CN104111099B - 一种电子水表 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能实现精确计量的电子水表，该电子水表包括机架、多个计数单元以及多个屏蔽板，各计数单元包括数字字轮、永磁体、磁性角位移传感器和数字电路。磁性角位移传感器与数字电路相电连接，并根据该计数单元的磁场矢量的角位置变化，感测磁场在其位置处的分量，且向数字电路输出相应的电信号，数字电路根据所述磁性角位移传感器输出的电信号进行计算处理，输出与所述数字字轮的角位置相对应的数字信号。屏蔽板位于各计数单元的两侧，其用于将多个计数单元之间以及多个计数单元与外界进行隔离。本发明提供的电子水表，具有以下优点：尺寸小、容易安装、计量精度高、抗干扰能力强。

Description

一种电子水表
技术领域
本发明涉及一种电子水表，具体是涉及一种采用磁性角位移传感器、屏蔽板、数字字轮和永磁体来实现精确计量的电子水表。
背景技术
传统的电子水表采用光电编码技术实现数字计数和计量，已经广泛应用在水表行业中，但该技术具有固有的缺陷，如装配难度大，易失效，抗干扰能力差等。随着磁传感技术的发展，采用磁传感技术进行计数计量的方式正逐渐替代光电编码的技术，磁传感技术分辨率高，稳定性好，抗外界干扰能力强，而其中又以角度磁传感技术为最佳。其原理是通过磁阻传感器如磁性角位移传感器感应安装在数字字轮上的永磁体的磁场矢量相位角位置，并通过相应的数字处理电路转化成数字读数。
角度磁传感技术本身具有很好的测量精度和抗干扰能力，但是由于其感应的是磁场分量的强度，在总磁场强度不变的测试位置，会得到最高的测试精度，所以传感器与永磁体的相对安装位置对水表的测量精度有很大影响，并且一旦受到强磁场的干扰，其测试精度也可能大大降低。采用角度磁传感技术的电子水表，总是会有多个永磁体和角度磁传感器，相互之间的干扰磁场势必影响电子水表的测试精度。另外，外界的磁场也可能对测试精度甚至测试功能造成影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种实现精确计量的电子水表。本发明利用数字字轮和永磁体的独立安装，各个永磁体之间及装置的最外侧由屏蔽板进行屏蔽，相互之间无磁场干扰，磁性角位移传感器只感应其所在计数单元中永磁体所产生的磁场，从而提高了磁性角位移传感器的角度测试精度，继而提高了电子水表的测试精度。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种电子水表，该电子水表包括：
机架；
多个计数单元，其中每个计数单元包括：
一数字字轮，其可相对所述机架转动设置；
一设置在所述数字字轮上的永磁体；
一磁性角位移传感器，其根据该计数单元的磁场矢量的角位置变化，感测磁场在其位置处的分量，且输出相应的电信号；以及
一数字电路，其与所述磁性角位移传感器相电连接；
所述数字电路根据所述磁性角位移传感器输出的电信号进行计算处理，输出与所述数字字轮的角位置相对应的数字信号；
多个屏蔽板，位于所述各计数单元的两侧，其用于将多个计数单元之间以及多个计数单元与外界进行隔离。
优选地，所述磁性角位移传感器为AMR角位移传感器、GMR角位移传感器或者TMR角位移传感器。
优选地，在每一个计数单元内，所述数字字轮通过轴承与所述机架相连接。
优选地，在同一个计数单元内，所述计数单元还包括一转动杆，所述转动杆的一端设置在所述屏蔽板上，所述数字字轮套设在所述转动杆上。
优选地，在同一个计数单元内，所述计数单元还包括一转动杆，所述转动杆的一端设置在所述屏蔽板上，另一端设置在所述数字电路上，所述数字字轮套设在所述转动杆上。
优选地，在同一个计数单元内，所述永磁体与所述数字字轮同轴安装、同步转动。
优选地，所述各计数单元里的所述数字字轮和所述永磁体同轴安装的转动轴均相同。
优选地，在同一个计数单元内，所述磁性角位移传感器的中心位于所述永磁体的转动轴上。
优选地，在同一个计数单元内，所述磁性角位移传感器的感测方向与所述永磁体的转动轴相垂直，所述磁性角位移传感器在其感测面内感测到的所述永磁体转动产生的磁场强度不变，而磁场的矢量相位角位移与永磁体的旋转角位移一致。
优选地，所述磁性角位移传感器与其相邻的计数单元中的永磁体由所述屏蔽板相隔离，所述磁性角位移传感器只感测其所属计数单元内的永磁体产生的磁场分布，不受相邻永磁体和外部磁场的影响。
