一種智能燃氣表計量裝置及信號處理系統的製作方法

2023-07-31 08:23:36

專利名稱：一種智能燃氣表計量裝置及信號處理系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於表具計量裝置領域，特別涉及一種智能燃氣表計量裝置及信號處理系統。
背景技術：
目前，通用的膜式智能燃氣表是在機械式膜式燃氣表的機械數輪上裝永久磁鋼， 並且在數輪的上下方裝有兩個開關型磁敏元件，當磁鋼沒到達開關型磁敏元件位置時，磁敏元件斷開；當磁鐵轉到其中一個磁敏元件位置時，磁敏元件吸合。磁敏元件一般選擇幹簧管或開關型霍爾。通過磁敏元件的斷開、吸合脈衝，檢測機械數輪轉動過的圈數，計量燃氣流量。當計量裝置受到外部磁場幹擾時，表具關閉閥門，防止竊氣行為。該方案雖然能夠有效的控制用戶主動竊氣行為，但同時也不可避免由於客觀環境因素變化而造成的表具誤關閥動作，給正常用氣客戶造成巨大的損失，也給燃氣公司企業管理帶來麻煩，對於沒有安裝閥門智能燃氣表，電子計量裝置則無法正常計數，給燃氣公司帶來損失。

發明內容
針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在於提供一種智能燃氣表計量裝置及信號處理系統的技術方案，在受到外部磁場幹擾的情況下，仍能完整的計量燃氣表的燃氣流量，而不會因為外部磁幹擾導致不計量或少計量，同時可以直接判斷出磁幹擾信息上報
報警信息。所述的一種智能燃氣表計量裝置，其特徵在於該計量裝置主要由控制電路、線性霍爾元件、機械數輪和永久磁鋼組成，控制電路包括主控制器、線性霍爾元件供電控制模塊、信號採集模塊、信號處理模塊及報警模塊。所述的一種智能燃氣表計量裝置，其特徵在於所述的主控制器分別與線性霍爾元件供電控制模塊、信號採集器模塊、信號處理模塊及報警模塊相連，且主控制器控制各個功能模塊協調工作；
線性霍爾元件供電控制模塊給線性霍爾元件提供供電工作時序； 信號採集模塊由濾波電路、信號調理電路、A/D轉換器組成，信號採集模塊將線性霍爾元件輸出的模擬電壓信號轉換為數字量後傳遞給信號處理模塊；
信號處理模塊對信號採集模塊採集的數據進行分析、處理，獲取燃氣的流量信息及外部磁場幹擾信息；
報警模塊實時上報外部磁場幹擾信息及智能燃氣表的異常工作信息。所述的一種智能燃氣表計量裝置，其特徵在於所述的永久磁鋼粘貼在機械數輪上，並隨機械數輪同步轉動，永久磁鋼把機械數輪的轉動信息轉化為線性霍爾元件可測量的其周圍空間磁感應強度變化信息；
線性霍爾元件與控制電路中的線性霍爾元件供電控制模塊和信號採集模塊相連，並固定安裝在機械數輪架上，線性霍爾元件將其周圍磁感應強度變化信息轉換為模擬電壓信號輸出。所述的一種智能燃氣表計量裝置的信號處理系統，其特徵在於機械數輪帶動永久磁鋼轉動時，用線性霍爾元件周圍空間產生磁場的變化來表徵燃氣流量信息，其大小用
磁感應強度^ts表徵，外部幹擾磁場大小用磁感應強度表徵，兩者在空間上矢量疊
力口，該疊加磁場大小用磁感應強= + 表徵；
線性霍爾元件的輸出電壓U11與B輪.成正比關係，g卩UiiCC B誠,故TJil也可以表徵為
Uh: 11輸+U ，其中為表徵燃氣流量信息的模擬電壓信號，U+ 為表徵磁幹擾
