CN101476910A - 压电传感式射流水表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电传感式射流水表，包括：射流水表计量腔、压电传感元件和信号处理模块等，该射流水表计量腔包括进水口、出水口、主通道、两个反馈通道和侧壁体；压电传感元件安装在所述主通道中；该信号处理模块包括电荷转换与差动放大器，用于对压电传感元件测量的电荷信号进行转换放大和差动放大处理；放大与低通滤波器，用于对差动放大后的电压信号进行放大和低通滤波处理；波形整形器，用于对电压信号整形处理；单片计算机处理电路，用于对整形后的测量电压信号进行数字滤波和运算处理。该压电传感式射流水表还包括无线收发模块，用于将信号处理模块输出的用水量和流量的计量数据，按约定的通信协议发送给远处的控制终端进行数据抄收和管理。

Description

压电传感式射流水表

技术领域

本发明涉及水流量计量仪表，尤其涉及一种具有计量数据无线远传功能的压电传感式射流水表。

背景技术

随着全球淡水资源的日益紧缺，对用水量的准确计量和管理显得尤为重要。水表作为用水量的重要计量器具，它的计量准确性、测量范围度、使用可靠性、寿命和功能、以及制造成本等均关系到它在用水计量和水费结算，以及控制用水、节约用水和用水管理等方面的使用价值。

目前国内外普遍使用的水表产品主要是传统的机械水表和带电子装置水表。这两类水表大都采用机械叶轮式和旋转活塞式传动(传感)原理，通过机械计数器指示测量结果或用传感器获取机械旋转信号并经处理后显示测量结果。由于原理和结构上的问题，使这类水表的使用寿命、测量重复性和可靠性、测量准确度、对水质的要求、以及测量信号的获取和传输等方面均存在着诸多不足和缺陷。因此研发一种使用功能更强、计量更准确、量程比更宽、可靠性更好、性价比更高的新型水表是很有必要的。

本世纪初以来，国际上将采用新型传感技术和现代流量计技术的电子水表归属于水表范畴，开展了这方面的技术和应用研究，取得了一定的成果，特别是在民用和商用中小口径管道水计量方面的应用得到了广泛的重视和关注。射流水表是电子水表中的主要种类之一，目前国外已有将其用于中小口径封闭管道水流量计量方面的报道，其中采用永磁励磁的电磁传感原理检测水流量流速信号的射流水表，在改善流体低雷诺数测量特性和消除管道振动影响等方面取得了一定成效(目前国内尚无同类产品)。但这种传感和励磁方式的射流水表技术在应用中还是存在许多不足，诸如：(1)由于采用永磁励磁以及电磁传感方式获取测量信号，很容易在导电水流体中产生较高的极化干扰电势，影响水表向更小流量测量范围的拓展。当水流量较小时，测量信号处于很低的频率和很弱的幅值状态，此时水表就难以区别由极化电势和流动噪声造成的随机干扰信号和有用的测量信号，并使测量信号严重不稳定；(2)由于是永磁励磁，当铁质管道中的残余铁锈物质随水流流动吸附在射流水表计量腔的内壁上时，就会严重影响射流水表的测量准确度，同时造成测量范围的变窄；(3)当永磁励磁方式的射流水表受到人为的外部磁场干扰时，会对水表测量造成影响，严重时会使测量失效；(4)射流水表计量读数通常采用人工或有线传输方式进行抄读用水计量数据，增加了人工费用和误抄可能，同时也增加了布线成本以及出现故障的可能性。“具有计量数据无线远传功能的压电传感式射流水表”由于其具备了水计量仪器所希望的优良性能和特点，克服了永磁励磁的电磁传感射流水表的固有缺陷，因此有着较高的使用价值和较好的发展前景。

发明内容

本发明的目的是要提供一种测量范围宽、小流量特性好、具有计量数据无线远传功能、电池供电、使用寿命长、性价比高的新型中小口径水表新产品。

该压电传感式射流水表包括：射流水表计量腔和信号处理模块；

其中，该射流水表计量腔包括进水口、出水口、主通道、两个反馈通道和侧壁体；第一压电传感元件和第二压电传感元件安装在主通道中；

该信号处理模块包括：电荷转换与差动放大器，用于对该第一压电传感元件和第二压电传感元件测量的电荷信号进行转换放大和差动放大处理；放大与低通滤波器，用于对差动放大后的电压信号进行放大和低通滤波处理；波形整形器，用于对电压信号整形处理；单片计算机处理电路，用于对整形后的测量电压信号进行数字滤波和运算处理；

