CN105136215A - 一种测量流体方向的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体计量技术领域，具体涉及一种测量流体方向的装置及方法。现有的流量计量设备通常依靠单霍尔传感器件的方式，无法判断流体的流动方向、不能实现对流体双向计量、可靠性低、抗干扰能力差。本发明所提供的包括一种测量流体方向的装置及方法，包括一个能够随流体的流动而旋转的磁环,一个电源接口，设置在磁环的侧面的第一霍尔传感芯片和第二霍尔传感芯片，两个霍尔传感芯片之间存在夹角，两个霍尔传感芯片分别与信号特征比较电路以及电源接口连接。可以判断流体的流动方向，实现流体的双向计量，可靠性高，抗干扰性强。

Description

一种测量流体方向的装置及方法

技术领域

本发明属于流体计量技术领域，具体涉及一种测量流体方向的装置及方法。

背景技术

现有的用于流体计量仪表中的流量传感设备，一般采用多磁极、单霍尔传感器件的方式。流经流量传感设备的流体推动带磁环的叶轮旋转，当叶轮无论向哪个方向旋转都会有流量信号输出，因此，现有的流量传感设备存在以下不足：(1)无法判断流体的流动方向：通常单个霍尔传感器件，当叶轮无论向哪个方向转动时霍尔传感器件只能输出一种流量信号。(2)不能实现对流体双向计量：无法判别流经传感器流体的流动方向，导致无法进行对流体双向计量；(3)可靠性低，当霍尔传感器件发生故障时流量传感器停止计量；(4)抗干扰能力差：当叶轮高速旋转时，由于叶轮发生抖动(所谓抖动是指未按一定方向完成360°旋转，或在小于360°的范围内往复摆动)，造成对传感设备的输出信号占空比出现混乱。

发明内容

针对目前的现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种能广泛用于流体计量设备的具有可靠性强、能够对流体的方向进行测量、能对流体进行双向计量、使用寿命长、能输出理想信号的测量流体方向的装置和测量流体方向的方法。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种测量流体方向的装置，包括一个能够随流体的流动而旋转的磁环,一个电源接口，还包括设置在所述磁环的侧面的第一霍尔传感芯片和第二霍尔传感芯片，所述两个霍尔传感芯片之间存在夹角，所述两个霍尔传感芯片分别与信号特征比较电路以及所述电源接口连接。

进一步，所述第一霍尔传感芯片、第二霍尔传感芯片设置在所述磁环的径向一侧。

更进一步，所述霍尔传感芯片之间的夹角为90度。

进一步，所述磁环由两对异极相对的环形磁极构成，在所述磁环上形成第一磁极交汇点和第二磁极交汇点两处四磁极连接点，所述第一磁极交汇点和第二磁极交汇点沿同一直径对称分布在所述磁环上。

进一步，还包括与所述第一霍尔传感芯片连接的第一信号输出端，与所述第二霍尔传感芯片连接的第二信号输出端；所述第一信号输出端、第二信号输出端连接所述信号特征比较电路。

进一步，所述霍尔传感芯片包括依次连接的磁极感应电桥、信号比较器、信号放大器、信号输出电路，以及连接电源并对上述各部件供电的电源线路，还设置有超低压差稳压器，用于通过所述霍尔传感芯片内部的电源线路向所述磁极感应电桥提供稳定的电源。

