CN102322981B - 一种交替式电磁射流热量表及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交替式电磁射流热量表，包括射流基表和检测电路，射流基表包括有测量管，测量管主通道内设有阻流件和三个电极；由测量管主通道和反馈通道围成的两区域内分别设有第一电磁结构和第二电磁结构。本发明采用电磁式结构，瞬时通电，用电量小，功耗低，可用电池直流供电；通过利用两电磁结构交替工作，可使通道内的铁屑交替被水流冲走，避免了铁锈吸附，通道堵塞现象，保证了测量精度；同时本发明还公开了一种交替式电磁射流热量表的检测方法，根据水流速的大小，使电磁结构交替或同时工作，扩大了射流热量表的测量下限，运行可靠、计量准确。
Description
技术领域
本发明属于流量检测计量技术领域，具体涉及一种交替式电磁射流热量表及其检测方法。
背景技术
流量和热量检测计量技术是一项重要的科学计量内容，也是国家实现按时计量收费的技术手段，在贸易结算、能源计量、过程控制、环境保护等方面起到重要的作用。近年来随着能源的全球性匮乏，环境污染日趋严重，国家对热计量的要求越来越高。当前，热计量仪表主要有普通机械热水表、超声波流量计和外加温度测量模块。机械热水表和超声波流量计各有特点，机械热水表以其结构简单、计量稳定、价格低廉在国内外得到广泛的应用，即装即用，无须外部供电；测量下限低，这是一般流量计难于做到的技术指标，但机械热水表由于传动阻力、机械活动部件等因素影响，仍存在水表压损较大、水质条件要求高、精度较低、故障率较高等技术难题。而外加温度测量模块的超声波流量计特点与机械热水表相反，几乎没有压损，无机械可动部件，可靠性高，水质条件要求也不高；但超声波流量计的测量下限不如机械热水表。
而新型的射流热量表由于同时具有机械热水表和超声波流量计的优点，又同时克服了机械热水表和超声波流量计的缺点，而逐渐被广泛应用于各领域。目前关于射流流量表已有好几种不同的现有技术结构，这些结构的改进提高了射流流量表的量程比，但并没有提供或改进检测射流热量表关键流量信号的检测结构及其检测方法，而这恰恰是设计射流热量表的难点所在。如公开号为US20060260415的专利中公开了采用永磁铁检测结构的流量表，这种结构的流量表具有一个致命缺陷：永磁铁容易吸附水中铁锈等杂物，特别是供热水管，铁锈吸附现象非常严重，导致射流热量表的测量管主通道和反馈通道堵塞，无法产生流量检测信号；并且，露出的电极长时间浸泡在水中容易积垢，导致流量表无法正常工作。
发明内容
本发明提供了一种交替式电磁射流热量表及其检测方法，通过两永磁铁的交替工作，解决了传统热计量仪表所存在的上述技术缺陷，测量下限低、计量准确度高，可靠性强、成本低、功耗小。
一种交替式电磁射流热量表，包括射流基表和检测电路。
所述的射流基表包括有测量管，所述的测量管主通道内设有阻流件；由测量管主通道和反馈通道围成的两区域内分别设有第一电磁结构和第二电磁结构；所述的第一电磁结构由S极朝上的第一永磁铁和设于第一永磁铁上方的第一励磁线圈构成；所述的第二电磁结构由N极朝上的第二永磁铁和设于第二永磁铁上方的第二励磁线圈构成；测量管主通道内，阻流件朝向进水口的一侧设有分别邻近于第一电磁结构和第二电磁结构且与测量管壁绝缘的第一电极和第三电极，阻流件朝向出水口的一侧设有与测量管壁绝缘的第二电极；
优选的技术方案中，所述的电极露出水面或被保护膜(如特氟龙)包裹浸于水中；可以有效防止电极积垢。
所述的检测电路，包括：
