具有内置网关的同步运算式能量计量装置及物联网系统的制作方法

1.本发明涉及天然气能量计量技术领域，具体涉及具有内置网关的同步运算式能量计量装置。


背景技术：

2.天然气作为一种优质、高效、清洁的能源和重要的化工原料，在世界各国均得到普遍重视和优先利用，在能源结构中占的比例达到35％。随着天然气作为环保能源地位的不断上升，对天然气进行准确、公平和公正的计量工作是对天然气进行科学管理的一项重要技术工作，关系到多方利益。同时，天然气作为燃料，它的实际价值应该是它的热值而非体积，国外的天然气计量方式普遍采用能量计量的方法，所以难免在与其它国家进行天然气贸易交接过程中产生不必要的争端，因此开展天然气能量计量设备的研究有着非常重要的意义。
3.现有的天然气集输站都配有计量设备，但传统的计量设备计量不仅响应速度低，计量精准度较差，且安全性能差。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的不足，目的在于提供具有内置网关的同步运算式能量计量装置，可实现通信数据的存储、通信组织、标准协议转换、封装与解包等通信预处理工作，提高通信效率和稳定性，并确保信息交互的安全性，同时能够实时监测天然气是否发生泄漏，提高用户使用的安全性。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.具有内置网关的同步运算式能量计量装置，包括内置网关以及可燃气体检测报警模块，所述内置网关包括通信数据处理模块，所述通信数据处理模块与可燃气体检测报警模块连接，可燃气体检测报警模块用于检测天然气的泄露状态，当检测到天然气泄露时，可燃气体检测报警模块输出报警信息，并发送信息至通信数据处理模块，所述通信数据处理模块用于对通信数据的协议转换、有效性过滤、通信组织、标准格式数据的封装与解包；还包括数据预处理模块，所述数据预处理模块与通信数据处理模块连接，数据预处理模块能够将处理后的信息经所述内置网关实现向外传输，并进一步由传感网络平台或管理平台实现远程能量计量核算。
7.进一步地，所述内置网关还包括数据存储模块、信息安全管理模块和通信模块，所述数据存储模块与通信数据处理模块连接，所述通信数据处理模块、信息安全管理模块、通信模块依次连接；所述数据存储模块用于对通信数据的存储；所述信息安全管理模块用于对信息交互对象身份认证、交互数据加解密、交互数据完整性和有效性验证；所述通信模块用于实现所述能量计量装置对外通信。
8.进一步地，还包括能量计算模块，所述能量计算模块与通信数据处理模块连接，所述数据预处理模块用于对天然气的感知信息进行数据分类和存储，并将感知信息传递至能
量计算模块；所述能量计算模块通过数据预处理模块传递的感知信息计算设定时间段内标况流量，并通过数据预处理模块匹配到标况流量对应的天然气单位发热量，通过二者的乘积实现天然气能量计量；还包括流量传感器、压力传感器以及温度传感器，所述流量传感器、压力传感器以及温度传感器用于采集天然气的感知信息，并将采集到的感知信息传递至数据预处理模块；
9.还包括触控显示屏，所述触控显示屏分别与数据预处理模块、能量计算模块、可燃气体检测预警模块连接。
10.进一步地，还包括发热量分析处理模块，所述发热量分析处理模块的输入端设有样气处理系统和标气处理系统；所述发热量分析处理模块对标气处理系统除杂后的标气进行发热量计算，并将计算结果与标准气体发热量的标准值进行较对，实现发热量分析处理模块的校准；所述发热量分析处理模块对样气处理系统除杂后的样气进行发热量计算，并将计算得到的标况流量对应的天然气单位发热量信息传送至数据预处理模块。
