机械式燃气表头数据采集装置.pdf

本发明涉及机械式燃气表头数据自动采集装置。本发明针对现有技术表头数据采集装置结构复杂、计数不可靠的缺点，公开了一种利用机械触点开关与计数码轮联动进行数据采集的机械式燃气表头数据采集装置。本发明的技术方案是，机械式燃气表头数据采集装置，包括计数码轮、信号处理系统，所述计数码轮上设置有渐开线跳跃轮；所述渐开线跳跃轮与计数码轮同步转动，所述计数码轮转动一周，所述渐开线跳跃轮通过传动机构驱动机械触点开关动作完成一次电平转换；所述机械触点开关与信号处理系统连接，向所述信号处理系统输入电平转换的信号。本发

1.  机械式燃气表头数据采集装置，包括计数码轮、信号处理系统，其特征在于，所述计数码轮上设置有渐开线跳跃轮；所述渐开线跳跃轮与计数码轮同步转动，所述计数码轮转动一周，所述渐开线跳跃轮通过传动机构驱动机械触点开关动作完成一次电平转换；所述机械触点开关与信号处理系统连接，向所述信号处理系统输入电平转换的信号。

2.  根据权利要求1所述的机械式燃气表头数据采集装置，其特征在于，所述渐开线跳跃轮轮廓线为以所述计数码轮转动轴为圆心，基圆半径为r的渐开线。

3.  根据权利要求2所述的机械式燃气表头数据采集装置，其特征在于，所述r小于所述计数码轮的半径R，以使所述渐开线跳跃轮轮廓线不会超出所述计数码轮的轮廓线。

4.  根据权利要求1、2或3所述的机械式燃气表头数据采集装置，其特征在于，传动机构由一顶杆构成，所述顶杆一端与机械触点开关联动，另一端装有滚轮，所述滚轮与所述渐开线跳跃轮接触。

5.  根据权利要求4所述的机械式燃气表头数据采集装置，其特征在于，所述信号处理系统由超低功耗微处理器及其外围电路构成，所述超低功耗微处理器的高阻抗I/O口与机械触点开关连接。

6.  根据权利要求5所述的机械式燃气表头数据采集装置，其特征在于，所述超低功耗微处理器型号为MSP430F123。

7.  根据权利要求1、2或3所述的机械式燃气表头数据采集装置，其特征在于，所述信号处理系统由超低功耗微处理器及其外围电路构成，所述超低功耗微处理器的高阻抗I/O口与机械触点开关连接。

