CN106556446B - 一种管网自动化监测的流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流量计，包括：壳体，包括检测部；流量感应件，具有一转轴，所述转轴绕一固定轴旋转，转轴的一端设有挡头，转轴的另一端设有永磁体，挡头位于壳体外且位于被测管道内，位于挡头与固定轴之间的转轴通过两对称设置的弹性元件连接于检测部的端口内壁；半球壳，设于检测部内且开口朝向检测部的端口，永磁体沿半球壳的内侧转动；霍尔传感器，用于检测永磁体的位置变化；检测电路，与霍尔传感器相连接，用于根据霍尔传感器输出的信号计算永磁体旋转的角度，以获得流体的流速和流动方向。本流量计支持水流方向检测、对供水流量突变反应灵敏、低功耗、低成本、安装方便。

Description

一种管网自动化监测的流量计

技术领域

本发明涉及配水管网技术领域，特别是涉及一种管网自动化监测的流量计。

背景技术

当前，集中供水工程的配水管网从主干管、分支干管到末梢，分布区域广阔(可达几十公里)，并且，管网根据用户分布，有着不同的扬程和走向。配水管网的监测对保障安全可靠的供水有着非常重要的意义。

配水管网的异常，如漏水、爆管、压力不够，都会影响用户的安全用水。一般来说，只要知道管网一些关键节点上的供水压力和流量(即流体的流速和方向)，通过相应的管网监测模型，就可以判断管网的整体供水健康状况。对于压力，当前通过高防护等级的压力传感器，配合GPRS等远程通信，比较容易实现。但仅仅压力一个指标只能判断某个区域是否供水正常，难以判断管网异常出现在哪一段管道之上。所以，如果同时监测压力、流量两个指标，就可以使得管网监测模型能力大大提升。监测点达到一定数量之后，出现管网异常时，可以自动分析可能出现问题的管段，为日常运行监管提供高效的手段。

对于水厂而言，对大面积分布的管网进行有效的实时监测是个难点。主要问题包括：距离远，供电困难，野外环境恶劣等。同时，当前流量计不仅成本高，而且防护等级难以达到管网监测野外恶劣环境的需要，并且现有的流量计并不支持水流方向的检测。一个供水工程(水厂)，如果要进行管网监测，就必须设置几十个点，才能有效的对整个配水管网进行覆盖，如果为每个监测点配置基础防护设施，那么成本就更加高昂。并且，由于流量计需要一直供电运行，也就难以满足野外使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种支持水流方向检测、对供水流量突变反应灵敏的管网自动化监测的流量计，该流量计能应用于配水管网中，且低功耗、低成本、安装方便。

为实现上述目的，本发明提供了一种流量计，包括：

壳体，包括检测部，所述检测部置于被测管道内；

流量感应件，具有一转轴，所述转轴绕一固定轴旋转，所述转轴的一端设有挡头，所述转轴的另一端设有永磁体，所述挡头位于所述壳体外且位于被测管道内，位于所述挡头与所述固定轴之间的所述转轴通过两对称设置的弹性元件连接于所述检测部的端口内壁；

半球壳，设于所述检测部内且开口朝向所述检测部的端口，所述半球壳的开口圆面的直径与所述固定轴的中心轴重合，所述永磁体沿所述半球壳的内侧转动；

霍尔传感器，设于所述半球壳上，用于检测所述永磁体的位置变化；

检测电路，设于所述半球壳的外侧的壳体内，并与所述霍尔传感器相连接，用于根据所述霍尔传感器输出的信号计算所述永磁体旋转的角度，以获得流体的流速和流动方向。

可选的，所述挡头为圆形片，或球体，所述流量。

可选的，所述壳体的主体呈圆筒型，且外表面设有螺纹，所述螺纹上设有紧固圈。

可选的，所述霍尔传感器的数量为两个，两个所述霍尔传感器分别设于所述开口圆面的直径的两端。

可选的，所述霍尔传感器的数量为三个，其中，两个所述霍尔传感器分别设于所述开口圆面的直径的两端，另一个设于所述半球壳的顶端，且三个所述霍尔传感器构成的平面与所述流量感应件旋转的平面重合。

