可实现燃气泄漏检测的智能燃气表

成都秦川科技发展有限公司   邵泽华

摘要：通过分析现有各种带有阀门的膜式燃气表开关阀控制技术的特点，针对现有远程开阀技术存在的安全隐患，提出膜式燃气表应具有安全开阀模式和户内燃气安检模式。通过在膜式燃气表内部安装能检测微小压差的压力传感器，使燃气表在开阀过程中能够自动检测下游管线有无泄漏，将开阀过程中存在的风险降至最低，从而实现安全、可靠地开阀。采用这种具有安全检测能力的智能燃气表，辅之以燃气经营者安全检测制度的创新，使广大的燃气用户参与到定期逐户安检中来，保证管道燃气经营者和用户的长期安全。

关键词：燃气泄漏   燃气表    压力传感器    安全切断

引言

我国燃气能源事业随着城镇化进程的推进得到了空前发展，相关燃气技术取得了很大的进步，其消费群体逐渐由城市向乡镇普及，极大的方便了人们的生活。虽然我国燃气管理技术取得了很大的进步，但以往的燃气安全问题依然存在。伴随燃气用户群体的扩大，燃气泄漏所引起的中毒、火灾甚至爆炸事故相对数量有所下降，但绝对数量仍有增长趋势，由于我国燃气供应以及人群密集居住的分布特点(燃气管道铺设和供应区域密集、人群密集地居住在小区)，一旦发生燃气泄漏问题，会造成重大伤亡和财产损失，往往影响公共安全，造成社会问题。

据博燃网统计数据，2016年我国共发生燃气事故805起，造成1100余人受伤，百余人死亡，其中531起事故为居民用气事故，90%以上的事故是燃气泄漏导致的，泄漏原因主要包括胶管老化、燃气用具超期服役、日常用气操作不当、忘记关阀等。对于燃气行业的从业者，应首先关注燃气使用中存在的潜在安全问题，无论是何种原因造成的燃气泄漏，燃气运营商以及燃气表生产厂商都应当能够通过技术手段来防范。

当前市场上各种带有阀门的膜式燃气表，设置阀门往往是出于商业目的(阀门存在的意义是为了使燃气经营者有控制用户燃气表通气和断气的能力，保障自身商业利益)，而非安全考虑，只有具有安全切断功能的燃气表的阀门起到了安全功能，但也存在安全隐患：当燃气经营者利用远程开关阀技术对燃气表进行远程开阀时，若用户燃气灶具开关处于开启状态，会造成燃气泄漏，酿成安全事故。

本文介绍一种内置有燃气泄漏检测装置的智能燃气表，可实现用户自主或通过向燃气经营者申报后对燃气表及其下游管线可能发生的燃气泄漏进行检测，辅之以燃气经营者安全检测制度的创新，在为用户带来安全保障的同时，还为燃气供应商带来诸多管理便利以及巨大经济效益。通过燃气泄漏检测技术与燃气表安全切断技术的结合，实现了燃气表的燃气泄漏感知与自动安全切断功能，有效保障了用户的长期用气安全。

1  燃气泄漏检测装置

目前市场上的燃气表大多通过外接燃气泄漏报警器来实现对燃气泄漏的感知，其原理是当空气中检测到的可燃气体达到一定浓度时，会触发报警器进行声光报警。一般的燃气泄漏报警器存在一定的不足，

一是在报警器发出声光报警之前，燃气已经有了一定程度的泄漏，存在安全隐患；

二是厨房可能存在由于烹饪产生的乙醇等可燃气体，被报警器检测到后，会出现误报警而关阀，影响用户正常用气；

三是报警装置作为电子产品，易老化，使用寿命短。基于以上不足，笔者研究团队设想可以通过内置压力传感器来实现燃气泄漏的感知，从根源上保障燃气用户的生命财产安全。当前市场上主要存在的压力传感器均不适合用在燃气表内部：机械式体积大，无法安装于燃气表内；电子式则需供电，能耗高，使用环境苛刻，易损坏，断电后无法正常工作。笔者研究团队发明的燃气表专用压力传感器，不仅结构简单，而且成本低廉，能实现压力传感器内置于燃气表，解决了机械式压力传感器无法内置于燃气表，电子式压力传感器能耗高、不可靠等问题。

