CN103575340A - 液体流量无磁检测装置及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液体流量无磁检测装置及其检测方法。检测装置包括微处理器单元及与之相连的电源控制电路和激励控制电路以及依次相连的LC振荡电路、LC振荡检测电路、包络检波电路和触发电路，电源控制电路、激励控制电路的输出端分别和LC振荡电路的两端相连，触发电路和微处理器单元的定时器捕获输入端相连。LC振荡电路位于包括绝缘区域和导电区域的叶轮上方。检测方法为，LC振荡电路输出的振荡波形经LC振荡检测电路、包络检波电路和触发电路处理后，再由微处理器单元进行定时器捕获，判断出叶轮导电区域和绝缘区域的位置变化，最后计算出液体流量。本发明测量距离较大，使用范围广，单片机选用局限性小，降低成本，通用性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种无磁流量计，尤其涉及一种液体流量无磁检测装置及其检测方法。
背景技术
在无磁水表中，目前较多采用MSP430FW427单片机实现流量检测，该单片机内部集成了SCAN IF无磁检测模块。SCAN IF 无磁检测模块是美国德州仪器公司推出的MSP430FW42X系列单片机所特有的模块，它能够在低功耗下自动检测线性或旋转的运动，主要用于热量仪表、热水和冷水仪表、气体仪表和工业流量计等仪表中。现有的无磁水表中，流量检测部分主要由单片机内部的SCAN IF无磁检测模块及其外接的两个LC传感器组成，LC传感器置于水表叶轮的上方，叶轮的一半是绝缘材料，另一半敷有金属铜。当LC传感器在作LC振荡时，遇到敷有铜的区域时，振荡会很快衰减，其波形如图1所示；遇到绝缘材料区域时，振荡衰减较慢，其波形如图2所示。可见LC传感器在绝缘材料区域上方时振荡衰减过程比在敷有铜的区域上方时慢很多。通过设定合适的参考电压和延时时间，若在测量时间内波形的波峰都在参考电压之下，便可确定此时LC传感器处于敷有铜的区域，否则在绝缘材料区域。而MSP430FW42X系列单片机中的SCAN IF无磁检测模块由模拟前端(AFE)、信号处理状态机(PSM)和时序状态机(TSM)三部分组成，模拟前端用于激励外接的LC传感器，传感器最多可接四个，可由模拟输入多路开关来选择，被选中的传感器将其模拟信号直接输入比较器，比较器把所选模拟信号与一个10位的数模转换器产生的参考电压相比较，如果电压在参考电压以上输出为高，反之为低，如此便将外部的模拟信号转换为数字信号。转换后的数字信号被送入一个可编程的信号处理状态机，它通过存储于MSP430FW42X系列单片机中的状态表来处理该数字信号，控制SCAN IF无磁检测模块中断的产生，从而判断流量的流速和方向，达到流量检测的目的。现有的流量无磁检测方式，只能在MSP430FW42X系列单片机上才能实现，无法在其他低成本单片机上实现，因此，现有的无磁水表成本高，在使用上存在非常大的局限性。另一方面，这种无磁检测方式，当叶轮上的铜层为 0.1mm厚时，LC传感器和叶轮的间距不能超过3mm，才能进行测量，因此在一些表壳要求较厚的仪表中，如表壳厚度大于5mm 的仪表，就不能采用这种无磁检测方式，应用范围受限。
发明内容
本发明主要解决原有流量无磁测量装置的测量距离较小，无法在表壳较厚的仪表中实现测量，使用范围较小的技术问题；提供一种液体流量无磁检测装置及其检测方法，其测量距离较大，对表壳厚度没有限止，不管表壳是厚还是薄，都能实现流量测量，使用范围广。
