CN102798488B - 电磁式热能表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁式热能表，包括电磁流量传感器、温度传感器和转换器，所述转换器包括放大滤波电路和中央处理器。放大滤波电路中设置有反馈电路，反馈电路包括模数转换模块、数字信号处理模块、数模转换模块、信号变换单元和负反馈模块。反馈电路中设置的数字信号处理模块对流量信号进行分析，并将流量信号和干扰噪声分别反馈到放大滤波电路中去，以抑制干扰信号和低频流动噪声。本发明的电磁式热能表能够保证在流量零点的稳定性和微小流量时的测量精度，满足了对小流量检测的高精度要求。

Description

电磁式热能表

技术领域

本发明涉及冷热量计量装置领域，特别涉及一种采用电磁感应方式测量冷热流体的电磁式热能表。

背景技术

在我国进一步深化贯彻节能减排的政策方针指导下，随着国家热计量行业规范的出台，分户计量已经在很多城市展开，由于中国供暖系统供热水质差，杂质多，管路情况复杂等诸多情况，传统热能表在实际的使用过程中其自身的缺点逐渐凸显，具体表现在：1、传统流量计或热能表多采用机械叶轮式或旋翼式，由于叶轮转动的圈数与流量成正比，因此计算器通过采集叶轮转动的圈数便可计算流量。但叶轮的转动存在机械磨损，从而使传统机械式流量计或热能表具有结构复杂、压力损失大、使用寿命较短和测量精度低的缺点。2、超声波式热能表较机械式热能表有较大改善，但超声波热量表怕水中的杂质。因此在杂质多、水质差和水结垢现象严重的省份超声波热能表安装后却无法正常使用。因此计量精度高、无压力损失且不受水质好坏影响的电磁式热能表逐渐替代传统流量计或热能表。现有电磁式热能表是采用高精度、高可靠性的电磁流量计作为流量测量，采用高精度、高稳定性的温度传感器做温度测量，从而具有非常优异的测量性能。公告号为CN201637516U的专利公开了一种整体式电磁热能表，主要包括中央处理器，放大滤波模块、电磁流量传感器、相互配对的进口温度传感器和出口温度传感器。电磁流量传感器感应水的瞬时流速信号、进口温度传感器和出口传感器得到的温度信号，经放大滤波模块后传给中央处理器。中央处理器对这些信号进行处理采集到精确的流量和温度信号。但电磁热能表的电磁流量传感器在采集的流量信号中还包括电磁流量传感器自身产生的干扰信号、低频流动噪声和励磁电路的微分效应噪声。当管道内流量比较小的时候，流动噪声的干扰问题尤为突出，从而导致电磁式流量计对微小流量测试效果不佳，且微分效应导致的微分误差会导致由于流体流动产生的感应电动势出现漂移，引起系统零点的飘动，大大降低测量精度，因此现有电磁热能表在小流量时无法实现对流量测量的精确测量。

发明内容

本发明的发明目的为提供了一种在小流量时依然可以实现对流量进行精确测量的电磁式热能表。

根据本发明的实施例，提供了一种电磁式热能表，包括电磁流量传感器、温度传感器和转换器，所述转换器包括放大滤波电路和中央处理器，所述电磁流量传感器将采集到的流量信号转换为电压信号经所述放大滤波电路发送给所述中央处理器，所述温度传感器将被测管道中的温度信号发送给所述中央处理器，其特征在于，所述放大滤波电路中设置有反馈电路，所述反馈电路包括模数转换模块、数字信号处理模块、数模转换模块、信号变换单元和负反馈模块，其中，

所述模数转换模块的输入端与所述放大滤波电路连接，用于将所述放大滤波电路中的模拟信号转换为数字信号并分别发送给所述中央处理器和数字信号处理模块；

所述数字信号处理模块包括积分计算单元、微分计算单元、FFT频谱分析单元、积分增益单元、微分增益单元、低频和励磁频率增益控制单元、量化输出单元，其中，

所述积分计算单元对由所述放大滤波电路输入的电压信号中的积分干扰信号进行计算，并将计算后的积分干扰信号输入到所述积分增益单元，所述积分增益单元用于调整所述积分干扰信号的反馈系数F4；