11.进一步地，还包括壳体，所述发热量分析处理模块、样气处理系统、标气处理系统、数据预处理模块、能量计算模块、可燃气体检测报警模块及内置网关均位于壳体内，所述触控显示屏位于壳体外壁上。
12.进一步地，所述壳体内还设有燃气管，所述流量传感器、压力传感器以及温度传感器均位于燃气管内；
13.所述燃气管内还设有检测组件，所述检测组件包括伸缩管、外径与燃气管内径一致的第一活动块和第二活动块，所述伸缩管位于第一活动块和第二活动块之间，所述第一活动块和第二活动块沿燃气管轴向的端面上均设有气孔，且气孔与伸缩管连通，形成贯穿的通孔；
14.所述燃气管内设有电机，电机的输出轴沿燃气管轴向分布，且依次贯穿第一活动块和第二活动块，所述电机的输出轴与第一活动块螺纹连接。
15.进一步地，所述第一活动块朝向第二活动块方向端面上还设有位移传感器；
16.所述第一活动块和第二活动块之间还设有第一弹性件，第一弹性件的两端分别与第一活动块和第二活动块连接；
17.所述第二活动块的端面上还设有通道，通道将第二活动块的两个端面连通，且通道位于伸缩管与燃气管的内壁之间，通道内设有单向阀。
18.进一步地，所述样气处理系统的输入端依次设有伴热管、样气控制器以及样气采集接口，样气采集接口包括与燃气管连通的采样管，所述采样管位于燃气管的管口处设有过滤网；
19.所述燃气管的内底上设有刮板组件，刮板组件靠近于燃气管的末端，且刮板组件能够沿着燃气管的轴向移动；
20.所述壳体内还设有连接管，连接管一端与燃气管连通，另一端上设有底部为封闭结构的存储管，且存储管与连接管螺纹连接。
21.进一步地，所述刮板组件包括固定板、活动板以及第二弹性件，所述第二弹性件一端与固定板连接，另一端与活动板连接，所述活动板朝向第一活动块方向的端部设有连接孔，连接孔内壁上下两侧分别设有凹槽和方孔，所述凹槽内设有第三弹性件和限位杆，所述方孔将连接孔与活动板的底部连通；
22.所述第一活动块朝向活动板方向的端部设有定位杆，所述定位杆能够插入至连接孔内，所述定位杆上还设有定位槽，所述定位杆的底部还设有与定位槽连通的解锁孔；
23.所述存储管内底上还设有弹力大于第三弹性件的第四弹性件，所述第四弹性件一端与存储管内底连接，另一端上设有位于燃气管内的解锁杆，且解锁杆能够插入至解锁孔内。
24.具有内置网关的同步运算式能量计量物联网系统，包括依次交互的用户平台、服务平台、传感网络平台以及感知控制平台；
25.所述感知控制平台为上述能量计量装置，所述感知控制平台将获取到的感知信息通过所述传感网络平台传递至所述管理平台；
26.所述管理平台包含能量计量管理系统，所述能量计量管理系统对接收到的感知信息进行综合分析处理，通过所述服务平台向用户平台传递用户需求信息，并通过所述传感网络平台向感知控制平台下达控制指令。
27.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
28.1、本发明实现天然气能量计量装置一体化设计，各功能模块参数匹配性好，计量更准确；一体化设计，有利于提高客户采购效率，同时提升设备管理工作效率，同时可实现计量装置与管理平台对天然气能量的同步计量，并通过建立物联网运行系统，实现天然气能量计量智慧化管理运营；
29.2、本发明设置的内置网关，可实现通信数据的存储、通信组织、标准协议转换、封装与解包等通信预处理工作，提高通信效率和稳定性，同时具有信息安全管理功能，可确保天然气计量装置对外信息交互的信息安全，通过建立物联网运行系统，实现天然气能量计量智慧化管理运营；
30.3、本发明利用设置的检测组件能够自动对燃气管的泄露处进行检查，快速判断泄露处的位置，并能够对泄露处进行临时封堵，保证用户的使用安全性；
