（机械工程专业论文）智能一体化ic卡流量计.pdf

摘要 摘要 本文研究的智能型一体化i c 卡流量计是采用微电子控制、软件控制、 机械运动于一体的产品，从总体上分为三大主要部分，机械部分：一次仪 表流量计和电机控制球阀，电子部分：流量积算仪和i c 卡控制部分，软件 部分：i c 卡控制软件和流量计积算仪软件。本文主要研究了智能一体i c 卡的一次仪表、流量积算仪、i c 卡控制部分和控制阀体，重点研制了控制 部分与控制体以及整机的功能、误差和防爆试验。电子控制部分和软件控 制部分以及阀体完全为自主开发，流量计量体主要依托外部厂家的技术扶 持。i c 卡流量计设计完成后，进行了各种测试标定工作，一是要对温度和 压力传感器，另外要对一次流量计基表的线性和参数进行调整，并通过外 部调整进行输入，从而保证智能流量计的精度，也保证了i c 卡输入源的正 确性。智能一体化i c 卡流量计的开发，填补了国内国际空白，也改善了分 体式i c 卡流量计的所有弊端，是新一代的气体计量工具。利用燃气在管道 中的流动来发电，将在节约能源和利用能源上迈出了一步，符合国家节约 型社会的政策，在能源相互转换与利用起到了突破。 关键词：智能型一体化l c 卡流量计 摘要 a b s t r a c t i i t h ei n t e g r a t e di cc a r df l o wm e t e ri sc o m b i n e dw i t he l e c t r i c a l c o n t r o l ，s o f t w a r e ，m a c h i n e r y ，d i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：m e c h n i c a l p a r t ：o n et i m ei n s t r u m e n tf l o wm e t e ra n dd y n a m oc o n t r o lb a l1v a l v e ， e l e c t r i c a lp a r t ：f l o wc a l c u l a t ei n s t r u m e n ta n di cc o n t r o lp a r t ， s o f t w a r ep a r t ：i cc o n t r 0 1s o f t w a r ea n df l o wm e t e rc a l c u l a t e i n s t r u m e n ts o f t w a r e i cc o n t r o l l e rm u s tg u a r a n t e eo n ec a r dw i t ho n e m e t e r ，a n dt oa c c u m u l a t et h ec a r dg a s ，s ot h a tt h ei cf l o wm e t e rc o u l d w o r kn o r m a l l y b e f o r eu s i n gf l o wm e t e r ，i tm u s tb ec h e c k i n g ，s e n o ra n d m e t e r a f t e rt h ei n t e g r a t e di cf l o wm e t e rh a sb e e nd e v e l o p e d ，i t f i l l e dt h eg l o b a lb l a n k ，c h a n g e dt h ef i s s i o ni cf l o wm e t e rf a u l t y ， c h a n g e dt h em i s t a k ec a l c u l a t i o n ，c o m m u n i c a t i o n1 i n eb ed e s t r o y ， i n a c c u r a t em e a s u r e ，b a dd e f e n d ，i ti sn e wg a sm e a s u r ei n s t r u m e n t i th a sg o tt h en a t i o n a lp a t e n t ，t h r o u g hc o n s u m e ru s ea n dt e s t ，t o g e tt h eb e t t e re f f e c t ，t os o l v et h em e a s u r ea c c u r a c yt og e t b r e a k t h r o u g ho np r e v e n td e s t r o y k e y w o r d ：i n t e g r a t e d i cc a r df i o wm e t e r 声明 声明 西安电了科技人学 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，奉人声明所呈交的论文是我个人存 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢巾所罗列的内容以外，论文中小包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已经在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位沦文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：璺蠢堑r 期：兰丑! 