CN112903038A - 采用虚拟计数器方式的电子式膜式燃气表 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃气表设备领域，特别是一种采用虚拟计数器方式的电子式膜式燃气表，其包括：机械计量体、机械输出轴、光电采样器、虚拟输出轴、虚拟驱动器和虚拟计数器。所述机械计量体通过机械输出轴与光电采样器相连，所述光电采样器通过虚拟输出轴与虚拟传输系统相连，所述虚拟传输系统与虚拟计数器相连。本申请在本质上不改变燃气表计数原理的前提下，将传统机械式计数器通过虚拟软件的方式表现出来，通过梳理燃气计量过程的计算方法，固化相关的计量参数，提高膜式燃气表的计量稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及燃气表设备领域，特别是一种采用虚拟计数器方式的电子式膜式燃气表。
背景技术
近年来，随着我国科技的进步、计量技术的发展以及人们对智能化需求的提高，燃气计量和计费方式也在不断的更新和发展，计量计费的方式与手段越来越趋于自动化、智能化和远程化。燃气表作为天然气贸易结算的计量器具，是人民群众实现智慧用气的前提，也是燃气企业实现智能化管理的基础。
燃气表作为用户用气数据采集的终端设备，其计量计费的方式直接影响着燃气企业的服务质量和运营模式，以及居民用户的用气体验和消费方式。燃气计量根据计量方式不同可以分为容积式、速度式、质量式，其中容积式燃气计量方式是目前技术最为成熟、应用最为普遍的燃气表计量技术，其典型代表为膜式燃气表。膜式燃气表是利用燃气表进出口的气体压力差推动皮膜作连续的交替运动，再通过机械传动机构将各腔室体积流量传递到计数器上，从而实现燃气体积的计量。由于膜式燃气表具有结构简单、价格低、计量稳定性好、安装方便，目前在在世界各国民用燃气计量中得到了广泛应用。
膜式燃气表主要分为机械计数式膜式燃气表和机械计数器附加电子计数式膜式燃气表，其中机械计数式膜式燃气表的计量和用气量显示的本质是将流经燃气表内单位体积的连续量，通过燃气表内的机械传动部件，推动字轮转动，转化为字轮上所显示的燃气体积连续量，转化过程连续进行，且过程中信号的本质并未发生变化，因此，传统机械计数式膜式燃气表的优点是技术成熟、计量信号连续传输真实可靠，但由于其机械结构复杂、对机械传动部件及字轮的可靠性要求较高，而且在此计量过程中的计量信号始终为连续量信号，不能实现计量数据的远程传输、表端智能化和信息化升级等计量方式的扩展，不利于燃气表智慧化的发展。
而机械计数器附加电子计数式膜式燃气表是在机械计数器上设置采样装置，将机械计数信息通过采样传感器转换为的矩形脉冲或阶梯脉冲信号，最后通过表内置电路的信号调整和放大，转化为电子计数器上的电子数字信号，最终通过液晶屏将计量数据显示出来。电子计数式膜式燃气表是通过新增电子计量方式，实现了部分表端电子化的功能，更为重要的是最终将计量数据转化为了电子数字信号，这样有利于实现计量数据的远程传输、表端智能化和信息化升级等计量方式的扩展，有利于燃气表智慧化的发展。但是，此种方式的燃气表仍然需要采用传统的机械计数器，对机械传动部件及字轮可靠性的要求仍然较高，其智慧化的进一步发展仍然受限。另外，采用传统的机械字轮，一方面增加了燃气表的产品成本，另一方面，在燃气表的生产检测过程中，需要人工的进行调齿和换齿工作，对燃气表的生产效率和生产成本也有着比较大的影响。
发明内容
基于现有膜式燃气表存在的生产效率低和生产成本较高的问题，现在提出一种采用光电采样器将机械计量体输出的机械计量连续信号转换为电子数字信号，再经调齿计算和温压修正计算后，将脉冲信号传递给虚拟计数器并进行显示的采用虚拟计数器方式的电子式膜式燃气表。
为实现上述技术效果，本申请的技术方案如下：
一种采用虚拟计数器方式的电子式膜式燃气表，其特征在于，包括：
机械计量体：通过计量工作循环，将流经仪表的燃气连续的分割为等量的体积并排向下游的用户燃具。
机械输出轴：将机械计量体的计量工作通过循环转动连续不断地表示出来。
光电采样器：将机械计量体输出的机械计量连续信号转换为电子数字信号，并将机械输出轴的信息转化为虚拟输出轴的信息。
虚拟输出轴：将机械输出轴的输出信息虚拟化，其虚拟旋转的速度与光电采样器采集的光电信号同步。
虚拟驱动器：是从虚拟输出轴到虚拟计数器首轮的虚拟传动系统，包括四级级变速系统，一级系统即虚拟定型齿轮副，其作用是将燃气表的定型参数反映出来，二级系统即曲线平移齿轮副，其作用是将燃气表误差曲线平移的调节量反映出来，三级是曲线开度齿轮副，其作用是将误差曲线分段调整量反映出来，四级是温度压力调整齿轮副，其作用是将温压修正系数反映出来，整个驱动器就是通过若干个存储器和计算器逐步计算各级的输出比完成计量信息传输的，对电子数字信号进行曲线平移调齿计算、开度调齿计算和温压修正计算，并在虚拟输出轴驱动下，以经驱动器向虚拟计数器传递驱动力。
和虚拟计数器：在上游传动链开度调整虚拟轴的驱动下，将虚拟传输系统的输出信息通过虚拟10进制计数器表达出来。
所述机械计量体通过机械输出轴与光电采样器相连，所述光电采样器通过虚拟输出轴与虚拟传输系统相连，所述虚拟传输系统与虚拟计数器相连。