31.4、本发明能够对沉淀至燃气管内的固体杂质进行清理，避免固体杂质造成燃气管和样气采集接口的堵塞。
附图说明
32.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
33.图1为本发明结构示意图；
34.图2为本发明实施例2中壳体内部结构示意图；
35.图3为本发明实施例2中燃气管内部结构示意图；
36.图4为本发明图3中a部放大后的结构示意图；
37.图5为本实施例3中系统架构示意图。
38.附图中标记及对应的零部件名称：
39.1-壳体，2-燃气管，3-检测组件，4-连接管，5-伴热管，6-样气控制器，7-采样管，8-刮板组件，9-电机，12-第一活动块，13-伸缩管，14-第二活动块，15-输出轴，16-固定板，17-第二弹性件，18-存储管，20-第四弹性件，21-解锁杆，22-第一弹性件，23-单向阀，24-第三弹性件，25-限位杆，26-活动板，27-定位杆。
具体实施方式
40.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
41.实施例1
42.如图1所示，本发明包括数据预处理模块和能量计算模块，所述数据预处理模块用于对天然气的感知信息进行数据分类和存储，并将感知信息传递至能量计算模块；所述能量计算模块通过数据预处理模块传递的感知信息计算天然气瞬时工况流量，实现向瞬时标况流量的转换和设定时间段内标况流量的计算，并通过数据预处理模块匹配到标况流量对应的天然气单位发热量，通过二者的乘积实现天然气能量计量。
43.还包括内置网关，所述内置网关包括通信数据处理模块、数据存储模块、信息安全管理模块和通信模块；所述数据存储模块、通信数据处理模块、信息安全管理模块、通信模块依次连接，所述通信模块与外置网关连接，实现能量计量装置对外通信，所述数据预处理模块和能量计算模块均与通信数据处理模块连接。
44.通过设置的内置网关能够实现天然气能量计量装置通信数据的存储、协议转换、有效性过滤、通信组织、标准格式数据的封装与解包等通信预处理工作，提高通信效率和稳定性；同时利用设置的信息安全管理模块能够涉及信息交互对象身份认证、交互数据加解密、交互数据完整性和有效性验证等，确保信息交互的安全性。
45.还包括与内置网关连接的可燃气体检测报警模块，所述可燃气体检测报警模块与通信数据处理模块连接，所述可燃气体检测报警模块用于检测管道内的天然气泄漏状态，当检测出天然气泄漏时，可燃气体检测报警模块输出报警信号，并发送信息至通信数据处理模块，以提高用户的安全性。
46.还包括流量传感器、压力传感器以及温度传感器，所述流量传感器、压力传感器以及温度传感器用于采集天然气的感知信息(分别对应采集天然气的流量、压力及温度信息)，并且采集到的感知信息传递至数据预处理模块。
47.通过流量传感器获取天然气瞬时流量信息，并传输至数据预处理模块；通过压力传感器获取天然气实时压力信息，并传输至数据预处理模块；通过温度传感器获取天然气实时温度信息，并传输至数据预处理模块。
48.还包括发热量分析处理模块，所述发热量分析处理模块的输入端设有样气处理系统和标气处理系统，所述样气处理系统的输入端设有样气控制器，所述样气控制器的输入端还设有样气采集接口；所述标气处理系统的输入端设有标气采集接口。
49.天然气样气依次通过样气采集接口、样气控制器、样气处理系统进入发热量分析处理模块，发热量分析处理模块计算样气的发热量，得到样气的标况流量对应的天然气单位发热量信息，并传送至数据预处理模块。
50.通过数据预处理模块对感知信息进行数据分类、存储、传输等预处理；数据预处理模块分别与能量计算模块、触控显示屏、通信模块、发热量分析处理模块电性连接，实现双向通信。
51.能量计算模块通过数据预处理模块匹配到标况流量对应的天然气单位发热量，通过设定时间段内标况流量和标况流量对应的天然气单位发热量的乘积实现天然气能量计
量。
52.此外还可通过标气采集接口、标气处理系统采集标气进入发热量分析处理模块，发热量分析处理模块计算标气的发热量，并将计算结果与标准气体发热量的标准值进行较对，实现发热量分析处理模块的校准。
53.还包括触控显示屏，所述触控显示屏分别与数据预处理模块、能量计算模块连接以及可燃气体检测报警模块连接，实现双向通信。数据预处理模块将天然气的工况压力、温度、样气发热量等信息发送至触控显示屏，能量计算模块将天然气工况流量、标况流量、能量等信息发送至触控显示屏，触控显示屏实现上述信息在现场端的显示监控；也可以通过现场操作触控显示屏，分别向数据预处理模块和能量计算模块发送相关的控制指令，进行权限内参数的调节，可燃气体检测报警模块能够将报警信息传递至触控显示屏上，也可以通过现场操作触控显示屏，向可燃气体检测报警模块发送相关控制指令。
54.数据预处理模块还可通过装置的通信模块将天然气的工况压力、温度、样气发热量等信息经外置网关发送至传感网络平台或管理平台，由传感网络平台或管理平台实现远程能量计量核算，实现能量计量装置与传感网络平台或管理平台的同步计量。
55.本技术方案能量计量装置，采用一体化设计，各功能模块参数匹配性好，计量更准确，不仅有利于提高客户采购效率，同时提升设备管理工作效率。
56.同时各个模块之间采用同步计算方式能够提高本计量装置的计量效率，能够快速计量出天然气能量值，并还可实现能量计量装置与管理平台对天然气能量的同步计量。
57.实施例2
58.如图2至4所示，在实施例1的基础上，还包括壳体1，所述发热量分析处理模块、样气处理系统、标气处理系统、数据预处理模块、能量计算模块、可燃气体检测报警模块及内置网关均位于壳体1内，所述触控显示屏位于壳体1外壁上。
59.所述壳体1内还设有燃气管2，所述流量传感器、压力传感器以及温度传感器均位于燃气管2内；所述燃气管2内还设有检测组件3，所述检测组件3包括伸缩管13、外径与燃气管2内径一致的第一活动块12和第二活动块14，所述伸缩管13位于第一活动块12和第二活动块14之间，所述第一活动块12和第二活动块14沿燃气管2轴向的端面上均设有气孔，且气孔与伸缩管13连通，形成贯穿的通孔；所述燃气管2内设有电机9，电机9的输出轴15沿燃气管2轴向分布，且依次贯穿第一活动块12和第二活动块14，所述电机9的输出轴15与第一活动块12螺纹连接。
60.利用设置在壳体1内的可燃气体检测报警模块检测到壳体内有天然气时，此时的燃气管2存在泄漏问题，为了快速判断燃气管2天然气的泄露位置，故在燃气管2内还设置有检测组件3，检测组件3用于自动检测燃气管2内天然气泄漏的位置，其中，设置的第一活动块12和第二活动块14均为圆盘结构，其圆周外壁上均设有密封圈，用于保证第一活动块12和第二活动块14与燃气管2内壁之间的气密性，其中，在第一活动块12和第二活动块14之间还设置有伸缩管13，伸缩管13为波纹管，其能够沿燃气管2的轴向伸缩，并且伸缩管13的外径小于燃气管2的内径，使得伸缩管13与燃气管2内壁之间存在一定的空间，初始状态时，设置的第一活动块12和第二活动块14位于燃气管2最右端，且第一活动块12靠近于第二活动块14，使得伸缩管13处于压缩状态，当可燃气体检测报警模块检测检测到壳体1内有天然气泄漏时，电机9开始工作，电机9的输出轴15转动，由于第一活动块12与输出轴15通过螺纹连
接，因此能够带动第一活动块12在燃气管2内朝着左端方向移动，由于第一活动块12与第二活动块14靠近在一起，此时的伸缩管13处于压缩状态，且伸缩管13与燃气管2内壁处于密封状态，因此第一活动块12在移动的过程中能够同时拉动伸缩管13和第二活动块14跟着一起移动，此时的伸缩管13未发生拉伸，而一旦检测组件3移动至燃气管2泄露的地方，随着第一活动块12的继续移动，第一活动块12能够将燃气管2外部的气体通过泄露孔抽入至伸缩管13与燃气管2内壁之间形成的空腔内，使得随着外界的气体不断抽入至该空腔内，此时的伸缩管13能够跟着第一活动块12一起逐渐拉伸，而第二活动块14停止跟着伸缩管13和第一活动块12一起移动，因此第一活动块12和第二活动块14之间的间距逐渐增大，故通过检测第一活动块12与第二活动块14之间的间距变化，可以快速判断燃气管2上的泄露处，并且将检测组件3停放在燃气管2的泄露处，还能够实现对燃气管2泄露处的临时封堵，避免燃气管2内的气体继续泄露。
61.所述第一活动块12朝向第二活动块14方向端面上还设有位移传感器；所述第一活动块12和第二活动块14之间还设有第一弹性件22，第一弹性件22的两端分别与第一活动块12和第二活动块14连接；所述第二活动块14的端面上还设有通道，通道将第二活动块14的两个端面连通，且通道位于伸缩管13与燃气管2的内壁之间，通道内设有单向阀23。
62.本技术方案为了保证初始状态时，第一活动块12和第二活动块14能够靠拢地较近，使得伸缩管13与燃气管2内壁之间形成的空腔内的气体排尽，迫使该形成的空腔处于负压状态，故在第二活动块14上设置有通道，并在通道内设置有单向阀23，使得伸缩件13与燃气管2内壁之间形成的空腔内的气体能够通过单向阀23排入至第二活动块14右侧的燃气管2内，而燃气管2内的气体无法通过单向阀23进入至该形成的空腔内，因此，在初始状态时，利用电机9驱动第一活动块12朝着第二活动块14方向移动，当第一活动块12和第二活动块14移动至燃气管2最右端处时，在燃气管2的最右端处内设置限位块，限制第二活动块14的继续移动，避免第二活动块14移动位于壳体1外出的燃气管2内，而第一活动块12继续在朝着第二活动块14方向移动时，压缩伸缩管13，并将伸缩管13外壁与燃气管2内壁之间形成的空腔内的气体通过单向阀23排出，使得伸缩管13与燃气管2内壁之间形成的空腔处于负压状态，最终使得电机9在驱动第一活动块12移动的过程中，由于外部的气体无法进入至伸缩管13与燃气管2内壁之间形成的空腔内，因此，此时的伸缩管13无法拉伸，其只能拉动第二活动块14跟着一起移动，而当移动到燃气管2泄露处时，由于燃气管2外界的气体能够通过泄露孔进入至伸缩管13与燃气管2内壁之间形成的空腔内，使得此时的伸缩管13能够被第一活动块12拉动，进而改变了第一活动块12和第二活动块14之间的间距，通过设置的位移传感器能够检测出第一活动块12和第二活动块14之间位置的变化。
63.为了保证本检测组件3在移动至燃气管2泄露的地方时，第二活动块14与第一活动块12之间能够相对发生位移，故设置了第一弹性件22，初始状态时，在将伸缩管13与燃气管2内壁之间形成的空腔内的气体排出时，设置的第一弹性件22也处于压缩状态，一旦本检测组件3移动至燃气管2的泄露处时，在第一弹性件22的作用下，能够推动第二活动块14朝着远离第一活动块12方向移动。
64.所述样气处理系统的输入端依次设有伴热管5、样气控制器6以及样气采集接口，样气采集接口包括与燃气管2连通的采样管7，所述采样管7位于燃气管2的管口处设有过滤网；所述燃气管2的内底上设有刮板组件8，刮板组件8靠近于燃气管2的末端，且刮板组件8
能够沿着燃气管2的轴向移动；所述壳体1内还设有连接管4，连接管4一端与燃气管2连通，另一端上设有底部为封闭结构的存储管18，且存储管18与连接管4螺纹连接。
65.设置的样气控制器用于将燃气管2内的天然气抽入至采样管7内，并通过伴热管5输送至样气处理系统内，由于某些的天然气中混入有固体杂质，为了防止位于燃气管2中的固体杂质进入至采样管7内，造成采样管7的堵塞，故在采样管7上设置有过滤网，用于对天然气中的气体与固体之间分过滤，同时为了避免固体杂质长期停留在燃气管2中，故还设置有刮板组件8和存储管18，当第一活动块12在燃气管2内移动的过程中，第一活动块12的端部能够将沉淀在燃气管2内底上的固体杂质朝着连接管4方向推动，将固体杂质存储至存储管18中存储，从而实现了对连接管4右侧的固体杂质的清理，而设置的刮板组件8则用于对连接管4左侧的固体杂质进行清理，将其推入至连接管4中。
66.所述刮板组件8包括固定板16、活动板26以及第二弹性件17，所述第二弹性件17一端与固定板16连接，另一端与活动板26连接，所述活动板26朝向第一活动块12方向的端部设有连接孔，连接孔内壁上下两侧分别设有凹槽和方孔，所述凹槽内设有第三弹性件24和限位杆25，所述方孔将连接孔与活动板26的底部连通；所述第一活动块12朝向活动板26方向的端部设有定位杆27，所述定位杆27能够插入至连接孔内，所述定位杆27上还设有定位槽，所述定位杆27的底部还设有与定位槽连通的解锁孔；所述存储管18内底上还设有弹力大于第三弹性件24的第四弹性件20，所述第四弹性件20一端与存储管18内底连接，另一端上设有位于燃气管2内的解锁杆21，且解锁杆21能够插入至解锁孔内。
67.第一活动块12在朝着刮板组件8方向移动的过程中，将连接管4右侧的固体杂质推入至连接管4中，而当第一活动块12上的定位杆27插入至活动板26上的连接孔内时，由于设置的限位杆25底端为圆锥结构，因此先将限位杆25压入至凹槽内，然后在第三弹性件24的作用下，将限位杆25推入至定位杆27的定位槽内，实现限位杆25与定位杆27之间的连接，使得第一活动块12在回移的过程中，能够拉动活动板26跟着一起移动，并将活动板26右方的固体杂质推入至连接管4中，同时，当活动板26底部的方孔移动至与解锁杆21同一直线上时，由于第四弹性件40的弹力大于第三弹性件24的弹力，使得解锁杆21将定位杆27从定位槽内顶出，在第二弹性件17的作用下，拉动活动板26往回移动，从而实现了活动板26与定位杆27之间的分离，由于本技术方案中设置的解锁杆21采用弹簧钢制造而成，具有一定的柔性，因此使得解锁杆21易于弯折，使得解锁杆21能够顺利从活动板26的方孔内移出。
68.实施例3
69.如图5所示，具有内置网关的同步运算式能量计量物联网系统，包括依次交互的用户平台、服务平台、传感网络平台以及感知控制平台；
70.所述感知控制平台为上述的能量计量装置，所述感知控制平台将获取到的感知信息通过所述传感网络平台传递至所述管理平台；
71.所述管理平台包含能量计量管理系统，所述能量计量管理系统对接收到的感知信息进行综合分析处理，通过所述服务平台向用户平台传递用户需求信息，并通过所述传感网络平台向感知控制平台下达控制指令。
72.本物联网系统，可以在能量计量装置直接实现能量计算，也可在能量计量装置中的功能模块如能量计算模块等出现故障时，将能量计量装置采集的数据传送至传感网络平台或管理平台进行能量计算，还可设置能量计量装置与传感网络平台或能量计量装置与管
理平台同时进行能量计算，将计算结果进行分析对比，提高计算精度。
73.优选地，可选择能量计量装置和传感网络平台进行能量计算，可减轻管理平台的数据计算负担，保障管理平台的业务管理能力。
74.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。