进一步优选的，还包括无线收发模块，用于将所述信号处理模块输出的用水量和流量的计量数据，按约定的通信协议发送给远处的控制终端进行数据抄收和管理；

进一步优选的，该射流水表计量腔内的主通道上安装有一个矩形阻流体，该第一压电传感元件和第二压电传感元件在该矩形阻流体后方靠近该射流水表计量腔的该出水口的方向对称安装；

进一步优选的，该电荷转换与差动放大器包括电荷放大器A1、A2以及差动放大器A3、A4和A5，该第一压电传感元件和第二压电传感元件分别连接到各自对应的电荷放大器A1、A2的输入端，该电荷放大器A1、A2在同相和反相输入端之间接有各自对应的高频滤波电容器C1、C2，该电荷放大器A1、A2的同相输入端与输出端之间分别接有各自对应的反馈电容器Cf1、Cf2和反馈电阻器Rf1、Rf2，并且该电荷放大器A1和A2的反向输入端均通过连线接信号地；该电荷放大器A1、A2的输出端分别通过各自对应的耦合电容器C3、C4与该差动放大器A3、A4的同相端相连接，该差动放大器A3、A4的反向端分别连接到电阻器R1的两端，电阻器R2、R3分别各自连接在该差动放大器A3、A4的反向输入端和输出端之间，并且通过电阻器R4将该差动放大器A3的输出端与该差动放大器A5的反相输入端相连接，通过电阻器R5将该差动放大器A4的输出端与该差动放大器A5的同相输入端相连接，反馈电阻器R6连接在该差动放大器A5的反相输入端和输出端之间，电阻器R7连接在该差动放大器A5同相输入端与信号地之间，该差动放大器A5输出端通过电容器C5将信号电压输出到下一级电路；

进一步优选的，该信号处理模块还包括特性校正输入器，用于对单片计算机处理电路输出的计量特性进行人工外部校正；以及，测量显示器，用于显示单片计算机处理电路输出的计量结果；

进一步优选的，该第一压电传感元件和第二压电传感元件，其内部的压电零件采用单片压电元件结构或双片压电元件电荷并联输出结构；

进一步优选的，该矩形阻流体朝进水口面呈弧形状；

进一步优选的，该第一压电传感元件和第二压电传感元件中的压电零件安装在薄壁的、高绝缘性能的工程塑料零件中，并形成悬臂梁结构，且高出该计量腔内部的底平面4至6mm。

本发明的优点：

1.采用悬臂梁结构设计以及双压电传感元件的射流水表，具有检测灵敏度高，小流量测量特性好，测量范围宽，工作稳定可靠；

2.设置在射流水表计量腔主通道上的双压电传感元件形式的压电传感器(含后续电荷转换与差动放大器电路)，具有信号检测幅度大，抗管道振动和外部电磁辐射干扰的性能优越，同时对外部强磁干扰不敏感；

3.采用压电传感器设计的射流水表可完全消除电磁传感检测方式所形成的极化电势和流动噪声等对水表小流量测量时的影响，有利于显著改善射流水表的小流量测量特性；

4.采用设置在射流水表计量腔主通道上的双压电传感元件的射流水表，具有比设置在单一反馈通道上的单压电传感结构形式的检测灵敏度要高得多；

5.具有计量数据无线远传功能的压电传感式射流水表，可将测量运算得到的计量数据通过无线收发模块发送到远处的无线控制终端，用于数据抄收和管理。同时可降低人工费用、杜绝数据误抄的可能性，也解决了有线远传计量数据带来的布线不便和布线及维护成本高的缺陷；

6.具有计量数据无线远传功能的压电传感式射流水表具有体积小、寿命长、安装维护方便、可在水质不好的条件下使用。

附图说明

从对说明本发明的主旨及其使用的优选实施例和附图的以下描述来看，本发明的以上和其它目的、特点和优点将是显而易见的，在附图中：

图1为本发明的电路原理框图；

图2为本发明的射流水表计量腔结构示意图；

图3为本发明的电荷转换与差动放大器电原理图；

图4为本发明单片机及外围电路电原理图；

图5为本发明无线收发模块电原理图；

图6a为本发明压电零件安装结构示意图；

图6b为图6a中A向视图；

图6c为图6a中俯视图；

图7为压电零件信号引出连接示意图；

图8a为压电式射流水表结构示意图；

图8b为图8a中I处放大图；

图8c为图8a中A向视图。

具体实施方式

以下，将结合示意图对本发明进行详细的描述。

本发明提出了采用设置在射流水表计量腔主通道上的双压电传感检测元件(悬臂梁结构)的射流水表，并将测量结果得到的用水量计量数据通过表内的无线收发模块传输到远处的无线控制终端，便于用水量的控制和收费管理。