信息的模擬電壓信號；信號處理系統就是通過對Uf進行採集、分析、計算，分解出用於表具計量的燃氣流量信息和用於判斷、記錄外部磁場幹擾的異常信息； 信號處理系統的工作流程如下
1)系統上電初始化完後，根據智能燃氣表標稱流量指標給定時器預設採樣周期，然後， 啟動定時器，系統進入休眠狀態；
2)定時器的採樣周期中斷發生後，系統自動喚醒，由休眠狀態進入工作狀態；
3)主控制器開啟線性霍爾元件供電控制模塊，給線性霍爾元件提供供電時序，線性霍
爾元件開始檢測其周圍磁感應強度S^t的大小，轉化輸出模擬電壓信號Uiy ；
4)信號採集模塊通過對霍爾元件輸出模擬電壓信號進行濾波、調理、A/D採集，將線性霍爾元件輸出的模擬電壓信號轉化為數字量，傳送至信號處理模塊；
5)信號處理模塊對獲取的數字量進行分析、處理後，提取燃氣流量信息和外部磁場幹擾信息；
6)上述工作流程完成後，系統保存相關信息，再次進入休眠狀態，等待下一個定時採樣周期中斷到來，重複執行步驟1至5的操作流程。所述的一種智能燃氣表計量裝置的信號處理系統，其特徵在於所述的步驟5)中信號處理模塊對獲取的數字量進行分析、處理的具體算法流程如下
1)每個定時採樣周期，信號處理模塊對信號採集模塊採集的信息做計算補償後存儲；
2)信號處理模塊對當前採集、補償後的信息及前兩個周期採集、補償後的信息進行比較，判斷線性霍爾元件輸出的電壓信號是否進入新的穩態，即線性霍爾元件所敏感的磁場
強度是否保持穩定，其中，新的穩態記為U·,前一個舊的穩態記為^m ；
3)若新的穩態建立，信號處理模塊就對新、舊兩個穩態進行比較、處理，判斷是否有新增用氣量需計量；
4)信號處理模塊通過對當前存儲的採樣、補償後的信息做閾值比較，判斷智能燃氣表是否存在外部磁幹擾，若存在，記錄該外部磁幹擾信息。所述的一種智能燃氣表計量裝置的信號處理系統，其特徵在於所述的步驟1)中， 信號處理模塊對信號採集模塊採集的信息做計算補償的方法是對當前霍爾元件的供電電壓進行實時採樣，根據供電電壓的採樣結果對線性霍爾元件輸出電壓信號Li的採樣值進
行線性加權補償，消除控制電流I對[~的影響；
所述的步驟2)中，判斷線性霍爾元件輸出的電壓信號是否進入新的穩態，需要三個比較閾值穩態允許電壓變化最大閾值Δυ 、無外部磁幹擾時允許電壓變化最大閾值AU2、 新舊穩態迭代時允許電壓變化最小閾值△ Uiits，這三個閾值根據系統硬體電路及機械結構特性實時計算得出；
當前採樣周期對Us進行實時採樣、補償後以U[t]表示，前兩個周期的Ujy分別以
U[t-2]、U[t-l]表示，每次循環周期執行迭代公式 U[t-2] = U [t-1]式(1-3) U[t-1] = U [t] 式(1-4)
執行完式(1-3 )和式(1-4)的迭代運算後得到新的U [t-2]、U [t-1]、U [t]； 若滿足 |U[t]_ U[t-l]| 彡 AUl 且 |U[t-l] -U[t-2] I ^ AUl，則認為進
入一個穩態，即線性霍爾元件所敏感的磁感應強度無變化，確認新的穩態建立，令I = u[t]；
所述的步驟；3)中，在新的穩態建立後，對比兩個穩態的差值，若I U- - Um I ^ Δ Uws，則記錄TJiw - t/磁之值的正負符號，且更新前一個穩態 /姻，執行迭代算法Udd =U .