兰：兰 西安电子科技大学 关于论文使用权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 牛在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：镐孑艮 日期：加7 ，叫 导师签名：查遁之日期：! 堂z ：! ：! 兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概要 燃气表是用于对燃气进行计量的计量器具，目前从所计量的流量来分，分为家 用燃气表和工业燃气表，流量小于6 m 3 h 的表称为家用表，而大于6 m 3 h 的表称为 工业用表。燃气表从控制角度上分为机械式和智能型两种，机械式只能由人为控 制，而智能型则为电子控制。从计量的结果来分，燃气表分为工况状态和标况状 态，工况为燃气表实际工作状态下所计量出的流量，而标况是将燃气表在工况下 所计量的流量换算为标准状态下的流量，标准条件是：温度2 0 c 2 ，大气压力 为一个标准大气压，所有的贸易结算均按标况结算。从种类上分，燃气表分为膜 式表和流量计。 由于膜式表主要用于末端低压管道，工作压力一般在5 k p a 以下，温度一般为 室温，其所计量的流量，工况和标况相对差异不大，所以均按燃气表的实际值结 算，另一个原因是其最大流量1 6 0 m 3 h ，流量较小，流量范围较窄，不能用于大流 量与流量比较宽范围的领域。而流量计可用于各种压力的燃气计量，流量大，流 量范围宽，而安装场所的环境状态不确定，对温度与压力的敏感性较强，必须进 行智能化，从而对流量进行温度和压力补偿，得到标准状况。 1 2 发展趋势 由于我国处于发展期间，人民的素质参差不齐，传统上单纯先用气后交费在很 多地区行不通，国家收不上能源费，每年各地的欠费情况越来越严重，尤其是工 业用户，2 0 0 4 年北京地区就欠燃气1 3 亿元，所以国家建设部于1 9 9 4 年开始，制 定了一系列诸如三表出户等规章制度，这些政策极大的推动了燃气表事业的发展， 燃气表发生了巨大的变化，于1 9 9 6 年就形成了i c 卡式的燃气表，其最大的特点 就是先交费后用气，而且不用入户抄表，解决了收费难，欠费多的问题。由于燃 气事业的发展，工业用户不断增加，对气表的要求也越高，用于工业的流量计必 须智能化，否则将使用气用户在气费上损失巨大，而且流量计的用气量巨大，以 d n 2 0 0 为例：最大流量每小时1 6 0 0 m 3 ，一天按1 5 小时计算，一个采暖期为9 0 天， 共用气2 1 6 万立方，每立方按北京的价格为2 4 元，共计费用5 8 1 4 万元，如果 该用户欠费或计量不准确，将产生多么大的损失，智能化将成为必然趋势。高超 文”说：对流量计精度的要求固然重要，但实际上介质温度和压力对计量精度的影 响更大，带温度、压力补偿功能的智能型燃气计量器具是十分有意义的，所以流 2智能一体化i c 卡流量计 量计智能化成为发展趋势。随着发展，i c 卡燃气表的种类较多，质量良莠不齐， 分体的i c 卡燃气表的问题较多，不能i f 常进行计量，最后推出了一体化的i c 卡 式燃气表，能解决燃气表在使用过程出现的许多问题，智能一体i c 卡流量计将成 为工业用气的主要计量产品，成为发展发向。 1 3 研究的目的和意义 我国国内近几年来已发现了许多大的气田，特别是，1 9 9 0 年长庆油田发现陆 上最大的整装气田，其中气田中区马五1 气藏天燃气基本探明储量6 3 2 4 4 亿立方 米、含气面积1 0 3 9 平方公里、可采储量3 7 9 4 6 亿立方米。国内外的民用燃气表 仍然主要以家用表为主，随着天然气事业的不断发展，国家西气东输政策的大力 扶持，工业用表的要求将不断提出，除皮模式工业燃气表以外，流量计式的工业 燃气表主要用于工业生产上，其流量范围特别大，目前国内主要以机械式流量计 和分体式i c 卡流量计为主体。机械表由于抄表与收费难问题，在我国处于劣势， 推广范围有限，而分体式i c 卡流量计主要存在计量、防窃、两个独立控制部分易 出错或信号有误、维护难等弊端，为了更好地准确计量，将收费难、维护难、防 窃难、易推委的问题解决，提出了一体化的概念，使用一体化的i c 卡流量计，将 从根本上解决以上问题，并填补国内空白，具有重大的社会、经济效益和重大意 义。随着燃气事业的发展，网络技术的发展，越来越多的燃气公司还要求流量具 有数据远程传输的功能，马俊功。1 说：目前条件下只有智能流量积算仪具有进行远 程数据传输的功能。因而研究智能i c 卡流量计具有前瞻性和重大意义。 