如图1、图2和图8所示，压电传感式射流水表包括：射流水表计量腔9和信号处理模块10等部件。所述射流水表计量腔主要由进水口1、出水口8、主通道2、两个反馈通道3和侧壁体4等组成；在主通道2的中间位置设有一面带圆弧状的矩形阻流体5，阻流体5后部两侧对称设有第一压电传感元件6和第二压电传感元件7。所述信号处理模块10包括：电荷转换与差动放大器，用于对所述第一压电传感元件6和第二压电传感元件7测量的电荷信号进行转换放大和差动放大处理；放大与低通滤波器，用于对差动放大后的电压信号进行放大和低通滤波处理；波形整形器，用于对电压信号整形处理；单片计算机处理电路，用于对整形后的测量电压信号进行数字滤波和运算处理。

还包括无线收发模块11，如图5所示，用于将所述信号处理模块10输出的用水量和流量的计量数据，按约定的通信协议发送给远处的控制终端进行数据抄收和管理，供用水管理部门使用。射流水表电路由内置的单节高容量锂电池供电。

如图4所示，为本发明单片机及外围电路电原理图，信号处理模块10还包括特性校正输入器，用于对单片计算机处理电路得出的计量特性进行人工外部校正；测量显示器，用于显示单片计算机处理电路输出的计量结果。

本发明的电荷转化与差动放大器电原理图如图3所示，所述电荷与差动放大器包括电荷放大器A1、A2以及差动放大器A3、A4和A5，所述第一压电传感元件6和第二压电传感元件7分别连接到各自对应的电荷放大器A1、A2的输入端，所述电荷放大器A1、A2在同相和反相输入端之间接有各自对应的高频滤波电容器C1、C2，所述电荷放大器A1、A2的同相输入端与输出端之间分别接有各自对应的反馈电容器Cf1、Cf2和反馈电阻器Rf1、Rf2，并且所述电荷放大器A1和A2的反向输入端均通过连线接信号地；所述电荷放大器A1、A2的输出端分别通过各自对应的耦合电容器C3、C4与所述差动放大器A3、A4的同相端相连接，所述差动放大器A3、A4的反向端分别连接到电阻器R1的两端，电阻器R2、R3分别各自连接在所述差动放大器A3、A4的反向输入端和输出端之间，并且通过电阻器R4将所述差动放大器A3的输出端与所述差动放大器A5的反相输入端相连接，通过电阻器R5将所述差动放大器A4的输出端与所述差动放大器A5的同相输入端相连接，反馈电阻器R6连接在所述差动放大器A5的反相输入端和输出端之间，电阻器R7连接在所述差动放大器A5同相输入端与信号地之间，所述差动放大器A5输出端通过电容器C5将信号电压输出到下一级电路。

本发明的压电零件安装结构示意图如图6所示，第一压电传感元件6和第二压电传感元件7中的压电零件12安装在薄壁的、高绝缘性能的工程塑料零件中(其两端用环氧树脂13粘结)，并形成悬臂梁结构，且高出所述计量腔内部底平面4～6mm；如图7所示，为压电元件14(采用PZT-5等材料)和电荷引出片15、电荷引出线16一起构成的压电零件12的信号引出连接示意图；压电零件12可采用单片压电元件14结构或双片压电元件电荷并联输出结构。

压电传感式射流水表的工作过程为：封闭管道中的水流量从射流水表计量腔9的进水口1流入射流水表后，在“附壁效应”作用下水流会在主通道2和反馈通道3之间进行持续的振荡，其振荡频率与管道中水的流速成正比，只要测得水的流速就能计算得到流过射流水表的用水量；由于主通道上水的流速是反馈通道上水的流速三倍以上，因此在主通道上设置传感器是最合适的，便于对小流量开展测量。由于水流的作用，会使第一压电传感元件6和第二压电传感元件7产生微小的形变，也使内部具有悬臂梁结构形式的压电元件同步产生形变，输出电荷信号。水的流速越快，压电传感元件受力越大，产生的电荷也越大，通过电荷转换与差动放大器输出的电信号幅值也越大。同时流速的快慢与水流体在计量腔中的振荡频率成正比，因此压电传感元件感受到的压力变化也与振荡频率成正比，因此压电传感元件输出的频率也随之变化。流速越快，压电传感元件输出的电荷信号频率越高、幅值越大，反之频率越低，幅值越小。通过后续专用电路可将信号处理成符合单片计算机要求的电信号。