差分放大电路，用于接收所述的第一电极、第三电极和第二电极分别提供的第一射流感应电动势信号、第二射流感应电动势信号和参考基准信号，并将这些信号进行差分放大产生交变信号；
比较器电路，用于将所述的交变信号转化为方波信号；
温度检测电路，用于采集进水管和出水管的水温，并将水温转化为温度电压信号；
单片机，用于接收所述的方波信号和温度电压信号，并将这些信号进行A/D转换进而计算得到关于进水温度、出水温度、瞬时流量、瞬时热量、累积流量、累积热量的数据，同时还产生第一开关信号和第二开关信号；
LCD显示器，用于显示所述的关于进水温度、出水温度、瞬时流量、瞬时热量、累积流量、累积热量的数据；
第一驱动电路，用于接收所述的第一开关信号，产生第一励磁电流并向所述的第一励磁线圈提供该励磁电流；
第二驱动电路，用于接收所述的第二开关信号，产生第二励磁电流并向所述的第二励磁线圈提供该励磁电流。
优选的技术方案中，所述的检测电路采用干电池直流供电，使用便捷，可适用于荒郊野外等没有市电的场合。
一种交替式电磁射流热量表的检测方法，包括如下步骤：
(1)对第一励磁线圈和第二励磁线圈分别瞬时正向通电和反向通电，使第一永磁铁被放下，第二永磁铁被吸上，利用第一电极和第三电极采集射流信号，并对射流信号进行差分、放大、比较、转换、运算，进而根据采集到的温度信号测得关于水的温度、流量、热量的数据，并进行显示；
(2)一段时间后，对第二励磁线圈和第一励磁线圈分别瞬时正向通电和反向通电，使第一永磁铁被吸上，第二永磁铁被放下，利用第一电极和第三电极采集射流信号，并对射流信号进行差分、放大、比较、转换、运算，进而根据采集到的温度信号测得关于水的温度、流量、热量的数据，并进行显示；
(3)反复循环步骤(1)和(2)。
所述的步骤(3)中，若水流速小于0.1m/s，对第一励磁线圈和第二励磁线圈均瞬时正向通电，使第一永磁铁和第二永磁铁均被放下，利用第一电极和第三电极采集射流信号，并对射流信号进行差分、放大、比较、转换、运算，进而根据采集到的温度信号测得关于水的温度、流量、热量的数据，并进行显示；扩大了交替式电磁射流热量表的测量下限。
本发明的有益技术效果为：
(1)本发明采用电磁结构检测射流振荡信号，水流速测量下限低、运行可靠、计量准确。
(2)本发明采用两永磁铁的交替式工作，使反馈通道内的铁屑交替被水流冲走，避免了铁锈吸附，通道堵塞现象，保证了测量精度。
(3)本发明采用励磁线圈和永磁铁结合的电磁结构，瞬时通电，用电量小，系统工作电流小，功耗低，可用电池直流供电，使用便捷，即装即用，适用于荒郊野外等没有市电的场合。
附图说明
图1为本发明射流热量表的测量管结构示意图。
图2为本发明射流热量表的检测电路结构示意图。
图3为本发明射流热量表的检测电路中差分放大电路结构示意图。
图4为本发明射流热量表的检测电路中温度检测电路结构示意图。
图5为本发明射流热量表的检测电路中驱动电路结构示意图。
图6为本发明射流热量表的检测电路中单片机接口示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明交替式电磁射流热量表及其检测方法进行详细说明。
一种交替式电磁射流热量表包括射流基表和检测电路。
射流基表包括有测量管；如图1所示，测量管主通道8内设有阻流件4；由测量管主通道8和反馈通道6围成的两区域内分别设有第一电磁结构5和第二电磁结构7；第一电磁结构5由S极朝上的第一永磁铁和设于第一永磁铁上方的第一励磁线圈构成；第二电磁结构7由N极朝上的第二永磁铁和设于第二永磁铁上方的第二励磁线圈构成；测量管主通道8内，阻流件4朝向进水口的一侧设有分别邻近于第一电磁结构5和第二电磁结构7且与测量管壁绝缘的第一电极1和第三电极3，阻流件4朝向出水口的一侧设有与测量管壁绝缘的第二电极2；