所述微分计算单元对由所述放大滤波电路输入的电压信号中的微分干扰信号进行计算，并将计算后的微分干扰信号输入到所述微分增益单元，所述微分增益单元用于调整所述微分干扰信号的反馈系数F3；

所述FFT频谱分析单元用于将电压信号中低频噪声信号和与励磁频率相同的真实流量信号的有效值进行计算，并将所述有效值输入到低频增益控制单元和励磁频率增益控制单元，所述低频增益控制单元和励磁频率增益控制单元用于调整所述低频噪声信号的反馈系数F2和与励磁频率相同的真实流量信号的的反馈系数F1；

所述量化输出单元用于将由积分增益单元、微分增益单元、低频和励磁频率增益控制单元输出的积分干扰信号、微分干扰信号、低频信号和与励磁频率相同的真实流量信号转换为数字量输入给数模转换单元；

所述数模转换模块，用于将所述积分干扰信号、微分干扰信号、低频信号和与励磁频率相同的真实流量信号转换为模拟信号后发送给所述信号变换单元；

所述信号变换单元用于将所述积分干扰信号、微分干扰信号、低频信号和与励磁频率相同的真实流量信号变换为具有正负极性的电压反馈信号并将所述电压反馈信号输入给所述负反馈模块；

所述负反馈模块将所述电压反馈信号输入给所述放大滤波电路，所述放大滤波电路利用所述电压反馈信号对输入的所述电压信号中的干扰信号和低频噪声信号进行抑制，以提高放大滤波电路的信噪比。

进一步地，所述数字信号处理模块还包括时钟同步单元，用于将量化输出单元输出的积分干扰信号、微分干扰信号、低频信号和与励磁频率相同的真实流量信号与所述放大滤波电路中输入的电压信号同步。

所述电磁流量传感器包括励磁线圈和信号电极，其中，

所述励磁线圈设置于被测管道中并通过励磁电路与中央处理器连接，所述励磁线圈用于将流量信号转换为电压信号；

所述信号电极设置于励磁线圈上，用于将励磁线圈采集到的电压信号通过放大滤波电路发送给中央处理器。

所述转换器内设置有空管检测电路和时钟单元模块，所述空管检测电路一端与信号电极相连，另一端通过时钟单元模块与中央处理器相连，所述空管检测电路用于通过实时检测信号电极之间的电阻值以判断被测管道中水流流动情况。

所述放大滤波电路包括依次连接的差动放大器、第一增益放大器、带通滤波器和第二增益放大器，用于将所述电磁流量传感器得到的电压信号放大滤波。

所述模数转换模块包括采样保持器、第一模数转换器和第二模数转换器，其中，

所述第一模数转换器用于将由采样保持器中输入的模拟信号转换为数字信号发送给中央处理器；

所述第二模数转换器用于将由采样保持器中输入的模拟信号转换为数字信号发送给数字信号处理模块。

所述反馈电路中的数模转换模块包括第一数模转换模块和第二数模转换模块，

所述第一数模转换模块用于将量化输出单元输出的积分干扰信号和微分干扰信号的数字量转换为模拟信号并发送给信号变换单元；

所述第二数模转换模块用于将量化输出单元输出的低频信号和与励磁频率相同的真实流量信号的数字量转换为模拟信号并发送给信号变换单元；

所述转换器还包括与所述中央处理器连接的通讯模块、数据存储模块和显示模块，其中，

所述通讯模块用于实现远程抄表和预付费功能；

所述显示模块和数据存储模块用于将电磁式热能表的当前状态及使用热能的累积量等信息进行存储和显示。

所述温度传感器通过温度检测电路和第三数模转换模块与中央处理器相连。

由以上可知本发明的有益效果为：

1、本发明由于采用电磁流量传感器，因此在测量过程中无压力损失，且不受水垢、温度、杂质等外界因素的影响。克服了机械式热能表和超声波式热能表压力损大、水质要求高、长期使用精度低的缺点。同时无需对供暖的管网进行改造即可安装使用，极大降低供暖改造费用，进一步促进了国家深化热能改造的实施。

