IC卡智能水表的设计及三维模拟
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设计 # 研究 # 分析
文章编号: 1002- 6886( 2008) 02- 0049- 04
# 49#
I C卡智能水表的设计及三维模拟
余阳, 张美麟, 于洪波
(北京化工大学 机电工程学院, 北京 100029)
摘要: 简要介绍了 IC 卡智能水表的功能模块和设计方案, 并通过 SolidW orks软件对 IC 卡智能水表进行了三维仿真模拟。 关键词: IC 卡 设计 SolidW orks 三维模拟
D esign and Th ree2d im en siona l Sim u lation of In telligen tW ater M eter w ith I C Card
YU Y an g , ZH ANG M eilin, YU H on gbo
Ab stra ct: Function m odule and design proposal of inte lligentwate rm eter with IC ca rd a re introduced, and three2d mi ensiona l em 2 u la tion smi ulation of inte lligen twater me ter w ith IC card are mi plem ented by SolidWorks software.
我们取: < = 45b
fM = 0. 05 (选取四氟乙烯作为密封圈的材料 ) P = 0. 1 MPa~ 0. 6MPa(计算时取最大值 )
DMP = 2# sin45b= 21. 2 mm 将上述数据代入公式 ( 1), 得到: MQF = 0. 191 6 N # m 2) 填料与 阀杆 间摩擦 力矩
管理统计功能: 通过管理统计功能实现计算机用户信 息、售水信息、水价信息、用户统计、信息查询、数据管理、 操作员管理、报表打印的管理。
2 IC卡智能水表的设计 [123]
IC卡智能水表从其诞生之日起, 至今已走过近十个 年头, 产品技术不断完善, 已被广大用户所接受并大量应 用于建设行业, 特别是住宅中。但由于 IC卡智能水表产 品技术还没有达到完全成熟的阶段, 各生产厂家产品在技 术、结构、工艺上区别仍较大, 执行标准不统一。例如, 阀 门作为控制执行部件有多种不同的选择, 外壳的不同造型 的设计, 电动阀门上电机的选择, 计数叶轮的不同设计。 下面将对 IC卡智能水表的主要零件的设计进行简单的介 绍。 2. 1阀门的选择
动机构, 其驱动电流一般较大, 但由于延长了开关阀时间,
因此有效解决了电磁驱动的缺点。而其耗电量可以通过
改进阀门结构来弥补。我们通常通过计算球阀所需要的ຫໍສະໝຸດ 驱动力矩来对电机进行选择。
球阀阀杆所需的力矩: (MQF +MFT ) @1. 2 其中, MQF 是浮动球阀的球体与密封面间的摩擦力矩, MF T 是填料与阀杆间摩擦力矩。
小孔的过滤网, 滤出水中的杂物。套筒侧面有上下两排圆
设计 # 研究 # 分析
# 51#
孔, 孔的位置恰好与壳体的上下环室对着, 显然, 下排是进 水孔, 上排是出水孔。特别值得注意的是, 这两排孔都是
沿圆的切线方向斜着打的。注意上下两排孔的方向相反。 水从下排孔沿切线方向流进去, 势必形成旋转的水流, 这 对于水表的工作是十分重要的。内芯分为上、中、下三层, 我们通常从玻璃窗看到的是上层, 只有指针和刻度盘。最 关键的是下层, 这里面有个塑料轮, 轮边上有许多塑料叶 片, 因此成为叶轮。叶轮所处的位置正好在套管下层孔所 形成的旋转流里, 水流冲击轮周的叶片, 产生转矩, 使叶轮 旋转起来。龙头开得越大, 水流越急, 叶轮就转 得越快。 叶轮的轴垂直向上到达中层, 轴上面有个小齿轮, 用它和 / 十进制数齿轮 0啮合, 达到累计转数的目的。 / 十进制数 齿轮 0的作用是每当个位数齿轮转十圈, 十位数齿轮就转 一圈。换句话说, 个位数齿轮转一圈, 十位数齿轮就转十 分之一圈。个位数齿轮是主动者, 靠它来带动十位数齿 轮。实际上每一级十进位用两对齿轮完成, 以使转动方向 一致, 这两对齿轮串联在一起, 总的传动比就是这两个齿