可选的，所述壳体内位于所述半球壳外侧的区域内填充有环氧树脂。

可选的，所述弹性元件包括弹簧和调节螺丝，所述调节螺丝设于所述弹簧与所述端口内壁的连接处，用于调节所述弹簧的拉伸长度。

可选的，所述流量计的安装位置为所述转轴垂直于被测管道内流体的流动方向，且两所述弹性元件的中心线平行于被测管道内流体的流动方向。

可选的，所述壳体的尾端设有标志线，所述标志线与两所述弹性元件的中心线平行。

可选的，所述流量感应件、弹性元件、固定轴及所述半球壳内测均涂有防腐蚀、防锈蚀材料。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的流量计安装于被测管道中时，其挡头设置在被测管道的内部，挡头被管道内流体推动，会朝水流方向旋转，转轴另一端的永磁体随着挡头旋转相同的角度，当流体的流速突然增大或减小时，挡头收到的冲击力也会随之增大或减小，进而使永磁体的位置发生改变，霍尔传感器能够检测永磁体的位置信息，并以电压信号输出给检测电路，由检测电路根据预设参数计算出永磁体旋转的角度，从而判断流体流动方向以及流速大小。本流量计具备支持水流方向检测、对供水流量突变反应灵敏的功能。同时在本流量计中仅需要为霍尔传感器和检测电路提供微量的电源，实现了低功耗。另外，本流量计结构简单，各个元件成本偏低，因此，使得整个流量计的成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的流量计的立体图；

图2为本发明提供的流量计的内部结构示意图。

其中，1-壳体，11-检测部，12-螺纹，13-紧固圈，14--固定轴，2-被测管道，3-流量感应件，31-转轴，32-挡头，33-永磁体，34-弹性元件，4-半球壳，5-霍尔传感器，6-检测电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种支持水流方向检测、对供水流量突变反应灵敏的流量计，该流量计能应用于配水管网中，且低功耗、低成本、安装方便。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的流量计的立体图，图2为本发明提供的流量计的内部结构示意图，如图1-2所示，本发明提供的流量计，包括：

壳体1，包括检测部11，检测部11置于被测管道2内。在本实施例中，如图1所示，壳体1的主体呈圆筒型，且外表面设有螺纹12，螺纹12上设有紧固圈13。在使用本流量计检测流量时，通过螺纹12与被测管道2连接，方便安装，且可重复使用，节省安装时间。并且，该紧固圈13采用防水紧固圈，螺纹12连接后通过该紧固圈13进行锁紧、密封，防止流体外漏。

流量感应件3，具有一转轴31，转轴31绕一固定轴14旋转，转轴31的一端设有挡头32，转轴31的另一端设有永磁体33，挡头32位于壳体1外且位于被测管道2内，位于挡头32与固定轴14之间的转轴31通过两对称设置的弹性元件34连接于检测部11的端口内壁。

本实施例中，挡头32可以是圆形片，也可以是球体，挡头32的材料可以为塑料或是不锈钢，采用圆形结构是为了保证流量计使用时减少挡头32对流体的影响，以尽可能的提高流量检测的精度。

半球壳4，设于检测部11内且开口朝向检测部11的端口，半球壳4的开口圆面的直径与固定轴14的中心轴重合，永磁体33沿半球壳4的内侧转动；固定轴14的中心轴与半球壳4的开口圆面的直径重合，且固定轴14至永磁体33之间的长度小于半球壳4的球半径，使得转轴31绕固定轴14转动时不会碰撞半球壳4，也不会出现流速突然增大永磁体33偏转过大碰撞半球壳4的情况。

霍尔传感器5，设于半球壳4上，用于检测永磁体33的位置变化。在本实施例中，半球壳4上设置有三个霍尔传感器5，其中，两个霍尔传感器5分别设于开口圆面的直径的两端，另一个设于半球壳4的顶端，且三个霍尔传感器5构成的平面与流量感应件3旋转的平面重合，即，三个霍尔传感器分别设置于90°、0°和-90°的位置，那么这三个霍尔传感器5能够感知永磁体33的移动变化，当永磁体33移动时，三个线性霍尔传感器5能够输出不同的电压信号，通过对该电压信号进行处理，即可获得永磁体33旋转的角度，进而可以测出流体的流动方向和流速。