8.  根据权利要求7所述的机械式燃气表头数据采集装置，其特征在于，所述超低功耗微处理器型号为MSP430F123。

机械式燃气表头数据采集装置
技术领域
本发明涉及数据采集处理技术，特别涉及机械式燃气表头数据自动采集装置。
背景技术
机械式燃气表头，其计数原理是利用燃气的流动带动计数码轮转动进行计数的。要实现自动抄表，需要将计数码轮的转动转换成电信号，除了必须保证表头数据采集的准确性外，由于是嵌入表头内部的微型装置，必须做到结构紧凑，动作可靠，而且低功耗也是必须达到的指标。这是一个艰巨的任务，众多开发人员为此进行了各种尝试和努力，但至目前为止，尚未真正从实用角度解决好这一难题。
机械式燃气表头基本结构包括若干(一般6个以上)计数码轮盘，燃气流动带动计数码轮转动，各个计数码轮按照一定的转速比转动，对用气量进行计数并显示数字。目前，自动抄表系统的数据采集装置一般由传感器、微处理器及其外围电路构成。传感器对表头数据进行采集并将采集的数据输入微处理器，由微处理器进行记录、累加和编码传输。数据传感器常用的有光电传感器、磁敏传感器等。
光电传感器的工作原理，是在每个计数码轮上读数标记位置加装发光二极管，每个计数码轮还需加装一个数码盘，用以实现计数码轮读数的光信号转换。在需要抄表的时候，再对光电转换电路供电，完成表头读数的采集。磁敏传感器的工作原理主要是通过安装在燃气表头上的诸如霍耳元件、干簧管等磁敏传感器，检测计数码轮转动时产生的磁变化信号，根据计数码轮的转动频率产生脉冲，完成计数。
采用光电传感器的计数装置有如下缺点：
由于目前天然气基表一般在六位以上(含小数位)，要完成模拟量到数字量的光电转换，每个计数码轮都需要安装多个发光二极管与该计数码轮的各个不同量值相对应，传感器结构非常复杂。在这样的采集装置中，如果有一个发光二极管失效，势必带来整个系统的失效，造成了系统的不可靠。同时，由于光电直读模式在读取数据的时候，将同时驱动众多的发光二级管，即使采用超低功耗的发光二级管，其消耗功率也远远达不到低功耗的要求。
采用磁传感数据采集装置的最大缺点是，容易受到外部干扰，计数非常不可靠。
发明内容
本发明所要解决的计数问题，就是针对现有技术的上述缺点，提供一种利用机械触点开关与计数码轮联动进行数据采集的机械式燃气表头数据采集装置。
本发明解决所述计数问题，采用的技术方案是，机械式燃气表头数据采集装置，包括计数码轮、信号处理系统，其特征在于，所述计数码轮上设置有渐开线跳跃轮；所述渐开线跳跃轮与计数码轮同步转动，所述计数码轮转动一周，所述渐开线跳跃轮通过传动机构驱动机械触点开关动作完成一次电平转换；所述机械触点开关与信号处理系统连接，向所述信号处理系统输入电平转换的信号；
进一步的，所述渐开线跳跃轮轮廓线为以所述计数码轮转动轴为中心，基圆半径为r的渐开线；
优选的，所述r小于所述计数码轮的半径R，以使所述渐开线跳跃轮轮廓线不会超出所述计数码轮的轮廓线；
进一步的，传动机构由一顶杆构成，所述顶杆一端与机械触点开关联动，另一端装有滚轮，所述滚轮与所述渐开线跳跃轮接触；
具体的，所述信号处理系统由超低功耗微处理器及其外围电路构成，所述超低功耗微处理器的高阻抗I/O口与机械触点开关连接。
更具体的，所述超低功耗微处理器型号为MSP430F123。
本发明的有益效果是，数据采集装置结构简单紧凑，造价低廉，不受磁场干扰。仅涉及一个计数码轮的改装，该计数码轮开模后可一次注塑成型，成本低廉。传动机构动作可靠，机械触点开关具有百万次以上的开关寿命，计数准确可靠。选用渐开线跳跃轮，运行平稳可靠，不存在“临界点”。整个装置全部置于燃气表头内部，不影响表头原有功能，造价低廉，具有极长的工作寿命、极高的可靠性。
附图说明
图1是渐开线跳跃轮、传动机构及计数码轮配置结构示意图；
图2是图1中渐开线跳跃轮的左视图；
图3是图1中渐开线跳跃轮的右视图；
图4是传动结构与机械触点开关配置关系示意图；
图5是渐开线跳跃轮A、B位置关系示意图；
图6是电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