如图2所示，检测电路包括：差分放大电路、比较器电路、温度检测电路、单片机、LCD显示器、第一驱动电路和第二驱动电路；其采用干电池直流供电。
差分放大电路的三个输入端分别与第一电极、第三电极和第二电极相连，以分别接收第一射流感应电动势信号、第二射流感应电动势信号和参考基准信号，并将这些信号进行差分放大产生交变信号；
如图3所示，差分放大电路包括三个运算放大器U0B、U1B、U2B，十一个电阻R0、R1、R2、R3、R4、R5、R8、R9、R10、R11、Rm和两个电容C0、C1。其中，第二电极连接到差分放大电路的地线，第一电极、第三电极分别与差分放大电路的隔直电容C0和隔直电容C1一端相连接，隔直电容C0和隔直电容C1的另一端分别与电阻R0和电阻R1一端相连接，电阻R0和电阻R1的另一端分别与运放U2B和运放U0B的正向输入端相连接，运放U2B和运放U0B的正向输入端分别与电阻R2和电阻R3的一端相连接，电阻R2和电阻R3的另一端与单片机管脚REF相连接，运放U2B和运放U0B的反向输入端分别连接到电阻R4和电阻R5的一端、电阻Rm的两端，电阻R4和电阻R5的另一端分别连接到运放U2B和运放U0B的输出端、电阻R8和电阻R9的一端，电阻R8和电阻R9的另一端分别连接到运放电阻R10和电阻R11的一端、运放U1B的正向、反向输入端，电阻R10的另一端连接到参考电压REF2，其中REF2＝VCC/2，电阻R11的另一端连接到运放U1B的输出端；
实际工作中，差分放大电路要求R0＝R1，R2＝R3，R4＝R5，R8＝R9＝R10＝R11；则输出电压VOUT＝VREF2+(vs1-vs3)×(2×R4/Rm+1)，其中vs1、vs3为两个电极的信号强度；采用差分放大电路的好处是：输入阻抗高，增益大，抗干扰能力强；
在本实施例中，VCC＝3.6V，REF2＝1.8V，R4＝510KΩ，Rm＝1KΩ，R0＝R1＝10KΩ，R2＝R3＝5.1MΩ，R8＝R9＝R10＝R11＝510KΩ，C0＝C1＝10uF，差分放大电路的增益＝2×510/1+1≈1000倍。
比较器电路的输入端与差分放大电路的输出端相连，以接收交变信号并将其转化为方波信号。
温度检测电路利用热敏电阻采集进水管和出水管的水温，并将水温转化为温度电压信号；
如图4所示，温度检测电路包括两个热敏电阻PT1、PT2，两个电阻R61、R64和三个电容C60、C61、C63。热敏电阻PT1与电容C60并联，其中一端接地，另一端与电阻R61串联，热敏电阻PT2与电容C63并联，其中一端接地，另一端与电阻R64串联，电阻R61的另一端与电阻R64的另一端一起连接到单片机的CVCON2管脚和电容C61的一端，电容C61的另一端接地。
单片机对应的接口分别与温度检测电路和比较器电路的输出端相连，以接收方波信号和温度电压信号，并将这些信号进行A/D转换进而计算得到关于进水温度、出水温度、瞬时流量、瞬时热量、累积流量、累积热量的数据，同时还产生第一开关信号和第二开关信号；