MFT
= QT
#
dF 2
( 2)
其中: QT 是阀杆与填料的摩擦力, QT = W# dF # bT # P, 系 数 W可由 hT /bT 查表查到; dF 是阀杆直径; bT 是填料宽度; hT 是填料深度。
我们取: W= 1. 65 (由 hT /bT 查表得到 ) dF = 8 mm dT = 3 mm hT = 4bT = 12 mm 将上述数据代入公式 ( 2)得: MFT = 0. 095 04 N # m
IC卡智能水 表阀门的选 型应从以下几 方面综合考 虑:
1) 首先要全面了解 IC卡冷水表标准对阀门性能、技 术要求方面的规定, 被选阀门是否符合这些规定。
2) 阀门的结构特点是否能满足用户要求, 包括潜在 要求。
3) 对 IC卡水表生产厂家的技术实力、开发过程、质 量保证体系进行调查, 详细了解企业产品开发的技术细 节, 是否有能力并认真研究解决传统阀门存在的弊端, 并 不断改进产品的性能和质量。
IC卡智能水表在我国投放市场近十年, 为自来水行 业从传统的人工收费的管理模式转为预付费管理模式提 供了物质条件, 实现了城市安全、可靠、准确、方便的供水 收费系统。但是有些 IC卡水表厂家受到利益驱使, 不重 视产品质量, 设计上没有充分考虑产品的可靠性, 设计要 求不明确, 设计方案不充分; 生产工艺上控制不严, 试验、 检测手段缺乏, 致使产品质量低下, 造成市场上的 IC卡水
4)进行市场调研, 了解产品在其用户中使用情况。 综合上面几方面因素, 我们选择电动球阀作为阀门的 选择。电动球阀是由电机、减速器、阀杆、球体和阀体等几 部分组成的。其工作原理十分简单, 当电机接到控制器指 令, 启动后经减速器减速, 通过阀杆运动带动球体旋转, 球 体中间开孔, 当孔与阀体通孔同轴时, 阀门全部打开, 当球 体再转动 90b时阀门关闭, 实现对水流通断的控制。它具 有结构简单, 动作不复杂, 零件少, 生产制造容易, 成本较 低等优点。这些优点正有利于对普通水表的改造, 故该 IC卡智能水表设计的阀门选择 ) ) ) 电动球阀。 2. 2 外壳造型的设计 目前大多数 IC卡智能水表采用水表基表加电路控制 阀门的分体联接结构, 只要将水表基表上发讯装置再与单 独制造的阀门采用螺纹连接方式连接起来, 就构成了 IC 卡智能水表, 该制造工艺十分简单。缺点是由于采用分体 连接, 连接部分又是采用螺纹, 而在安装水表时, 一般也是 采用螺纹连接, 所以若安装时操作不当, 容易使分体连接 的 IC卡智能水表在联接处发生松动, 造成漏水, 影响了 IC 卡智能水表的正常使用; 再者, 由于采用螺纹连接, 所以在 分体连接中会产生这样的困难, 既要拧紧螺纹, 又要使连 接部分的方向一致 (如水表的度盘和阀门的电磁铁都朝 上 ), 这就产生了一个制造工艺的问题。还有是整表的长 度问题, 这些表阀分体连接的 IC卡智能水表大多比原来 同口径的机械式水表长度要长, 这就出现了这样的问题, 若要将原来的机械水表换成 IC卡智能水表, 必须锯断原 来装表处的水管, 重新在锯断的水管上铰出螺纹, 才能安 装 IC卡智能水表, 而这在实际操作中又是很麻烦的, 甚至 在有的场合是很困难的, 因此, 这种长分体的 IC卡智能水 表只能用在新建住宅中且与其他表的互换性 (在长度上 ) 很差, 当然也就制约了它的推广应用。把智能表 IC 卡设 计成表阀一体, 与普通机械式水表长度一样, 则彻底解决 了分体连接漏水问题以及安装规格问题。 2. 3 电动机的选择 电控阀作为执行机构, 是仪表单次工作最耗电的部 件, 因此在设计时要以省电为目的, 从而提高电池的使用
