CN101308550B - 远传表计数字轮径向透射光电直读装置 - Google Patents

Abstract

一种远传表计数字轮径向透射光电直读装置，它从根本上解决了现有光电直读装置存在的元件数量多、信噪比低、错码概率大等问题，其包括表计支架和固定其上的字轮轴、读码器和多位编码数字轮，其技术要点是：字轮轴采用带透光窗的剖分式柱形遮光轴，在其内置电路板上排列发光二极管，编码数字轮分别由透光轮体和遮光轮体拼装而成，读码器由封闭罩及封装其内的有光导狭缝的光导框架、带有三极管的接收电路板、译码器组成，各发光二极管的中心与透光轮体的透光辐板中心线、光导狭缝的中心线相重合。其结构设计合理，透射光路信噪比高，光线损失小，所用元件数量少，制造成本低，适合大批量生产，可以避免产生“跳字错码”，显著提高读数准确性。

Description

远传表计数字轮径向透射光电直读装置

技术领域

本发明涉及一种应用于远传计量水表、电表、煤气表等表计的字轮光电直读装置，特别是一种光路结构设计合理、光线损失小、检测信噪比高、读数准确的远传表计数字轮径向透射光电直读装置。

背景技术

目前，据国内、外相关专利文献介绍，随着电子数字化技术的迅速发展，传统的十进制机械转轮式计数器正在逐渐被机电一体化的应用于远传计量水表、电表、煤气表等表计的字轮光电直读装置所替代，如公告号CN2641731Y的“用于计量表内计数器上的定轮”、公告号CN1236281C的“机械字轮电子数字化方法及其无源自动抄表系统”、公告号CN2747541Y的“表计机械计数器字轮彩色条形编码及数字电信号输出装置”、公开号CN1835002A的“一种机械字轮计数器非接触读数传感器及设计方法”等专利文献中都有记载。这些字轮光电直读装置可分为脉冲和光电直读二类。其中脉冲类表计需要持续供电，断电后需重新设置初始值。光电直读类表计平时不供电，只在抄表瞬间供电，并且是直接读取字轮数字，不需设置初始值。国内、外现有的表计光电直读技术，按其编码和光路结构形式主要分为以下类型：即轴向透射型、径向反射型、径向光纤反射型。

其中“轴向透射型”的编码位置在其字轮的辐板上，即在固定圆周上分布着数个宽度不同的编码孔；其读码器分列在字轮的两侧，一侧有7个发光二极管，另一侧有位置相对的7个接收三极管。当二极管发光时，其光线沿轴向照射到字轮上，在字轮上“有”或“无”编码孔的后面，就会得到一组7个“1”或“0”的读数。字轮转动一周的10个数字，就能得到十组读数。因该类型的光路是沿轴向从字轮的辐板上透射的，所以称其为“轴向透射”式。其具有透射光路的光强度大，抗干扰能力强；机械加工精度要求不高，易于批量生产的优点。但其存在每位字轮需要7对光电管，所需元件数量最多；在每位字轮二侧都要安装7个光电管，结构复杂；读码器需要处理7位的二进制编码，信息量过多。

“径向反射型”的编码位置在其白色字轮圆柱面一侧约1/4宽度，印有180度弧长的黑色编码；其读码器位于字轮同心圆的180度内弧面，以36度间隔分布着5组并列的发光二极管和接收三极管。当二极管发光时，其光线沿径向照向字轮圆柱面，如其对面为白色区，并列的三极管就输出“1”、如其对面为黑色区，并列的三极管就输出“0”，这样能得到一组5个1或0的二进制读数。因该类型的光路是沿径向照射，经编码反射后接收的，所以称其为“径向反射型”。它的优点是：字轮编码简单。它的缺点是：1、反射光损失较大、散射光造成干扰，信噪比低；2、144度读码，读码器占位大，不适合小型表计。3、每位十进制数字只对应1个编码，出现错码的概率大。

“径向光纤反射型”是“径向反射型”的改进，它采用7位编码方式，提供了128种编码的容量，从而降低了错码的概率。同时为精密读码，采用了光纤传导方式。当二极管发光时，光线照射至光纤，从另一端照射到字轮圆柱面上，然后被反射到并列的接收光纤、再传导至接收三极管。因该类型的光路是在反射光路中增加了光纤，所以称其为“径向光纤反射型”。这种光电直读装置采用7位编码，错码概率低；光纤传导，可多位字轮分时共用读码器。但它也存在以下缺点：即反射光路的信噪比本来就低，现在又增加了光纤媒质，更大幅度降低光照强度，使其信噪比进一步降低；采用光纤需要很高的机械加工精度，目前的零件加工水平难以保证其精度要求，成品率低；光纤需人工穿孔，不适合批量生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种远传表计数字轮径向透射光电直读装置，它从根本上解决了现有光电直读装置存在的元件数量多、信噪比低、错码概率大等问题，其具有结构设计合理，透射光路信噪比高，光线损失小，所用元件数量少，制造成本低的优点，并能避免产生“跳字错码”的现象，因此显著提高读数准确性，适合大批量生产。