进一步，还包括连接所述霍尔传感芯片的电路：

所述电源接口的正极分别连接所述第一霍尔传感器芯片、第二霍尔传感芯片的电源端；

所述电源接口的负极分别连接所述第一霍尔传感器芯片、第二霍尔传感芯片的接地端；

所述第一霍尔传感器芯片的信号端连接所述第一信号输出端，所述第二霍尔传感芯片的信号端连接所述第二信号输出端；

所述第一霍尔传感器芯片的信号端通过第一上拉电阻R1连接所述电源接口的正极，所述第二霍尔传感芯片的信号端通过第二上拉电阻R2连接所述电源接口的正极。

为达到以上目的，本发明还公开了一种用于以上所述装置的测量流体方向的方法，包括以下步骤：

(S1)对所述测量流体方向的装置通电；

(S2)所述第一霍尔传感芯片感应所述磁环的磁极变化，并输出第一信号；所述第二霍尔传感芯片感应所述磁环的磁极变化，并输出第二信号；

(S3)所述第一信号、第二信号发送到所述信号特征比较电路；

(S4)所述信号特征比较电路判断所述第一信号和所述第二信号的相位差，如果第二信号的相位超前于第一信号的相位，则判断磁环为逆时针方向转动；如果第一信号的相位超前于第二信号的相位，则判断磁环为顺时针方向转动。

进一步，还包括步骤(S5):当所述第一信号和所述第二信号没有完成一个周期变化时，则判断磁环没有完成360°的旋转，处于小于360°的往复摆动状态。

更进一步，所述磁环由两对异极相对的环形磁极构成，在所述磁环上形成第一磁极交汇点和第二磁极交汇点两处四磁极连接点，所述第一磁极交汇点和第二磁极交汇点沿同一直径对称分布在所述磁环上；所述周期包括顺时针周期和逆时针周期，变化状态为：

逆时针周期：

1)当磁环开始逆时针旋转，第一磁极交汇点对准第二霍尔传感芯片时，第二信号的电平由低电平跳变至高电平，第一信号的电平为低电平；

2)当磁环逆时针旋转90°，第一磁极交汇点对准第一霍尔传感芯片时，第一信号的电平由低电平跳变至高电平，第二信号的电平维持在高电平不变；

3)当磁环逆时针旋转180°，第二磁极交汇点对准第二霍尔传感芯片时，第二信号的电平由高电平跳变至低电平，第一信号的电平维持在高电平不变；

4)当磁环逆时针旋转270°，第二磁极交汇点对准第一霍尔传感芯片时，第一信号的电平由高电平跳变至低电平，第二信号的电平维持在低电平不变；

5)当磁环逆时针旋转360°，第一磁极交汇点对准第二霍尔传感芯片时，第二信号的电平由低电平跳变至高电平，第一信号的电平维持在低电平不变；

顺时针周期：

1)当磁环开始顺时针旋转，第一磁极交汇点对准第二霍尔传感芯片时，第一信号的电平由低电平跳变至高电平，第二信号的电平为低电平；

2)当磁环顺时针旋转90°，第二磁极交汇点对准第一霍尔传感芯片时，第二信号的电平由低电平跳变至高电平，第一信号的电平维持在高电平不变；

3)当磁环顺时针旋转180°，第二磁极交汇点对准第二霍尔传感芯片时，第一信号的电平由高电平跳变至低电平，第二信号的电平维持在高电平不变；

4)当磁环顺时针旋转270°，第一磁极交汇点对准第一霍尔传感芯片时，第二信号的电平由高电平跳变至低电平，第一信号的电平维持在低电平不变；

5)当磁环顺时针旋转360°，第一磁极交汇点对准第二霍尔传感芯片时，第一信号的电平由低电平跳变至高电平，第二信号的电平维持在低电平不变。

本发明的效果在于：

1.可以判别经过测量装置的流体的流动方向；

2.通过两个霍尔传感芯片输出的信号的电平变化时序，可以对正反两个方向流经测量装置的流体的流量/流速进行计量(双向流量/流速计量)；

3.通过两个霍尔传感芯片输出信号频率的值，可以直接计算出流经测量装置的流体的流速；

4.通过两个霍尔传感芯片输出信号的脉冲个数，可以直接计算出流经测量装置的流体的流量；

5.通过综合两个霍尔传感芯片输出信号频率的值和脉冲个数，可以实现测量装置的高精度计量；

6.抗干扰能力强，可以防止因为磁极来回摆动所造成的磁极虚转的干扰。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述测量流体方向的装置的结构框图；