显示功能: 通过液晶显示或机械指针 ) 字轮式进行用 水计量显示。
查询功能: 为管理部门和用户提供阀门开启 /关闭状 态、已用水量、以金额显示的剩余水量、用水单价、报警金 额查询的功能。对管理部门增加用户非法手段用水次数、 用户电源状态的查询。
提示功能: 对水表电池欠压通过关阀报警显示。对用 水量减至报警金额, 关阀报警, 提示购水。
3) 电机的 转速
要使球阀在 2 s内完成动作 (转动 90b), 则电机所需
的转速是: 280#
2105#
292#
X=
1 4
/2
得到: X= 5956( r/ s) = 34. 4( r/m in)
故: 电机的功率为 W = 0. 344# X= 0. 344 @34. 4
= 11. 8 (W )
作者简介: 余 阳 ( 1982) ), 男, 硕士研究生, 研究方向: 在线注射流变仪测试机理及软件的研究。 收稿日期: 2007 - 8- 17
# 50#
表质量良莠不齐。据我们市场调查, IC卡水表出现的故 障中阀门占有较大比例, 主要故障为内、外泄, 打不开、关 不上或卡死等, 其中打不开、关不上是十分严重的故障, 直 接影响用户的使用, 使水表失去其最基本的使用功能。
1 IC卡智能水表的功能模块
该智能水表具有控制、显示、查询、提示和管理统计功 能。
控制功能: 1) 依据售水管理部门设定的用水价格、报警金额进 行预收费管理。 2) 针对非法手段用水, 超过五次, 阀门自动关闭, 只 能由售水部门开启。 3) 用水至设定报警余额, 自动提示性关闭阀门, 再次 插入 IC卡, 开阀用水。同时用户应持卡交费, 剩余金额自 动累加。无费自动彻底关闭。 4) 自动统计月用水量。 5) 电源保护功能, 保证数据的保持与恢复。 IC 卡内 信息受密码保护, 只能由售水管理部门读取。
综上, 电机参数是:
V= 3 V X= 34. 4 r/m in W= 11. 8 W
2. 4 计数表盘的选取
水表的内部结构从外向里可分为壳体、套筒、内芯三
文章编号: 1002- 6886( 2008) 02- 0049- 04
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I C卡智能水表的设计及三维模拟
余阳, 张美麟, 于洪波
(北京化工大学 机电工程学院, 北京 100029)
摘要: 简要介绍了 IC 卡智能水表的功能模块和设计方案, 并通过 SolidW orks软件对 IC 卡智能水表进行了三维仿真模拟。 关键词: IC 卡 设计 SolidW orks 三维模拟
D esign and Th ree2d im en siona l Sim u lation of In telligen tW ater M eter w ith I C Card
YU Y an g , ZH ANG M eilin, YU H on gbo
Ab stra ct: Function m odule and design proposal of inte lligentwate rm eter with IC ca rd a re introduced, and three2d mi ensiona l em 2 u la tion smi ulation of inte lligen twater me ter w ith IC card are mi plem ented by SolidWorks software.