检测电路6，设于半球壳4的外侧的壳体1内，并与霍尔传感器5相连接，用于根据霍尔传感器5输出的信号计算永磁体33旋转的角度，以获得流体的流速和流动方向。

在本流量计使用时，流量计的安装位置为转轴31垂直于被测管道2内流体的流动方向，且两弹性元件34的中心线平行于被测管道2内流体的流动方向。当流体流动时，挡头32位于流体间，被流体推动，但由于固定轴14垂直于流体流动方向，使得挡头32只能在流动方向上偏转，同时由于弹性元件34的弹性限制的作用，使得偏转角度越大，挡头32受到的阻力越大，同时也代表着水流速度越大。永磁铁33与挡头32位于转轴31的两端，因此，永磁体33能够直接反映挡头的旋转角度。本实施例中的三个线性霍尔传感器5感知到永磁铁33的位置变化后会向检测电路6输出3个不同的电压值，检测电路6通过3个电压值分析判断永磁体33的位置，并计算出永磁体33旋转的角度，通过角度值的正负获得流动方向，通过旋转角度的大小反应流体流速变化的大小。

作为另一种可选的实施方式，与上述实施例不同的是，霍尔传感器5的数量为两个，两个霍尔传感器5分别设于开口圆面的直径的两端，用于获得两个永磁体33位置变化后的电压值，同样也可以计算出流体的流动方向和流速变化的大小。

在上述实施方式中，一种可选的实施方式为，所述弹性元件34包括弹簧和调节螺丝，调节螺丝设于弹簧与端口内壁的连接处，用于调节弹簧的拉伸长度。通过调节螺丝调整弹簧拉伸长度来调整张力，可以使得在没有水流时，转轴31处在中心位置，并且还可以同时调整上下两个弹簧的张力，使得挡头32在相同的流体冲击力下旋转不同的角度，实现流量计的量程和灵敏度可调。

在上述实施例中，所述壳体1内位于半球壳4外侧的区域内填充有环氧树脂，通过灌注环氧树脂进行密封处理，使得探头防护等级达到IP68，满足野外长时间浸水和地埋的安装方式。

需要说明的是，所述流量感应件3、弹性元件34、固定轴14及半球壳4内测均涂有防腐蚀、防锈蚀材料，壳体1采用塑料或金属材料，通过螺纹12方式的圆柱形方式，适合在被测管道2上旋转拧入安装，配合防水紧固圈13和尾部对引出信号线的保护结构，使得不仅安装方便，防护等级也能达到IP68。

另外，为了保证挡头32是沿水流方向摆动，需要弹性元件34的中心线平行于被测管道2内流体的流动方向，而在安装过程中，为了方便确定弹性元件的中心线是否平行于被测管道2内流体的流动方向，本流量计的壳体的尾端设有标志线，该标志线与两弹性元件34的中心线平行。

由于被测管道2直径差异、流速差异等因素，流量计应能够支持不同条件下的安装和检测需要。本流量计使用相同直径的圆筒形壳体1，改壳体的外直径选择12.7毫米以满足现场安装的辅助紧固件的方便。并根据不同的管道直径，提供不同壳体长度的流量计，使得挡头32能够安装到被测管道2的中心位置，达到最佳监测效果。同时，挡头32直径在4毫米-8毫米之间，可以更换不同直径的满足不同管径的被测管道的检测需要。如管道细，则挡片32也使用小直径，反之则使用大直径。而本流量计其他结构部件，全部使用统一规格的零件，满足大量低成本制造的要求。

挡头32和弹性元件34，直接影响了流量计的量程和精度。在高速流动的流体中，挡头32使用小直径，能够减小挡头32对应流体的阻力，精度下降，但量程提高；反之则精度提升、量程下降。同理，相同的流体速度时，弹性元件34调整张力强度大，对挡头32的限制力也大，使挡头32旋转的角度变小，精度下降但量程提高；反之则精度提升，量程下降。

在本流量计的生产制造过程中，对挡头32选择和弹簧的调节，实现了流量计具有量程和精度的可调的功能。对于实际产品，由于相关零件虽然规格统一，但元件必然存在差异。制造过程中，也不可能对弹簧进行精细的调整，使之张力保持一致。所以，每个成品或维修之后，都必须进行相关的参数匹配和校准，并记录到检测电路6中，才能正常工作。

经过霍尔传感器检测到的永磁体的位置信息，转换成电压信号后，传输到检测电路中，对于流体流量的获取方法具体如下：

1)检测台通过RS485接口电路与检测电路的信号输出端相连，向检测电路中的MCU控制器输入校准指令，使检测电路进入校准输出模式；

2)检测台控制挡头32自动调节旋转角度，控制霍尔传感器5检测永磁体33的位置，获得每个位置对应的3个霍尔传感器33的输出电压值，并通过滤波调整，拟合成对应关系为，并形成有效的3个数组数据；