本发明的目的是这样实现的：该远传表计数字轮径向透射光电直读装置包括表计支架和固定其上的字轮轴、组装在字轮轴上的多位编码数字轮及读码器，其技术要点是：所述字轮轴采用带透光窗的剖分式柱形遮光轴，在所述字轮轴的内置电路板上沿轴向排列数目与所述编码数字轮位数相同的多个发光二极管，所述发光二极管的中心对准所述字轮轴透光窗的中心；并行排列在所述字轮轴上的所述各编码数字轮分别由遮光轮体和透光轮体分段吻合地拼装成整体，使所述编码数字轮的透光轮体辐板中心对准所述发光二极管的中心；固定在所述读码器的凹形弧面光导框架平面一侧的接收电路板上排列有接收三极管，利用所述光导框架中的遮光隔离板和遮光支撑板分别组装固定光导板，使所述各光导板一一对准排列在所述接收电路板上的接收三极管，通过涂覆在所述光导框架的凹形弧面一侧的间断遮光漆面形成光导狭缝，并组成由所述发光二极管→字轮轴的透光窗→编码数字轮的透光轮体辐板→光导框架的光导狭缝→光导板→接收电路板上的接收三极管构成一条径向透射直通光路。

所述字轮轴的内置电路板的一端设置与外电源联接的微型插接装置。

所述编码数字轮的外圆周面上均匀排列透射红外光线的红色数字0～9。

所述光导狭缝的各中心是以所述光导框架凹形弧面的中心线为0度基点，所述间断遮光漆面形成的狭缝的各中心线沿凹形弧面所对的圆心角分别呈+18度、+54度、-18度、-54度分布，所述遮光漆面间断点间距为1.0毫米。

由于本发明采用带有发光二极管的内置电路板的字轮轴作为发光装置，利用其中的发光二极管发出特定波长的光线，照射与发光二极管相对应的编码数字轮输出与数字轮转动角度对应的编码信号，并利用编码数字轮轮的透光轮体辐板和读码器的光导框架的凹形弧面的光导狭缝及其光导板作为光传导媒介，其结构设计合理，形成了信噪比高、光强度大的径向透射直通光路，所以光线损失小，编码信号抗干扰能力强。该透射直通光路输出与数字对应的编码信号，经读码器光导框架中的光导板照射到封装在接收电路板上的接收三极管上。当透射光穿过透光轮体辐板，透过光导框架光导狭缝后面的光导板照射到接收三极管上时，它输出高电平信号，当透射光被遮光轮体的凸台遮挡时，对应的接收三极管没有光线照射，它输出低电平信号。译码器将所得信号和存储器中预存信号相比对，得到该编码数字轮当前数字对应的二进制编码。译码器依次向各发光二极管供电，就能读取相应位编码数字轮的当前数字。读码器的控制回路采用通用电路，它经数据通讯接口(RS485或C-MBUS)将接收的抄表指令信号和检测输出的标示当前的编码数字轮数字的编码信号，由中央处理器(CPU)对读码器控制回路接收和检测到的信号进行处理，直接输出相应位数的十进制数字的二进制读数。因读取编码数字轮所用元件数量最少，故制造成本低。另外，读码器控制回路可以采用校验码，从而避免跳字错码的可能，显著提高读数准确性。采用全宽度编码数字轮和全宽度光导狭缝，减少了水质对光路的影响，可突破其它光电直读方案只能应用于“干式”和“液封”表的局限，扩大应用到占水表总量80％的“湿式”水表领域中，有利于开拓应用范围。因此，它从根本上解决了现有光电直读装置存在的元件数量多、信噪比低、错码的概率大等问题。该装置采用透射直通光路和带校验二码四读算法，可以允许机械位置误差为±0.40毫米，这远低于某些反射结构对机械精度依赖程度，故适合大批量生产。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步描述。

