性能指标
①开关阀电流小
通常开关阀电流大于300 mA时易产生电火花，具有安全隐患；开关阀电流大于100 mA时，如果电池和电容电量过低，易引起开关阀失灵的情况。本文燃气表所使用的切断阀采用齿轮传动，通过齿轮逐级传动，将电动机输出轴的扭矩放大，从而降低开关阀时所需要的动力，进而降低开关阀所需要的电流及电压，能够防止电流过大产生电火花以及开关阀失灵而带来的安全隐患。
对于具体的开关阀电流指标，我国标准GB/T 6968—2011《膜式燃气表》中并未作具体要求，只是规定了燃气表辅助装置的最大工作电流不大于500 mA。欧洲标准EN 161：2007《燃气燃烧器和燃气用具自动切断阀》以及日本工业标准JIS S 2151-1993《燃气燃烧设备用自动燃气阀》中也未对开关阀电流作具体要求。而本文所采用的切断阀，经过试验检测，其开阀电流≤40 mA，关阀电流≤20 mA，完全满足燃气表的防爆要求。
②阀门内泄漏量极低
切断阀的内泄漏量反映其关阀后的密封性，而密封性的高低决定了燃气表关阀后是否处于完全安全状态。本文切断阀通过相应的静密封和动密封手段，能够有效保证切断阀在泄漏量上的安全性。
对于具体的内泄漏量指标，GB/T 6968—2011中规定，当阀门处于关闭状态，进气压力为4.5~5 kPa时，阀门的允许内泄漏量不应大于550 mL/h。EN 161：2007中规定，对于阀门公称口径为10~25 mm的阀门，内外泄漏量≤40 mL/h。JIS S 2151-1993中规定，当阀门处于关闭状态，进气压力为0.5~4.2 kPa时，阀门的允许内外泄漏量≤0.03 L/h。而本文所采用的切断阀，按照GB/T 6968—2011的规定，经国家燃气用具质量监督检验中心检测，结果为内泄漏量＜10 mL/h，满足国内、外相关标准要求，保证了燃气表关阀后的完全安全性。
③双向无堵转
通过齿轮变速箱减速增力、不完整齿轮卸载、棘齿双连齿锁紧及解锁，实现了双向无堵转，避免了普通螺杆传动机电阀和蜗杆传动机电阀在发生堵转时引起的电流增大和机械损坏。
④开关阀时间短
开关阀时间在很大程度上决定了开关阀的可靠性。当电池和电容电量低，供电不足时，如果开关阀时间过长，阀的开关动作可能无法完整地完成，会出现开关阀失灵的现象。对于开关阀时间的具体指标，相关标准中并未有明确规定。而本文所采用的切断阀通过结构的优化设计，具有极短的开关阀时间。其中，开阀时间为0.8 s，关闭时间为0.1 s，能够有效保证开关阀的可靠性。
⑤使用寿命长
切断阀的使用寿命决定了燃气表可控性的时间。若切断阀使用寿命较短时，则在燃气表整表使用寿命后期可能会出现切断阀失控。本文使用的切断阀通过优化零件间相互配合尺寸，并选用高耐磨的、自润性好的POM材料，以及配合双向无堵转齿轮传动结构，具有较长的使用寿命。
切断阀的使用寿命通过耐用性指标体现，其具体的指标参数，GB/T 6968—2011中要求在室温下开关2 000 次后，密封性符合要求。CJ/T 449—2014中要求切断阀在2.5 kPa工作压力下开关5 000 次后，切断阀的内泄漏量（即密封性）符合要求。欧洲标准EN 16314：2013《燃气表附加功能》中要求在实验室温度开关3 200次后，密封性符合要求。日本标准JIA E 006-99《微电脑式燃气表检查规程》中要求在1.5 kPa的通气压力下反复开关500次，复位功能和密封性正常。而对于本文所采用的切断阀，按照我国国家标准GB/T 6968—2011《膜式燃气表》的试验要求进行试验，在开关30 000次后，其密封性也符合要求，耐用性远高于上述国内外标准，进一步保证了燃气表开关阀的可靠性、安全性。
5 结语
笔者及团队自主研发的燃气表专用压力传感器结构简单、成本低廉，在克服了现有技术中机械式压力传感器无法安装于燃气表内，电子式压力传感器价格昂贵、能耗较高的问题的同时，能够准确实现对燃气异常低压力的感知。
燃气表低压力安全切断控制技术是燃气低压力感知技术与燃气表安全切断控制技术的结合，该技术的实现能够保证对燃气压力进行实时、有效的监测，并在出现燃气异常低压力情况时，燃气表能够自动完成燃气的可靠、安全和及时切断，从而防止因燃气低压力引起的燃气泄漏，避免燃气火灾、爆炸等安全事故的发生，保障燃气用户生命财产安全，加强燃气供应企业对安全用气的管理。
参考文献：
［1］任长清，邵泽华，权亚强. 安全切断型智能燃气表专用压力传感器：201420306746.0［P］. 2014-12-10.
［2］邵泽华，吴岳飞，徐朝应，等. 双向无堵转齿轮传动的燃气表专用机电阀：201010230368.9［P］.2010-01-04.