图2是本发明具体实施方式中所述霍尔传感芯片的结构框图；

图3是本发明具体实施方式中所述测量流体方向的装置的电路示意图；

图4是本发明具体实施方式中所述测量流体方向的装置的磁环逆时针方向旋转时所输出信号的相位图；

图5是本发明具体实施方式中所述测量流体方向的装置的磁环顺时针方向旋转时所输出信号的相位图；

图6是本发明具体实施方式中所述测量流体方向的装置的磁环逆时针方向旋转360°时所输出信号的一个周期的相位图；

图7是本发明具体实施例中所述流量传感器的结构示意图；

图中：1-叶轮，2-磁环，3-第一霍尔传感芯片，4-第二霍尔传感芯片，5-电路，6-壳体，7-管道，8-电源接口，9-信号特征比较电路，10-磁极感应电桥，11-信号比较器，12-信号放大器，13-信号输出电路，14-第一磁极交汇点，15-第二磁极交汇点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图1、3所示，一种测量流体方向的装置，包括一个电源接口8，一个可随流体的流动而旋转的磁环2，还包括设置在磁环2的径向侧面的第一霍尔传感芯片3和第二霍尔传感芯片4，在两个霍尔传感芯片之间存在夹角，霍尔传感芯片通过电路5同信号特征比较电路9以及电源接口8连接，其中两个霍尔传感芯片之间的夹角为90°(即第一霍尔传感芯片3到磁环2的轴心连线和第二霍尔传感芯片4到磁环2的轴心连线之间的夹角为90°，见图3和图6)，两个霍尔传感芯片之间的相对距离根据磁环2半径所决定。

如图3所示，磁环2由两对异极相对的环形磁极叠加在一起构成，在磁环2上形成两处四磁极连接点，分别是第一磁极交汇点14和第二磁极交汇点15，第一磁极交汇点14和第二磁极交汇点15沿磁环2中的同一直径对称分布在磁环2上。

此外，如图1所示，本发明所提供的一种测量流体方向的装置还包括与第一霍尔传感芯片3连接的第一信号输出端HS③，与第二霍尔传感芯片4连接的第二信号输出端HS④；第一信号输出端HS③、第二信号输出端HS④连接信号特征比较电路9。

如图2所示，本发明所提供的一种测量流体方向的装置中的霍尔传感芯片包括：依次连接的磁极感应电桥10、信号比较器11、信号放大器12、信号输出电路13，以及连接电源(也就是电源接口8)并对上述各部件供电的电源线路。还包括超低压差稳压器(图中未标出)，用于通过霍尔传感芯片内部的电源线路向磁极感应电桥10提供稳定的电源，从而保证磁极感应电桥10对磁环2上的磁极信号的可靠采集。

如图3所示，连接霍尔传感芯片的电路包括：

电源接口8、第一霍尔传感器芯片3、第二霍尔传感芯片4、第一上拉电阻R1、第二上拉电阻R2、第一信号输出端HS③、第二信号输出端HS④；

其中，电源接口8的正极分别连接第一霍尔传感器芯片3、第二霍尔传感芯片4的电源端；

电源接口8的负极分别连接第一霍尔传感器芯片3、第二霍尔传感芯片4的接地端；

第一霍尔传感器芯片3的信号端连接第一信号输出端HS③，第二霍尔传感芯片4的信号端连接第二信号输出端HS④；

第一霍尔传感器芯片3的信号端通过第一上拉电阻R1连接电源接口8的正极，第二霍尔传感芯片4的信号端通过第二上拉电阻R2连接电源接口8的正极。

其中，霍尔传感芯片能够判断随流体流动而旋转的磁环2的磁极变化。当磁环2旋转时，磁极相应发生变化，霍尔传感芯片上的磁极感应电桥10采集到这种磁极变化所产生的磁极信号，并通过信号比较器11对该信号进行整形后，再经信号放大器12放大，最后由信号输出电路13输出，此时输出的信号就具有磁环2旋转方向的相位特征。也就是说，只有在磁环2的磁极发生变化时(磁环2旋转时)，才输出具有流体流动方向的相位特征的信号。又因为本发明的两个霍尔传感芯片之间采用了特定的间距和角度，当流体从正反两个方向分别带动磁环2旋转时(磁环2表现为顺时针旋转和逆时针旋转)，磁环2的旋转方向截然相反，所以霍尔传感芯片产生的信号的相位特征明显不同。最后，通过在流量传感器的信号特征比较电路9中，对两个霍尔传感芯片分别输出的两组信号的相位特征进行比较，就可以判断出流经本发明所提供的测量流体方向的装置的流体的流动方向。