图1是本发明的一种具体结构示意图。

图2是图1中的沿红外光路的一种横截面视图。

图3是图1中的编码数字轮的一种结构示意图。

图4是图3的沿A-A线的剖视图。

图5是图1中的光导框架的一种结构示意图。

图6是图5的后视图。

图中序号说明：1字轮轴、2内置电路板、3挡板、4发光二极管、5透光窗、6编码数字轮、7光导板、8红外光路、9接收电路板、10接收三极管、11封闭罩、12遮光轮体、13透光轮体、14光导框架、15遮光漆面、16支撑板、17隔离板、18遮光漆面。

具体实施方式

根据图1～6详细说明本发明的具体结构。该远传表计数字轮径向透射光电直读装置包括表计支架(图中未示出)和固定其上的带有字轮挡板3的字轮轴1及读码器、组装字轮轴1上的多位编码数字轮6等件。其中字轮轴1采用带透光窗5的剖分式柱形遮光轴，即由两半可拼合的不透明黑色或白色遮光半圆柱体组成。在字轮轴1的内置电路板2上沿轴向排列数目与需读数的十进制编码数字轮6的位数相同的多个发光二极管4，并使发光二极管4的中心对准字轮轴透光窗5的中心。内置电路板2的宽度，应略大于发光二极管4的最小宽度。在字轮轴1的内置电路板2的一端，设置与外电源联接的微型插接装置(图中未示出)。通电时，被字轮轴1包容的内置电路板2上的发光二极管4作为光源，字轮轴1便成为完整的编码数字轮6的透明窗发光轴。

并行排列在字轮轴1上的每位编码数字轮6的基本传动结构与其它表计所用的通用字轮的基本特征相同，其上也分别设置有字轮驱动齿或驱动槽，并通过进位轮(图中未示出)带动相应的十进制编码数字轮6转动，且使低位字轮与高位字轮的转速比为10∶1。排列在字轮轴1上的十进制编码数字轮6的数量可根据表计所要求显示的计量值的位数确定。排列在字轮轴1上的每位编码数字轮6分别由遮光轮体12和透光轮体13分段吻合地拼装成整体，使编码数字轮6的透光轮体13的辐板中心对准发光二极管4的中心。其中每位编码数字轮6的透明轮体13上分布有二段透明圆柱弧面，其所对圆心角分别为0-36度和144-288度。二段透明圆柱弧面采用磨砂处理成半透明表面，这样的半透明表面既能充分散射光线照亮光导板7，又为红色数字提供了半透明衬底，使它们容易目视读数。为了防止外部散射光对编码数字轮6的透明轮体13造成干扰，在其轴向外露表面覆盖遮光漆面18。

采用黑色或白色材料制成的遮光轮体12上分布有二段与透明轮体13的磨砂处理的半透明圆柱弧面互补的圆柱弧面缺口，它们密切吻合拼装组合后成为四段编码数字轮。在编码数字轮6的外周面上均匀排列可以透射发光二极管发射的970纳米的红外光线的红色数字0～9。红色数字中0的起点位置应按表计中的读码器的要求及编码数字轮6的安装位置的需要而确定。

固定在表计支架上的读码器由封闭罩11及封装在封闭罩11内的光导框架14、贴附在光导框架14上的排列有接收三极管10的接收电路板9、带有电源接口和数据接口的译码器(图中未示出)等组成。读码器的控制回路采用通用电路，它由电源接口(感应)、数据通讯接口(RS485或C-MBUS)、中央处理器(CPU)、及与其相匹配的存储器、驱动开关、发光二极管4和接收三极管10等常用电子元件组成。封闭罩11具有不透光的密封腔，是一个光屏蔽罩。当封闭罩11封装光导框架14、接收电路板9、译码器后，就可采用灌胶工艺封闭，以满足防水、防漏电等要求。光导框架14采用凹形弧面柱式结构，本实施例由八片光导板7、四片遮光隔离板17、五片遮光支撑板16叠加、粘合而成为整体。光导框架14的轴向长度与所需读取计量值位数的编码数字轮6的数量相对应。固定在读码器的凹形弧面光导框架14平面一侧的接收电路板9上排列有接收三极管10。利用光导框架14中的四片遮光隔离板17和五片遮光支撑板16分别组装固定八片光导板7，使各光导板7一一对准排列在接收电路板9上的八个接收三极管10。通过涂覆在光导框架14的凹形弧面一侧的间断遮光漆面15形成光导狭缝。光导狭缝的各中心是以光导框架14凹形弧面的中心线为0度基点，间断遮光漆面15形成的狭缝的各中心线沿凹形弧面所对的圆心角分别呈+18度、+54度、-18度、-54度分布，遮光漆面15间断点间距为1.0毫米。