1 4 研究的方法 在目前使用的分体式智能i c 卡流量计的基础上进行全面改进，采用全新的思 路的方法，将流量计的一次仪表作为基表，主要是通过磁传器，得到燃气的工况 流量计量信号，在基表上增加两个传感器：压力传感器和温度传感器，进行智能 化调整。智能流量计控制系统根据压力和温度对工况流量信号按相关的气态议程 进行修正，得到可进行贸易结算的标准流量，将此信号传给i c 卡控制部分，i c 卡 部分对脉冲信号进行计量，并完成i c 卡部分的各种功能控制，并控制阀门工作， 以控制燃气的使用。本文研究的控制部分方案是将原分体式i c 卡流量计中的流量 计控制部分与i c 卡控制部分合二为一，形成一体化结构，电源部分由两个也变化 为用一个，对各种信号的输入与输出起到同步效果，并解决防剪线问题，增加了 可靠性。整个系统使用同一个显示部分，并减少中间环节，从而解决了中间连线 保护的问题。另外可在一体化i c 卡的输出端加一个叶轮装置，可通过一个输出轴 带动线圈进行发电，可对电池进行充电或保存，从而提高电池使用寿命或电源功 第一章绪论 能，并能保证不停止使用燃气的情况下更换电池。 1 5 研究的内容 3 本论文所研究开发的产品为智能一体化i c 卡流量计，智能一体化i c 卡流量 计实现了供气管理的智能化、科学化。智能i c 卡流量计由气体流量计量机构( 一 次仪表) 、超低功耗控制电路、智能传感器( 流量、压力和温度) 、i c 卡控制器 和电动控制球阀等几部分组成。智能i c 卡流量计具有电源故障报警、累计和剩余 气量自动显示、剩余气量不足报警，自动校正流量误差、瞬时流量、卡出错提示、 压力和温度值显示、开关阀到位等多种功能。智能一体化i c 卡流量计是解决目前 国家燃气能源的较先进的计量设备，能准确地将工况流量转换为标准状况下的流 量，准确地计量了燃气的总量，通过温压修正，智能化地计量了燃气，目前国内 处于空白状态，国内主要使用机械式与分体式的i c 卡流量计，而国际上一直在发 展机械流量计，没有i c 卡流量计。本文的研究工作就是从理论到实际上设计出智 能一体化的i c 卡式的流量计，并在标准计量器具上进行检定，达到国家标准规定 的误差内。并对防爆性能进行研究。 本文主要从几方面进行研究，形成一个完成的智能一体i c 卡流量计产品。首 先从总体方案入手，对智能型一体化i c 卡流量计的概念，组成，技术指标等进行 分析研究；对流量计和智能化流量计进行机械和指标的研究；对控制部分，包括： i c 卡控制部分和电机阀控制部分进行研究，包括软件与硬件；对智能一体化i c 卡 流量计的总体和流量计部分，i c 卡控制器部分，控制电机阀部分分步与整体做实 验，并形成相应的结论。对防爆性能和自发电系统进行了探讨，对产品的安装使 用进行了研究。 4智能一体化j c 卡流量计 第二章一体化lc 卡流量计的设计要求和设计方案 2 1 1 提出的背景 2 1 设计背景和设计方案 目前，国内外的民用燃气表仍主要以家用表为主，工业用表以公福表和机械 式流量计为主，随着天然气事业的发展，西气东输工程的完成，国家对环境保护 政策的要求，工业用气不断扩大，新型的工业燃气表不断提出，除皮模式工业表 外，流量计式工业表主要用于工业上，流量范围特别大，由于气费拖欠的原因， 所以对工业表的i c 卡化是非常有必要和急需的，对i c 卡智能型流量计式燃气表 的开发研制还处于前期，许多问题还有待研究与探讨。高超文。3 总结出计量精度与 温度、压力的关系是：a 不考虑压力因素，燃气温度大于2 0 时，未经温度补偿 的工况体积大于标准体积，而小于2 0 时则相反，温度每升高1 0 ，计量误差增 加3 4 个百分点。b 未经压力补偿时，大气压力和燃气越高，工况体积小于标准 体积，每1 0 0 0 p a 的压力产生约一个百分点的计量误差。c 中压时，标准体积流量 有时甚至是未经压力补偿时的数倍，不加校正是不可想象的。根据这一特点，说 明对流量计的研究必须是智能化的。只有智能化的流量计才能真正解决流量计的 计量精度问题，而i c 卡化主要解决收费问题，一体化解决安全用气问题，所以智 能一体化i c 卡流量计是发展的需要。 2 1 2 现有技术条件 目前，随着计算机技术的普及，电子技术的迅猛发展，已经深入应于我们生 活的各个领域，i c 卡应用技术已比较成熟，i c 卡已广泛用于通讯、交通、金融、 消费等各个领域0 1 ；另外，在燃气表生产方面，国内已有许多厂家( 引进外国技术) 在生产，而且机械行业的加工制造技术不断更新，工艺不断创新；随着管道燃气 普及，将会有更多的市场需求量；这些都为设计制造智能型燃气表提供了理论基 础和实现条件。实验所用的标准器具，目前已经有了较大的发展，包括：标准体 积法、钟罩法、p v t t 法、音速喷嘴法等“1 ，这些装置与方法为流量计的实验均提 供了依据。 2 1 3 设计方案 第二章一体化l c 卡流量计的设计要求和设计方案 采用智能化和管理系统现代化的设计方案，利用最新的电子技术，开发新型 的预付款式燃气表( 智能型信号采集) ，实现读数信号管理，减少管理环节。具 体的方案为：采用气体流量计为基表，在基表上加装压力传感器和温度传感器， 利用基表上的磁传感器将工况流量信号传给流量计积算仪，积算仪通过压力和温 度传感器的值以及流量段，计算出标准状况下的流量值，进行显示与传递。