2、本发明放大滤波电路中采用反馈电路，反馈电路中设置的数字信号处理模块对流量信号进行分析，并将流量信号和干扰噪声分别反馈到放大滤波电路中去，很好的抑制了干扰信号和低频流动噪声。克服传统反馈电路无法抑制输入信号所带的干扰信号，提高了系统的干扰抑制能力，使得在小流量情况下仍具有非常高的测量精度。

3、本发明设置的空管检测功能，能够避免计量过程中因管路故障导致的错误计量，同时也为供暖管理的管理维护提供故障信息，提高管网系统故障的盘查效率。

附图说明

图1为本发明实施例的电磁式热能表的结构框图；

图2为数字信号处理模块的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并列举实施例，对本发明进一步详细说明。

图1示出了本发明实施例的电磁式热能表的结构框图。如图1所示，电磁式热能表包括电磁流量传感器1、温度传感器2和转换器3三部分。

电磁流量传感器1包括励磁线圈101和信号电极102和励磁电路103。励磁线圈101通电后励磁电路103为励磁线圈101提供交变的磁场。当管道中的液体流过磁场时，由于切割交变磁场的磁力线而产生一个交变的电压信号，信号电极102将此电压信号采集输出至转换器3进行处理。

温度传感器2为Pt1000的温度探头，放入被测管道中，用于测量进水口和出水口的温度输入给转换器3中的温度检测电路201，温度检测电路201通过第三模数转换模块202输入给转换器3的处理单元。转换器3中的处理单元结合管道流量信息计算出所使用的热量值。

转换器3包括放大滤波电路、反馈电路和中央处理器30。

放大滤波电路包括依次连接的差动放大器301、第一增益放大器302、带通滤波器303和第二增益放大器304。放大滤波电路通过差动放大器301、第一增益放大器302和第二增益放大器304对电磁流量传感器1输出的电压信号进行放大，并通过带通滤波器303对电磁流量传感器1输出的电压信号进行滤波后输送给中央处理器30进行处理。

由于电磁流量传感器1产生的电压信号中不但包含真实的流量信号，同时还包括干扰信号的低频噪声信号。放大滤波电路在放大流量信号的同时，也会将干扰信号和低频噪声信号放大，因此在放大滤波电路中设置有消除这些干扰信号的反馈电路。反馈电路包括模数转换模块305、数字信号处理模块306、数模转换模块307、信号变换单元308和负反馈模块309。

模数转换模块305（图中未标号）用于将放大滤波电路输出的电压模拟信号转变为两路电压数字信号，一路电压数字信号用于输入给中央处理器30，另一路电压数字信号输入给反馈电路。具体地模数转换模块305包括采样保持器351、第一模数转换器352和第二模数转换器353。采样保持器351的输入端与第二增益放大器304相连，第一模数转换器352与采样保持器351相连并将由采样保持器351输入的模拟信号转换为数字信号发送给中央处理器30；第二模数转换器353与采样保持器351相连并将由采样保持器351输入的模拟信号转换为数字信号发送给数字信号处理模块306。

数字信号处理模块306对由第二模数转换器353输出的数字信号进行处理。此时输入的电压信号不但包括真实的流量信号，还包括干扰信号和低频噪声信号。数字信号处理模块306将干扰信号、低频噪声信号和真实的流量信号进行分类处理并将这些处理后的信号分两路发送给数模转换模块307。具体地，两路信号中一路为积分干扰信号和微分干扰信号，另一路为低频噪声信号和与励磁频率相同的真实流量信号。

数模转换模块307包括第一数模转换模块371和第二数模转换模块372，第一数模转换模块371与数字信号处理模块306相连并将数字信号处理模块306输出的积分干扰信号和微分干扰信号转换为模拟信号发送给信号变换单元308；