优选地，所述各永磁体的充磁方向与其转动轴相垂直，且各永磁体的充磁方向相平行。
优选地，所述屏蔽板固定安装在所述机架上，各屏蔽板互相平行且垂直于所述永磁体的转动轴。
优选地，所述屏蔽板的材料为软磁材料，或为纯铁、钢、镍铁合金、铁铝合金、铁硅铝合金、铁硅合金、铁钴合金、非晶态软磁合金、超微晶软磁合金、软磁铁氧体、或者所述组成材料的粉末和塑料、橡胶或树脂形成的复合体中的一种或几种。
优选地，在每一个计数单元内，所述数字电路沉积在一数字电路板上，该数字电路板与所述机架相连接，不随数字字轮及永磁体转动。
优选地，所述相邻计数单元中数字字轮的旋转圈数成N：1的关系，N是大于或等于1的整数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果是:
（1）对水中的杂质、振动等外界干扰不敏感；
（2）采用独立固定安装的屏蔽板，可以相对自由的调整位置和尺寸，更好地屏蔽了相邻计数单元之间磁场的相互干扰和外界磁场的影响，并且安装方便，便于维护；
（3）屏蔽板与数字字轮采用分离放置的方式，减少了字轮的重量，增加了对小水流的感应精度；
（4）磁性角位移传感器安装在永磁体的转动轴心位置，能够更精确感应磁场方向的变化，能够精确计量数字字轮的转动，可以大幅提高水表的计量精度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下将对本发明的较佳实施例并结合附图进行详细说明。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1中电子水表的结构示意图。
图2为本发明中磁性角位移传感器感应的磁场分量Bx，By以及总量B的强度变化与永磁体转动角度的关系曲线。
图3为本发明中磁性角位移传感器感测的磁场相位角位置与永磁体转动的角位置的关系曲线。
图4为本发明实施例4中电子水表的结构示意图。
图5为本发明实施例5中电子水表的结构示意图。
图6 为本发明单个永磁体产生的磁场在无干扰情况下沿转动轴所在截面的分布示意图。
图7 为本发明两个永磁体产生的磁场在有屏蔽结构时的分布示意图。
图8 为本发明永磁体为环状时的磁场分布示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合具体实施例，来详细说明本发明。
实施例1
图1示意性表示出本发明实施例1中电子水表的结构示意图。该电子水表包括机架500、三个计数单元、屏蔽板601-604。三个计数单元沿机架的长轴方向排布，计数单元包括磁性角位移传感器101-103、永磁体201-203、数字字轮301-303、数字电路401-403。
其中，数字字轮301-303通过轴承701-706与机架500相转动设置。永磁体201-203设置在数字字轮301-303上，并与数字字轮301-303同轴安装、同步转动。
其中，数字字轮301-303、永磁体201-203和轴承701-706的转动轴为100。屏蔽板601-604固定安装在机架500上，并和机架500构成了屏蔽结构，屏蔽板601-604之间相互平行，且垂直于转动轴100。轴承701-706安装在机架500上，并和机架500构成了转动支撑结构，该转动支撑结构实现了数字字轮301-303和永磁体201-203的独立安装。
如图1所示，各数字字轮与其在同一计数单元里的永磁体、两侧轴承同轴且相连接，例如数字字轮301通过轴承701、702与机架500相转动连接，永磁体201设置在数字字轮301上，轴承701和702支撑数字字轮301转动。
优选地，磁性角位移传感器101-103为AMR角位移传感器、GMR角位移传感器或者TMR角位移传感器。磁性角位移传感器101-103的中心位于转动轴100上，它们与在同一计数单元内的永磁体201-203的端面有一定距离。磁性角位移传感器101-103与其在同一计数单元内的数字电路401-403相电连接。当电子水表工作时，磁性角位移传感器101-103与机架500保持相对静止，数字字轮301-303和永磁体201-203绕转动轴转动，且磁性角位移传感器101-103的感测方向与转动轴100垂直，各磁性角位移传感器感测到的与其在同一计数单元里的永磁体转动产生的磁场强度不变，而磁场的矢量相位角位移与各永磁体的旋转角位移一致。