根据本发明所提供的测量流体方向的装置，本发明还公开了一种用于以上所述装置的测量流体方向的方法，包括以下步骤：

S1，对测量流体方向的装置通电；

S2，第一霍尔传感芯片感应磁环的磁极变化，并向第一信号输出端HS③输出第一信号；第二霍尔传感芯片感应磁环的磁极变化，并向第二信号输出端HS④输出第二信号；

S3，第一信号输出端HS③、第二信号输出端HS④将接收到的第一信号、第二信号发送到信号特征比较电路；

S4，信号特征比较电路判断第一信号和第二信号的相位差(具体的信号的相位变化如图3至图5所示)，如果第二信号的相位超前于第一信号的相位，则判断磁环为逆时针方向转动(磁环2沿图3中实线箭头方向旋转时，第一信号输出端HS③和第二信号输出端HS④会输出如图4所示信号)；如果第一信号的相位超前于第二信号的相位，则判断磁环为顺时针方向转动(磁环2沿图3中虚线箭头方向旋转时，第一信号输出端HS③和第二信号输出端HS④会输出如图5所示信号)。

当磁环2沿某一个方向完成一周(360°)旋转时，第一信号输出端HS③和第二信号输出端HS④输出的信号的电平呈现周期性的有序变化状态，则判断磁环2为转动状态。

因此还包括步骤S5:当第一信号和第二信号没有完成一个周期变化时，则判断磁环没有完成360°的旋转，处于小于360°的往复摆动状态，即磁环2处于抖动状态。

信号变化的周期包括顺时针周期和逆时针周期，变化状态为：

逆时针周期(见图6，其中“3(HS③)”代表第一霍尔传感芯片3和相应的第一信号输出端HS③，“4(HS④)”代表第二霍尔传感芯片4和相应的第二信号输出端HS④)：

1)当磁环开始逆时针旋转，第一磁极交汇点对准第二霍尔传感芯片时，第二信号输出端HS④输出的信号的电平由低电平跳变至高电平，第一信号输出端HS③输出的信号的电平为低电平；

2)当磁环逆时针旋转90°，第一磁极交汇点对准第一霍尔传感芯片时，第一信号输出端HS③输出的信号的电平由低电平跳变至高电平，第二信号输出端HS④输出的信号的电平维持在高电平不变；

3)当磁环逆时针旋转180°，第二磁极交汇点对准第二霍尔传感芯片时，第二信号输出端HS④输出的信号的电平由高电平跳变至低电平，第一信号输出端HS③输出的信号的电平维持在高电平不变；

4)当磁环逆时针旋转270°，第二磁极交汇点对准第一霍尔传感芯片时，第一信号输出端HS③输出的信号的电平由高电平跳变至低电平，第二信号输出端HS④输出的信号的电平维持在低电平不变；

5)当磁环逆时针旋转360°，第一磁极交汇点对准第二霍尔传感芯片时，第二信号输出端HS④输出的信号的电平由低电平跳变至高电平，第一信号输出端HS③输出的信号的电平维持在低电平不变；

顺时针周期：

1)当磁环开始顺时针旋转，第一磁极交汇点对准第二霍尔传感芯片时，第一信号输出端HS③输出的信号的电平由低电平跳变至高电平，第二信号输出端HS④输出的信号的电平为低电平；

2)当磁环顺时针旋转90°，第二磁极交汇点对准第一霍尔传感芯片时，第二信号输出端HS④输出的信号的电平由低电平跳变至高电平，第一信号输出端HS③输出的信号的电平维持在高电平不变；

3)当磁环顺时针旋转180°，第二磁极交汇点对准第二霍尔传感芯片时，第一信号输出端HS③输出的信号的电平由高电平跳变至低电平，第二信号输出端HS④输出的信号的电平维持在高电平不变；