第二数模转换模块372与数字信号处理模块306相连并将数字信号处理模块306输出的低频信号和与励磁频率相同的真实流量信号转换为模拟信号发送给信号变换单元308

信号变换单元308的输入端与数模转换模块307相连，输出端与负反馈模块309相连。信号变换单元308用于将数字信号处理模块306输出的积分干扰信号、微分干扰信号和低频噪声信号变换为负极性的信号反馈至负反馈模块309，将与励磁频率相同的真实流量信号变换为正极性的信号反馈至负反馈模块309。

负反馈模块309设置于差动放大器301和第一增益放大器302之间。差分放大器放大得到的电压信号通过与负反馈模块309的正、负极性信号计算，将差分放大器放大的电压信号中干扰信号和低频信号消除，大大提高放大滤波电路的信噪比。

差分放大器放大得到的电压信号将干扰信号和低频信号消除后经进一步放大后进入采样保持器351，并通过模数转换器将电压信号发送给中央处理器30。中央处理器30根据消除了干扰信号和低频信号的电压信号进行处理，即可得到精确的流量。

同时转换器3内还设置有空管检测电路310和时钟单元模块311。空管检测电路310一端与信号电极相连，另一端通过时钟单元模块311与中央处理器30相连。电磁式热能表在测量流量的同时，可以通过空管检测电路310实时检测信号电极之间的电阻值，以检测被测管道中水流流动情况，判断管道中是否存在空管情况。空管检测电路310能够避免计量过程中因管路故障导致的错误计量，同时也为供暖管理的管理维护提供故障信息，提高管网系统故障的盘查效率。

为便于使用，转换器3还设置有与中央处理器30连接的通讯模块312、数据存储模块313和显示模块314。通讯模块312用于实现远程抄表和预付费功能；显示模块314和数据存储模块313用于将电磁式热能表的当前状态及使用热能的累积量等信息进行存储和显示。

下面对于数字信号处理模块306的结构及工作原理进行详述阐述。

图2示出了数字信号处理模块306的结构框图。如图2所示，数字信号处理模块306包括积分计算单元361、微分计算单元362、FFT频谱分析单元363、积分增益单元364、微分增益单元365、低频增益控制单元366、励磁频率增益控制单元367、量化输出单元368和时间同步单元369。数字信号处理模块306的计算基于DSP芯片实现。积分计算单元361和微分计算单元362对流量信号中的干扰信号进行积分和微分处理，然后由积分增益单元364、微分增益单元365控制反馈系数F4、F3的大小，积分干扰信号和微分干扰信号经由量化输出单元368和第一数模转换器转换为模拟信号发送至信号变换单元308；FFT频谱分析单元363对流量信号进行频谱分析，计算得出流量信号中与励磁频率一致的真实流量信号的和低频噪声信号，并通过低频增益控制单元366控制低频噪声信号的反馈系数F2，励磁频率增益控制单元367控制与励磁频率一致的真实信号的反馈系数F1，这两种信号经由量化输出单元368和第二数模转换器转换为模拟信号发送至信号变换单元308。同时时间同步单元369与转换器3内的时间模块相连，电磁流量传感器1与时间模块相连，时钟同步单元同步输出反馈电路中反馈信号的时序，使反馈信号与电磁流量传感器1获得的流量信号同步。

数字信号处理模块306工作原理如下：

设由信号电极获得的流体流过磁场所产生的感应电动势为E₀，它是由真实流量信号、微分干扰信号、积分干扰信号和低频流动噪声所组成，即：

E₀=E_流量+E_微分干扰+E_积分干扰+E_流动噪声  (公式1)

设E₀信号经过差动放大器301放大后输出电压信号为E₁，差动放大器301的放大倍数为G1，则流量信号、微分干扰信号、积分干扰信号和流动噪声都被同时放大了G1倍，即：

E₁=(E_流量+E_微分干扰+E_积分干扰+E_流动噪声)×G1  (公式2)

设信号E₁经过第一增益放大器302、带通滤波器303、第二增益放大器304、采样保持器351后信号为E₂，第一增益放大器302的放大倍数为G2，第二增益放大器304放大倍数为G3，则：