数字电路401-403与位于同一计数单元内的磁性角位移传感器101-103相电连接。数字电路401-403沉积在数字电路板上，数字电路板与机架500相连接，数字电路板不随数字字轮301-303和永磁体201-203转动。
屏蔽板601-604的形状可以为方块形、圆柱形等各种形状。各屏蔽板采用相同形状，相同材质。优选地，屏蔽板601-604为圆柱型，其直径为6-30mm，高度为0.5-10mm，离距其最近的磁性角位移传感器之间的距离为0.5-10mm。优选地，屏蔽板601-604为方块型，其长度为6-30 mm，宽度为6-30 mm，厚度0.5-10 mm，离距其最近的磁性角位移传感器之间的距离为0.5-10mm。屏蔽板的个数视计数单元的多少而不同，优选地为2-15个，其安装位置如图1所示。屏蔽板602和603将各计数单元之间相互隔离，屏蔽板601和604使最外侧的计数单元与外部环境隔离。屏蔽板601-604可将各个计数单元中的磁场隔离，使相邻计数单元之间互不干扰，即各磁性角位移传感器只感应本计数单元永磁体所产生的磁场，不受相邻永磁体和外部磁场的影响。
屏蔽板601-604的材料为软磁材料，它可以是纯铁、钢、镍铁合金、铁铝合金、铁硅铝合金、铁硅合金、铁钴合金、非晶态软磁合金、超微晶软磁合金、软磁铁氧体、或者所述组成材料的粉末和塑料、橡胶或树脂形成的复合体中的一种或几种。
在电子水表使用前，可通过适当调节磁性角位移传感器101-103的位置或者数字电路板的位置，来使电子水表能达到最佳的工作状态。
图6为单个永磁体201产生的磁场在转动轴100方向的截面上的分布。永磁体201沿转动轴100旋转时，磁性角位移传感器101，感应磁场矢量角位置的变化，并产生相应的输出信号。从磁场分布可以看出，在转动轴100上的磁场矢量基本完全沿磁性角位移传感器101的感测方向，磁性角位移传感器的输出信号最佳。
图7为两个永磁体201和202产生的磁场在有屏蔽板601-603时的分布，磁性角位移传感器101,102仍然在转动轴100上时的输出信号为最佳。永磁体201产生的磁场绝大部分被屏蔽板601和602屏蔽，不会影响磁性角位移传感器102的输出信号，同样，永磁体202产生的磁场也不会影响磁性角位移传感器101的输出信号。磁性角位移传感器101,102的位置越接近转动轴100，所受到的干扰越小，当磁性角位移传感器101,102在转动轴100上时，基本不会受到干扰磁场的影响，只感应其所属计数单元的永磁体所产生的磁场。
数字电路401-403根据磁性角位移传感器101-103输出的电信号进行计算处理，输出与所述数字字轮301-303的角位置相对应的数字信号，即将磁性角位移传感器的输出信号转换为数字读数。
磁性角位移传感器101-103感测到磁场分量的变化并输出相应的电信号，通过相应的数字电路401-403计算来获取永磁体201-203的角位置，并根据永磁体201-203的角位置，将数字字轮301上的数字读数标定并存储在数字电路中，即根据磁性角位移传感器101-103感测的磁场相位角位置，数字电路401-403输出数字字轮301-303上对应的数字读数。
实施例2
一个计数单元包括一个数字字轮、一个永磁体和一个磁性角位移传感器。优选地，电子水表可包含有1到10个这样的计数单元。当电子水表包含多个所述计数单元时，依次排列的计数单元之间存在着确定的转数关系。相邻计数单元中数字字轮的旋转圈数成N：1的关系，N是大于1的整数，优选地，N=10。即左边第一个数字字轮转动10圈的话，第二个数字字轮就转动1圈，如果要使第10个数字字轮转动1圈，则第一个数字字轮需要转动1010。磁性角位移传感器为AMR角位移传感器、GMR角位移传感器或者TMR角位移传感器。各数字电路与相邻的磁性角位移传感器连接，例如数字电路401与磁性角位移传感器101连接，将磁性角位移传感器101的输出信号转换为数字读数。
实施例3