在积 算仪控制盒内装配一块i c 卡控制线路板，i c 卡控制部分线路板与流量计积算仪线 路板为同一块板子成为一体化的i c 卡流量计控制线路，i c 卡所用的信号直接由积 算仪传给i c 卡控制部分，并对流量计进行监控。流量计后加装一台球型电机阀， 通过导线将控制部分与阀连接在一起。显示部分为大屏幕液晶显示，将流量计积 算仪和i c 卡所要显示的内容均显示在同一液晶上。信号直接在表体内部采集，通 过线路板直接传递信号，另外在表的计量上采用双向计数，即：剩余气量不断下 降，累计气量不断上升，并设有双电压报警和气量不足报警。与之对应的管理系 统上除具有基本的售气管理功能外，还具有黑名单功能，彻底防止窃气。另外， 在流量计的后端加一个叶轮，叶轮转动带动轴转动，作为转子，外加一个线圈， 产生电流，形成发电机，将发的电保存在一个小型电池中，进行存贮，可作为备 用电源或换电池时用。整个方案是以先进的单片机为基础，采用低功耗芯片和线 路设计，使方案的实现成为可能，另外计算机技术和i c 卡技术已相当成熟，所以 本技术方案是可以实现。从目前市场的情况来看，这种方案是可行和正确的。 2 2 1 项目的主要研究内容： 2 2 主要研究内容 我们所研制的智能型一体化i c 卡流量计实现了供气管理的智能化、科学化。 在研制过程中，我们利用航天优势，把军工的控制系统和惯性仪表技术应用到智 能型i c 卡燃气表中。军工的控制系统和惯性仪表技术均为高科技技术，在各个方 面均有优势，使燃气表的性能处在高的层次上。燃气表由气体流量计量机构、超 低功耗控制电路、控制积算仪、i c 卡控制、电动球阀、供气网络管理系统等几部 分组成。对这些部分将做全面的设计。首先以计量部分为主体，采用现有的高精 密的涡轮装置，在导流器的作用下，将气体的流动变化为一种磁脉冲，通过磁传 感器将流量输入到一体i c 卡的控制线路上，控制部分通过压力与温度传感器的数 值，进行计算，成为标准流量，一量有异常情况出现，控制部分将对电动阀进行 控制，除了对正常功能的研究外，还对可能出现的各种异常和突发问题进行研究， 真正做到对一体i c 卡流量计的全面研发。用户安装智能型燃气表后，可去供气管 6 智能一体化i c 卡流量计 理部门预先购买用气量( 用气量信息存贮在i c 卡上，i c 卡充当传递用气量信息的 中间媒介) ，当用户购买的用气量用完时，燃气表将自动关闭气源。此外，燃气 表还具有剩余气体报警、电源故障报警、累计气量和剩余气量自动显示、自动校 正误差等多种功能。并针对智能型一体化i c 卡流量计的防爆性能进行研究。网络 管理将一个城市的各个收费站连接起来，用户可到任意一个收费站买气，该网络 可对燃气的用气量实现科学的、系统的管理，并具有防窃气管理功能( “黑名单” 管理) 。 2 2 2 技术特点及技术指标 1 智能型燃气表具有以下技术特点： ( a ) 具有较高的安全性和可靠性。由于采用了先进的密封技术和气电隔离 技术，供电电源采用1 号锂电池供电，而不使用市电电源，从而保证了燃气表的 安全性和可靠性。 ( b ) 控制系统具有超低功耗、报警、显示等多种功能和特点。控制系统由 微处理器、低功耗电机阀、流量计数装置、电源、非易失性存贮器、i c 卡、保护 电路、显示单元等组成。由于所有器件均采用微功耗型，在硬、软件上采取了很 多降低功耗的措施，使得电池供电成为可能，电池可半年更换或充电一次，更换 或充电时，数据将自动保存在非易失性存贮器中，电池更换完毕后数据将自动调 出。低功耗电机阀是整个表体的关键器件，为此专门研制了适合本系统的电机阀。 显示单元采用l c d 液晶显示，可显示用气量信息、各种故障( 包括气已用完、电 源故障等) 、读i c 卡等。 ( c ) 本系统还包括供气管理部门配套的供气管理计算机及供气网络管理软 件，软件具有费用计算、i c 卡加密、累积计算报表等功能且具有良好的人机界面， 易操作。 2 关键技术及实现方式 ( a ) 超低功耗、低电压单片计算机系统，采用c m o s 单片机，能在2 7 v 一7 2 v 电压和i m h z 下工作，在掉电( 节电) 状态下，其电流仅为0 2 m a 。该系统从i c 卡中读 取燃气预购量，在i c 卡中记录实际运行数据，实现燃气计费。该系统还包括燃气计 量传感电路，插拔卡检测电路，i c 卡接口电路，防窃气检测电路，低功耗电池欠压检 测电路，电机阀控制电路，液晶显示电路，报警电路。 ( b ) i c 卡由低功耗c m o s 工艺串行读写e p r o m 存储器，静电防护电路组成。 第二章一体化i c 卡流量计的设计要求和设计方案7 ( c ) 内置式、低功耗电机阀，具有防爆功能。 ( d ) 低流量、大流量比的气体流量表，其最小流量为4 立方米4 时，最大流 量为1 6 0 0 立方米小时。 ( e ) 网络管理控制软件，该软件包括一套燃气网络管理统计系统、i c 卡随机 加密系统、防窃气( “黑名单”管理) 、制表打印系统组成。 2 3 智能体化i c 卡流量计设计指标 2 3 1 智能一体i c 卡流量计结构 智能一体化i c 卡流量计主要由流量计，i c 卡控制部分，电动球阀等三部分 组成，流量计主要由流量计基表和流量积算仪组成。本文所研制的为一体化结构， 将i c 卡控制部分与流量计积算仪合二为一，集成于一块线路板上，采用双c p u 控 制结构，液晶显示器采用一块。 i c 卡主要使用目前流行的c p u 卡或逻辑加密卡。 结构如下图 传动系统 图2 1 结构图 2 3 2 一体i c 卡流量计外形与安装要求 1 ) 外形结构与尽寸 外形结构图 8智能一体化i c 卡流量计 外形尺寸： 图2 2 一体化i c 卡流量计的外形结构 表2 i 一体化i c 卡流量计的结构尺寸 d nacddkhnlb 2 52 0 01 6 01 1 56 58 53 4 841 41 6 4 5 02 0 02 3 01 6 59 91 2 53 8 641 82 1 4 8 02 4 02 9 82 0 01 3 21 6 04 3 381 82 4 l 1 0 03 0 03 6 82 2 01 5 61 8 0 4 5 8 8 1 8 2 6 2 1 5 04 5 04 8 02 8 52 1 12 4 05 1 882 23 1 3 2 0 06 0 06 0 03 4 02 6 62 9 55 7 31 22 23 6 8 2 ) 安装要求 为了使用流量计能正常工作，不影响其精度与功能，必须做到如下： 流量计周围不得有强外磁场干扰和强烈的机械振动，安装前应根据其使用要求 审核使用环境。 流量计不宜用在流量频繁变化和有强烈脉动流或压力肪动的场合。 流量计适用于水平安装，流体流动方向与壳体上标明的方向一致；且在流量计 的上、下游应分别保证有2 d n 和i d n 的直管段长度。 流量计应与管道同轴安装，并防止密封垫片和黄油进入管道内腔。 流量计应可靠接地，但不得与强电系统共用地线。 安装如下图 第二章一体化i c 卡流量计的设计要求和设计方案 气竞入口 过囊暑逮量甘控翻一 图2 3 一体i c 卡流量计安装图 9 1 0 智能一体化l c 卡流量计 第三章流量计的结构设计 3 1 流量计设计原理 3 1 1 设计的工作原理 当气体沿轴向流动的气体从管道进入流量计后，在导流体的作用下，使气体 加速，由于叶片与气体的流向成一定角度，使得涡轮的叶片开始旋转，在一定的 流量范围内，叶片的角速度与气体的体积流量成正比。根据电磁感应原理，产生 与流体体积流量成正比的磁脉冲信号，该信号经放大、滤波、整形等处理后，通 过流量计积算仪将信号收到，与压力传感器和温度传感等相关信号一起进行运算， 分别在液晶上显示出来，并能将相关信号输出。 3 1 2 积算仪工作原理 积算仪温度和压力检测模拟通道、流量传感通道以及微处理器单元组成，配 有外输信号接口，输出各种信号。当积算仪的微处理器接收到从各传感器送来的 多路信号经换算后，按照标准气态方程进行温度压力补偿，并自动进行压缩因子 修正，气态方程如下：蜘 o n = 丝x ( e g 。+ p a ) x 堡q g 式(31)z g砌t g 一 7 式中：q n ：标准状态下的体积流量( m v h ) q g ：未经修正的体积流量( m 3 h ) p g ：流量计压力检测点处的表压( k p a ) p a ：当地大气压( k p a ) p n ：标准大气压( k p a ) t g ：介质的绝对温度( 2 7 3 1 5 + t ) k t ：被测介质摄氏温度( ) t n ：标准状态下的绝对温度2 9 3 1 5 k ( 2 0 ) 厅 f z = ，f 等二：气体压缩因子 v z g z n ：标准状态下的压缩系数 z g ：工作状态下的压缩系数 气态方程是流量计积算仪进行控制的关键部分，是计量的基础。 3 1 3 流量计结构 第三章流量计的结构设计 疆 + 图3 1 流量计结构图 。 本文所研究的流量计是以气量涡轮流量计为基础进行设计，涡轮流量计是国 际贸易结算中使用的标准计量设备，其结构主要由如下部分组成：流量计外壳体， 叶轮，转轴，涡轮发生器，磁传感器，压力传感器，温度传感器，积算仪，液晶 显示器，4 2 0 m a 转化器。 i 蔷 ：=：a暑p曼z兰聋=拿【；皇i_ 嚣毒毒=| i-_肆噜h抖*坤一舟一，-_-_一i，_卜 -葛-批-i盏卜甘孽，寸盐t辟-*多 ：_甘l善：聋亲盏芸：磬 _业*_#*i*砷鲁-jfm_|； 一ot耐嚣：昌j|-_*p，：；i_-尊 -t盏巾_-。a暑卜警妄毒膏-膏_皇肄!i亨蔫尹 智能一体化i c 卡流量计 涡轮流量计的关键设计点在于解决流量流速与叶轮转动同步的问题，必须使 两者成比例。转动轴的耐用是保证流量计长期使用与正常计量的精度，目前，转 动轴主要依赖国外进口，为关键件。 流量计的连接均以标准法兰连接，保证用户使用的统一性，可互换性。 流量计的外壳主要材料为铝合金和不锈钢，铝合金的耐压小，而不锈钢的耐 压大，使用范围广。 