【论文精选】燃气表电池耗电模型的应用
原创
张晓丹，等
煤气与热力杂志
煤气与热力杂志
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GAS-HEAT1978
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随着市场需求的发展，要求燃气表不仅要有计量功能还要有显示、计价以及通信功能，从而使之更加智能化
［
1
］
，同时需要低功耗的设计，这就需要对燃气表的电池耗电情况进行分析和监控，及时提示用户更换电池或者告知后台系统电池的运行情况，及时通过电池的实时数据反映出燃气表是否处于正常的工作状态。由于目前还没有一个可靠的系统对燃气表电池的耗电情况进行大数据的收集和分析，因此笔者收集市场上
燃气表
电池的数据，并对该类数据进行分析，建立了典型电池的耗电模型，并将该耗电模型应用到燃气表的实际使用过程中，进而监测燃气表的工作状态。
市场上常用的
燃气表
电池分为碳性电池和碱性电池。碱性电池的电量是碳性电池电量的
4~7
倍，因此放电情况与碳性电池有所不同。笔者随机抽取了市场上
170
台燃气表在
2 a
内使用情况，调取
170
台燃气表的电池电压随时间的变化数据，建立了碱性电池、碳性电池正常使用情况下的耗电模型和大功耗情况下（此时为异常工作的情况）的耗电模型。对市场上
170
台燃气表在
2 a
内采集到的电池电压数据进行分析，并从中挑出
3
台
燃气表
，该
3
台燃气表的电池情况分别为正常工作的碱性电池、正常工作的碳性电池以及异常工作的电池（该电池为碱性电池），
3
台燃气表的电池电压随时间的变化曲线见图
1
。
由图
1
可以看出，燃气表正常工作时电池电压变化和大功耗时异常工作的电池电压曲线的变化趋势和斜率是不同的。正常工作时，碱性电池电压的变化曲线和碳性电池电压的变化曲线的趋势和斜率也是不同的。因此只要利用上述方法对
170
台燃气表电池电压的变化进行数据分析，总结出
3
种变化曲线的斜率范围，即可判断燃气表电池工作是否异常或者判断出燃气表使用的电池类型。
抽取的
170
台燃气表中，有
100
台燃气表处于正常工作状态，其中
60
台使用碱性电池，
40
台使用碳性电池，剩余
70
台燃气表处于大功耗工作状态。根据这些燃气表的电池电压变化情况，拟合出电压变化曲线的斜率。可用最小二乘法
［
2
］
对电压的变化进行多项式拟合，求出电压随时间变化的线性方程，总结出不同情况下电池电压变化的斜率范围，建立燃气表的耗电模型。
在将
170
台燃气表编号，并利用最小二乘法得出拟合方程后提取方程的斜率。
在燃气表的生命周期内，计算各燃气表的斜率，各燃气表电压变化的斜率分布见图
3
。
由图
3
可以看出，不同情况的燃气表，其电池电压随时间变化曲线的斜率分布在
3
个区间，每个区间都有一个确定的斜率范围，因此可以通过判断燃气表电池电压变化斜率的所属范围来判断燃气表状态。
将
170
台燃气表电池电压变化斜率进行统计，发现
70
台处于大功耗异常工作状态的燃气表电压变化斜率均小于等于
-0.008
，
60
台正常工作并使用碱性电池的电压变化斜率均大于等于
-0.002
，
40
台正常工作并使用碳性电池的电压变化斜率均处于
-0.008~-0.002
范围。因此，可以据此判断电池的类型及电池是否正常工作。
将上文分析的斜率范围应用到物联网
［
3
］
的后台中，可以判断燃气表电池的类型及电池是否正常工作。耗电模型判断流程见图
4
。
燃气表使用
4
个电压为
1.5 V
的电池串联为燃气表供电，由于每个新电池的电压均高于
1.5 V
，因此设定首次上传时燃气表电压应大于等于
6.3 V
，同时为了保证燃气表在低电量时仍然能正常工作，设置了燃气表的最低电压阈值为
5.3 V
，即保证电压要大于
5.3 V
。从燃气表首次上电开始，读取第一次上电时电池电压，判断该电池电压是否≥
6.3V
，如不满足该条件，则检测下一次更换电池后上传电压。如果满足电池电压≥
6.3 V
，则每隔
1 d
记录并上传一次电池电压，直至电池电压≤
5.3 V
，数据采集终止。此时，说明燃气表电池电压已经跌至电压阈值，利用最小二乘法拟合电压变化方程，提取方程的斜率
k
。如果斜率
k
≤
-0.008
，则认为燃气表电池处于大功耗工作状态，应派维修人员上门维修燃气表；斜率
k
≥
-0.002
，则认为燃气表电池为正常工作的碱性电池，燃气表用户更换电池即可继续使用；斜率
k
处于
-0.008
和
-0.002
之间，则认为燃气表为正常工作的碳性电池，燃气表用户更换电池即可继续使用。用户更换电池后，后台记录一次更换电池的事件，并继续按照图
4
流程对燃气表进行监测。
该流程可以判断投入市场的燃气表中，使用碱性电池和碳性电池的占比，同时可通过监测一段时间内用户更换电池的次数，评估更换电池产生的费用，也能评估正常工作的燃气表和非正常工作的燃气表的占比，进而评估该批产品的质量。
①统计市场上
170
台燃气表电池的电压随时间的变化情况，建立燃气表电池的耗电模型，选取
3
台不同电池（正常工作的碱性电池、正常工作的碳性电池以及异常工作的电池）的燃气表，利用最小二乘法拟合出
3
台燃气表电池电压随时间的变化的方程，提取方程斜率。
②将
170
台燃气表进行分类并提取斜率进行分析。得出处于大功耗异常工作状态的燃气表电压变化斜率均小于等于
-0.008
，正常工作并使用碱性电池的燃气表电压变化斜率均大于等于
-0.002
，正常工作并使用碳性电池的燃气表电压变化斜率均处于
-0.008~-0.002
范围。
③根据斜率判断标准，给出燃气表耗电模型的判断流程。应用此判断流程，后台管理系统能够及时快速判断出燃气表当前的工作状态，实时掌控燃气表信息，统计公司产品质量，还能及时为客户提供服务，提高公司的服务质量。
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