1.1  燃气泄漏检测装置结构及其工作原理

本安全切断型智能燃气表专用压力传感器，已获得国家专利授权(安全切断型智能燃气表专用压力传感器：ZL201420306746.0)，其结构如图1所示。燃气表专用压力传感器主要由外壳体，以及外壳体内部设有的压力传感皮膜组件、单刀单掷组件以及压力异常值微调组件组成。压力传感器外壳体主要包括内部中空的上盖、封闭该上盖底端的底座以及封闭该上盖顶端的密封盖。外壳体具有燃气进气口和空气泄气口。燃气进气口与燃气出气筒连接，当燃气表内通入燃气时，燃气能够通过燃气进气口进入压力传感器内部的第一腔室，其相对气压与燃气供气压力保持一致；空气泄气口是连通外部空气与压力传感器第二腔室的接口，保持第二腔室的压力与外部空气压力相同，其相对气压为零。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中用虚线表示其设置位置。

图1  压力传感器的结构

压力传感皮膜组件主要由皮膜片与皮膜板共同组成。压力传感皮膜组件将外壳体分隔为第一腔室与第二腔室两部分，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。具体为压力传感皮膜组件所受到的力来自于第一腔室的燃气供气压力和第二腔室中微调弹簧的压力的合力，在合力的作用下压力传感皮膜组件会通过位置的调整来实现两个腔室压力的平衡，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。

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。压力异常值微调组件包含有微调弹簧、微调螺栓、螺纹镶件、导向柱。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(本文所设压力异常值符合《切断型膜式燃气表》(CJ/T  449—2014)要求，为0.4 k Pa)。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，将产生电信号而被燃气表所感知。

弹簧片、第一导电触点及第二导电触点是单刀单掷开关组件的主要组成部分。除此之外，单刀单掷开关组件还含有支架、压片、触片。支架连接着弹簧片和上盖；触片连接着第二导电触点。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，导电回路则将处于断开状态。

具体过程为：在正常工作条件下，燃气供气压力正常，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，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在微调弹簧上的压力，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之降低，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将处于闭合状态，随即产生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气压的感知。

燃气泄漏检测装置需要与安全切断控制技术相结合才能真正保障用户的用气安全。当用户对燃气泄漏状况进行检测时，若有燃气泄漏的异常情况发生，安全切断控制技术能够使燃气表阀门始终处于关阀状态，直到故障修复才能正常开阀用气，其具体控制方式如图2所示。

图2  燃气表泄漏检测与安全切断控制技术原理

进入自检状态的燃气表，切断阀在微电脑控制器控制下会短暂开阀，随后关阀，压力传感器开始对表内气压进行检测，若在120  s内表内压力降至0.4 k Pa，压力传感器会向微电脑控制器发出气体异常电信号，微电脑控制器在接收到气体异常电信号后将拒绝向切断阀发出开阀指令，切断阀会始终处于关闭状态，并通过液晶显示屏、蜂鸣器进行辅助报警，而燃气公司远程控制端也可以通过数据传输模块接收到报警信息并及时做出处理。

1.2  检测方法

具有燃气泄漏检测装置的智能燃气表表体上装有状态恢复按钮，当燃气压力正常时，在确保燃气表下游所有阀门保持密封的状态下，操作复位按钮可对已经处于关闭状态的燃气表进行安全复位，复位成功即可正常使用燃气。通过状态恢复按钮用户在家中即可自行对燃气表及其下游设备进行检漏。

使用状态恢复按钮前需要满足以下条件：燃气能正常使用，用户没有欠费；电源电量要在欠压值以上；燃气供应压力大于0.4kPa；燃气表下游管线开关处于关闭状态且燃气表不能检测到有气流经过；锁定后已经解锁。