流量计结构图见图3 1 3 1 4 积算仪的设计原理框图 图3 2 流量积算仪工作原理框图 3 1 5 性能指标 1 ) 计量等级嘲 1 0 级：0 2 q m a x q m a x ：1 1 5 级：0 2 q m a x q i i l a x ：1 5 q m i n 一0 2 q m a x - 2 j n i n 一0 ，2 q m a x ：3 2 ) 工作电源 3 6 v d c 锂电池，屏幕实时显示电池容量百分数，以提示用户更换电池，当 电池没电时，还以“请换电池”字样来提示。 第三章流量计的结构设计1 3 3 ) 功耗 静态电流： 0 3 i i l a 工作电流： 0 4 m h 平时流量计在使用过程中，当有计数时，液晶显示，而当没有脉冲时，流量 计不工作，处于睡眠状态，c p u 处于低功耗。当有计数时，睡眠将被唤醒，c p u 将 处于工作状态。 4 ) 输入信号 流量信号：( 0 5 ) k h z 脉冲信号，v p p = 2 5 v 温度信号：由温度传感器输出的阻值信号 压力信号：由压力传感器输出的m v 信号 5 ) 输出信号 脉冲信号( 三线制) ：直接将流量传感器检测的工况脉冲信号放大输出，最 大幅值约为( v ”一2 ) v ( v 井为6 v d c 一2 4 v d c 的外电源) ( 4 2 0 ) m h 标准模拟信号：其线性对应于( 0 一q m a x ) 硼3 h 标准体积流量，传 输距离2 0 0 m ，接线方式为两线制或三线制，供电为+ 2 4 v d c ，外电源。 标准流量信号：以脉冲信号串行方式输出。其常态为低电平，传达室输距离 2 0 m 。方式l ：脉冲周期为5 m s ，每个脉冲代表0 1 m 3 标准体积量。方式2 ：脉冲 的高电平宽度为l s ，每个脉冲代表l m 3 标准体积量，同时配套有两级欠压报警输出， 当电池电压低于3 2 v 时，v l 2 端输出高电平；当电池电压低于3 1 v 时，v l l 端输 出高电平；当电池电压高于3 2 v 时，v l l 、v l 2 端输出均为低电平。适用于i c 卡 系统配套使用。 r s 一4 8 5 接口信号：直接与上位机联网，可远传被测介质的温度、压力、瞬时 流量、标准体积总量，仪表有关参数、故障代码、运行状态及实时数据。【l ” 实时数据库：为满足数据管理的需要，仪表具有实时数据存储功能。通过4 8 5 接口进行读取。数据库的存贮功能的频率可进行外部设定，能随时记录流量计的 总量，流量，工况和标况信息等，为以后的检测打下基础。 6 ) 型号规格 1 4智能一体化i c 卡流量计 表3 1 流量计的规格 公称 最大压润滑叶轮 准 通径 流量规始动流量损，标 方式 材料 确 d n 型号规格 流量 范围准条件 自 油塑铝度 冗 ( m 格( m 3 ( m 3 介质为 润 泵料合 等体材 m ) h )h ) 空气 滑 金级 料 ( k p a ) t o 一7 d ng 2 5 1 3 4 4 01 1 d n 2 5 2 52 0 0 t o 一7 d ng 6 5 1 6 8 0 9 p n 5 0 - 5 0 1 0 0 1 6 m t q 一7 d ng 1 6 0 3 01 3 1 2 d a 8 0 - 8 0 2 5 0 1 5铝合 t q 一7 d ng 2 5 0 4 2 2 0 1 5 金外 1 0 0 一1 0 0 4 0 0 冗 t q 一7 d ng 6 5 0 5 0 1 o 1 5 0 一1 5 01 0 01 0 0 0 t q 一7 d ng 1 0 0 0 8 0 o 9 2 0 0 一2 0 01 3 01 6 0 0 7 ) 特性曲线 ( ，) 3 2 1 0 1 2 _ 3 图3 3 典型特性曲线 ( y 轴代表流量计的基本误差，x 轴代表流量计最大流量的百分数) 8 ) 压力损失 流量计的压力损失与流量计的驱动、管道内部的摩擦以及流体的速度和方向有 关，在工况条件下的压力损失可用下式计算：” 第三章流量计的结构设计 a p = a p m a x x 盅业r 0 2 0 5p ot g 妊m a x 柏_ 2 ) 1 、q ， 7 式中：a p m a x ：标准状态下，介质为干空气( 2 0 。c ，1 0 1 3 2 5 k p a ，p = 1 2 0 5 k m 3 ) 时，最大流量的压力损失( k p a ) ，可由表3 1 查出： p0 ：未经修正的体积流量( m 3 h ) p g ：流量计压力检测点处的表压( k p a ) p a ：当地大气压( k p a ) p o ：标准大气压( 1 0 1 3 2 5 k p a ) t g ：介质的绝对温度( 2 7 3 1 5 + t ) k t ：被测介质摄氏温度( ) t o ：标准状态下的绝对温度2 9 3 1 5 k ( 2 0 ) q ：工况流量( m 3 h ) 0 m a x ：仪表最大工况流量( m 3 h ) 9 ) 流计量的检测” 检定点 检定点应包括：o m i n ，0 0 7 0 m a x ，0 1 5 q m a x ，0 2 5 q m a x ，0 4 q m a x ，0 7 q i n a x 和q m a x 。 流量计系数的计算 每个检定点每次检定的系数： ? 鲁。等鬻粉 扪哪 ( 肋+ ( 只) 口x 2 7 3 1 5 + 气) z d 一 式中：k i 广第i 检定点第j 次检定的系数，( m 3 ) 。