E₂=(E_流量+E_微分干扰+E_积分干扰+E_流动噪声)×G1×G2×G3  （公式3）

由上式可知，干扰信号和噪声都被同时放大了G1×G2×G3倍。此时的信号E₂通过第二模数转换器353将其转换为数字信号进入数字信号处理模块306。由于E₂中的信号被放大了G1×G2×G3倍，信号比较大，可以能够进行精确的数字信号处理。

在数字信号处理模块306中，积分计算单元361和微分计算单元362负责计算E2中积分干扰信号E_积分干扰和微分干扰信号E_微分干扰的大小，并将计算出来的干扰信号通过积分增益单元364和微分增益单元365调整相对应的反馈系数F4和F3的大小；

FFT频谱分析单元363将信号E₂中低频噪声信号E_流动噪声和与励磁频率相同的真实流量信号E_流量成分的有效值计算出来，并通过低频增益控制单元366和励磁频率增益控制单元367来控制低频噪声信号E_流动噪声的反馈系数F2和真实流量信号的反馈系数F1。

积分干扰信号E_积分干扰、微分干扰信号E_微分干扰通过量化输出单元368和同步时间单元将信号转换为同步的反馈电压信号。低频噪声信号E_流动噪声和与励磁频率相同的真实流量信号E_流量通过量化输出单元368和同步时间单元将信号转换为同步的反馈电压信号。这两路由数字信号处理模块306输出的反馈电压信号，通过信号转换单元转换为相位一致，正负极性的交流反馈电压输入到负反馈模块309中。电压E₂的最终输出为：

通过积分增益单元364、微分增益单元365、低频增益控制单元366和励磁频率增益控制单元367来调节各个信号分量的反馈系数F4、F3、F2和F1，为了保证反馈电路的正常工作，使其能够维持稳定的放大工作状态。通过相应的增益控制单元控制使得反馈系数F2=1、F3=1、F4=1,同时由于G1×G2×G3＞＞1，因此 $\frac{G1\×G2\×G3}{1+G1\×G2\×G3\×F3}\≈1$

因此最终输出的流量信号为：

因此，最终真实的流量信号就被放大了

倍，通过调节励磁频率增益控制单元367的反馈系数F1就可以调节电路的整个放大倍数，以便满足我们采用和信号处理的需要。同时避免了E_积分干扰、E_微分干扰和E_流动噪声被放大，极大抑制了噪声的干扰，提高了放大滤波电路的信噪比。由于E_微分干扰、E_积分干扰、E_流动噪声信号与被放大的流量信号相比非常小，因此基本上可忽略不计。由此电磁式热能表的测试精度也提高了倍。

由于放大滤波电路中消除了积分和微分干扰信号的影响，同时抑制了低频流动噪声的影响，从而保证了流量零点的稳定性和微小流量时的测量精度，满足了电磁式热能表对小流量检测的高精度要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电磁式热能表，包括电磁流量传感器、温度传感器和转换器，所述转换器包括放大滤波电路和中央处理器，所述电磁流量传感器将采集到的流量信号转换为电压信号经所述放大滤波电路发送给所述中央处理器，所述温度传感器将被测管道中的温度信号发送给所述中央处理器，其特征在于，所述放大滤波电路中设置有反馈电路，所述反馈电路包括模数转换模块、数字信号处理模块、数模转换模块、信号变换单元和负反馈模块，其中，

所述模数转换模块的输入端与所述放大滤波电路连接，用于将所述放大滤波电路中的模拟信号转换为数字信号并分别发送给所述中央处理器和数字信号处理模块；

所述数字信号处理模块包括积分计算单元、微分计算单元、FFT频谱分析单元、积分增益单元、微分增益单元、低频和励磁频率增益控制单元、量化输出单元，其中，

所述积分计算单元对由所述放大滤波电路输入的电压信号中的积分干扰信号进行计算，并将计算后的积分干扰信号输入到所述积分增益单元，所述积分增益单元用于调整所述积分干扰信号的反馈系数F4；