3)检验台通过设定不同方向和不同流速样水对本流量计进行实验，根据设定的流速和流向以及检测的角度，形成对应关系为流速-角度的拟合曲线，并形成1组拟合数据。

4)检测台通过RS485接口电路将上述3条角度-电压的拟合曲线和1条流速-角度的拟合曲线传输到检测电路中，完成本流量计的参数标定。

5)使用时，输入被测管道直径，即可配合内部的参数，得到流体的流速与流向。

检测电路中包括微控制器MCU、AD转换器及信号采集模块，信号采集模块采集霍尔传感器的输出信号，并通过已标定参数的匹配算法，实现流体流量和流向的计算。

同时，检测电路通过RS485接口电路对外输出数字信息，通过Modbus RTU方式提供水流方向和流量值。检测电路支持直流9-28V供电，满足多种条件下的供电需要。外部可以通过提供间歇供电的方式，对流量计进行供电，满足按需检测的省电要求。

整个流量计结构简单，成品可以实现非常低的价格。一个小规模水厂安装管网监测点达到20个以上，相关费用非常低，完全满足目前国内农村供水工程的需要。当然，也可以满足城市供水工程监测需要。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种流量计，其特征在于，包括：壳体，包括检测部，所述检测部置于被测管道内；流量感应件，具有一转轴，所述转轴绕一固定轴旋转，所述转轴的一端设有挡头，所述转轴的另一端设有永磁体，所述挡头位于所述壳体外且位于被测管道内，位于所述挡头与所述固定轴之间的所述转轴通过两对称设置的弹性元件连接于所述检测部的端口内壁；半球壳，设于所述检测部内且开口朝向所述检测部的端口，所述半球壳的开口圆面的直径与所述固定轴的中心轴重合，所述永磁体沿所述半球壳的内侧转动，固定轴的中心轴与半球壳的开口圆面的直径重合，且固定轴至永磁体之间的长度小于半球壳的球半径，使得转轴绕固定轴转动时不会碰撞半球壳，也不会出现流速突然增大永磁体偏转过大碰撞半球壳的情况；霍尔传感器，设于所述半球壳上，霍尔传感器的数量为三个，其中，两个所述霍尔传感器分别设于所述开口圆面的直径的两端，另一个设于所述半球壳的顶端，且三个所述霍尔传感器构成的平面与所述流量感应件旋转的平面重合，用于检测所述永磁体的位置变化；三个霍尔传感器分别设置于90°、0°和-90°的位置，当永磁体移动时，三个线性霍尔传感器能够输出不同的电压信号，通过对该电压信号进行处理，即可获得永磁体旋转的角度，进而可以测出流体的流动方向和流速；检测电路，设于所述半球壳的外侧的壳体内，并与所述霍尔传感器相连接，用于通过霍尔传感器电压值分析判断永磁体的位置，并计算出永磁体旋转的角度，通过角度值的正负获得流动方向，通过旋转角度的大小反应流体流速变化的大小；

所述弹性元件包括弹簧和调节螺丝，所述调节螺丝设于所述弹簧与所述端口内壁的连接处，用于调节所述弹簧的拉伸长度；通过调节螺丝调整弹簧拉伸长度来调整张力，可以使得在没有水流时，转轴处在中心位置，并且还可以同时调整上下两个弹簧的张力，使得挡头在相同的流体冲击力下旋转不同的角度，实现流量计的量程和灵敏度可调；

挡头直径在4毫米-8毫米之间，可以更换不同直径的满足不同管径的被测管道的检测需要；

在流动的流体中，挡头使用小直径，能够减小挡头对应流体的阻力，精度下降，但量程提高；反之则精度提升、量程下降；相同的流体速度时，弹性元件调整张力强度大，对挡头的限制力也大，使挡头旋转的角度变小，精度下降但量程提高；反之则精度提升，量程下降。

2.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述挡头为圆形片，或球体。

3.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述壳体的主体呈圆筒型，且外表面设有螺纹，所述螺纹上设有紧固圈。

4.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述霍尔传感器的数量为两个，两个所述霍尔传感器分别设于所述开口圆面的直径的两端。

5.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述壳体内位于所述半球壳外侧的区域内填充有环氧树脂。

6.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述流量计的安装位置为所述转轴垂直于被测管道内流体的流动方向，且两所述弹性元件的中心线平行于被测管道内流体的流动方向。

7.根据权利要求6所述的流量计，其特征在于，所述壳体的尾端设有标志线，所述标志线与两所述弹性元件的中心线平行。

8.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述流量感应件、弹性元件、固定轴及所述半球壳内测均涂有防腐蚀、防锈蚀材料。