1 或l 一； n t j 第i 检定点第j 次检定时流量计显示仪表测得的脉冲数； v t j 第i 检定点第j 次检定时测得的标准器处流体实际体积，m 3 或l ； ( t s ) i j ，t r 吩别为第i 检定点第j 次检定时标准器处和流量计处的流体 温度， ( p s ) i j ，p r 分别为第i 检定点第j 次检定时标准器处和流量计处的流体 压力，p a ( z s ) i j ，z i j 分别为第i 检定点第j 次检定时标准器处和流量计处的气体 压缩系数； p a 一检定时的在气压力，p a i = l ，2 ，m ，m 为检定点数，m 3 ； j = l ，2 ，n ，n 为检定次数，n 3 。 注：下面各公式中相同的字母代表的含义相同 1 6智能一体化i c 卡流量计 通过式( 3 3 ) 可计算出平均仪表系数： l ( i = j 1 j 砉k i 式中：k t 每个检定点的平均仪表系数，( m 3 ) 1 或l 。1 通过式( 3 4 ) 可计算流量计的仪表系数k ： k = ! 三_ ! z 学 式( 3 5 ) 式中：k 流量计的信表系数，( m 3 ) 。1 或r ； ( k i ) l l 】a x 各检定点的仪表系数k i 中最大值，( m 3 ) 1 或l _ i ； ( k i ) m i n 各检定点的仪表系数k i 中最小值，( m 3 ) 1 或l ； 流量计的基本误差 流量计的相对示值误差： e l = 1 0 0 式中：e r 流量计的线性度，即相对示值误差； 流量计的基本误差： 6 = 嘭+ y 胆 式中：6 流量计的基本误差； e 严装置的误差，若不超出被检流量计基本误差限的1 3 ， 流量计的重复性 每个检定点的重复性： c 阶击b 薹k 对卜，o o 式中：( e r ) i 第i 检定点的重复性 流量计的重复性： e r = ( ( e r ) i ) m a x 式中：e r 流量计的重复性 式( 3 - 6 ) 式( 3 - 7 ) 可忽略不计； 式( 3 - 8 ) 式( 3 - 9 ) 通过对以上数值的计算，可以得到智能流量计的系数，基本误差，重复性，以 确定智能流量计是否合格。 1 5 级流量计的基本误差6 = 1 5 ，重复性e r = o 5 。 第三章流量计的结构设计 3 2 不确定度 燃气计量系统在计量的过程中，存在着不确定度的评估，主要来自于测量装 置，流量计算方程，燃气的实际特性0 1 。用于计量的仪表必须在精度上要求较高， 而且在使用中，每隔一定的时间，必须对流量计进行新的检定，智能化流量计具 有参数外输入的特性，所以能方便地对仪表进行多次检定。 流量在实验过程中，计量标准器具同样存在不确定度，所以在测量流量计时， 必须使用高于仪表精度1 3 的标准装置。这样对测量出的流量才能真实可靠。在 实际应中，对不确定度主要从以下几个方面来分析： 1 测量结果中保留有系统的不确定度， 2 流量传感器及管道安装引起的不确定度值， 3 计量系统与检定的条件， 4 人为计量等。 对速度式流量计不确定可以按如下估算： 质量流量计算公式： q m = q fp1 式( 3 - 1 0 ) 式中：q n 一天然气的质量流量； q 卜一工作； pl 一天然气的质量流量； 采用温度、压力补偿及物性计算进行密度测量后的工作状态下天然气体流量 的不确定度如下： 鲁- 号岛，砉 式( 3 1 1 ) 孕不确定度 岛，体积流量仪表的准确度等级 q k - 体积流量仪表量程 q 。l _ 体积流量仪表常用测量值 3 3 可靠性与抗干扰 由于一体i c 卡流量计采用了两块线路，具有两个完全独立工作而有联系的， 所以在设计中必须考虑到可靠与抗干扰的问题。王幸之“1 说：影响控制系统可靠安 全运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电气干扰，以及系统结构设计、 元件选择、安装、制造工艺和外部环境条件。 所以在设计中，对软件程序进行了看门狗电路的设计，所有器件在设计中将 智能一体化i c 卡流量计 高频的与复位电路分开，并加上复位保护电路，用光电隔离和光电耦合技术进行 保护，在印刷板上的空白处大量使用地线区域，将干扰度降低。通过这此抗干扰 技术，使的控制系统的电磁兼容性大大提高，从而保证了可靠性。 第四章控制部分的设计 第四章控制部分的设计 4 i i c 卡控制部分 4 1 1 i c 卡控制部分的设计框图 本框图为一体化的i c 卡控制线路图，不包含流量计积算仪部分。 图4 1 i c 卡控制部分工作原理框图 1 9 4 1 2 工作原理 当沿轴向流动的流体从管道进入流量计后，在流量计特殊结构的作用下产生 与流体体积流量成正比的磁脉冲信号，该信号经流量积算仪处理后，通过一体化 i c 卡控制线路板上内部印制线，将信号传送给i c 卡控制部分的c p u 。控制部分通 过对该信号的处理与分析，将表上的剩余气量减相应的值，流量计的总量的增加 量与i c 卡部分的减少量是一致的，如果不一致，表明i c 卡部分不计数或有丢数 的错误。 