永磁体201-203的中心轴与转动轴100重合，其充磁方向与转动轴100垂直。优选地，永磁体201-203为圆柱形，其直径为2-25mm，高度为0.5-15mm。优选地，永磁体201-203为方块形，其充磁方向与其厚度方向平行，其长度为2-20mm,宽度为2-20mm,厚度为1-10mm。优选地，永磁体201-203为环状圆柱，其充磁方向为径向充磁，其外径为5-20mm，内径为1-10mm，高度为1-10mm。上述三种形状只是优选形状，但不限于这些形状。永磁体201-203的形状相同，其磁化强度大小也相同。
以第一个计数单元为例。永磁体201嵌入到数字字轮301中或粘贴在数字字轮301的侧面，数字字轮301依托轴承701和702转动，磁性角位移传感器101与永磁体201的端面相距0.5-6mm。磁性角位移传感器101的中心位于转动轴100上，或者磁性角位移传感器101的中心与转动轴100相平行且距离在0.2-5mm内。在该检测区内，磁场矢量的相位角位移与永磁体的转动角位移相等或者近似相等，如图2中的曲线801所示。磁性角位移传感器感测磁场的分量强度Bx 901,By 902会随永磁体的转动而有相应的变化，但总强度B 900几乎保持不变，如图3所示。在本发明中，在不受相邻计数单元中的永磁体202,203和外界影响的情况下，磁性角位移传感器101感测的磁场总强度不变或者近似不变，有利于数字电路401据此磁场信号获得精确的角位置。磁性角位移传感器101感测到磁场分量的变化并输出相应的电信号，通过相应的数字电路401计算来获取永磁体201的角位置，并根据角位置，将数字字轮301上的数字读数标定并存储在数字电路中，即根据磁性角位移传感器101感测的磁场相位角位置，数字电路401输出数字字轮301上对应的数字读数。
其它计数单元的工作原理与此计数单元相同，这里不再赘述。
实施例4
图4示意性表示出本发明实施例4中电子水表的结构示意图。该电子水表包括机架500、四个计数单元、屏蔽板601-605。这四个计数单元包括磁性角位移传感器101-104、环形永磁体201-204、数字字轮301-304、转动杆705-708。优选地，磁性角位移传感器101-103为AMR角位移传感器、GMR角位移传感器或者TMR角位移传感器。数字字轮301-304、环形永磁体201-204和转动杆705-708的转动轴为100，数字字轮301-304套设在转动杆705-708上。屏蔽板601-605固定安装在机架500上，并和机架500构成了屏蔽结构，屏蔽板601-605之间相互平行，且垂直于转动轴100。转动杆705-708的一端设置在屏蔽板601-604上，并和屏蔽板601-604构成了转动支撑结构，该转动支撑结构实现了数字字轮301-304和环形永磁体201-204的独立安装。此外，采用环形永磁体201-204可减小数字字轮301-304上的负重，更利于数字字轮的转动，使计量更加准确。
如图4所示，各数字字轮与其在同一计数单元里的永磁体、转动杆同轴且相连接，例如数字字轮301与永磁体201、转动杆705相连接，转动杆705支撑其转动。各磁性角位移传感器放置在相邻数字电路的任意一侧。各磁性角位移传感器与其在同一计数单元里的转动杆、永磁体端面有一定距离，并与相邻的数字电路相连接。可在电子水表使用前，在结构允许的范围内，调节磁性角位移传感器101-104的位置，来使电子水表达到最佳工作状态。磁性角位移传感器101-104的感测方向与转动轴100垂直，各磁性角位移传感器感测到的与其在同一计数单元里的永磁体转动产生的磁场强度不变，而磁场的矢量相位角位移与各永磁体的旋转角位移一致。
屏蔽板601-605的形状可以为中心有孔的方块形、圆柱形，但不限于这些形状，各屏蔽板采用相同形状，相同材质。优选地，屏蔽板601-605为中心有孔的圆柱型，其直径为6-30 mm，高度为0.5-10 mm，离距其最近的磁性角位移传感器之间的距离为0.5-10 mm。优选地，屏蔽板601-604为中心有孔的方块型，其长度为6-30 mm，宽度为6-30 mm，厚度为0.5-10mm，离距其最近的磁性角位移传感器之间的距离为0.5-10mm。屏蔽板的个数视计数单元的多少而不同，优选地为2-15个，安装位置如图4所示。屏蔽板602至604将各计数单元之间相互隔离，屏蔽板601和605使最外侧计数单元与外部环境隔离。屏蔽板601-605可将各个计数单元中的磁场隔离，使相邻计数单元之间互不干扰，即各磁性角位移传感器只感应本计数单元永磁体所产生的磁场，不受相邻永磁体和外部磁场的影响。