如图6所示，本实施例的单片机采用美国TI公司的MSP430F4XX系列单片机MSP430F436(U1)。在CMOS器件中，功耗P与系统时钟频率f成正比，P∝V2f，其中V是电源电压。一般单片机的工作电压是不变的，所以要尽可能地降低系统时钟频率f。因此，MSP430F436只接低频晶振LFXT1＝32.768KHz，不接高频晶振XT2。MSP430F436需要高速运行时，通过MSP430F436的FLL+提供高频系统时钟。MSP430F436的BP0、BP1、BP2、BP3、S0、S1、S2、...、S25与段码式液晶LCD相连功耗只需要几个uA，MSP430F436的REF与差分放大电路相连，CVCON2与温度检测电路相连，PSLIN0与比较器电路相连，CVCON5、CVCON55与驱动电路BC0、BC1相连。
LCD显示器的各输入端分别与单片机对应的接口相连，以显示关于进水温度、出水温度、瞬时流量、瞬时热量、累积流量、累积热量的数据。
第一驱动电路的两输入端分别与单片机对应的接口相连，以接收第一开关信号，产生第一励磁电流并向第一励磁线圈提供该励磁电流；
第二驱动电路的两输入端分别与单片机对应的接口相连，以接收第二开关信号，产生第二励磁电流并向第二励磁线圈提供该励磁电流；
如图5所示，驱动电路包括四个三极管Q1、Q2、Q3、Q4，四个电阻R30、R31、R32、R33；其中，BC0、BC1两个信号输入端引线分别连接到单片机对应的两个管脚，BC0连接到电阻R30和电阻R31的一端，BC1连接到电阻R32和电阻R33的一端，电阻R30和电阻R31的另一端分别连接到三极管Q4、三极管Q3的基极，电阻R32和电阻R33的另一端分别连接到三极管Q2、三极管Q1的基极，三极管Q4、三极管Q2的发射极一起连到电源，三极管Q4、三极管Q2的集电极分别连接到三极管Q3、三极管Q1的集电极，三极管Q3、三极管Q1的发射极一起连到地线，三极管Q4、三极管Q3的集电极一起连接到励磁线圈的一端D+，三极管Q2、三极管Q1的集电极一起连接到励磁线圈的另一端D-。
本实施方式中交替式电磁射流热量表的检测方法，包括如下步骤：
(1)对第一励磁线圈和第二励磁线圈分别瞬时正向通电和反向通电，使第一永磁铁被放下，第二永磁铁被吸上，利用第一电极和第三电极采集射流信号，并对射流信号进行差分、放大、比较、转换、运算，进而根据采集到的温度信号测得关于水的温度、流量、热量的数据，并进行显示；
(2)一段时间后，对第二励磁线圈和第一励磁线圈分别瞬时正向通电和反向通电，使第一永磁铁被吸上，第二永磁铁被放下，利用第一电极和第三电极采集射流信号，并对射流信号进行差分、放大、比较、转换、运算，进而根据采集到的温度信号测得关于水的温度、流量、热量的数据，并进行显示；
(3)反复循环步骤(1)和(2)。
步骤(3)中，若水流速小于0.1m/s，对第一励磁线圈和第二励磁线圈均瞬时正向通电，使第一永磁铁和第二永磁铁均被放下，利用第一电极和第三电极采集射流信号，并对射流信号进行差分、放大、比较、转换、运算，进而根据采集到的温度信号测得关于水的温度、流量、热量的数据，并进行显示；扩大了交替式电磁射流热量表的测量下限。
本实施方式中整个射流热量表的流量检测过程如下：水流过测量管时，产生振荡，放下的永磁铁产生一个平行于电极的磁场，水切割磁力线，由于水具有微弱的导电性，在电极上产生一个电动势，周期振荡的水就会产生一个交变电动势E。电动势的频率F等于水的振荡频率，测出电动势的频率，也就测出了水的振荡频率F，而水的平均流速V正比于水的振荡频率V＝KF，其中K为仪表系数。由于感应电动势与水流速成正比，E＝BVd，其中B为磁场强度，d为水切割磁力线的长度。当水流速V降低时，信号强度E也降低，而d是固定的，所以只要提高B就可以提高E，即单片机正向导通线圈；把两块永磁铁都放下，增强磁场强度，有助于提高信号强度；当水流速变高时，即使降低B，也不会过度地降低E，此时，只要一块永磁铁放下即可使射流热量表正常工作，另一块永磁铁被吸上，有助于水流冲走原先吸附的铁锈等杂物。