尽管已示出和描述了本发明的优选实施例，可以设想，本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改，本发明请求保护的范围以权利要求为准。

Claims (8)

1、一种压电传感式射流水表，包括射流水表计量腔(9)和信号处理模块(10)，其特征在于：

所述射流水表计量腔(9)包括：进水口(1)、出水口(8)、主通道(2)、两个反馈通道(3)和侧壁体(4)；第一压电传感元件(6)和第二压电传感元件(7)安装在所述主通道(2)中；

所述信号处理模块(10)包括：电荷转换与差动放大器，用于对所述第一压电传感元件(6)和第二压电传感元件(7)测量的电荷信号进行转换放大和差动放大处理；放大与低通滤波器，用于对差动放大后的电压信号进行放大和低通滤波处理；波形整形器，用于对电压信号整形处理；单片计算机处理电路，用于对整形后的测量电压信号进行数字滤波和运算处理。

2、根据权利要求1所述的压电传感式射流水表，其特征在于：

还可以包括无线收发模块(11)，用于将所述信号处理模块(10)输出的用水量和流量的计量数据，按约定的通信协议发送给远处的控制终端进行数据抄收和管理。

3、根据权利要求1或2所述的压电传感式射流水表，其特征在于：

所述射流水表计量腔(9)内的所述主通道(2)上安装有一个矩形阻流体(5)，所述第一压电传感元件(6)和第二压电传感元件(7)在所述矩形阻流体(5)后方靠近所述射流水表计量腔(9)的所述出水口(8)的方向对称安装。

4、根据权利要求3所述的压电传感式射流水表，其特征在于：所述电荷转换与差动放大器包括电荷放大器A1、A2以及差动放大器A3、A4和A5，所述第一压电传感元件(6)和第二压电传感元件(7)分别连接到各自对应的电荷放大器A1、A2的输入端，所述电荷放大器A1、A2在同相和反相输入端之间接有各自对应的高频滤波电容器C1、C2，所述电荷放大器A1、A2的同相输入端与输出端之间分别接有各自对应的反馈电容器Cf1、Cf2和反馈电阻器Rf1、Rf2，并且所述电荷放大器A1和A2的反向输入端均通过连线接信号地；所述电荷放大器A1、A2的输出端分别通过各自对应的耦合电容器C3、C4与所述差动放大器A3、A4的同相端相连接，所述差动放大器A3、A4的反向端分别连接到电阻器R1的两端，电阻器R2、R3分别各自连接在所述差动放大器A3、A4的反向输入端和输出端之间，并且通过电阻器R4将所述差动放大器A3的输出端与所述差动放大器A5的反相输入端相连接，通过电阻器R5将所述差动放大器A4的输出端与所述差动放大器A5的同相输入端相连接，反馈电阻器R6连接在所述差动放大器A5的反相输入端和输出端之间，电阻器R7连接在所述差动放大器A5同相输入端与信号地之间，所述差动放大器A5输出端通过电容器C5将信号电压输出到下一级电路。

5、根据权利要求1或2所述的压电传感式射流水表，其特征在于：所述信号处理模块(10)还包括特性校正输入器，用于对单片计算机处理电路得出的计量特性进行人工外部校正；以及，

测量显示器，用于显示单片计算机处理电路输出的计量结果。

6、根据权利要求1或2所述的压电传感式射流水表，其特征在于：

所述第一压电传感元件(6)和第二压电传感元件(7)，其内部的压电零件(12)采用单片压电元件(14)结构或双片压电元件电荷并联输出结构。

7、根据权利要求1或2所述的压电传感式射流水表，其特征在于：

所述矩形阻流体(5)朝进水口(1)面呈弧形状。

8、根据权利要求1或2所述的压电传感式射流水表，其特征在于：

所述第一压电传感元件(6)和第二压电传感元件(7)中的压电零件(12)安装在薄壁的、高绝缘性能的工程塑料零件中，并形成悬臂梁结构，且高出所述计量腔(9)内部的底平面4至6mm。

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