本发明的机械式燃气表头数据采集装置，根据数据采集精度要求，选择一个计数码轮进行改造加工，可以选择十分之一立方(0.1m³)计数码轮、一立方(1.0m³)计数码轮等，改造的主要目的是在计数码轮1上设置一个渐开线跳跃轮2，参见图1、图2和图3。渐开线跳跃轮2可以采用注塑工艺等与计数码轮1做成一个整体部件，渐开线跳跃轮2与计数码轮1同步转动。计数码轮1转一周，渐开线跳跃轮1也转一周。渐开线跳跃轮1通过传动机构31驱动机械触点开关动作，向信号处理系统输入电平阶跃变化一次的信号。
实施例
参见图1、图2和图3，本例渐开线跳跃轮2轮廓线是以计数码轮1转动轴O为圆心，基圆半径为r的渐开线。本例传动机构由一顶杆31构成，顶杆31一端与机械触点开关联动，另一端装有滚轮30，滚轮30与渐开线跳跃轮2的渐开线轮廓接触，随着渐开线跳跃轮2沿图1中弧形箭头转动时，顶杆31沿图1中的双向箭头作上下运动，驱动机械触点开关动作，输出电平阶跃变化的信号。这种装置了滚轮的传动机构，可以降低运行阻力，减少磨损。根据机械触点开关的安装位置、驱动形式等情况，可以将顶杆31设计成各种结构形状，以便驱动机械开关动作。
图4示出了一种传动机构与机械触点开关(型号为D2F-01F的单刀双掷开关)的配置关系。图4中，顶杆31一端的滚轮30随着渐开线跳跃轮的转动按双向箭头作上下运动，顶杆31另一端与D2F-01FD按钮32联动，顶杆31可以绕C点转动。随着渐开线跳跃轮的转动，顶杆31产生按压按钮32的动作，按钮32拨动单刀双掷开关的动触点k在静触点m和n之间切换，向信号处理系统输入电平阶跃变化的信号。计数码轮1旋转一周，动触点k完成一次由静触点m切换到静触点n，或由静触点n切换到静触点m的转换。图4中，静触点m和n分别连接高电平和低电平。
渐开线跳跃轮的基圆半径r的取值应根据机械触点开关动作行程合理选择，以使渐开线跳跃轮2转动过程中，顶杆31由图1中的B点跃向A点时，可靠地驱动机械触点开关完成触点切换的动作。为了便于安装，并最大限度地减少对机械式燃气表头本身结构的影响，基圆半径r应小于计数码轮1的半径R，并使渐开线跳跃轮2轮廓线不超出计数码轮1的轮廓线。
本例中渐开线跳跃轮2的设计，应使顶杆31由渐开线跳跃轮2的最高点B跳跃到最低点A的过程中，不会与渐开线跳跃轮2的任何部分接触，以确保顶杆31的跳跃过程真正做到“非A即B”，不存在“似A非A、似B非B”的临界状态，从根本上消除计数的不确定性。本例中渐开线跳跃轮2转动到B点与顶杆31接触时，A点已经越过该接触点，即图5中B点与A点的连线与垂线夹角α约5度。
本例机械式燃气表头数据采集装置，信号处理系统采用超低功耗微处理器，进行采集数据的处理，信号处理系统由一片型号为MSP430F123的超低功耗微处理器及其外围电路构成。外围电路主要包括复位电路、时钟电路及接口电路等，如图6。超低功耗微处理器的一个高阻抗I/O口与机械触点开关连接，根据电平阶跃变化的信号进行计数，每一次电平的变化代表计数码轮转过一周。
本例中，机械触点开关选用商品型号为D2F-01F的单刀双掷开关。图6中还示出了开关的电气结构，开关的两个静触点m、n分别连接高电平和低电平，其动触点k与MSP430F123的一个高阻抗I/O口连接，在传动机构的驱动下，动触点k向MSP430F123输出电平变化的信号。该型开关由于特殊的结构，在高低电平转换过程中具有非常确定的状态，不存在电平状态不稳定的临界状态，除非受到传动机构的驱动，动触点k输出的电平状态不会产生变化。
本发明的技术方案，是在经过大量试验和分析之后得到的。在此过程中，申请人选择了各种开关驱动方式，包括采用其他结构形式的驱动轮，无论从原理上还是实际上都不能避免和克服开关状态不确定现象的发生。用于计数码轮中在使用过程中，其停顿位置具有随机性如果驱动轮存在临界点，在此临界点处开关触点将会剧烈震荡，示波器上可看到一片杂乱的电压波形，若直接计数将产生极大的计数值。此现象在宜宾天然气公司的一只德国进口涡轮流量计上就曾发生过，关闭阀门后计数轮刚好就停在这个位置，不到一小时就产生了几十万方的流量值。通过软件编程可以使这个现象得到一定程度的遏制，但那终究是被动的解决方式，并且很可能不能保证百分之百。本发明的这种渐开线上升、阶跃下跳的驱动轮结构，从原理、根本上解决了计数开关的不确定状态。本发明的渐开线跳跃轮还可以降低对驱动力的要求，这对于普通燃气表中计数码轮不到10g的驱动力具有特殊的意义。本发明的渐开线跳跃轮转动平稳，传动机构对计数码轮产生的阻力，均匀分布在计数码轮转动的一周中，对表头产生的计数误差完全可以忽略，非常适合嵌入燃气表头运行。