图8为实施例4的磁场分布示意图,磁性角位移传感器位于转动轴100上时,磁场矢量基本为磁性角位移传感器的感测方向,从磁场分布来看，可用工作区域相对图7中的要小,不超过环状永磁体内径大小的范围,并且磁性角位移传感器与永磁体的距离有一定的限制,距离过大就会受到较大的磁场干扰,无法准确地输出与永磁体角位置对应的输出信号。但屏蔽板601-605有孔时,屏蔽效果虽有一定降低，但方便了转动杆705-708的安装,不需要额外增加固定结构,有利于减小整体尺寸。
实施例5
图5示意性表示出本发明实施例5中电子水表的结构示意图。该结构与图4中的结构相比，其区别在于：转动杆705-708的一端分别安装在屏蔽板601-604上，另一端分别安装在数字电路401-404上或者可以安装在有数字电路401-404的固定结构上，这样能够更好的对转动起到支撑作用，各磁性角位移传感器放置在相邻数字电路的外侧。
其余部件的安装以及工作原理与实施例4相同，这里不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种电子水表，其特征在于，该电子水表包括：
机架；以及
多个计数单元，其中每个计数单元包括：
一数字字轮，其可相对所述机架转动设置；
一设置在所述数字字轮上的永磁体，所述永磁体为环形永磁体；
一磁性角位移传感器，其根据该计数单元的磁场矢量的角位置变化，感测磁场在其位置处的分量，且输出相应的电信号；
一数字电路，其与所述磁性角位移传感器相电连接；
所述数字电路根据所述磁性角位移传感器输出的电信号进行计算处理，输出与所述数字字轮的角位置相对应的数字信号；以及
多个屏蔽板，位于所述各计数单元的两侧，其用于将多个计数单元之间以及多个计数单元与外界进行隔离，所述屏蔽板为圆柱形或者方块形；
在同一个计数单元内，所述计数单元还包括一转动杆，所述转动杆的一端设置在所述屏蔽板上，另一端设置在所述数字电路上，所述数字字轮套设在所述转动杆上；
所述屏蔽板固定安装在所述机架上，各屏蔽板互相平行且垂直于所述永磁体的转动轴，转动轴上的磁场矢量基本完全沿磁性角位移传感器的感测方向。
2.根据权利要求l所述的电子水表，其特征在于：所述磁性角位移传感器为AMR角位移传感器、GMR角位移传感器或者TMR角位移传感器。
3.根据权利要求l所述的电子水表，其特征在于：在每一个计数单元内，所述数字字轮通过轴承与所述机架相连接。
4.根据权利要求l所述的电子水表，其特征在于：在同一个计数单元内，所述永磁体与所述数字字轮同轴安装、同步转动。
5.根据权利要求l所述的电子水表，其特征在于：所述各计数单元里的所述数字字轮和所述永磁体同轴安装的转动轴均相同。
6.根据权利要求l所述的电子水表，其特征在于：所述磁性角位移传感器的中心位于与其在同一个计数单元内的所述永磁体的转动轴上。
7.根据权利要求l所述的电子水表，其特征在于：在同一个计数单元内，所述磁性角位移传感器的感测方向与所述永磁体的转动轴相垂直，所述磁性角位移传感器在其感测面内感测到的所述永磁体转动产生的磁场强度不变，而磁场的矢量相位角位移与永磁体的旋转角位移一致。
8.根据权利要求l所述的电子水表，其特征在于：所述磁性角位移传感器与其相邻的计数单元中的永磁体由所述屏蔽板相隔离，所述磁性角位移传感器只感测其所属计数单元内的永磁体产生的磁场分布，不受相邻永磁体和外部磁场的影响。
9.根据权利要求l所述的电子水表，其特征在于：所述各永磁体的充磁方向与其转动轴相垂直，且各永磁体的充磁方向相平行。
10.根据权利要求l所述的电子水表，其特征在于：所述屏蔽板的材料为软磁材料。
11.根据权利要求10所述的电子水表，其特征在于：所述屏蔽板的材料为选自纯铁、钢、镍铁合金、铁铝合金、铁硅铝合金、铁硅合金、铁钴合金、非晶态软磁合金、超微晶软磁合金、软磁铁氧体、及其粉末和塑料、橡胶或树脂形成的复合体中的一种或几种。
12.根据权利要求l所述的电子水表，其特征在于：在每一个计数单元内，所述数字电路沉积在一数字电路板上，该数字电路板与所述机架相连接，不随数字字轮及永磁体转动。
13.根据权利要求l所述的电子水表，其特征在于，相邻所述计数单元中数字字轮的旋转圈数成N：l的关系，N是大于或等于l的整数。
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