在读码器中设置的一组接收器是由四对八只接收三极管10组成的，其通过对“跳字过程”的判断，决定读取A或B组编码，来杜绝跳字错码。其中A1、A2、A3、A4为读数接收三极管10，B1、B2、B3、B4为校验读数接收三极管10，A组、B组分别构成四个校验对；译码器CPU向字轮轴1内的某位发光二极管4供电时，首先对编码数字轮6是否处于“跳字过程”进行检验：如每对校验对都面对相同的透光、遮光区域，则读数相同，此时为“正常状态”，CPU读取A组接收三极管10的读数；如有一对以上校验对所面对不同的透光、遮光区域，则读数不同，此时为“跳字过程”，CPU读取B组接收三极管10的读数。

当系统供电开始工作时，字轮轴1中的某个二极管4发出红外光，经字轮轴1的透光窗5，透射编码数字轮6的透光轮体13的辐板至光导框架14的光导狭缝，再由光导板7透射至接收电路板9上的接收三极管10，构成一条径向透射直通光路，使带校验的二码四读算法的读码可靠性得到充分保证。

译码器的输出端为电源接口，用于向字轮轴1供电。译码器的控制电路可以控制发光二极管4分时工作，接到指令的某位发光二极管4发光，此时接收三极管向译码器发出4个一组的读数信号，例如“0-0-1-1”；译码器把读数信号和存储器中预存的十组编码比较后，译出其对应的例如二进制编码“0010”。译码器依次接收多位读码器的信号后，译出其对应的多位二进制数字，例如“0010”、“0011”、“0100”“0101”。通过数据通讯接口接收抄表指令信号和输出表计当前数字的读数信号，在抄表器、手持电脑或管理计算机上再被译成和表计编码数字轮6当前显示相同的十进制数字“2345”。

本发明的这种透射直通光路和二码四读算法的封闭的读数器电路，除正常适合应用在干式、液封式等不同类型的表计之外，还因为具有在编码数字轮6上采用分段全宽度(≥92％)透光圆柱弧面和分段全宽度(100％)黑色或白色的遮光圆柱弧面互补组合为一体的全宽度分段编码结构，所以能克服其它种类光电直读装置易受水质杂质影响，不能应用于湿式水表的弊病，进而扩大到所有类型的水表。特别是采用了带校验码的二码四读方式，使该装置理论上的读码正确率为100％，能达到“无差错”读码的理想要求。这样，每片光导板7都能完全接收各发光二极管4轮流发出的光线，光导板7后面的一只接收三极管10就能轮流读取各字轮透过的编码光信号，实现成倍减少器件的要求。

Claims (4)

1.一种远传表计数字轮径向透射光电直读装置，包括表计支架和固定其上的字轮轴、组装在字轮轴上的多位编码数字轮及读码器，其特征在于：所述字轮轴采用带透光窗的剖分式柱形遮光轴，在所述字轮轴的内置电路板上沿轴向排列数目与所述编码数字轮位数相同的多个发光二极管，所述发光二极管的中心对准所述字轮轴透光窗的中心；并行排列在所述字轮轴上的所述各编码数字轮分别由遮光轮体和透光轮体分段吻合地拼装成整体，使所述编码数字轮的透光轮体辐板中心对准所述发光二极管的中心；固定在所述读码器的凹形弧面光导框架平面一侧的接收电路板上排列有接收三极管，利用所述光导框架中的遮光隔离板和遮光支撑板分别组装固定光导板，使所述各光导板一一对准排列在所述接收电路板上的接收三极管，通过涂覆在所述光导框架的凹形弧面一侧的间断遮光漆面形成光导狭缝，并组成由所述发光二极管→字轮轴的透光窗→编码数字轮的透光轮体辐板→光导框架的光导狭缝→光导板→接收电路板上的接收三极管构成一条径向透射直通光路。

2.根据权利要求1所述的远传表计数字轮径向透射光电直读装置，其特征在于：所述字轮轴的内置电路板的一端设置与外电源联接的微型插接装置。

3.根据权利要求1所述的远传表计数字轮径向透射光电直读装置，其特征在于：所述编码数字轮的外圆周面上均匀排列透射红外光线的红色数字0～9。

4.根据权利要求1所述的远传表计数字轮径向透射光电直读装置，其特征在于：所述光导狭缝的各中心是以所述光导框架凹形弧面的中心线为0度基点，所述光导狭缝的各中心线沿凹形弧面所对的圆心角分别呈+18度、+54度、-18度、-54度分布，所述遮光漆面间断点间距为1.0毫米。

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