以上条件得到满足后，用户便可自主或向燃气经营者申报进行燃气泄漏检测，自主检测具体步骤如下：

(1)先将燃气表上游燃气进户开关关闭，打开燃气灶开关，消耗燃气表内燃气，表内压力会随着燃气的消耗而降低，当表内压力降至0.4kPa时，内置压力传感器会将气体异常信号传输给微电脑控制器，从而控制阀门关闭；

(2)将燃气表下游所有燃气开关关闭，包括燃气灶，热水器等燃气设备开关，打开燃气表上游燃气进户开关，此时燃气表阀门仍处于关闭状态；

(3)按下状态恢复按钮，智能燃气表将进入自检状态：阀门会短暂开阀，燃气随即进入燃气表及其内置压力传感器内，此过程开阀时间大概为2s，等候时间为10s，以保证对燃气表下游充气；充气完成后阀门将自动关闭，内置压力传感器会对表内气体压力进行检测，时间为120s。

有时由于燃气表安装位置等原因，用户可能无法对燃气泄漏进行自主检测，此时可以利用燃气表提供的第二条途径——申报检测来进行。申报检测不需要自主检测那么繁杂的操作，只需事先向燃气经营者申报或者通过由燃气经营者提供的软件，在保证燃气表下游管线开关关闭的条件下，授权燃气经营者远程操作，使燃气表自动进入燃气泄漏检测状态。

自检过程中，若出现燃气泄漏，压力传感器第一腔室的压力会随之降低，压力传感皮膜组件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，当表内燃气压力降低至预先设定的压力异常值时，第二导电触点与第一导电触点接触形成的导电回路将处于闭合状态，并发出气体异常电信号传输给微电脑控制器，控制阀门始终处于关闭状态，直到故障排除方能正常用气；若燃气没有发生泄漏，则压力传感器第一腔室和压力传感器第二腔室处于平衡状态，第一导电触点与第二导电触点分离，微电脑控制器在没有接收到气体异常电信号的情况下，控制阀门正常开阀，用户能够正常使用燃气。

2  燃气安全检查制度创新建议

根据国家及各地方相关法律法规，燃气企业均应实施入户安全检查，并在与用户签订用气安全协议的过程中，确定入户安全检查的时间间隔。但事实上，很多城市燃气企业入户安检的效果并不十分理想，除了安检结果真实性受人为因素影响较大外，在安检过程中还会出现到访不遇用户的情况，安检人员可能需要多次到访才能完成安检工作，严重影响工作效率。

安装内置有燃气泄漏检测装置的智能燃气表将能够解决这一问题，用户在家中便可随时对燃气泄漏情况进行自主或申报检测，实时掌握燃气安全状况，使得入户安检变得简单高效。基于此，燃气经营者可根据需要修改入户安全检查制度：

(1)燃气经营者可与用户签订协议，由用户通过自主检测或申报检测，定期向燃气经营者提交燃气安全状态信息，以代替燃气经营者上门检测工作，作为回报，燃气经营者可为协议用户提供一定的价格优惠或用气减免

(2)燃气经营者应与用户互留联系方式或提供相应软件，方便沟通，一来配合用户燃气泄漏检测，二来在用户未定期发送燃气泄漏检测数据时，提醒用户。

3  结语    

燃气表专用内置压力传感器是智能燃气表的压力感应单元，是燃气泄漏检测技术的关键组成部分，关系着燃气用户的生命财产安全。本文所介绍的燃气表内置压力传感器一方面打破了传统机械式压力开关体积大，不能安装于燃气表内的局限；另一方面弥补了电子式压力开关成本高，在天然气、煤气、液化石油气介质下使用寿命短、易损坏、高能耗的不足。燃气使用中还会遇到燃气低气压的状况，此时燃气压力小于正常供气压力，燃具无法点火或点火后易熄灭，如果用户在燃气使用过程中突然发生燃气压力不足造成燃气用具熄灭，又未能及时发现并切断燃气开关，则为重大安全事故的发生埋下了隐患。

智能燃气表内置压力传感器不仅可以实现燃气泄漏检测，还能实时监控燃气供应压力，用于燃气低气压感知，当燃气供应压力小于0.4  k Pa时，会产生异常压力电信号，与安全切断技术一同保障用户的燃气使用安全。