进一步地，光电采样器包括采样圆盘、采样参数存储器、测量光标计数器、测量时间计时器和采样计算器；采样参数存储器用于存储圆盘的光标数量k；测量光标计数器用于存储一定时间t秒内所采集的光标数量；测量时间计时器用于存储测量时间，采样计算器用于计算光标频率；光电采样器通过计量体输出轴频率f＝N/t测量的一个被测量参数，工作计量与校准计量输出频率计算公式。
进一步地，虚拟传输系统包括依次信号相连的定型虚拟齿轮副、定型虚拟轴、曲线平移虚拟齿轮副、曲线平移虚拟轴、曲线开度虚拟齿轮副和开度调整虚拟轴。
其中，
定型虚拟齿轮副：用于给出定型参数；定型参数是指每一个光标在该型号的定型时所代表的燃气的体积所对应的齿轮副，其输出比为i1＝f(V回转/k)，其中回转体积V回转和k是已经确知的变量，随不同型号变化。
定型虚拟轴：将定型虚拟齿轮副的从动轮的转动信息等速转移至传动链下游；
曲线平移虚拟齿轮副：将误差曲线平移到合规的位置。
曲线平移虚拟轴：将曲线平移虚拟齿轮副的从动轮的转动信息等速转移至传动链下游；
曲线开度虚拟齿轮副：将曲线通过分段平移，使得曲线开度大幅度降低。
开度调整虚拟轴：将曲线开度虚拟齿轮副的从动轮的转动信息等速转移至传动链下游。
虚拟传输系统还包括转速计算器、定型参数存储器、校准参数存储器，其中
转速计算器：用于计算各虚拟轴的转速。
定型参数存储器：用于存储回转体积值。
校准参数存储器：用于存储校准过程所测定的各流量点的示值误差值eqi、校准系统的参数值、各校准流量点的频率值fqi。
虚拟传输系统还包括虚拟调整装置和修正装置，其中
虚拟调整装置包括数据接口、平移调整系数测定器和开度调整系数测定器，其中数据接口供校准系统向燃气表读取相关数据和写入校准参数使用；平移调整系数测定器用于平移调整系数测定，开度调整系数测定器用于开度调整系数测定。
修正装置包括温压测量装置接口、转换系数计算器和转换参数存器，其中温压测量装置接口用于获取温度压力实测值，转换系数计算器用于计算修正系或转换系数，转换参数存储器用于存储转换基准温度、基准压力、基准压缩因子。
进一步地，虚拟计数器包括虚拟计数器首轮、虚拟计数器二轮、虚拟计数器三轮、虚拟计数器四轮、虚拟计数器五轮、虚拟计数器六轮、虚拟计数器七轮、虚拟计数器八轮和虚拟计数器九轮。
定型参数为燃气表在产品定型时的设计参数，包括定型回转体积、定型采样常数、测试元件常数、定型虚拟传动比、定型特征流量和误差限。
定型回转体积：即计量体，表示一个计量循环所计量的体积，用符号Vc表示。
定型采样常数：表示一个计量循环中采样圆盘发出的信号个数，用符号k表示。
测试元件常数：测试元件常数是指膜式燃气表指示装置最低位数的最小变化体积值，用符号Vtest表示。
定型虚拟传动比：定型虚拟传动比是指定型回转体积与测试元件常数之比，用符号i表示，且
定型特征流量：定型特征流量包括燃气表最大流量qmax、分界流量qt和最小流量qmin，分界流量qt表示不同准确度区间分界点。
误差限：是规定值，取决于燃气表的等级。
误差曲线调整参数：包括曲线平移参数和曲线开度参数。
曲线平移参数:曲线平移是以燃气表最大流量点qmax为平移调整参考基准，通过标准装置获得示值误差e，并计算平移修正系数
再将此值与平移参数存储器中的原有参数λ相乘，即可得到校准系数，再与校准日期一起存入平移参数存储器中，通过曲线平移虚拟齿轮副实现误差曲线的平移。
曲线开度参数：
曲线开度调整是在平移调整完成后，对最大流量点qmax以外的其他流量点，进行调整的一种操作，通过标准装置获得示值误差ei，并计算平移修正系数
再将此值与开度调整参数储存器中的原有对应的参数γi相乘，即可得到校准系数，再与校准日期一起存入平移参数存储器中。燃气表通过虚拟开度调整齿轮副实现曲线开度的调整。
虚拟调整装置包括：数据接口和调整系数测定；
数据接口：燃气表与标准器或控制器的接口，可通过所述数据接口向燃气表输入标准器的流量参数，也可通过所述数据接口输出燃气表的示值。
调整系数测定包括用于平移调整系数测定的平移调整系数测定器和用于开度调整系数测定的开度调整系数测定器。
具体而言，
平移调整系数测定是指燃气表初次校准之前，燃气表的修正系数为λ，对于未经校准的燃气表，修正系数λ为1；对于已经校准的燃气表，修正系数为某一具体数值λ0；
将被检燃气表与校准系统串联在同一气流管路中，以所选定的平移调整流量点向管路通气，校准系统通过燃气表的数据接口采集燃气表的示值变化量Vi＝Vm结束-Vm初始，并与校准系统的示值Vref相比较，计算此时的相对示值误差
再将
输入燃气表内，表内计算平移相对修正值为C，
并计算
平移调整系数测定的目的是将燃气表的系统误差消除。
开度调整参数测定：通过校准系统气源向燃气表输入频率信号为f、瞬时流量为
的燃气体积
校准系统通过燃气表的数据接口采集燃气表的示值Vfm，校准系统计算此时的相对示值误差
通过数据接口再将此相对示值误差e输入燃气表内，燃气表内的测定器再计算曲线开度修正系数
或者按
计算，测定每一频率的开度系数时，都需要先将开度系数设为γf＝1。
开度调整参数测定的目的是在单点平移调整的基础上对其他流量点的示值误差进行修正。
温度和压力传感器接口和温压转换基础参数；
温压测量装置接口：包括温度传感器、压力传感器控制器的接口。
温压基准参数：包括基准温度参数Tb、基准压力参数Pb和压缩因子Zb，存储在转换参数存储器中。
转换系数计算：通过转换参数存储器计算温度压力和压缩因子修正系数
本发明的具体工作原理：
采用虚拟计数器方式的电子式膜式燃气表的电子计量过程主要包括信号获取、虚拟驱动、虚拟计数和示值显示。
(1)信号获取
采样圆盘与机械输出轴同步转动，频率均为f机械轴，采样圆盘上装有k个光电感应光标，经光电采样器采集其光电信号频率
其中N代表所采集的光电信号个数，t代表采经历的时间；虚拟输出轴以
的转速旋转或以f的转速旋转，当燃气表工作计量时采用
频率作为转速，当校准测定时采用频率f作为转速；同样在设计定型虚拟齿轮副时，当燃气表工作计量用回转体积1.2升/转的对应齿轮副，校准测定时采用每个信号对应
升/个的齿轮副。
圆盘光标数量参数k存储在采样参数存储器中，计时器参数存储在测量时间计时器中，计算器参数存储在测量光标计数器中，上述参数均在光电采样器内；输入信号为机械轴物理转速，输出信号为虚拟输出轴虚拟转速，根据校准或者计量对应两种不同的转速。
(2)虚拟驱动
虚拟驱动输入：虚拟传输系统的输入信号为虚拟输出轴的转速f或
定型虚拟齿轮副：定型虚拟齿轮副以虚拟输出轴的转速f或
为输入转速，以定型设计输出比icd为速比，则输出转速为f×icd或
定型虚拟轴：将定型虚拟齿轮副从动轮的转动信息传递给下游。
曲线平移虚拟齿轮副：曲线平移虚拟齿轮副以定型虚拟齿轮副的输出转速f×icd或
为其输入转速，以曲线平移修正系数λ为速比，则输出转速为f×icd×λ或
曲线开度虚拟齿轮副：曲线开度虚拟齿轮副以曲线平移虚拟齿轮副的输出转速f×icd×λ或
为输入转速，以曲线开度修正系数γ(f)为速比，则输出转速为f×icd×λ×γ(f)或
温压修正齿轮副：温压修正齿轮副的输入转速为为f×icd×λ×γ(f)或
以温压修正系数γ(Tm，Pm，Zm)＝γP/(γTγZ)；
虚拟驱动输出：通过温压修正齿轮副向下游输出；
虚拟传输系统的输出信号为温压修正齿轮副的输出转速f×icd×λ×γ(f)或
(3)虚拟计数器
虚拟计数器的输入
虚拟计数器的输入就是虚拟传输系统的输出转速f×icd×λ×γ(f)或
虚拟计数器首轮转速
虚拟计数器首轮上有5个分度(或像机械计数器一样有50个分度)，分度的读数可以是5或10的倍数或分数倍数，例如5，50，也可以设为10,100，每一个分度代表0.0002m3(机械字轮的一个分度也是0.0002m3)的气体体积，则首轮转动一圈为0.001m3(机械字轮对应0.01m3)。虚拟首字轮转动时依次从0、2、4、6、8再到0，每转动一圈，相应高一位字轮增加一个分度。如果采用液晶屏数字显示时，则显示数字的最低位以2、4、6、8、0、2、4、6、8、0……往复快速变动的1位数字表示。
虚拟计数器读数
虚拟计数器采用的是十进制计数器，因此相邻的高位字轮与低位字轮之间的速比为1:10，则计数器最高位与最低位的速比就是108：1。也就是说，计数器最高位每转动一圈，代表计数器表示的体积为105立方米(即10万立方米)，也就相当于计数器最低位转动1亿圈所代表的气体体积。
示值计算
由于虚拟计数器的首轮转速为
则以m3/h为单位的瞬时流量为
以m3为单位累积流量为
(4)示值显示
由于燃气表只有一个虚拟计数器，因此在燃气表示值显示时，只能显示工况下瞬时流量、工况下累积流量。
燃气表的示值显示有两种方案可供选择，即显示工况瞬时流量和工况累积流量，或显示标况瞬时流量和标况累积流量。虚拟字轮仅显示累积流量，液晶屏上的数字可现实瞬时流量。
当使用液晶屏上的数字显示工况下的瞬时流量时，其计算方法为：
(此时γ(Tm，Pm，Zm)＝1)
当使用虚拟字轮显示工况下的累积流量时，其计算方法为：
当使用液晶屏上的数字显示标况下的瞬时流量时，其计算方法为：
(此时
)
当使用虚拟字轮显示标况下的累积流量时，其计算方法为：
本申请的优点在于：
1、本申请采用光电采样器将机械计量体输出的机械计量连续信号转换为电子数字信号，再经调齿计算和温压修正计算后，将脉冲信号传递给虚拟计数器并进行显示，在本质上不改变燃气表计数原理的前提下，将传统机械式计数器通过虚拟软件的方式表现出来，通过梳理燃气计量过程的计算方法，固化相关的计量参数，提高膜式燃气表的计量稳定性。
2、本申请在减少燃气表机械结构的同时，能做到节能、提高了可靠性。本申请采用更为先进的燃气计量技术、充分发挥现代化计量传感技术的优势、分析燃气计量方式的市场适应情况也会对燃气计量行业的技术进步和产业健康发展产生非常重要的现实影响。
附图说明
图1为本申请的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种采用虚拟计数器方式的电子式膜式燃气表，包括：
机械计量体：通过计量工作循环，将流经仪表的燃气连续的分割为等量的体积并排向下游的用户燃具，计量工作循环的动力源自燃气本身。
机械输出轴：将机械计量体的计量工作通过循环转动连续不断地表示出来；
光电采样器：将机械计量体输出的机械计量连续信号转换为电子数字信号；
虚拟输出轴：将机械输出轴的输出信息虚拟化，其虚拟输出轴驱动动力来自光电信号，旋转的速度与光电信号同步，即虚拟输出轴的转速w虚拟＝f，也可以在工作状态时为传动链下游节能而采用与机械轴转速同步的方案(w机械＝f/k)。
虚拟传输系统：通过对电子数字信号进行调齿计算和温压修正计算；其中温压修正还包括进行压缩因子计算；
和虚拟计数器：在上游传动链开度调整虚拟轴的驱动下，将虚拟传输系统的输出信息通过虚拟10进制计数器表达出来，表达可以由数个虚拟计数器来完成，例如需要表达工况体积时可以将温压修正设置为系数1，例如表达只有温度补偿的体积时可以将压力修正系数设置为1。
所述机械计量体通过机械输出轴与光电采样器相连，所述光电采样器通过虚拟输出轴与虚拟传输系统相连，所述虚拟传输系统与虚拟计数器相连。
进一步地，光电采样器包括采样圆盘、采样参数存储器、测量光标计数器、测量时间计时器和采样计算器；采样参数存储器用于存储圆盘的光标数量k；测量光标计数器用于存储一定时间t秒内所采集的光标数量；测量时间计时器用于存储测量时间，采样计算器用于计算光标频率；光电采样器通过计量体输出轴频率f＝N/t测量的一个被测量参数，工作计量与校准计量输出频率计算公式。
进一步地，虚拟传输系统包括依次信号相连的定型虚拟齿轮副、定型虚拟轴、曲线平移虚拟齿轮副、曲线平移虚拟轴、曲线开度虚拟齿轮副和开度调整虚拟轴；
其中，
定型虚拟齿轮副：用于给出定型参数；定型参数是指每一个光标在该型号的定型时所代表的燃气的体积所对应的齿轮副，其输出比为i1＝f(V回转/k)，其中回转体积V回转和k是已经确知的变量，随不同型号变化。
定型虚拟轴：将定型虚拟齿轮副的从动轮的转动信息等速转移至传动链下游；
曲线平移虚拟齿轮副：根据校准过程给出的调节量，选择安装的曲线平移虚拟齿轮副，将误差曲线平移到合规的位置。
曲线平移虚拟轴：将曲线平移虚拟齿轮副的从动轮的转动信息等速转移至传动链下游；
曲线开度虚拟齿轮副：将曲线通过分段平移，使得曲线开度大幅度降低；整个曲线又大开度的平滑曲线变开度极小的锯齿形曲线，使得校准后的仪表得误差更趋于零0。
开度调整虚拟轴：将曲线开度虚拟齿轮副的从动轮的转动信息等速转移至传动链下游；
虚拟传输系统还包括转速计算器、定型参数存储器和校准参数存储器。
转速计算器：用于计算各虚拟轴的转速；包括定型虚拟轴、曲线平移虚拟轴、开度调整虚拟轴。
定型参数存储器：用于存储回转体积值；信号当量值1imp≡****立方米，定型齿轮副的输出系数值，定型参数必须和型式评价的相关参数一致，受到法律保护，具体实施方案则是设置后加电子封印，不能更改。
校准参数存储器：用于存储校准过程所测定的各流量点的示值误差值eqi、校准系统的参数值、各校准流量点的频率值fqi；校准参数一旦确定，则应受到法律保护，具体实施方案则是设置后加电子封印，不能进行更改。
虚拟调整装置和修正装置
虚拟调整装置包括数据接口、平移调整系数测定器和开度调整系数测定器，其中数据接口供校准系统向燃气表读取相关数据和写入校准参数使用；平移调整系数测定器用于平移调整系数测定，开度调整系数测定器用于开度调整系数测定。
修正装置包括温压测量装置接口、转换系数计算器和转换参数存器，其中温压测量装置接口用于获取温度压力实测值，转换系数计算器用于计算修正系或转换系数，转换参数存储器用于存储转换基准温度、基准压力、基准压缩因子。
进一步地，虚拟计数器包括虚拟计数器首轮、虚拟计数器二轮、虚拟计数器三轮、虚拟计数器四轮、虚拟计数器五轮、虚拟计数器六轮、虚拟计数器七轮、虚拟计数器八轮和虚拟计数器九轮。每个轮上均有十个刻度，从0-9，虚拟计数器首轮的作用是将0.0001-0.0009立方米用虚拟计数器首轮的一转表示出来，虚拟计数器二轮的作用接受虚拟计数器首轮进位，并表示0.001立方米-0.009立方米，虚拟计数器三轮的作用接受而轮进位，并表示0.01立方米-0.09立方米，……，虚拟计数器九轮的作用接受虚拟计数器八轮进位，并表示10000立方米-90000立方米，这样可以记录的流量范围为0.0001立方米-99999.9999立方米，在实际使用中，可以根据其他型号对虚拟计数器的轮数进行增减，例如工业表为9位(999999.999)等。
定型参数为燃气表在产品定型时的设计参数，对于同一型式的产品而言，定型参数应保持一致，包括定型回转体积、定型采样常数、测试元件常数、定型虚拟传动比、定型特征流量和误差限。
定型回转体积：即计量体，表示一个计量循环所计量的体积，用符号Vc表示；定型回转体积是燃气表设计的主要指标之一，是用于传动链、最大流通能力、阻流及寿命计算的重要依据，直接影响燃气表的体积。定型回转体积由机械计量体的机构决定。
定型采样常数：表示一个计量循环中采样圆盘发出的信号个数，用符号k表示，对于同一型式的产品而言，此值是一个常数或一组常数。
测试元件常数：测试元件常数是指膜式燃气表指示装置最低位数的最小变化体积值，用符号Vtest表示，对于同一型式的产品而言，此值是一个常数。
定型虚拟传动比：定型虚拟传动比是指定型回转体积与测试元件常数之比，用符号i表示，且
定型特征流量：定型特征流量包括燃气表最大流量qmax、分界流量qt和最小流量qmin，分界流量qt表示不同准确度区间分界点。
误差限：是规定值，取决于燃气表的等级。
定型回转体积由机械计量体的机构决定。定型采样常数是由机械计量体的机构与采样圆盘的结构决定，测试元件常数是由虚拟计数器首轮所处的数位决定的，定型虚拟传动比是由回转体积和测试元件常数决定的，也就是由计量体和虚拟计数器首轮决定的，定型特征流量是由该型号决定的(国家规定的每一型号的特征流量)。
误差曲线调整参数：包括曲线平移参数和曲线开度参数。
曲线平移参数:曲线平移是以燃气表最大流量点qmax为平移调整参考基准，通过标准装置获得示值误差e，并计算平移修正系数
再将此值与平移参数存储器中的原有参数λ相乘，即可得到校准系数，再与校准日期一起存入平移参数存储器中，历史记录仍可保留。这个过程成为校准，是将燃气表连接在校准系统上测定的，e＝(示值-校准器值)/校准器值×100％。通过曲线平移虚拟齿轮副实现误差曲线的平移，其特点是不改变燃气表误差曲线的形状，只是将曲线平移至与零线最为接近的程度，最佳的平移调整目标是使得加权平均误差为零，以保证贸易计量的公平性。燃气表也可通过对未经修正的显示值直接与平移参数相乘，从而获得平移后的测量结果。当燃气表没有开度调整时，或者开度调整修正系数为1时，平移后的测量结果就是燃气表测量条件下的示值，即燃气表工况示值。
曲线开度参数：
与传统燃气表单点换齿原理不同，此处的曲线开度调整是在平移调整完成后，对最大流量点qmax以外的其他流量点，包括但不限于0.1qmax、0.2qmax、0.4qmax、0.7qmax，进行调整的一种操作，通过标准装置获得示值误差ei，并计算平移修正系数
再将此值与开度调整参数储存器中的原有对应的参数γi相乘，即可得到校准系数，再与校准日期一起存入平移参数存储器中，历史记录仍可保留。ei由校准系统测定。燃气表通过虚拟开度调整齿轮副实现曲线开度的调整，其特点是在曲线加权平均误差趋于零或趋于一个特定目标值时，对曲线的各个流量点进行调整，使流量曲线上各点的误差趋近于零或趋近于特定目标值。
虚拟调整装置包括：数据接口和调整系数测定；
数据接口：燃气表与标准器或控制器的接口，可通过所述数据接口向燃气表输入标准器(校准系统)的流量参数，也可通过所述数据接口输出燃气表的示值。
调整系数测定包括用于平移调整系数测定的平移调整系数测定器和用于开度调整系数测定的开度调整系数测定器。
具体而言，
平移调整系数测定是指燃气表初次校准之前，燃气表的修正系数为λ，对于未经校准的燃气表，修正系数λ为1；对于已经校准的燃气表，修正系数为某一具体数值λ0；
将被检燃气表与校准系统串联在同一气流管路中，以所选定的平移调整流量点(一般为最大流量点qmax)向管路通气一段时间，校准系统通过燃气表的数据接口(无线或有线的方式)可采集燃气表的示值(液晶显示器变化量Vi＝Vm结束-Vm初始，燃气表的示值可以是多样的输出，液晶示值一般不支持机读，一般是数据接口可以输出脉冲或数据)，并与校准系统(即标准表)的示值Vref相比较，计算此时的相对示值误差
再将
输入燃气表内，表内计算平移相对修正值为C，
并计算
平移调整系数测定的目的是将燃气表的系统误差消除，使燃气表的计量误差处于传统膜式燃气表的最大允许误差MPE的限值之内。
开度调整参数测定：通过校准系统气源向燃气表输入频率信号为f、瞬时流量为
的燃气体积
校准系统通过燃气表的数据接口采集燃气表的示值Vfm，校准系统计算此时的相对示值误差
通过数据接口再将此相对示值误差e输入燃气表内，燃气表内的测定器再计算曲线开度修正系数
或者按
计算，测定每一频率的开度系数时，都需要先将开度系数设为γf＝1。
开度调整参数测定的目的是在单点平移调整的基础上对其他流量点的示值误差进行修正。对每一燃气表的每一关键流量点逐点进行修正系数测定，并将曲线开度修正系数固化地存储于参数存储器中，供计量过程调用，燃气表的型式评价可对此进行记载。
温度和压力传感器接口和温压转换基础参数
温压测量装置接口：包括温度传感器、压力传感器控制器的接口，当温度传感器在燃气表壳体内部时，也应有接口。
温压基准参数：包括基准温度参数Tb、基准压力参数Pb和压缩因子Zb，存储在转换参数存储器中。
转换系数计算：通过转换参数存储器计算温度压力和压缩因子修正系数，具体计算方法如下：
∵PV＝ZnRT
∴V∝Z×T/P
Vb∝Zb×Tb/Pb
令
则γ(Tm，Pm，Zm)＝γP/(γTγZ)
具体计算方法也可参见国家标准GB/T 36242-2018《燃气流量计体积修正仪》中的内容。
P，V，Z，T分别表示：物理定理条件下的压力、体积、压缩因子、热力学温度值；Tm，Pm，Zm，Tm测量条件下的的压力、体积、压缩因子、热力学温度值；Vb表基准条件下的体积値。
具体工作原理：
采用虚拟计数器方式的电子式膜式燃气表的电子计量过程主要包括信号获取、虚拟驱动、虚拟计数和示值显示。
(1)信号获取
采样圆盘与机械输出轴同步转动，频率均为f机械轴，采样圆盘上装有k个光电感应光标，经光电采样器采集其光电信号频率
其中N代表所采集的光电信号个数，t代表采经历的时间；虚拟输出轴以
的转速旋转或以f的转速旋转，当燃气表工作计量时采用
频率作为转速，当校准测定时采用频率f作为转速；同样在设计定型虚拟齿轮副时，当燃气表工作计量用回转体积1.2升/转的对应齿轮副，校准测定时采用每个信号对应
升/个的齿轮副。
圆盘光标数量参数k存储在采样参数存储器中，计时器参数存储在测量时间计时器中，计算器参数存储在测量光标计数器中，上述参数均在光电采样器内；输入信号为机械轴物理转速，输出信号为虚拟输出轴虚拟转速，根据校准或者计量对应两种不同的转速。
(2)虚拟驱动
虚拟驱动输入：虚拟传输系统的输入信号为虚拟输出轴的转速f或
定型虚拟齿轮副：定型虚拟齿轮副以虚拟输出轴的转速f或
为输入转速，以定型设计输出比icd为速比，则输出转速为f×icd或
其中icd是根据型号预设置，也可通过预先测量后写入。
定型虚拟轴：将定型虚拟齿轮副从动轮的转动信息传递给下游。
曲线平移虚拟齿轮副：曲线平移虚拟齿轮副以定型虚拟齿轮副的输出转速f×icd或
为其输入转速，以曲线平移修正系数λ为速比，则输出转速为f×icd×λ或
曲线开度虚拟齿轮副：曲线开度虚拟齿轮副以曲线平移虚拟齿轮副的输出转速f×icd×λ或
为输入转速，以曲线开度修正系数γ(f)为速比，则输出转速为f×icd×λ×γ(f)或
曲线开度系数γ(f)是频率函数，需要逐频点校准测定，可以是一个表格，也可以是一个经验公式。
虚拟驱动输出：通过开度调整虚拟轴向下游输出。
虚拟传输系统的输出信号为曲线开度虚拟齿轮副的输出转速f×icd×λ×γ(f)或
(3)虚拟计数器
虚拟计数器的输入
虚拟计数器的输入就是虚拟传输系统的输出转速f×icd×λ×γ(f)或
虚拟计数器首轮转速
一般传统机械计数器首轮的转动轴与驱动轴垂直，因此需要锥形齿轮传递，而且需要具有一定的输出比，从而形成一对齿轮副，与其他齿轮副形成总传动比为icd的机械计数器。
上文已经说明了虚拟驱动系统传动链的总系数，包含了首轮与传动系统的上游关系，此处只分析虚拟计数器的作用，即自首轮到最高位字轮的传动链。首轮的作用是用于正确显示流过机械计量体的气体体积，并在数值溢出时向二轮传递，以此类推，直到最高位字轮。燃气表机芯每完成一个工作循环，则首轮转动出回转体积Vc单位的体积，首轮转动一圈的体积为Vreturn(Vreturn＝0.01m3或0.001m3)。
虚拟计数器首轮上有5个分度(或像机械计数器一样有50个分度)，分度的读数可以是5或10的倍数或分数倍数，例如5，50，也可以设为10,100，每一个分度代表0.0002m3(机械字轮的一个分度也是0.0002m3)的气体体积，则首轮转动一圈为0.001m3(机械字轮对应0.01m3)。虚拟首字轮转动时依次从0、2、4、6、8再到0，每转动一圈，相应高一位字轮增加一个分度。如果采用液晶屏数字显示时，则显示数字的最低位以2、4、6、8、0、2、4、6、8、0……往复快速变动的1位数字表示。
虚拟计数器读数
虚拟计数器采用的是十进制计数器，因此相邻的高位字轮与低位字轮之间的速比为1:10，则计数器最高位与最低位的速比就是108：1。也就是说，计数器最高位每转动一圈，代表计数器表示的体积为105立方米(即10万立方米)，也就相当于计数器最低位转动1亿圈所代表的气体体积。
示值计算
由于虚拟计数器的首轮转速为
则以m3/h为单位的瞬时流量为
以m3为单位累积流量为
温度压力及压缩因子修正
当存在温度压力及压缩因子修正时，虚拟传输系统的虚拟驱动轴转速需要乘以相应的修正系数。
(4)示值显示
由于燃气表只有一个虚拟计数器，因此在燃气表示值显示时，只能显示工况下瞬时流量、工况下累积流量(或标况下瞬时流量、标况下累积流量)，如需显示其他流量值，则需要依靠液晶屏显示。根据现行国家标准GB/T 6968-2019《膜式燃气表》中的要求，燃气表机电转换误差不应超过±1个脉冲当量。因此当虚拟字轮显示工况流量时，就不能显示标况流量，反之亦然。
综上所述，燃气表的示值显示有两种方案可供选择，即显示工况瞬时流量和工况累积流量，或显示标况瞬时流量和标况累积流量。虚拟字轮仅显示累积流量，液晶屏上的数字可现实瞬时流量。
当使用液晶屏上的数字显示工况下的瞬时流量时，其计算方法为：
当使用虚拟字轮显示工况下的累积流量时，其计算方法为：
当使用液晶屏上的数字显示标况下的瞬时流量时，其计算方法为：
当使用虚拟字轮显示标况下的累积流量时，其计算方法为：
Claims (10)
1.一种采用虚拟计数器方式的电子式膜式燃气表，其特征在于，包括：
机械计量体：通过计量工作循环，将流经仪表的燃气连续的分割为等量的体积并排向下游的用户燃具；
机械输出轴：将机械计量体的计量工作通过循环转动连续不断地表示出来；
光电采样器：将机械计量体输出的机械计量连续信号转换为电子数字信号，并将机械输出轴的信息转化为虚拟输出轴的信息；
虚拟输出轴：将机械输出轴的输出信息虚拟化，其虚拟旋转的速度与光电采样器采集的光电信号同步；
虚拟驱动器：是从虚拟输出轴到虚拟计数器首轮的虚拟传动系统，包括四级级变速系统，一级系统即虚拟定型齿轮副，其作用是将燃气表的定型参数反映出来，二级系统即曲线平移齿轮副，其作用是将燃气表误差曲线平移的调节量反映出来，三级是曲线开度齿轮副，其作用是将误差曲线分段调整量反映出来，四级是温度压力调整齿轮副，其作用是将温压修正系数反映出来，整个驱动器就是通过若干个存储器和计算器逐步计算各级的输出比完成计量信息传输的，对电子数字信号进行曲线平移调齿计算、开度调齿计算和温压修正计算，并在虚拟输出轴驱动下，以经驱动器向虚拟计数器传递驱动力；通过对电子数字信号进行曲线平移调齿计算、开度调齿计算和温压修正计算；
和虚拟计数器：在上游传动链开度调整虚拟轴的驱动下，将虚拟传输系统的输出信息通过虚拟10进制计数器表达出来；
所述机械计量体通过机械输出轴与光电采样器相连，所述光电采样器通过虚拟输出轴与虚拟传输系统相连，所述虚拟传输系统与虚拟计数器相连。
2.根据权利要求1所述的一种采用虚拟计数器方式的电子式膜式燃气表，其特征在于：光电采样器包括采样圆盘、采样参数存储器、测量光标计数器、测量时间计时器和采样计算器；采样参数存储器用于存储圆盘的光标数量k；测量光标计数器用于存储一定时间t秒内所采集的光标数量；测量时间计时器用于存储测量时间，采样计算器用于计算光标频率；光电采样器通过计量体输出轴频率f＝N/t测量的一个被测量参数，工作计量与校准计量输出频率计算公式。
3.根据权利要求1所述的一种采用虚拟计数器方式的电子式膜式燃气表，其特征在于：虚拟传输系统包括依次信号相连的定型虚拟齿轮副、定型虚拟轴、曲线平移虚拟齿轮副、曲线平移虚拟轴、曲线开度虚拟齿轮副和开度调整虚拟轴；
其中，
定型虚拟齿轮副：用于给出定型参数；定型参数是指每一个光标在该型号的定型时所代表的燃气的体积所对应的齿轮副；
定型虚拟轴：将定型虚拟齿轮副的从动轮的转动信息等速转移至传动链下游；
曲线平移虚拟齿轮副：将误差曲线平移到合规的位置。
曲线平移虚拟轴：将曲线平移虚拟齿轮副的从动轮的转动信息等速转移至传动链下游；
曲线开度虚拟齿轮副：将曲线通过分段平移，使得曲线开度大幅度降低；
开度调整虚拟轴：将曲线开度虚拟齿轮副的从动轮的转动信息等速转移至传动链下游。
4.根据权利要求3所述的一种采用虚拟计数器方式的电子式膜式燃气表，其特征在于：虚拟传输系统还包括转速计算器、定型参数存储器、校准参数存储器、虚拟调整装置和修正装置；
转速计算器：用于计算各虚拟轴的转速；
定型参数存储器：用于存储回转体积值；
校准参数存储器：用于存储校准过程所测定的各流量点的示值误差值eqi、校准系统的参数值、各校准流量点的频率值fqi；
虚拟调整装置包括数据接口、平移调整系数测定器和开度调整系数测定器，其中数据接口供校准系统向燃气表读取相关数据和写入校准参数使用；平移调整系数测定器用于平移调整系数测定，开度调整系数测定器用于开度调整系数测定；
修正装置包括温压测量装置接口、转换系数计算器和转换参数存器，其中温压测量装置接口用于获取温度压力实测值，转换系数计算器用于计算修正系或转换系数，转换参数存储器用于存储转换基准温度、基准压力、基准压缩因子。
5.根据权利要求1所述的一种采用虚拟计数器方式的电子式膜式燃气表，其特征在于：虚拟计数器包括虚拟计数器首轮、虚拟计数器二轮、虚拟计数器三轮、虚拟计数器四轮、虚拟计数器五轮、虚拟计数器六轮、虚拟计数器七轮、虚拟计数器八轮和虚拟计数器九轮。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种采用虚拟计数器方式的电子式膜式燃气表，其特征在于：定型参数为燃气表在产品定型时的设计参数，包括定型回转体积、定型采样常数、测试元件常数、定型虚拟传动比、定型特征流量和误差限；其中
定型回转体积：即计量体，表示一个计量循环所计量的体积，用符号Vc表示；
定型采样常数：表示一个计量循环中采样圆盘发出的信号个数，用符号k表示；
测试元件常数：测试元件常数是指膜式燃气表指示装置最低位数的最小变化体积值，用符号Vtest表示；
定型虚拟传动比：定型虚拟传动比是指定型回转体积与测试元件常数之比，用符号i表示，且
定型特征流量：定型特征流量包括燃气表最大流量qmax、分界流量qt和最小流量qmin，分界流量qt表示不同准确度区间分界点。
误差限：是规定值，取决于燃气表的等级。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的一种采用虚拟计数器方式的电子式膜式燃气表，其特征在于：虚拟调整装置包括数据接口和调整系数测定；其中
数据接口：燃气表与标准器或控制器的接口，可通过所述数据接口向燃气表输入标准器的流量参数，也可通过所述数据接口输出燃气表的示值；
调整系数测定包括用于平移调整系数测定的平移调整系数测定器和用于开度调整系数测定的开度调整系数测定器；
虚拟调整装置中涉及误差曲线调整参数，误差曲线调整参数包括曲线平移参数和曲线开度参数；其中
曲线平移参数：曲线平移是以燃气表最大流量点qmax为平移调整参考基准，通过标准装置获得示值误差e，并计算平移修正系数
再将此值与平移参数存储器中的原有参数λ相乘，即可得到校准系数，再与校准日期一起存入平移参数存储器中，通过曲线平移虚拟齿轮副实现误差曲线的平移；
曲线开度参数：曲线开度调整是在平移调整完成后，对最大流量点qmax以外的其他流量点，进行调整的一种操作，通过标准装置获得示值误差ei，并计算平移修正系数
再将此值与开度调整参数储存器中的原有对应的参数γi相乘，即可得到校准系数，再与校准日期一起存入平移参数存储器中，燃气表通过虚拟开度调整齿轮副实现曲线开度的调整。
8.根据权利要求7所述的一种采用虚拟计数器方式的电子式膜式燃气表，其特征在于：用于系统误差消除的平移调整系数测定是指燃气表初次校准之前，燃气表的修正系数为λ，对于未经校准的燃气表，修正系数λ为1；对于已经校准的燃气表，修正系数为某一具体数值λ0；
将被检燃气表与校准系统串联在同一气流管路中，以所选定的平移调整流量点向管路通气，校准系统通过燃气表的数据接口采集燃气表变化量Vi＝Vm结束-Vm初始，并与校准系统(即标准表)的示值Vref相比较，计算此时的相对示值误差
再将
输入燃气表内，计算平移相对修正值为C，
并计算
在单点平移调整的基础上对其他流量点的示值误差进行修正的开度调整参数测定：通过校准系统气源向燃气表输入频率信号为f、瞬时流量为
的燃气体积
校准系统通过燃气表的数据接口采集燃气表的示值Vfm，校准系统计算此时的相对示值误差
通过数据接口再将此相对示值误差e输入燃气表内，燃气表内的测定器再计算曲线开度修正系数
或者按
计算，测定每一频率的开度系数时，都需要先将开度系数设为γf＝1。
9.根据权利要求1-5任意一项所述的一种采用虚拟计数器方式的电子式膜式燃气表，其特征在于：涉及温度和压力传感器接口和温压转换基础参数；
温压测量装置接口：包括温度传感器、压力传感器控制器的接口；
温压基准参数：包括基准温度参数Tb、基准压力参数Pb和压缩因子Zb，存储在转换参数存储器中。
转换系数计算：通过转换参数存储器计算温度压力和压缩因子修正系数
10.根据权利要求1-5任意一项所述的一种采用虚拟计数器方式的电子式膜式燃气表，其特征在于：采用虚拟计数器方式的电子式膜式燃气表的电子计量过程主要包括信号获取、虚拟驱动、虚拟计数和示值显示；
一、信号获取
采样圆盘与机械输出轴同步转动，频率均为f机械轴，采样圆盘上装有k个光电感应光标，经光电采样器采集其光电信号频率
其中N代表所采集的光电信号个数，t代表采经历的时间；虚拟输出轴以
的转速旋转或以f的转速旋转，当燃气表工作计量时采用
频率作为转速，当校准测定时采用频率f作为转速；同样在设计定型虚拟齿轮副时，当燃气表工作计量用回转体积1.2升/转的对应齿轮副，校准测定时采用每个信号对应
升/个的齿轮副；
圆盘光标数量参数k存储在采样参数存储器中，计时器参数存储在测量时间计时器中，计算器参数存储在测量光标计数器中，上述参数均在光电采样器内；输入信号为机械轴物理转速，输出信号为虚拟输出轴虚拟转速，根据校准或者计量对应两种不同的转速；
二、虚拟驱动
虚拟驱动输入：虚拟传输系统的输入信号为虚拟输出轴的转速f或
定型虚拟齿轮副：定型虚拟齿轮副以虚拟输出轴的转速f或
为输入转速，以定型设计输出比icd为速比，则输出转速为f×icd或
定型虚拟轴：将定型虚拟齿轮副从动轮的转动信息传递给下游。
曲线平移虚拟齿轮副：曲线平移虚拟齿轮副以定型虚拟齿轮副的输出转速f×icd或
为其输入转速，以曲线平移修正系数λ为速比，则输出转速为f×icd×λ或
曲线开度虚拟齿轮副：曲线开度虚拟齿轮副以曲线平移虚拟齿轮副的输出转速f×icd×λ或
为输入转速，以曲线开度修正系数γ(f)为速比，则输出转速为f×icd×λ×γ(f)或
温压修正齿轮副：温压修正齿轮副的输入转速为为f×icd×λ×γ(f)或
以温压修正系数γ(Tm，Pm，Zm)＝γP/(γTγZ)；
虚拟驱动输出：通过温压修正齿轮副向下游输出；
虚拟传输系统的输出信号为温压修正齿轮副的输出转速f×icd×λ×γ(f)或
三、虚拟计数
虚拟计数器的输入：虚拟计数器的输入就是虚拟传输系统的输出转速f×icd×λ×γ(f)或
虚拟计数器首轮转速：虚拟计数器首轮上有5个分度(或像机械计数器一样有50个分度)，每一个分度代表0.0002m3的气体体积，则首轮转动一圈为0.001m3；虚拟首字轮转动时依次从0、2、4、6、8再到0，每转动一圈，相应高一位字轮增加一个分度。如果采用液晶屏数字显示时，则显示数字的最低位以2、4、6、8、0、2、4、6、8、0……往复快速变动的1位数字表示；
虚拟计数器读数：虚拟计数器采用的是十进制计数器，因此相邻的高位字轮与低位字轮之间的速比为1∶10，则计数器最高位与最低位的速比就是108∶1。也就是说，计数器最高位每转动一圈，代表计数器表示的体积为105立方米(即10万立方米)，也就相当于计数器最低位转动1亿圈所代表的气体体积；
示值计算：由于虚拟计数器的首轮转速为
则以m3/h为单位的瞬时流量为
以m3为单位累积流量为
四、示值显示
由于燃气表只有一个虚拟计数器，因此在燃气表示值显示时，只能显示工况下瞬时流量、工况下累积流量；
燃气表的示值显示有两种方案可供选择，即显示工况瞬时流量和工况累积流量，或显示标况瞬时流量和标况累积流量，虚拟字轮仅显示累积流量，液晶屏上的数字可现实瞬时流量；
当使用液晶屏上的数字显示工况下的瞬时流量时，其计算方法为：
此时γ(Tm，Pm，Zm)＝1；
当使用虚拟字轮显示工况下的累积流量时，其计算方法为：
当使用液晶屏上的数字显示标况下的瞬时流量时，其计算方法为：
此时
当使用虚拟字轮显示标况下的累积流量时，其计算方法为：
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| CN112903038B (zh) | 2022-06-17 |
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