我们取: < = 45b
fM = 0. 05 (选取四氟乙烯作为密封圈的材料 ) P = 0. 1 MPa~ 0. 6MPa(计算时取最大值 )
DMP = 2# sin45b= 21. 2 mm 将上述数据代入公式 ( 1), 得到: MQF = 0. 191 6 N # m 2) 填料与 阀杆 间摩擦 力矩
管理统计功能: 通过管理统计功能实现计算机用户信 息、售水信息、水价信息、用户统计、信息查询、数据管理、 操作员管理、报表打印的管理。
2 IC卡智能水表的设计 [123]
IC卡智能水表从其诞生之日起, 至今已走过近十个 年头, 产品技术不断完善, 已被广大用户所接受并大量应 用于建设行业, 特别是住宅中。但由于 IC卡智能水表产 品技术还没有达到完全成熟的阶段, 各生产厂家产品在技 术、结构、工艺上区别仍较大, 执行标准不统一。例如, 阀 门作为控制执行部件有多种不同的选择, 外壳的不同造型 的设计, 电动阀门上电机的选择, 计数叶轮的不同设计。 下面将对 IC卡智能水表的主要零件的设计进行简单的介 绍。 2. 1阀门的选择
动机构, 其驱动电流一般较大, 但由于延长了开关阀时间,
因此有效解决了电磁驱动的缺点。而其耗电量可以通过
改进阀门结构来弥补。我们通常通过计算球阀所需要的ຫໍສະໝຸດ 驱动力矩来对电机进行选择。
球阀阀杆所需的力矩: (MQF +MFT ) @1. 2 其中, MQF 是浮动球阀的球体与密封面间的摩擦力矩, MF T 是填料与阀杆间摩擦力矩。
小孔的过滤网, 滤出水中的杂物。套筒侧面有上下两排圆
设计 # 研究 # 分析
# 51#
孔, 孔的位置恰好与壳体的上下环室对着, 显然, 下排是进 水孔, 上排是出水孔。特别值得注意的是, 这两排孔都是
沿圆的切线方向斜着打的。注意上下两排孔的方向相反。 水从下排孔沿切线方向流进去, 势必形成旋转的水流, 这 对于水表的工作是十分重要的。内芯分为上、中、下三层, 我们通常从玻璃窗看到的是上层, 只有指针和刻度盘。最 关键的是下层, 这里面有个塑料轮, 轮边上有许多塑料叶 片, 因此成为叶轮。叶轮所处的位置正好在套管下层孔所 形成的旋转流里, 水流冲击轮周的叶片, 产生转矩, 使叶轮 旋转起来。龙头开得越大, 水流越急, 叶轮就转 得越快。 叶轮的轴垂直向上到达中层, 轴上面有个小齿轮, 用它和 / 十进制数齿轮 0啮合, 达到累计转数的目的。 / 十进制数 齿轮 0的作用是每当个位数齿轮转十圈, 十位数齿轮就转 一圈。换句话说, 个位数齿轮转一圈, 十位数齿轮就转十 分之一圈。个位数齿轮是主动者, 靠它来带动十位数齿 轮。实际上每一级十进位用两对齿轮完成, 以使转动方向 一致, 这两对齿轮串联在一起, 总的传动比就是这两个齿
MFT
= QT
#
dF 2
( 2)
其中: QT 是阀杆与填料的摩擦力, QT = W# dF # bT # P, 系 数 W可由 hT /bT 查表查到; dF 是阀杆直径; bT 是填料宽度; hT 是填料深度。
我们取: W= 1. 65 (由 hT /bT 查表得到 ) dF = 8 mm dT = 3 mm hT = 4bT = 12 mm 将上述数据代入公式 ( 2)得: MFT = 0. 095 04 N # m
IC卡智能水 表阀门的选 型应从以下几 方面综合考 虑:
1) 首先要全面了解 IC卡冷水表标准对阀门性能、技 术要求方面的规定, 被选阀门是否符合这些规定。
2) 阀门的结构特点是否能满足用户要求, 包括潜在 要求。
3) 对 IC卡水表生产厂家的技术实力、开发过程、质 量保证体系进行调查, 详细了解企业产品开发的技术细 节, 是否有能力并认真研究解决传统阀门存在的弊端, 并 不断改进产品的性能和质量。
IC卡智能水表在我国投放市场近十年, 为自来水行 业从传统的人工收费的管理模式转为预付费管理模式提 供了物质条件, 实现了城市安全、可靠、准确、方便的供水 收费系统。但是有些 IC卡水表厂家受到利益驱使, 不重 视产品质量, 设计上没有充分考虑产品的可靠性, 设计要 求不明确, 设计方案不充分; 生产工艺上控制不严, 试验、 检测手段缺乏, 致使产品质量低下, 造成市场上的 IC卡水
4)进行市场调研, 了解产品在其用户中使用情况。 综合上面几方面因素, 我们选择电动球阀作为阀门的 选择。电动球阀是由电机、减速器、阀杆、球体和阀体等几 部分组成的。其工作原理十分简单, 当电机接到控制器指 令, 启动后经减速器减速, 通过阀杆运动带动球体旋转, 球 体中间开孔, 当孔与阀体通孔同轴时, 阀门全部打开, 当球 体再转动 90b时阀门关闭, 实现对水流通断的控制。它具 有结构简单, 动作不复杂, 零件少, 生产制造容易, 成本较 低等优点。这些优点正有利于对普通水表的改造, 故该 IC卡智能水表设计的阀门选择 ) ) ) 电动球阀。 2. 2 外壳造型的设计 目前大多数 IC卡智能水表采用水表基表加电路控制 阀门的分体联接结构, 只要将水表基表上发讯装置再与单 独制造的阀门采用螺纹连接方式连接起来, 就构成了 IC 卡智能水表, 该制造工艺十分简单。缺点是由于采用分体 连接, 连接部分又是采用螺纹, 而在安装水表时, 一般也是 采用螺纹连接, 所以若安装时操作不当, 容易使分体连接 的 IC卡智能水表在联接处发生松动, 造成漏水, 影响了 IC 卡智能水表的正常使用; 再者, 由于采用螺纹连接, 所以在 分体连接中会产生这样的困难, 既要拧紧螺纹, 又要使连 接部分的方向一致 (如水表的度盘和阀门的电磁铁都朝 上 ), 这就产生了一个制造工艺的问题。还有是整表的长 度问题, 这些表阀分体连接的 IC卡智能水表大多比原来 同口径的机械式水表长度要长, 这就出现了这样的问题, 若要将原来的机械水表换成 IC卡智能水表, 必须锯断原 来装表处的水管, 重新在锯断的水管上铰出螺纹, 才能安 装 IC卡智能水表, 而这在实际操作中又是很麻烦的, 甚至 在有的场合是很困难的, 因此, 这种长分体的 IC卡智能水 表只能用在新建住宅中且与其他表的互换性 (在长度上 ) 很差, 当然也就制约了它的推广应用。把智能表 IC 卡设 计成表阀一体, 与普通机械式水表长度一样, 则彻底解决 了分体连接漏水问题以及安装规格问题。 2. 3 电动机的选择 电控阀作为执行机构, 是仪表单次工作最耗电的部 件, 因此在设计时要以省电为目的, 从而提高电池的使用
显示功能: 通过液晶显示或机械指针 ) 字轮式进行用 水计量显示。
查询功能: 为管理部门和用户提供阀门开启 /关闭状 态、已用水量、以金额显示的剩余水量、用水单价、报警金 额查询的功能。对管理部门增加用户非法手段用水次数、 用户电源状态的查询。
提示功能: 对水表电池欠压通过关阀报警显示。对用 水量减至报警金额, 关阀报警, 提示购水。
3) 电机的 转速
要使球阀在 2 s内完成动作 (转动 90b), 则电机所需
的转速是: 280#
2105#
292#
X=
1 4
/2
得到: X= 5956( r/ s) = 34. 4( r/m in)
故: 电机的功率为 W = 0. 344# X= 0. 344 @34. 4
= 11. 8 (W )
作者简介: 余 阳 ( 1982) ), 男, 硕士研究生, 研究方向: 在线注射流变仪测试机理及软件的研究。 收稿日期: 2007 - 8- 17
# 50#
表质量良莠不齐。据我们市场调查, IC卡水表出现的故 障中阀门占有较大比例, 主要故障为内、外泄, 打不开、关 不上或卡死等, 其中打不开、关不上是十分严重的故障, 直 接影响用户的使用, 使水表失去其最基本的使用功能。
1 IC卡智能水表的功能模块
该智能水表具有控制、显示、查询、提示和管理统计功 能。
控制功能: 1) 依据售水管理部门设定的用水价格、报警金额进 行预收费管理。 2) 针对非法手段用水, 超过五次, 阀门自动关闭, 只 能由售水部门开启。 3) 用水至设定报警余额, 自动提示性关闭阀门, 再次 插入 IC卡, 开阀用水。同时用户应持卡交费, 剩余金额自 动累加。无费自动彻底关闭。 4) 自动统计月用水量。 5) 电源保护功能, 保证数据的保持与恢复。 IC 卡内 信息受密码保护, 只能由售水管理部门读取。
综上, 电机参数是:
V= 3 V X= 34. 4 r/m in W= 11. 8 W
2. 4 计数表盘的选取
水表的内部结构从外向里可分为壳体、套筒、内芯三