通过温度检测电路得到进水温度、出水温度T1、T2送入单片机，瞬时热量＝λρV(T1-T2)，其中λ是水的热容，V为热水瞬时流量，ρ是水的密度。这样，单片机也就很方便地计算累积流量、累积热量等其他参数。同时热量表上的LCD显示器就可以显示关于进水、出水温度和瞬时流量、瞬时热量、累积流量、累积热量的数据。由于采用低功耗设计，整个射流热量表可以用一节干电池供电。
Claims (2)
1.一种交替式电磁射流热量表，包括射流基表和检测电路，其特征在于：
所述的射流基表包括有测量管，所述的测量管主通道内设有阻流件；由测量管主通道和反馈通道围成的两区域内分别设有第一电磁结构和第二电磁结构；所述的第一电磁结构由S极朝上的第一永磁铁和设于第一永磁铁上方的第一励磁线圈构成；所述的第二电磁结构由N极朝上的第二永磁铁和设于第二永磁铁上方的第二励磁线圈构成；测量管主通道内，阻流件朝向进水口的一侧设有分别邻近于第一电磁结构和第二电磁结构且与测量管壁绝缘的第一电极和第三电极，阻流件朝向出水口的一侧设有与测量管壁绝缘的第二电极；所述的第一电极、第二电极和第三电极露出水面或被保护膜包裹浸于水中；
所述的检测电路采用干电池直流供电，其包括：
差分放大电路，用于接收所述的第一电极、第三电极和第二电极分别提供的第一射流感应电动势信号、第二射流感应电动势信号和参考基准信号，并将这些信号进行差分放大产生交变信号；
比较器电路，用于将所述的交变信号转化为方波信号；
温度检测电路，用于采集进水管和出水管的水温，并将水温转化为温度电压信号；
单片机，用于接收所述的方波信号和温度电压信号，并将这些信号进行A/D转换进而计算得到关于进水温度、出水温度、瞬时流量、瞬时热量、累积流量、累积热量的数据，同时还产生第一开关信号和第二开关信号；
LCD显示器，用于显示所述的关于进水温度、出水温度、瞬时流量、瞬时热量、累积流量、累积热量的数据；
第一驱动电路，用于接收所述的第一开关信号，产生第一励磁电流并向所述的第一励磁线圈提供该励磁电流；
第二驱动电路，用于接收所述的第二开关信号，产生第二励磁电流并向所述的第二励磁线圈提供该励磁电流。
2.一种如权利要求1所述的交替式电磁射流热量表的检测方法，包括如下步骤：
（1）对第一励磁线圈和第二励磁线圈分别瞬时正向通电和反向通电，使第一永磁铁被放下，第二永磁铁被吸上，利用第一电极和第三电极采集射流信号，并对射流信号进行差分、放大、比较、转换、运算，进而根据采集到的温度信号测得关于水的温度、流量、热量的数据，并进行显示；
（2）一段时间后，对第二励磁线圈和第一励磁线圈分别瞬时正向通电和反向通电，使第一永磁铁被吸上，第二永磁铁被放下，利用第一电极和第三电极采集射流信号，并对射流信号进行差分、放大、比较、转换、运算，进而根据采集到的温度信号测得关于水的温度、流量、热量的数据，并进行显示；
（3）反复循环步骤（1）和（2）；若水流速小于0.1m/s，对第一励磁线圈和第二励磁线圈均瞬时正向通电，使第一永磁铁和第二永磁铁均被放下，利用第一电极和第三电极采集射流信号，并对射流信号进行差分、放大、比较、转换、运算，进而根据采集到的温度信号测得关于水的温度、流量、热量的数据，并进行显示。
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130814 Termination date: 20140608 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |