CN107525548B - 自发电蹼轮流量计 - Google Patents

Abstract

一种自发电蹼轮流量计，用以感知管路内流体状态，其包含主控制器、电力转换模块、信号处理模块、旋转组件、线圈及霍尔感知器。旋转组件包含设有磁性件的多个叶片，当叶片受流体推动时，线圈及电力转换模块配合输出直流电力以驱动主控制器及信号处理模块，霍尔感知器及信号处理模块配合输出方波信号以供计算流体流速。

Description

自发电蹼轮流量计

技术领域

本发明是关于流量传感器，且特别是有关于自发电蹼轮流量计。

背景技术

蹼轮流量计(paddlewheel flowmeter)是一种流量感知器，其利用蹼轮受流体推动的速度以计算流体流速及流量。传统的蹼轮流量计必须外接至电源供应器以撷取运作时所需的电力；然而，一般自来水管路多设于地底下，故用以感知流量的蹼轮流量计也就必须设于地下自来水管道中，而这不便于与电源供应器的连接。

发明内容

本发明提供自发电蹼轮流量计，可于蹼轮转动时产生电力，不需靠外部电源供应器提供电力。

依据本发明提供一种自发电蹼轮流量计，用以感知管路内流体状态。自发电蹼轮流量计包含本体、主控制器、电力转换模块、信号处理模块、旋转组件、线圈及霍尔感知器；本体设置在管路的一侧并部分深入管路；主控制器设于本体中；电力转换模块设于本体中并电连接于主控制器；信号处理模块设于本体中并电连接于主控制器及电力转换模块；旋转组件组设于本体深入管路的部分中，旋转组件包含转轴及间隔设置在转轴周围的多个叶片，每个叶片上设有磁性件；线圈对应旋转组件设于本体中并电连接于电力转换模块；霍尔感知器对应旋转组件设于本体中并电连接于信号处理模块。当叶片受到流体推动而转动时，线圈会切割磁性件产生的磁力线并产生交流电能，交流电能经电力转换模块转换成直流电能后，用以驱动主控制器及信号处理模块；霍尔感知器感测磁性件的磁场变化，并输出相对应的霍尔电压信号，信号处理单元将霍尔电压信号整型后传递至主控制器，以供判断流体流速。

附图说明

图1绘示依照本发明第一实施方式的自发电蹼轮流量计的组合剖视图；

图2绘示依照本发明第一实施方式的自发电蹼轮流量计的电路方块图；

图3绘示依照本发明第一实施方式的压力感知件及第二放大电路的电路图；及

图4a-4d绘示依照本发明第一实施方式的自发电蹼轮流量计的运作时序图。

其中附图标记为：

1 自发电蹼轮流量计

10 本体

100 第一容置空间

102 第二容置空间

104 开孔

12 主控制器

14 霍尔感知器

16 信号处理模块

160 第一放大单元

162 史密特触发器

164 第二放大单元

166 信号转换单元

18 线圈

20 电力转换模块

200 整流器

202 直流/直流转换器

22 旋转组件

220 转轴

222 叶片

224 磁性件

24 蓄电池

26 充/放电控制器

28 第一电力调节单元

280 第一微控制器

282 第一电力调节器

30 第二电力调节单元

300 第二微控制器

302 第二电力调节器

32 无线传输模块

34 第三电力调节单元

340 第三微控制器

342 第三电力调节器

36 压力感知器

38A、38B 电路板

40 导线

P 管路

具体实施方式

请参阅图1及图2，其等分别绘示依照本发明的自发电蹼轮流量计的组合剖视图及电路方块图。在图1中，具自发电蹼轮流量计(以下称蹼轮流量计)1 用以感知管路P内流体的流量。蹼轮流量计1包含本体10、主控制器12、霍尔感知器14、信号处理模块16、线圈18、电力转换模块20及旋转组件22。

本体10设置在管路P的一侧并部分深入管路P。主控制器12、霍尔感知器14、信号处理模块16、线圈18及电力转换模块20皆设在本体10内；旋转组件22设置在本体10，用以接触管路P内的流体。

本体10可由陶瓷、可耐热高分子材料、复合材料或金属的任一者所制成。本体10包含第一容置空间100及第二容置空间102，当本体10组设在管路P 时，第二容置空间102与管路P的内部相连通。