4)当磁环顺时针旋转270°，第一磁极交汇点对准第一霍尔传感芯片时，第二信号输出端HS④输出的信号的电平由高电平跳变至低电平，第一信号输出端HS③输出的信号的电平维持在低电平不变；

5)当磁环顺时针旋转360°，第一磁极交汇点对准第二霍尔传感芯片时，第一信号输出端HS③输出的信号的电平由低电平跳变至高电平，第二信号输出端HS④输出的信号的电平维持在低电平不变。

最后，举例说明本发明所提供的测量流体方向的装置和测量流体方向的方法的实际应用。

本实施例是本发明所提供的测量流体方向的装置在流量传感器中的应用。如图7所示，一个流量传感器中，包括壳体6，置在壳体6内的一根管道7，设置在管道7中的叶轮1，在叶轮1上设置本发明所提供的磁环2，叶轮1和磁环2同轴，使得当流体从管道7中经过时，磁环2可以随叶轮1一起转动。在磁环2的径向侧面设置第一霍尔传感芯片3和第二霍尔传感芯片4，两个霍尔传感芯片之间的夹角为90°，霍尔传感芯片通过电路5同信号特征比较电路9以及电源接口8连接。当流体从管道7中通过，带动叶轮1旋转，磁环2随之旋转，第一霍尔传感芯片3和第二霍尔传感芯片4开始感应磁环2的磁极变化，并向信号特征比较电路9发送相应的第一信号和第二信号，信号特征比较电路9根据第一信号和第二信号的相位特征和变化周期，判断出流体的在管道7中的流经方向，并可根据第一信号和第二信号的频率和脉冲个数，进一步计算流体的流速和流量等高精度计量。同时还可以通过判断被测转动部件(如磁环、叶轮以及转动部件的轴承等)是处于正常的转动状态或者往复摆动的抖动状态，并排除抖动状态对测量结果的干扰，进一步提高测量精度。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本发明的应用范围不限于流量计量领域，还可以用于判断被测转动物体(例如流体计量领域中的叶轮；径向运动部件的轴承等)的转动方向，以及区分上述转动物体的抖动与转动的状态，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (10)

1.一种测量流体方向的装置，包括一个能够随流体的流动而旋转的磁环(2),一个电源接口(8)，其特征是：还包括设置在所述磁环(2)的侧面的第一霍尔传感芯片(3)和第二霍尔传感芯片(4)，所述两个霍尔传感芯片之间存在夹角，所述两个霍尔传感芯片分别与信号特征比较电路(9)以及所述电源接口(8)连接。

2.如权利要求1所述的测量流体方向的装置，其特征是：所述第一霍尔传感芯片(3)、第二霍尔传感芯片(4)设置在所述磁环(2)的径向一侧。

3.如权利要求1所述的测量流体方向的装置，其特征是：所述霍尔传感芯片之间的夹角为90度。

4.如权利要求1所述的测量流体方向的装置，其特征是：所述磁环(2)由两对异极相对的环形磁极构成，在所述磁环(2)上形成第一磁极交汇点(14)和第二磁极交汇点(15)两处四磁极连接点，所述第一磁极交汇点(14)和第二磁极交汇点(15)沿同一直径对称分布在所述磁环(2)上。

5.如权利要求1所述的测量流体方向的装置，其特征是：还包括与所述第一霍尔传感芯片(3)连接的第一信号输出端，与所述第二霍尔传感芯片(4)连接的第二信号输出端；所述第一信号输出端、第二信号输出端连接所述信号特征比较电路(9)。

6.如权利要求1、2、3或5所述的测量流体方向的装置，其特征是，所述霍尔传感芯片包括：依次连接的磁极感应电桥(10)、信号比较器(11)、信号放大器(12)、信号输出电路(13)，以及连接电源并对上述各部件供电的电源线路，还设置有超低压差稳压器，用于通过所述霍尔传感芯片内部的电源线路向所述磁极感应电桥(10)提供稳定的电源。