new >
若I U麗-um I彡TJttg且υ麗-U-之值的正負符號與上次記錄值發生變
化，則說明機械數輪已經轉過線性霍爾元件表面，即產生了新的燃氣用量，否則，未發生新增燃氣用量；
所述的步驟4)中，若外部有磁幹擾，霍爾元件的輸出電壓U[t]的輸出範圍就會超出沒有外界磁幹擾時電壓變化最大閾值Δυ2，即U[t] > ΔU2，記錄外界磁幹擾事件。本發明的優點在外部磁幹擾存在的情況下仍可以正確、完整的計量所有流過燃氣表的燃氣流量，保證用戶的正常用氣的同時記錄外部磁幹擾信息供燃氣公司參考、管理。 本發明設計合理、結構簡單、成本低，尤其在沒有控制閥門的智能燃氣表中，可以有效防止用戶通過外部磁場幹擾進行竊氣的行為。


圖1是本發明機械結構原理示意圖； 圖2是本發明控制電路原理示意圖3是本發明信號採集模塊示意圖； 圖4是本發明信號處理系統流程圖； 圖5是本發明信號處理算法流程圖。
具體實施例方式現結合說明書附圖，對本發明實例進行詳細的描述
一種智能燃氣表計量裝置，其中機械結構部分原理如圖1所示，各部件的功能如下 根據膜式燃氣表的機械工作原理，燃氣流動時會推動機械數輪3轉動，機械數輪3的機械轉動計數表徵了燃氣的流量信息。
永久磁鋼4粘貼在機械數輪3上，並隨機械數輪3同步轉動，永久磁鋼4把機械數輪的轉動信息轉化為線性霍爾元件2可檢測的磁感應強度變化信息。線性霍爾元件2與控制電路1中的線性霍爾元件供電控制模塊6及信號採集器模塊7相連接，固定安裝在機械數輪3架上，通過檢測其周圍磁感應強度的變化，輸出線性變化的模擬電壓信號供控制電路1採集、處理。控制電路1的原理如圖2所示，包括主控制器5、線性霍爾元件供電控制模塊6、信號採集模塊7、信號處理模塊8、報警模塊9 ；各個模塊的功能介紹如下
主控制器5分別與線性霍爾元件供電控制模塊6、信號採集模塊7、信號處理模塊8及報警模塊9相連接，完成各個模塊的協調工作，主控制器5採用MSP430單片機，燃氣流量檢測及外部磁幹擾檢測傳感器為線性霍爾元件2。線性霍爾元件供電控制模塊6給線性霍爾元件2提供供電工作時序，保證線性霍爾元件2在正常工作的前提下其功耗達到最低。信號採集模塊7原理如圖3虛線框內所示由濾波電路10、信號調理電路11、A/D 轉換器12組成，其功能是將線性霍爾元件輸出的電壓信號經過濾波、信號調理及A/D採樣後，轉換成數字量供信號處理模塊8分析、處理。信號處理模塊8獲取信號採集模塊7採集的電壓數字量，進行計算、分解後，獲取燃氣的流量信息及外部磁場幹擾信息。報警模塊9用於上報外部磁場幹擾信息及表具的一些異常工作信息。下面詳細介紹信號處理系統的工作原理當用戶打開閥門使用燃氣時，燃氣經燃氣表推動機械數輪3轉動；機械數輪3通過轉動計數完成燃氣流量信息的計量，同時，固定粘帖在機械數輪3上的永久磁鋼4也隨機械數輪3同步轉動，永久磁鋼4在線性霍爾元件 2周圍空間產生磁場的變化可以表徵燃氣流量信息，該磁場強度變化量可由線性霍爾元件
2檢測，其大小可以用磁感應強度B慨表徵；當存在外部幹擾磁場時，幹擾磁場的大小可用
表徵；幹擾磁場與永久磁鋼4產生的磁場在空間矢量疊加，產生二者的合成磁場，該磁
場可用磁感應強度的大小來表徵，即5^= 4s+。由於線性霍爾元件2的輸出
電壓~，與％ 成正比關係，即故Uh也可以表徵為^jf = U碰+「·/ ，其
中Uws表徵燃氣流量信息的模擬電壓信號；表徵磁幹擾信息的模擬電壓信號。當機
械數輪3轉動時，在實時變化，通過線性霍爾元件2檢測,輸出實時變化的電壓信
號Uiy ,經控制電路1採樣、分析、處理，分解出用於表具計量的燃氣流量信息；同時分解出用於判斷、記錄外部磁場幹擾的異常信息。信號處理系統的具體實施流程如圖4所示，介紹如下
在步驟401中，系統上電初始化完後，根據智能燃氣表標稱流量指標設定定時器採樣周期，然後，啟動定時器，系統進入步驟402 ；