主控制器12、霍尔感知器14、信号处理模块16、线圈18及电力转换模块 20设于第一容置空间100。霍尔感知器142为具有高可靠度及灵敏度的非接触式传感器，可用以将感应到的磁场变化转换成相对应的霍尔电压信号。信号处理单元16包含第一放大单元160及史密特触发器(Schmitt trigger)162，第一放大单元160电连接于霍尔感知器14，史密特触发器162电连接于第一放大单元 160及主控制器12。

电力转换模块20包含整流器200及直流/直流转换器202。整流器200电连接于线圈18；整流器200可例如为桥式整流器，并用以将交流电力转换成为直流电力。直流/直流转换器202电连接于整流器200，并用以调整整流器200 输出的直流电力的电压位准。

旋转组件22包含转轴220及间隔设置在转轴220周围的多个叶片222；在图1中，这些叶片222呈对称分布设置，藉以提供稳定且顺畅的旋转。每个叶片222上设有磁性件224，磁性件224嵌入在叶片222中而与流体隔绝，藉以避免磁性件224受流体的侵蚀；然而，在实际实施时，亦不排除将磁性件224 安装在叶片222的表面。磁性件224保持N极与S极交错排列；举例来说，在图1及图2中，纵向排列的磁性件224可以为N极永久磁铁，横向排列的磁性件224可以为S极永久磁铁。

当管路P内流体流经旋转组件22时，会带动叶片222旋转；在图1中，流体可例如是由左侧向右侧流动，并带动叶片222以逆时针方向旋转。

当叶片222转动时，霍尔感知器14依据磁性件224随叶片222转动时的磁场变化输出相对应的霍尔电压信号。第一放大电路160用以放大前述的霍尔电压信号。史密特触发器162用以判断放大后的霍尔电压信号是否大于预设参考电压以将霍尔电压信号整型为方波信号后传递至主控制器12。主控制器12利用前述方波信号的频率以进行流体流速，甚至是流体流量的运算。

此外，在叶片222转动时，通过线圈18的磁通量随时间改变，以产生交流电力。此交流电力经电力转换模块20转换成为直流电力后，以驱动主控制器 12及信号处理模块16。

蹼轮流量计1更包含蓄电池24及充/放电控制器26，蓄电池24用以储存直流电力；充/放电控制器26设在电力控制模块20的直流/直流转换器202及蓄电池24之间，用以于蓄电池24充饱电后，断开电力转换模块20与蓄电池 24间的连接，以达到保护蓄电池24的效果。在实际操作时，可由充/放电控制器26以预订时间间隔或不间断地侦测蓄电池24所储存的电力来判断蓄电池24 是否完成充电；或者，也可以是由蓄电池24在完成充电后，发出充电完成指令以指示充/放电控制器26断开直流电力。

蹼轮流量计1还可以包含第一电力调节单元28及第二电力调节单元30。第一电力调节单元28设于电力转换模块20的直流/直流转换器202及主控制器 12之间，并包含第一微控制器280及第一电力调节器282；第一微控制器280 电连接于直流/直流转换器202，用以控制直流电力传递至主控制器12的时机；第一电力调节器282电连接于第一微控制器280及主控制器12，用以改变直流电力的位准，以提供主控制器12适用电力。第二电力调节单元30包含第二微控制器300及第二电力调节器302；第二微控制器300电连接于主控制器12及蓄电池24，用以依据主控制器12发出的信号以控制直流电力传至给信号处理模块16的时机，第二电力调整器302电连接于第二微控制器300及信号处理模块16，用以改变直流电力的位准，以提供信号处理模块16适用电力。

蹼轮流量计1还更进一步包含无线传输模块32及第三电力调整单元34。第三电力调整单元34包含第三微控制器340及第三电力调节器342，第三微控制器340电连接于主控制器12及蓄电池24，第三电力调节器342电连接于无线传输模块32。第三微控制器340用以依据主控制器12发出的信号以控制直流电力传送给无线传输模块32的时机，第三电力调节器342用以调节直流电力的位准。

复参阅图1及图2，本发明的自发电蹼轮流量计1还包含压力感知器36。压力感知器36用以感测管路P的静态压力，藉以判断流体是否外泄。在此要特别说明的是，管路P的静态压力是指管路P内流体在不流动的状态下的压力；举例来说，若图1所绘示的管路P为自来水管路，其左侧连接至自来水厂，右侧连接是客户端，前述的静态压力是要感知客户端的阀门未被开启时管路P内的压力。当所感知的管路P的静态压力小于预设静态压力值时，例如管路P破裂时，便可以得知管路P发生泄漏情形。