7.如权利要求5所述的测量流体方向的装置，其特征是，还包括连接所述两个霍尔传感芯片的电路：

所述电源接口(8)的正极分别连接所述第一霍尔传感器芯片(3)、第二霍尔传感芯片(4)的电源端；

所述电源接口(8)的负极分别连接所述第一霍尔传感器芯片(3)、第二霍尔传感芯片(4)的接地端；

所述第一霍尔传感器芯片(3)的信号端连接所述第一信号输出端，所述第二霍尔传感芯片(4)的信号端连接所述第二信号输出端；

所述第一霍尔传感器芯片(3)的信号端通过第一上拉电阻R1连接所述电源接口(8)的正极，所述第二霍尔传感芯片(4)的信号端通过第二上拉电阻R2连接所述电源接口(8)的正极。

8.一种采用权利要求1-7任一项所述装置的测量流体方向的方法，包括以下步骤：

(S1)对所述测量流体方向的装置通电；

(S2)所述第一霍尔传感芯片感应所述磁环的磁极变化，并输出第一信号；所述第二霍尔传感芯片感应所述磁环的磁极变化，并输出第二信号；

(S3)所述第一信号、第二信号发送到所述信号特征比较电路；

(S4)所述信号特征比较电路判断所述第一信号和所述第二信号的相位差，如果第二信号的相位超前于第一信号的相位，则判断磁环为逆时针方向转动；如果第一信号的相位超前于第二信号的相位，则判断磁环为顺时针方向转动。

9.如权力要求8所述的流体方向测量方法，其特征是，还包括：

(S5)当所述第一信号和所述第二信号没有完成一个周期变化时，则判断磁环没有完成360°的旋转，处于小于360°的往复摆动状态。

10.如权利要求9所述的流体方向测量方法，其特征是，所述磁环(2)由两对异极相对的环形磁极构成，在所述磁环(2)上形成第一磁极交汇点(14)和第二磁极交汇点(15)两处四磁极连接点，所述第一磁极交汇点(14)和第二磁极交汇点(15)沿同一直径对称分布在所述磁环(2)上；所述周期包括顺时针周期和逆时针周期，变化状态为：

逆时针周期：

1)当磁环开始逆时针旋转，第一磁极交汇点对准第二霍尔传感芯片时，第二信号的电平由低电平跳变至高电平，第一信号的电平为低电平；

2)当磁环逆时针旋转90°，第一磁极交汇点对准第一霍尔传感芯片时，第一信号的电平由低电平跳变至高电平，第二信号的电平维持在高电平不变；

3)当磁环逆时针旋转180°，第二磁极交汇点对准第二霍尔传感芯片时，第二信号的电平由高电平跳变至低电平，第一信号的电平维持在高电平不变；

4)当磁环逆时针旋转270°，第二磁极交汇点对准第一霍尔传感芯片时，第一信号的电平由高电平跳变至低电平，第二信号的电平维持在低电平不变；

5)当磁环逆时针旋转360°，第一磁极交汇点对准第二霍尔传感芯片时，第二信号的电平由低电平跳变至高电平，第一信号的电平维持在低电平不变；

顺时针周期：

1)当磁环开始顺时针旋转，第一磁极交汇点对准第二霍尔传感芯片时，第一信号的电平由低电平跳变至高电平，第二信号的电平为低电平；

2)当磁环顺时针旋转90°，第二磁极交汇点对准第一霍尔传感芯片时，第二信号的电平由低电平跳变至高电平，第一信号的电平维持在高电平不变；

3)当磁环顺时针旋转180°，第二磁极交汇点对准第二霍尔传感芯片时，第一信号的电平由高电平跳变至低电平，第二信号的电平维持在高电平不变；

4)当磁环顺时针旋转270°，第一磁极交汇点对准第一霍尔传感芯片时，第二信号的电平由高电平跳变至低电平，第一信号的电平维持在低电平不变；

5)当磁环顺时针旋转360°，第一磁极交汇点对准第二霍尔传感芯片时，第一信号的电平由低电平跳变至高电平，第二信号的电平维持在低电平不变。