在步驟402中，系統運行在休眠狀態，若定時器的採樣周期中斷發生，系統自動喚醒， 由休眠狀態切換到工作狀態，系統進入步驟403 ；否則，系統繼續運行在休眠狀態。在步驟403中，主控制器5開啟線性霍爾元件供電控制模塊6，給線性霍爾元件2提供供電時序，線性霍爾元件2開始檢測磁感應強度的大小，轉化輸出模擬電壓信號 Uh,系統進入步驟404。在步驟404中，信號採集模塊7通過對霍爾元件2輸出模擬電壓信號進行濾波、調理、A/D採集，將線性霍爾元件2輸出的模擬電壓信號轉化為數字量，傳送至信號處理模塊 8，系統進入步驟405。在步驟405中，信號處理模塊8對獲取的數字量進行分析、處理後，若有燃氣流量信息計量，進入步驟406，如有外部磁幹擾信息記錄，進入步驟407。在步驟406中，系統獲取燃氣流量信息後，燃氣表具計量，然後進入步驟408。在步驟407中，系統獲取外部磁幹擾信息後，記錄磁幹擾事件，然後進入步驟408。在步驟408中，系統保存相關信息，再次進入步驟402。在上述步驟405中，信號處理模塊8對獲取的數字量進行分析、處理，其詳細的信號處理算法流程如圖5所示，具體介紹如下
在步驟501中，設定定時器採樣周期，信號採集模塊7採集當前線性霍爾元件2的供電電壓和線性霍爾元件輸出電壓信息，進入步驟502。在步驟502中，線性霍爾元件2輸出電壓經補償後得到U[t]，該補償原理如下線性霍爾元件輸出電壓^滿足
權利要求
1.一種智能燃氣表計量裝置，其特徵在於該計量裝置主要由控制電路(1)、線性霍爾元件O)、機械數輪⑶和永久磁鋼⑷組成，控制電路⑴包括主控制器(5)、線性霍爾元件供電控制模塊(6)、信號採集模塊(7)、信號處理模塊( 及報警模塊(9)。
2.根據權利要求1所述的一種智能燃氣表計量裝置，其特徵在於所述的主控制器(5) 分別與線性霍爾元件供電控制模塊(6)、信號採集器模塊(7)、信號處理模塊(8)及報警模塊(9)相連，且主控制器(5)控制各個功能模塊協調工作；線性霍爾元件供電控制模塊(6)給線性霍爾元件(2)提供供電工作時序； 信號採集模塊⑵由濾波電路(10)、信號調理電路(11)、A/D轉換器(12)組成，信號採集模塊(7)將線性霍爾元件( 輸出的模擬電壓信號轉換為數字量後傳遞給信號處理模塊⑶；信號處理模塊(8)對信號採集模塊(7)採集的數據進行分析、處理，獲取燃氣的流量信息及外部磁場幹擾信息；報警模塊(9)實時上報外部磁場幹擾信息及智能燃氣表的異常工作信息。
3.根據權利要求1所述的一種智能燃氣表計量裝置，其特徵在於所述的永久磁鋼粘貼在機械數輪( 上，並隨機械數輪(3)同步轉動，永久磁鋼(4)把機械數輪( 的轉動信息轉化為線性霍爾元件(2)可測量的其周圍空間磁感應強度變化信息；線性霍爾元件(2)與控制電路(1)中的線性霍爾元件供電控制模塊(6)和信號採集模塊(7)相連，並固定安裝在機械數輪架上，線性霍爾元件(2)將其周圍磁感應強度變化信息轉換為模擬電壓信號輸出。
4.根據權利要求1所述的一種智能燃氣表計量裝置的信號處理系統，其特徵在於機械數輪⑶帶動永久磁鋼⑷轉動時，用線性霍爾元件⑵周圍空間產生磁場的變化來表徵燃氣流量信息，其大小用磁感應強度B·表徵，外部幹擾磁場大小用磁感應強度& 表徵，兩者在空間上矢量疊加，該疊加磁場大小用磁感應強度B誠=R· + 5相表徵；線性霍爾元件⑵的輸出電壓^/醜與4成成正比關係，即故Uh也可以表徵為Ujy= U雜其中Uws為表徵燃氣流量信息的模擬電壓信號，t/i為表徵磁幹擾信息的模擬電壓信號；信號處理系統就是通過對Uiy進行採集、分析、計算，分解出用於表具計量的燃氣流量信息和用於判斷、記錄外部磁場幹擾的異常信息； 信號處理系統的工作流程如下1)系統上電初始化完後，根據智能燃氣表標稱流量指標給定時器預設採樣周期，然後， 啟動定時器，系統進入休眠狀態；2)定時器的採樣周期中斷發生後，系統自動喚醒，由休眠狀態進入工作狀態；3)主控制器(5)開啟線性霍爾元件供電控制模塊(6)，給線性霍爾元件(2)提供供電時序，線性霍爾元件( 開始檢測其周圍磁感應強度的大小，轉化輸出模擬電壓信號 4)信號採集模塊(7)通過對霍爾元件( 輸出模擬電壓信號進行濾波、調理、A/D採集，將線性霍爾元件( 輸出的模擬電壓信號轉化為數字量，傳送至信號處理模塊(8)；5)信號處理模塊(8)對獲取的數字量進行分析、處理後，提取燃氣流量信息和外部磁場幹擾信息；6)上述工作流程完成後，系統保存相關信息，再次進入休眠狀態，等待下一個定時採樣周期中斷到來，重複執行步驟1至5的操作流程。