本发明同时解决原有流量无磁测量装置必须使用MSP430FW42X系列单片机才能实现流量测量，无法用其他低成本单片机实现，成本高，存在局限性的技术问题；提供一种液体流量无磁检测装置及其检测方法，其所用单片机只需满足具有定时器捕获功能就能实现流量测量，因此可用低成本单片机实现，有效降低成本，具有很强的移植性，通用性好。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明的液体流量无磁检测装置，包括安装在液体流量表的叶轮上方的LC振荡电路，叶轮朝向LC振荡电路的一面，一半是绝缘材料制成的绝缘区域，另一半是导电材料制成的导电区域，还包括微处理器单元、电源控制电路、激励控制电路、LC振荡检测电路、包络检波电路和触发电路，所述的微处理器单元的第一输出端和所述的电源控制电路的输入端相连，微处理器单元的第二输出端和所述的激励控制电路的输入端相连，电源控制电路、激励控制电路的输出端分别和所述的LC振荡电路的两端相连，LC振荡电路的振荡输出端和所述的包络检波电路的输入端相连，包络检波电路的输出端和所述的触发电路的输入端相连，触发电路的输出端和所述的微处理器单元的定时器捕获输入端相连。微处理器单元的第一输出端输出控制信号给电源控制电路的输入端，使电源控制电路开启电子开关实现供电，微处理器单元的第二输出端输出一个高电平脉冲信号给激励控制电路的输入端，激励控制电路进行激励控制，使LC振荡电路进行一段时间的充电。充完电后，微处理器单元的第二输出端变为低电平信号，使激励控制电路停止激励控制，LC振荡电路开始振荡，输出的振荡波形在LC振荡检测电路和包络检波电路的作用下，提取出振荡波形中高于参考电压的部分，再经触发电路整形后，输送给微处理器单元的定时器捕获输入端，最后经微处理器单元的分析和处理，判断出叶轮上导电区域和绝缘区域的位置变化，最终计算出流过液体流量表的液体流量。本发明的无磁检测装置，所用单片机只需满足具有定时器捕获功能就能实现流量测量，因此可用低成本单片机实现，如8位机STM8L052单片机，价格不到MSP430FW42X系列单片机的一半，单片机选用不存在局限性，可大大降低成本，具有很强的移植性，通用性好。而且LC振荡电路和叶轮间的测量距离可达5～8mm，测量距离较大，在表壳较厚的仪表中也能实现流量测量，使用范围广。
作为优选，所述的电源控制电路包括电阻R1和三极管T1，所述的激励控制电路包括电阻R3、电阻R5、电容C3和三极管T3，所述的LC振荡检测电路包括电阻R4、电容C2和三极管T2；电阻R1的一端、电阻R3的一端分别和所述的微处理器单元的第一输出端、第二输出端相连，电阻R1的另一端和三极管T1的基极相连，电阻R3的另一端经电容C3和三极管T3的基极相连，三极管T1的发射极接电压VCC，三极管T1的集电极经电阻R2与构成LC振荡电路的电容C1和电感L1的并联电路的一端相连，该并联电路的另一端接三极管T3的集电极，三极管T3的发射极接地，电阻R5连接在三极管T3的基极和三极管T3的发射极之间；电容C2和电阻R4并联，该并联电路的一端和三极管T3的集电极相连，该并联电路的另一端和三极管T2的基极相连，三极管T2的发射极与电容C1、电感L1和电阻R2的并接点相连，三极管T2的集电极和所述的包络检波电路的输入端相连。
作为优选，所述的包络检波电路包括电阻R6、电阻R7、电容C4、电容C5和二极管D，所述的LC振荡检测电路的输出端和二极管D的正极相连，电阻R6和电容C4并联，该并联电路的一端和二极管D的正极相连，该并联电路的另一端接地，电阻R7和电容C5并联，该并联电路的一端和二极管D的负极相连，该并联电路的另一端接地，二极管D的负极和所述的触发电路的输入端相连。
作为优选，所述的触发电路为非门U，非门U的输入端和所述的包络检波电路的输出端相连，非门U的输出端和所述的微处理器单元的定时器捕获输入端相连。触发电路也可采用比较器实现，同样能达到波形整形目的。
作为优选，所述的触发电路为非门U，非门U的输入端和二极管D的负极相连，非门U的输出端和所述的微处理器单元的定时器捕获输入端相连。触发电路也可采用比较器实现，同样能达到波形整形目的。
本发明的液体流量无磁检测装置的检测方法，包括如下步骤：
①所述的微处理器单元的第一输出端输出控制信号给所述的电源控制电路的输入端，使电源控制电路开启电子开关实现供电；所述的微处理器单元的第二输出端输出一个高电平脉冲信号给所述的激励控制电路的输入端，激励控制电路进行激励控制，使所述的LC振荡电路进行充电；
②所述的LC振荡电路完成充电后，所述的微处理器单元的第二输出端变为低电平信号，使所述的激励控制电路停止激励控制，此时所述的LC振荡电路开始振荡，输出振荡波形给所述的LC振荡检测电路的输入端，LC振荡检测电路提取振荡波形中高于设定电压的部分，再经所述的包络检波电路处理，将处理后的波形输送给所述的触发电路，最后由触发电路处理后再将带有一段直流波形的波形信号输送给所述的微处理器单元的定时器捕获输入端；
③所述的微处理器单元的定时器捕获输入端接收触发电路发来的波形信号，进行定时器捕获，获取波形信号中包含的直流波形所占时间△T；当捕获值△T > T2b- 时，则微处理器单元判断所述的LC振荡电路处于所述的叶轮上的绝缘区域，当捕获值△T < T2a+
时，则微处理器单元判断所述的LC振荡电路处于所述的叶轮上的导电区域，其中，T3=T2b-T2a ，T2b为LC振荡电路位于叶轮的绝缘区域上方时，触发电路输出的直流波形的结束时间，T2a为LC振荡电路位于叶轮的导电区域上方时，触发电路输出的直流波形的结束时间；最后由微处理器单元根据绝缘区域和导电区域的位置变化计算出流过液体流量表的液体流量。
本发明的有益效果是：所用单片机只需满足具有定时器捕获功能就能实现流量测量，因此可用低成本单片机实现，单片机选用不存在局限性，可大大降低成本，具有很强的移植性，通用性好。而且LC振荡电路和叶轮间的测量距离较大，在表壳较厚的仪表中也能实现流量测量，使用范围广。
附图说明
图1是LC传感器遇到叶轮上敷有铜的区域时输出的振荡波形。
图2是LC传感器遇到叶轮上绝缘区域时输出的振荡波形。
图3是本发明液体流量无磁检测装置的一种电路原理连接结构框图。
图4是本发明液体流量无磁检测装置的一种电路原理图。
图5是本发明液体流量无磁检测装置中LC振荡电路和叶轮的安装位置关系的一种结构示意图。
图6是本发明中LC振荡电路位于叶轮的绝缘区域上方时，触发电路的输入波形和输出波形。
图7是本发明中LC振荡电路位于叶轮的导电区域上方时，触发电路的输入波形和输出波形。
图中1. LC振荡电路，2.微处理器单元，3.电源控制电路，4.激励控制电路，5.LC振荡检测电路，6.包络检波电路，7.触发电路，8.叶轮，9.绝缘区域，10.导电区域。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的液体流量无磁检测装置，如图3所示，包括LC振荡电路1、微处理器单元2、电源控制电路3、激励控制电路4、LC振荡检测电路5、包络检波电路6和触发电路7。微处理器单元2的第一输出端和电源控制电路3的输入端相连，微处理器单元2的第二输出端和激励控制电路4的输入端相连，电源控制电路3、激励控制电路4的输出端分别和LC振荡电路1的两端相连，LC振荡电路1的振荡输出端和包络检波电路6的输入端相连，包络检波电路6的输出端和触发电路7的输入端相连，触发电路7的输出端和微处理器单元2的定时器捕获输入端相连。如图5所示，LC振荡电路1安装在液体流量表的叶轮8上方，叶轮8朝向LC振荡电路1的一面，一半是绝缘材料制成的绝缘区域9，另一半是敷有金属铜的导电区域10。
如图4所示，电源控制电路3包括电阻R1和三极管T1，激励控制电路4包括电阻R3、电阻R5、电容C3和三极管T3，LC振荡检测电路5包括电阻R4、电容C2和三极管T2，包络检波电路6包括电阻R6、电阻R7、电容C4、电容C5和二极管D，触发电路7为非门U。电阻R1的一端、电阻R3的一端分别和微处理器单元2的第一输出端PowerSNR、第二输出端DriveSNR相连，电阻R1的另一端和三极管T1的基极相连，电阻R3的另一端经电容C3和三极管T3的基极相连，三极管T1的发射极接电压VCC，三极管T1的集电极经电阻R2与构成LC振荡电路1的电容C1和电感L1的并联电路的一端相连，该并联电路的另一端接三极管T3的集电极，三极管T3的发射极接地，电阻R5连接在三极管T3的基极和三极管T3的发射极之间；电容C2和电阻R4并联，该并联电路的一端和三极管T3的集电极相连，该并联电路的另一端和三极管T2的基极相连，三极管T2的发射极与电容C1、电感L1和电阻R2的并接点相连，三极管T2的集电极和二极管D的正极相连，电阻R6和电容C4并联，该并联电路的一端和二极管D的正极相连，该并联电路的另一端接地，电阻R7和电容C5并联，该并联电路的一端和二极管D的负极相连，该并联电路的另一端接地，二极管D的负极和非门U的输入端相连，非门U的输出端和微处理器单元2的定时器捕获输入端OutSNR相连。本实施例中，微处理器单元2采用STM8L052单片机实现。
上述液体流量无磁检测装置的检测方法，包括如下步骤：
①微处理器单元2的第一输出端PowerSNR输出低电平信号给电阻R1，使三极管T1导通，实现供电；微处理器单元2的第二输出端DriveSNR输出一个时间为1μs的高电平脉冲信号给电阻R3，在这个时间内，三极管T3导通，激励控制电路4进行激励控制，使LC振荡电路1进行1μs时间的充电；
②LC振荡电路1完成1μs时间的充电后，微处理器单元2的第二输出端DriveSNR变为低电平，三极管T3截止，此时LC振荡电路1开始振荡，输出振荡波形给LC振荡检测电路5的输入端，LC振荡检测电路5提取振荡波形中高于设定电压的部分，再经包络检波电路6处理，将处理后的波形输送给非门U的输入端，经非门U整形后输出带有一段直流波形的波形信号给微处理器单元2的定时器捕获输入端OutSNR；
当LC振荡电路位于叶轮的绝缘区域上方时，如图6所示，上部为非门U的输入波形，下部为非门U的输出波形；当LC振荡电路位于叶轮的导电区域上方时，如图7所示，上部为非门U的输入波形，下部为非门U的输出波形；
③微处理器单元2的定时器捕获输入端OutSNR接收非门U发来的波形信号，进行定时器捕获，获取波形信号中包含的直流波形所占时间△T；当捕获值△T > T2b-
时，则微处理器单元2判断为叶轮8上的绝缘区域9旋转到LC振荡电路1的下方，当捕获值△T< T2a+
时，则微处理器单元2判断为叶轮8上的导电区域10旋转到LC振荡电路1的下方，其中，T3=T2b-T2a ，T2b为LC振荡电路1位于叶轮8的绝缘区域9上方时，触发电路7输出的直流波形的结束时间，T2a为LC振荡电路1位于叶轮8的导电区域10上方时，触发电路7输出的直流波形的结束时间；最后由微处理器单元2根据绝缘区域9和导电区域10的位置变化计算出流过液体流量表的液体流量，实现液体流量的测量。
Claims (6)
1. 一种液体流量无磁检测装置，包括安装在液体流量表的叶轮（8）上方的LC振荡电路（1），叶轮（8）朝向LC振荡电路（1）的一面，一半是绝缘材料制成的绝缘区域（9），另一半是导电材料制成的导电区域（10），其特征在于还包括微处理器单元（2）、电源控制电路（3）、激励控制电路（4）、LC振荡检测电路（5）、包络检波电路（6）和触发电路（7），所述的微处理器单元（2）的第一输出端和所述的电源控制电路（3）的输入端相连，微处理器单元（2）的第二输出端和所述的激励控制电路（4）的输入端相连，电源控制电路（3）、激励控制电路（4）的输出端分别和所述的LC振荡电路（1）的两端相连，LC振荡电路（1）的振荡输出端和所述的包络检波电路（6）的输入端相连，包络检波电路（6）的输出端和所述的触发电路（7）的输入端相连，触发电路（7）的输出端和所述的微处理器单元（2）的定时器捕获输入端相连。
2.根据权利要求1所述的液体流量无磁检测装置，其特征在于所述的电源控制电路（3）包括电阻R1和三极管T1，所述的激励控制电路（4）包括电阻R3、电阻R5、电容C3和三极管T3，所述的LC振荡检测电路（5）包括电阻R4、电容C2和三极管T2；电阻R1的一端、电阻R3的一端分别和所述的微处理器单元（2）的第一输出端、第二输出端相连，电阻R1的另一端和三极管T1的基极相连，电阻R3的另一端经电容C3和三极管T3的基极相连，三极管T1的发射极接电压VCC，三极管T1的集电极经电阻R2与构成LC振荡电路（1）的电容C1和电感L1的并联电路的一端相连，该并联电路的另一端接三极管T3的集电极，三极管T3的发射极接地，电阻R5连接在三极管T3的基极和三极管T3的发射极之间；电容C2和电阻R4并联，该并联电路的一端和三极管T3的集电极相连，该并联电路的另一端和三极管T2的基极相连，三极管T2的发射极与电容C1、电感L1和电阻R2的并接点相连，三极管T2的集电极和所述的包络检波电路（6）的输入端相连。
3.根据权利要求1或2所述的液体流量无磁检测装置，其特征在于所述的包络检波电路（6）包括电阻R6、电阻R7、电容C4、电容C5和二极管D，所述的LC振荡检测电路（5）的输出端和二极管D的正极相连，电阻R6和电容C4并联，该并联电路的一端和二极管D的正极相连，该并联电路的另一端接地，电阻R7和电容C5并联，该并联电路的一端和二极管D的负极相连，该并联电路的另一端接地，二极管D的负极和所述的触发电路（7）的输入端相连。
4.根据权利要求1或2所述的液体流量无磁检测装置，其特征在于所述的触发电路（7）为非门U，非门U的输入端和所述的包络检波电路（6）的输出端相连，非门U的输出端和所述的微处理器单元（2）的定时器捕获输入端相连。
5.根据权利要求3所述的液体流量无磁检测装置，其特征在于所述的触发电路（7）为非门U，非门U的输入端和二极管D的负极相连，非门U的输出端和所述的微处理器单元（2）的定时器捕获输入端相连。
6.一种如权利要求1或2所述的液体流量无磁检测装置的检测方法，其特征在于包括如下步骤：
①所述的微处理器单元（2）的第一输出端输出控制信号给所述的电源控制电路（3）的输入端，使电源控制电路开启电子开关实现供电；所述的微处理器单元（2）的第二输出端输出一个高电平脉冲信号给所述的激励控制电路（4）的输入端，激励控制电路（4）进行激励控制，使所述的LC振荡电路（1）进行充电；
②所述的LC振荡电路（1）完成充电后，所述的微处理器单元（2）的第二输出端变为低电平信号，使所述的激励控制电路（4）停止激励控制，此时所述的LC振荡电路（1）开始振荡，输出振荡波形给所述的LC振荡检测电路（5）的输入端，LC振荡检测电路（5）提取振荡波形中高于设定电压的部分，再经所述的包络检波电路（6）处理，将处理后的波形输送给所述的触发电路（7），最后由触发电路（7）处理后再将带有一段直流波形的波形信号输送给所述的微处理器单元（2）的定时器捕获输入端；
③所述的微处理器单元（2）的定时器捕获输入端接收触发电路（7）发来的波形信号，进行定时器捕获，获取波形信号中包含的直流波形所占时间△T；当捕获值△T > T2b- 
时，则微处理器单元（2）判断为所述的叶轮（8）上的绝缘区域（9）旋转到所述的LC振荡电路（1）的下方，当捕获值△T < T2a+
时，则微处理器单元（2）判断为所述的叶轮（8）上的导电区域（10）旋转到所述的LC振荡电路（1）的下方，其中，T3=T2b-T2a ，T2b为LC振荡电路（1）位于叶轮（8）的绝缘区域（9）上方时，触发电路（7）输出的直流波形的结束时间，T2a为LC振荡电路（1）位于叶轮（8）的导电区域（10）上方时，触发电路（7）输出的直流波形的结束时间；最后由微处理器单元（2）根据绝缘区域（9）和导电区域（10）的位置变化计算出流过液体流量表的液体流量。
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