当i c 控制部分的剩余气量为零时，将控制阀门的关闭，当以i c 卡为介质， 将所购气量输入i c 卡控制器中，控制阀门打开。当电池电压下降时，i c 卡控制部 分进行双电压报警，低于d c 5 8 v 时，报警，当再低至d c 5 5 v 时，i c 卡控制部分 将关闭阀门。由于控制阀在低于d c 5 5 v 时，不能正常工作，一节d c 3 6 v 的锂电 2 0智能一体化i c 卡流量计 池在低于d c 2 7 v 时，不能正常工作，本文所研究的流量计的电源为两节d c 3 6 v 串联即为d c 7 2 v ，所以必须设定为d c 5 5 v 。 i c 卡控制部分对电压点的控制，采用先进的理光元件电压检测器。这种 电压检测器对电压的变化比较灵敏，采用的是对比法，而以前大多数电 i c 卡控制部分一旦将控制阀门关闭后，为了防止调压箱等出现问题，而未关 闭其它阀门，所以设置了开阀卡这一功能，当确认一切正常时，用户可以插入开 阀卡将阀门打开。当然，这时必须保证i c 卡控制部分必须有气和电压正常。 i c 卡控制部分利用i c 卡和控制阀控制管道内气流的通断，并通过液晶显示出 来，最终实现控制用户用气的目的。i c 卡控制部分提供了流量计的增加量值与i c 卡部分将减少量值是否一致，对电池欠压，剩余气量不足，i c 卡是否为本表用户 卡，阀门是否开关到位，是否阀门坏均能报警与显示出状态，供用户检查。 i c 卡控制部分在一体化i c 卡流量计中处于相当重要的部分，所有的控制均由 其实现。i c 卡控制部分起到对流量计的监控作用。 4 1 3 性能指标 1 ) 计量等级 1 0 级： 1 5 级： 0 2 q m a x q i n a x ：1 q m i n 一0 2 q m a x ：2 0 2 q m a x q n l a x ：1 5 q m i n 一0 2 q m a x ：3 2 ) 工作电源 7 2 v d c 锂电池，屏幕实时显示电池容量百分数，以提示用户更换电池，当电 池没电时，还以“请换电池”字样来提示。 3 ) 功耗 静态电流： o 3 i i i a ， 工作电流： o 4 m a 4 ) 输入信号 流量信号：( 0 5 ) k h z 脉冲信号， 电源信号：高电平，v p p = 3 v 阀到位信号：高电平，v p p = 3 v i c 卡到位信号：高电平，v p p = 3 v 第四章控制部分的设计 5 ) 输出信号 开控制阀信号： 阀打开。 关控制阀信号： 4 2 1 工作原理 将i c 卡控制部分有气量，电池有电时，输出开阀信号，将 当没有气量或电池低电时，输出关阀信号，将阀关闭。 4 2 电动球阀 当开阀信号到达时，阀体上的电机得到一个正向电压，电机转动，通过一级 减速机构，输出到二级减速机构，从二级减速机构输出的较大力矩将带动一个轴 杆运动，该轴杆为一个三棱螺杆，可在电机运动的最小行程下产生轴运动较大行 程，将带动球阀体转动，当转到最大位置时，到位开关闭合，并将到位信号传给 i c 卡控制部分。当关阀信号到达时，阀体上的电机得到一个反向电压，电机转动， 整个减速机构转动与螺杆分离，在弹簧的作用下，球阀体快速转动将关闭，在关 到位时，有一个沿轴向的压力，将球阀的阀芯向阀口堵上，完全关闭，并由到位 开关告诉i c 卡控制器，阀体己关到位。 4 2 2 性能指标 h 额定电压：d c 5 7 2 v ，在此电压下，电机将正常转动，提供相应的扭矩。 b 额定负载：1 0 0g c m c 空载电流： 3 5 m h d 负载电流： 1 2 0 m a e 堵载电流： 3 9 0 m a f 空载转速：4 4 0 0 l o r p m g 负载转速：4 0 5 0 l o r p m h 电感：1 1 6 - - + l o m h i 内阻：1 2 2 0 q 。 嚣 智能一体化i c 卡流量计 图4 2 电动球阀结构图 p - = 一- 鼻j | - _ 第四章控制部分的设计 4 2 3 输入信号 开阀信号：为电压，d c 5 7 2 v 4 2 4 输出信号 到位信号：高电平，v p p = 3 v 4 2 5 电机阀的结构 电机阀门主要由外壳，球阀芯，多级减速器，弹簧，电机，到位开关等组成， 结构设计为快关阀，保证燃气计量的准确性。电机的安装位置为垂直安装，经过 多级速后，可以较大的钮矩来转动阀体。结构图见图2 6 。 4 3 一体化i c 卡流量计的显示器 一体化i c 卡流量计的显示为液晶显示，本文所研究的是将i c 卡控制部分 与流量计积算仪的显示器合二为一，利用外部驱动器，可大大降低功耗。功耗由 原来的二个0 3 0 0 m a ，下降为0 3 0 0 m a ，液晶驱动由二组变为一组。 结构如下： o 网舟网阀向同舟两囝舟舟同国卢烨i ii m i i a ii m ii m ii i m i 一一。 总t o l 量a l 画画画画画画画脚警厨 u 蒋嚣鳓画m h 硗鳓回m ；h 羹 褥需鳓画。c 霹惠鹾强船m 余量国曰国卿固国画m b i i l t l 卡出错余量不足请换电池开阿关闫 一 0日同曰回曰回国曰日日曰曰回国i 目日同日目回日日曰目日0 图4 3 一体化i c 卡工业流量计液晶结构图 智能