5.根據權利要求4所述的一種智能燃氣表計量裝置的信號處理系統，其特徵在於所述的步驟幻中信號處理模塊(8)對獲取的數字量進行分析、處理的具體算法流程如下1)每個定時採樣周期，信號處理模塊(8)對信號採集模塊(7)採集的信息做計算補償後存儲；2)信號處理模塊(8)對當前採集、補償後的信息及前兩個周期、補償後的信息進行比較，判斷線性霍爾元件(2)輸出的電壓信號是否進入新的穩態，即線性霍爾元件(2)所敏感的磁場強度是否保持穩定，其中，新的穩態記為t/·,前一個舊的穩態記為Udd ；3)若新的穩態建立，信號處理模塊(8)就對新、舊兩個穩態進行比較、處理，判斷是否有新增用氣量需計量；4)信號處理模塊(8)通過對當前存儲的採集、補償後的信息做閾值比較，判斷智能燃氣表是否存在外部磁幹擾，若存在，記錄該外部磁幹擾信息。
6.根據權利要求5所述的一種智能燃氣表計量裝置的信號處理系統，其特徵在於所述的步驟1)中，信號處理模塊(8)對信號採集模塊(7)採集的信息做計算補償的方法是 對當前霍爾元件O)的供電電壓進行實時採樣，根據供電電壓的採樣結果對線性霍爾元件 (2)輸出電壓信號的採樣值進行線性加權補償，消除控制電流I對Uf的影響；所述的步驟2)中，判斷線性霍爾元件(2)輸出的電壓信號是否進入新的穩態，需要三個比較閾值穩態允許電壓變化最大閾值Δυ 、無外部磁幹擾時允許電壓變化最大閾值AU2、新舊穩態迭代時允許電壓變化最小閾值Δ Uiita，這三個閾值根據系統硬體電路及機械結構特性實時計算得出；當前採樣周期對進行實時採樣、補償後以U[t]表示，前兩個周期的分別以U[t-2]、U[t-l]表示，每次循環周期執行迭代公式 U[t-2] = U [t-1]式(1-3) U[t-1] = U [t] 式(1-4)執行完式(1-3)和式(1-4)的迭代運算後得到新的U[t-2]、U[t-l]、U[t]；若滿足|U[t] -u[t-l]|彡AUl且u[t-l] -U[t-2]彡Δυ ，則認為[。進入一個穩態，即線性霍爾元件( 所敏感的磁感應強度無變化，確認新的穩態建立，令巧胃=U[t]；所述的步驟；3)中，在新的穩態建立後，對比兩個穩態的差值，若I U麗-Uou^ Δ Utts ,則記錄『 -Uold之值的正負符號，且更新前一個穩態[、，執行迭代算法 ir - rr若I 」爾-υ- I彡Tjwg且υ麗-Um之值的正負符號與上次記錄值發生變化，則說明機械數輪(3)已經轉過線性霍爾元件(2)表面，即產生了新的燃氣用量，否則，未發生新增燃氣用量；所述的步驟4)中，若外部有磁幹擾，霍爾元件( 的輸出電壓U[t]的輸出範圍就會超出沒有外界磁幹擾時電壓變化最大閾值Δυ2，即U[t] >AU2，記錄外界磁幹擾事件。
全文摘要
本發明屬於表具計量裝置領域，具體涉及一種智能燃氣表計量裝置及信號處理系統。其特徵在於計量裝置由控制電路、線性霍爾元件、機械數輪和永久磁鋼等組成，控制電路包括主控制器、線性霍爾元件供電控制模塊、信號採集模塊、信號處理模塊及報警模塊，該系統通過線性霍爾元件測量粘貼在智能燃氣表機械數輪上永久磁鋼在線性霍爾元件周圍產生磁場的變化來計量燃氣流量，並能在有外界磁場幹擾的情況下完整、正確的計量所有流過燃氣表的燃氣流量，保障用戶的正常用氣，同時，記錄外界磁場幹擾信息，供燃氣公司判斷是人為破壞還是環境因素，對企業管理中防止用戶的惡意竊氣行為有著突出的意義。
文檔編號G01F15/075GK102494729SQ20111037970
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月25日 優先權日2011年11月25日
發明者孫蒲剛, 毛潤新, 石愛國, 陳江南 申請人:杭州先鋒電子技術股份有限公司