所述微分计算单元对由所述放大滤波电路输入的电压信号中的微分干扰信号进行计算，并将计算后的微分干扰信号输入到所述微分增益单元，所述微分增益单元用于调整所述微分干扰信号的反馈系数F3；

所述FFT频谱分析单元用于将电压信号中低频噪声信号和与励磁频率相同的真实流量信号的有效值进行计算，并将所述有效值输入到低频增益控制单元和励磁频率增益控制单元，所述低频增益控制单元和励磁频率增益控制单元用于调整所述低频噪声信号的反馈系数F2和与励磁频率相同的真实流量信号的的反馈系数F1；

所述量化输出单元用于将由积分增益单元、微分增益单元、低频和励磁频率增益控制单元输出的积分干扰信号、微分干扰信号、低频信号和与励磁频率相同的真实流量信号转换为数字量输入给数模转换单元；

所述数模转换模块，用于将所述积分干扰信号、微分干扰信号、低频信号和与励磁频率相同的真实流量信号转换为模拟信号后发送给所述信号变换单元；

所述信号变换单元用于将所述积分干扰信号、微分干扰信号、低频信号和与励磁频率相同的真实流量信号变换为具有正负极性的电压反馈信号并将所述电压反馈信号输入给所述负反馈模块；

所述负反馈模块将所述电压反馈信号输入给所述放大滤波电路，所述放大滤波电路利用所述电压反馈信号对输入的所述电压信号中的干扰信号和低频噪声信号进行抑制，以提高放大滤波电路的信噪比。

2.如权利要求1所述的电磁式热能表，其特征在于，所述数字信号处理模块还包括时钟同步单元，用于将量化输出单元输出的积分干扰信号、微分干扰信号、低频信号和与励磁频率相同的真实流量信号与所述放大滤波电路中输入的电压信号同步。

3.如权利要求1所述的电磁式热能表，其特征在于，所述电磁流量传感器包括励磁线圈和信号电极，其中，

所述励磁线圈设置于被测管道中并通过励磁电路与中央处理器连接，所述励磁线圈用于将流量信号转换为电压信号；

所述信号电极设置于励磁线圈上，用于将励磁线圈采集到的电压信号通过放大滤波电路发送给中央处理器。

4.如权利要求3所述的电磁式热能表，其特征在于，所述转换器内设置有空管检测电路和时钟单元模块，所述空管检测电路一端与信号电极相连，另一端通过时钟单元模块与中央处理器相连，所述空管检测电路用于通过实时检测信号电极之间的电阻值以判断被测管道中水流流动情况。

5.如权利要求3所述的电磁式热能表，其特征在于，所述放大滤波电路包括依次连接的差动放大器、第一增益放大器、带通滤波器和第二增益放大器，用于将所述电磁流量传感器得到的电压信号放大滤波。

6.如权利要求1所述的电磁式热能表，其特征在于，所述模数转换模块包括采样保持器、第一模数转换器和第二模数转换器，其中，

所述第一模数转换器用于将由采样保持器中输入的模拟信号转换为数字信号发送给中央处理器；

所述第二模数转换器用于将由采样保持器中输入的模拟信号转换为数字信号发送给数字信号处理模块。

7.如权利要求1所述的电磁式热能表，其特征在于，所述反馈电路中的数模转换模块包括第一数模转换模块和第二数模转换模块，

所述第一数模转换模块用于将量化输出单元输出的积分干扰信号和微分干扰信号的数字量转换为模拟信号并发送给信号变换单元；

所述第二数模转换模块用于将量化输出单元输出的低频信号和与励磁频率相同的真实流量信号的数字量转换为模拟信号并发送给信号变换单元。

8.如权利要求1至7之一所述的电磁式热能表，其特征在于，所述转换器还包括与所述中央处理器连接的通讯模块、数据存储模块和显示模块，其中，

所述通讯模块用于实现远程抄表和预付费功能；

所述显示模块和数据存储模块用于将电磁式热能表的当前状态及使用热能的累积量等信息进行存储和显示。

9.如权利要求8所述的电磁式热能表，其特征在于，所述温度传感器通过温度检测电路和第三数模转换模块与中央处理器相连。

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