CN1384342A

CN1384342A - 智能型气体流量计

Info

Publication number: CN1384342A
Application number: CN 02117499
Authority: CN
Inventors: 田宏杰; 胡敏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2002-05-21
Publication date: 2002-12-11

Abstract

本发明公开了一种智能型气体流量计,按照结构可分成智能头和机械管道两部分,其中智能头是由壳体、显示屏、按键、温度传感器接口、温度传感线、温度传感器、总线传输接口、压力传感器接口、压力传感线、压力传感器、流量传感器、流量传感器仓构成;机械管道内安装有涡轮涡杆和齿轮传动装置,当有气体通过机械管道时,涡轮旋转,由涡轮、涡杆、齿轮传动系统将旋转运动传出,通过磁电隔离转换成为流量脉冲信号,供微处理器处理;同时微处理器实时地采集介质的温度和压力,通过优化的数学模型算法解算得到压缩因子Z和标准状态的气体体积流量,从而实现了气体流量的高精度计量。

Description

智能型气体流量计

本发明属于气体流量的计量装置，更特别的是指一种智能型气体流量计。

现有的气体流量计量装置一般为机械直读式或者数字式。机械直读式由于没有考虑气体的压力、温度和可压缩性的影响，所以在气体的压力、温度不能恒定的场合测量误差将达到2.5％左右，甚至没有数据的相关性。而现有的数字式气体流量计量装置虽然考虑了气体温度、压力变化的影响，但没有考虑气体可压缩性，使得测量误差达到1.5％，甚至更高。

由于气体有可压缩性，使得计量结果的累加值成为一个不同压力、温度、密度的累加值，无法进行评价和比较，更不能说它的准确性。

处于计量收费的需要，必须采用不间断的电池供电方式，提高系统的计量准确性和防盗性，并对电池供电时的电池低容量进行检测和补偿，以便于人工进行数据估算。

本发明的目的是克服现有流量计在处理数据准确性的不足，提供一种采用微功耗智能芯片进行气体压力、温度的测量补偿、压缩因子修正，使其成为标准状态下的体积流量，同时由于采用了微功耗技术，保证了电池供电的长久性；磁电隔离转换的安全性；数据的远程传递等性能的智能型气体流量计。

本发明是通过将智能型气体流量计底部的流量传感器仓固定在有气体通过的管道上，同时也将流量计上的两根传感线连接在有气体通过的管道上，当有气体通过管道时，涡轮旋转，由涡轮、涡杆、齿轮传动系统将旋转运动传出，通过磁电隔离转换成为流量脉冲信号，供微处理器处理；同时微处理器实时地采集介质的温度和压力，通过优化的数字算法得到压缩因子和标准状态的气体体积流量，从而实现了气体流量的高精度计量。

本发明的智能型气体流量计，包括智能头、机械管道两部分，其中：(a)智能头是由壳体、显示屏、按键、温度传感器接口、温度传感线、温度传感器、总线传输接口、压力传感器接口、压力传感线、压力传感器、流量传感器仓构成，流量传感器仓用螺钉将智能头固定在机械管道上，壳体左边的压力传感器接口通过传感线将压力传感器连接在机械管道上，壳体左边的网络接口连接在计算机上，壳体右边的温度传感器接口通过传感线将温度传感器连接在机械管道上，壳体上的显示屏上分别显示有累加数据、瞬时流量、温度、压力数据，这些数据的显示通过按键控制切换；(b)机械管道内安装有涡轮和涡杆传动装置，涡杆的一端穿过流量传感器仓的中心孔伸入智能头内，涡轮、涡杆传动通过磁电隔离传动将流量脉冲信号传入智能头内。

所述的智能头内安装有微处理器、温度调理电路、压力调理电路、流量传感器、硬件计数器、存储器、系统时钟、电源管理集成的电路主板，微处理器同温度调理电路、压力调理电路、流量传感器、硬件计数器、存储器、系统时钟、电源管理连接。

所述的智能头上的各接口位置可以根据设计需要调换位置。

所述的智能头上的显示屏采用的是10位LCD显示数据，发光显示菜单汉字和数据单位。

所述的温度传感器是采用铂电阻传感器测量介质的温度，采用恒流源供电，采用14位A/D转换器。

所述的压力传感器是采用扩散硅隔离膜片传感器测量介质的压力，采用恒压源供电，采用14位A/D转换器。

所述的微处理器是控制系统精度、能源功耗、数据采集、数据处理和数学模型算法、数据管理的核心。

所述的气体流量测量的机械传动采用高精度涡轮涡杆传动，输出方式采用磁电隔离传动的自激式磁电转换脉冲信号发生器，实现低功耗的磁电转换，实现了介质隔离，在电器上采用硬件脉冲计数和软件计数方式相结合，实现了高精度测量；算法上采用脉冲唤醒技术，实现了系统的能源节约和延长寿命。

所述的电源管理硬件采用的是内置锂电，采用分时给每个部分供电的方式，可连续工作三年。

所述的智能型气体流量计，每一中继网能控制1～256个流量计。

所述的气体流量计，其微处理器与温度、压力补偿，压缩因子修正：①被测气体的体积流量总量与信号脉冲数间的换算公式：

V_{1} = \frac{f}{K} \times 3600 (m^{3})

式中：V₁：气体工况下的体积流量(m³)

K：流量计仪表系数(1/m³)

f：流量信号脉冲数②被测气体的体积流量总量换算为标准状态下体积流量总量的公式：

V_{0} = \frac{P_{1}}{P_{0}} \times \frac{T_{0}}{T_{1}} \times \frac{1}{Z} \times V_{1} (m^{3})

式中：P₀：标准大气压(101，325Pa)

P₁：气体工况压力(Pa)

T₀：标准状态下的温度(293K)

T₁：气体工况温度(K)

V₀：标准状态下的体积流量(m³)

V₁：气体工况下的体积流量(m³)

Z：气体压缩系数；③压缩系数Z的计算方法：

P_r＝P/P_m

式中：P：实际测量压力(绝对压力)

P_m：临界压力(通过键盘输入)

T_r＝T/T_m

式中：T：实际测量的绝对温度，单位为K

T_m：气体介质的临界温度(通过键盘输入)，

单位为K

利用Z＝g(T_r，P_r，T，P)函数关系可以得到压缩系数④工况下的瞬时体积流量与累积体积流量间的换算公式：

Q_{1} = \frac{V_{1}}{t} (m^{3} / h)

式中：Q₁：气体工况下的瞬时体积流量(m³/h)

t：时间(h)；⑤标准状态下的瞬时体积流量与累积体积流量间的换算公式：

Q_{0} = \frac{V_{0}}{t} (m^{3} / h)

式中：Q₀：标准状态下的瞬时体积流量(m³/h)

t：时间(h)。

所述的智能型气体流量计，适用于微压、低压、中压、高压介质的气体测量，压力可以从0～20kPa～100kPa～1000kPa～2500kPa。

所述的智能型气体流量计，可以存储最近12个月的月净用气量、最近12次启停时间、净用气量的数据。

所述的智能头的壳体可分为上壳和下壳。

本发明的优点是：产品结构简单，使用方便，工作可靠且寿命长，系统精度高；对气体扰动敏感性小，重复性好；智能化设计和压缩因子模型解算，适用于任何气体介质；网络数据传输，以利于数据管理和收费；系统软件的模块化设计，使得系统适宜于微压、低压、中压、高压介质的流量计量；软件、硬件计数的结合，实现了系统高精度采集和小流量采集的高精度。

本发明有下列附图。

图1是本发明的外部结构图。

图2是本发明的原理框图。

图3是本发明的数据传输框图。

下面将通过附图和具体实施例来详细说明本发明，实施例仅限于说明本发明，不影响权利要求保护的范围。

本发明按照结构分成两部分，机械管道6和智能头13。其中智能头13是由壳体1、显示屏2、按键3、温度传感器接口4、温度传感线5、温度传感器12、总线传输接口7、压力传感器接口8、压力传感线10、压力传感器11、流量传感器仓9构成。流量传感器仓9用螺钉将智能头13固定在机械管道6上，壳体1左边的压力传感器接口8通过传感线10将压力传感器11连接在机械管道6上，壳体1左边的总线传输接口7连接在计算机上，壳体1右边的温度传感器接口4通过传感线5将温度传感器12连接在机械管道6上，壳体1上的显示屏2上分别显示有累加流量、瞬时流量、温度、压力等数扭，这些数据均由按键3控制切换显示。其中机械管道6内安装有涡轮和涡杆传动装置，传动轴的一端穿过流量传感器仓9的中心孔通过磁电隔离转换将流量信号传入智能头13内。(请见图1所示)

在本发明智能头13的内部原理框图(请见图2所示)中，智能头13内安装有微处理器、温度调理电路、压力调理电路、流量传感器、硬件计数器、存储器、系统时钟、电源管理等集成的电路主板。微处理器同温度调理电路、压力调理电路、流量传感器、硬件计数器、存储器、系统时钟、电源管理连接。

在本发明中，当有气体(非腐蚀性气体)通过机械管道6时，涡轮旋转，由涡轮、涡杆、齿轮传动系统将旋转运动传出，通过磁电隔离转换成为流量脉冲信号，供微处理器处理；同时微处理器实时的采集介质的温度和压力，通过优化的算法得到压缩因子和标准状态的气体体积流量，从而实现了气体流量的高精度计量。

下面对各部分进行单个说明：

1)机械部分及硬件构成

自激式磁电转换脉冲信号发生器，实现低功耗的磁电转换，实现了介质隔离，并将中心传动系统的机械转速转换为电脉冲信号后直接输入硬件计数器，由硬件计数器进行数据自动处理。

2)温度测量

温度传感器是采用铂电阻传感器测量介质的温度，采用恒流源供电，采用14位A/D转换器实现高精度的采集。为了保证系统工作的可靠性，具有温度传感器开路报警(声音)。

3)压力测量

压力传感器是采用扩散硅隔离膜片传感器测量介质的压力。采用恒压源供电，采用14位A/D转换器实现高精度的采集。同时具有压力传感器开路报警

4)流量测量

机械上采用高精度涡轮涡杆传动，输出方式采用磁电隔离传动，实现机械隔离和介质隔离。

在电器上采用硬件脉冲计数和软件计数方式相结合，实现了高精度测量。

算法上采用脉冲唤醒技术，实现了系统的能源节约和延长寿命。

5)电源管理

硬件上采用分时给每个部分供电的方式；通讯数据传输时系统自动切换到外部电源12V DC～24V DC供电，实现了电池和外部供电的自动转换。

软件上采用脉冲唤醒、按键唤醒、通讯数据传输唤醒等技术实现系统的能源管理。

6)键盘和显示

采用10位LCD显示数据，发光显示菜单汉字和数据单位；

分别显示“累加*********.*m³”；

“瞬时*****.*m³/h”；

“温度**.*℃”；

“压力****.*kPa”；

显示是通过按键触发进行的，如果在15秒内没有按键按下，显示器会自动黑屏。

7)数据传输(请见图3所示)

系统带有RS485总线通讯或者CAN总线方式的数据接口，可以通过网络传输所有的存储数据和信息。

该总线可以组网实现远程收费和管理。

RS485总线通讯或者CAN总线方式的数据传输通讯时自动切换到外供电，不消耗电池电能。

每256个流量计可组成一个最大的中继网。

8)掉电检测

采用电量检测方式检测电源的电能，当电能剩余量小于设定值时实使报警，提醒该换电池了；当电能不足以使系统正常工作时，报警并自动存储该时刻的标准状态的瞬时流量、标准状态的累加流量、温度、压力、及工况状态的瞬时流量、工况状态的累加流量、掉电时刻的年月日时分时间；以便人工补偿计算。

9)微处理器与温度、压力补偿、压缩因子修正：

现以天然气为例，在不同温度(0℃、20℃)下的情况来验证上述的公式：

以天然气为例，其临界压力P_m＝4.64Mpa，临界温度T_m＝191.16K。在温度0℃，表压1.000Mpa，的条件下直接测量的体积为V₁＝0.1m³

则此时T₁＝273.15K，P₁＝1.101Mpa，V₁＝0.1m³。

数字式仪表经过温压修正，修正到标准状态下的体积记作V₀，根据克拉贝龙方程有

V_{0} = \frac{P_{1}}{P_{0}} \times \frac{T_{0}}{T_{1}} \times V_{1}

其中：P₁ 当前管道压力； T₁ 当前管道温度

P₀ 标准状态下的压力，即一个标准大气压为101325Pa

T₀ 标准状态下的温度，即为t＝20℃时的温度 T₀＝293.15K

V₁ 直接测的体积； V₀ 温压修正后的体积

据上式，经过计算得V₀＝1.0157m³。

运用提出的压缩因子算法，有对比温度T_r＝T/T_m＝1.517，P_r＝P/P_m＝0.237，据数学模型函数Z＝g(T_r，P_r，T，P)，求得Z＝0.979

经过压缩因子Z修正后的体积V＝V₀/Z＝1.0375m³

我们将刚才气体，放在温度20℃，表压0MPa，的条件下直接测量的体积为V＝1.04m³。可见温度、压力修正和压缩因子补偿大大提高了测量的精度。

本发明的产品是综合气体动力学、流体力学、电磁学、单片机理论、微功耗技术、数字网络通讯等多学科理论，采用先进的优化设计的一种新型气体流量计。

本发明的产品具有能够实时检测气体的温度、压力、流量，并能够自动进行温度、压力补偿和压缩因子修正；利用微功耗设计，提高了电池的使用寿命；网络通讯接口、实现了网络化管理和检测；具有数据自动存储、查询、处理等功能；是工业自动化检测、计量、控制、管理的必备产品。

本发明的产品可广泛应用于煤气、天然气的用户耗量计量、收费；输送管道、减压站的计量、控制；其它非腐蚀性气体的工业计量、控制；是气体计量的标准器具。

Claims

1、智能型气体流量计，包括智能头、机械管道两部分，其特征在于：

(a)智能头(13)是由壳体(1)、显示屏(2)、按键(3)、温度传感器接口(4)、温度传感线(5)、温度传感器(12)、总线传输接口(7)、压力传感器接口(8)、压力传感线(10)、压力传感器(11)、流量传感器仓(9)构成，流量传感器仓(9)用螺钉将智能头(13)固定在机械管道(6)上，壳体(1)左边的压力传感器接口(8)通过传感线(10)将压力传感器(11)连接在机械管道(6)上，壳体(1)左边的网络传感器接口(7)连接在计算机上，壳体(1)右边的温度传感器接口(4)通过传感线(5)将温度传感器(12)连接在机械管道(6)上，壳体(1)上的显示屏(2)上分别显示有瞬时流量、累积流量、温度、压力数据，均由按键(3)控制切换；

(b)机械管道(6)内安装有涡轮和涡杆传动装置，涡杆的一端穿过流量传感器仓(9)的中心孔伸入智能头(13)内，涡轮、涡杆传动采用磁电隔离传动装置。

2、根据权利要求1所述的气体流量计，其特征在于：在智能头(13)内安装有微处理器、温度调理电路、压力调理电路、流量传感器、硬件计数器、存储器、系统时钟、电源管理集成的电路主板，微处理器同温度调理电路、压力调理电路、硬件计数器、存储器、系统时钟、电源管理连接。

3、根据权利要求1、2所述的气体流量计，其特征在于：智能头(13)上的各接口位置可以根据设计需要调换位置。

4、根据权利要求1、2所述的气体流量计，其特征在于：智能头(13)上的显示屏(2)采用的是10位LCD显示数据，发光显示菜单汉字和数据单位。

5、根据权利要求1、2所述的气体流量计，其特征在于：智能头(13)内的温度传感器是采用铂电阻传感器，压力传感器是采用扩散硅隔离膜片传感器。

6、根据权利要求1、2所述的气体流量计，其特征在于：微处理器是控制系统精度、能源功耗、数据采集、数据处理和数学模型算法、数据管理的。

7、根据权利要求1、2所述的气体流量计，其特征在于：智能头(13)内的电源管理采用的是内置锂电池，采用分时给每个部分供电的方式，可连续工作三年。

8、根据权利要求1、2所述的气体流量计，其特征在于：每一中继网控制1～256个流量计。

9、根据权利要求1、2所述的气体流量计，其特征在于：微处理器与温度、压力补偿，压缩因子修正：①被测气体的体积流量总量与信号脉冲数间的换算公式：

V_{1} = \frac{f}{K} \times 3600 (m^{3})