在图1及图2中，压力感知器36设于本体10的第一容置空间102，并密封连通第一容置空间100及第二容置空间102的开孔104，用以接触管路P中的气体或液体。第二放大电路164电连接于压力感知件36，信号转换单元166 电连接于该第二放大电路164及主控制器12，并可例如为模拟/数字转换器。

可以使用如图3所示的惠斯登电桥(Wheatstone bridge)来实现，其包含电源 Vs、第一电阻器R₁、第二电阻器R₂、第三电阻器R₃及感知电阻器R_X。电源 Vs由蓄电池24经第二电力调节单元30提供；第一电阻器R₁及第二电阻器R₂串联连接后连接于电源Vs，第三电阻器R₃及感知电阻器R_X串联连接后连接于电源Vs。感知电阻器R_X可为应变体；当管路P内压力变化导致应变体变形时，则感知电阻器R_X的电阻值会产生变化。

一般来说，惠斯登电桥被设计使得当管路P内压力为预设静态压力时呈平衡状态，即其输出的电压(V_G)为零伏特；当管路P内压力不等于静态压力时，应变体产生变形使感知电阻器R_X的电阻值产生变化，则惠斯登电桥呈不平衡状态，使其输出的电压非为零伏特，即有电压差产生，此电压差可以下式表示:

前述电压差经第二放大器164放大后，再由信号转换单元166以将模拟形式的电压差信号转换为数字形式的方波信号后，再由主控制器12进行管路P 内静态压力的运算；主控制器12也可依据前述运算所得到的静态压力以判断流体泄漏量。

复参阅图1，蹼轮流量计1尚可包含电路板38A、38B，电路板38A和38B 可以通过导线40而达到电连接的效果。在图1中，线圈18、电力转换模块20、蓄电池24及充/放电控制器26设于电路板38A，并利用预先形成在电路板上的布线而达到电连接的效果。主控制器12、霍尔感知器14、信号转换单元16、第一电力调节单元28、第二电力调节单元30、无线传输模块32及第三电力调节单元34分别设于电路板38B，并利用预先形成在电路板上的布线而达到电连接的效果。藉此，可以避免发电回路及供电回路间非必要的电气干扰。然而，在实际实施时，电路板38A和38B也可以为非分离式设计，藉以缩减蹼轮流量计1的体积。

在实际操作时，蹼轮流量计1的叶片222会受流体带动时，在图4a所示的时间点t1～t2，叶片222以第一周期P1转动，在时间点t2之后，叶片222以第二周期P2转动。图4b绘示电力转换模块20的输出电流，此输出电流跟随叶片222转动周期变化；图4d绘示电力转换模块20的输出电压，此输出电压随着叶片222的转动次数增加而上升。

当电力转换模块20输出的电压大于第一预设电压V1时(如图4d时间点t3 所示)，第一电力调节单元28发出触发信号TRI(如图4c所示)以启动主控制器 12，执行补偿程序以对主控制器12启动前的流体流量进行运算。

在此要特别说明的是，在管路P内的流体流速过低时，电力转换模块20 输出的电力并无法驱动主控制器12(如图4d 所示时间点0～t1)，则蹼轮流量计1 便无法进行流体流量的感知；因此，在图4d 所示之时间点0～t2之间的流体流量(以下称前置流量)只有主控制器12被启动后通过执行补偿程序来获得。主控制器12启动后，流体的流量可以藉由霍尔感知器14产生的霍尔电压信号进行运作。

主控制器12在执行补偿程序时，会记录电力转换模块20的输出的直流电力等于第一预设值V1时的启动时间(即图4d 所示时间点t3)，以及电力转换模块20的输出电力等于第二预设值V2的截止时间(即时间点t4)，并利用第一预设值V1及第二预设值V2的斜率变化对流体的前置流量进行运算；第一预设值 V1及第二预设值V2的斜率变化可以下式表示之:

简言之，主控制器12通过电力转换模块20的输出电力由第一预设值V1 变化至第二预设值V2间的时间差值以对前置流量做运作，达到线性补偿的效果。然而，在实际实施时，主控制器12也可以使用内建的查找表以对流体的前置流量进行非线性补偿。

在实际操作时，蹼轮式流量计1的主控制器12启动后，优先完成前置流量补偿；之后，进行管路P内静态压力的感知；最后，再藉由霍尔感知器14以感知流体流速。当然，藉由流体的流速及在前获得的前置流量便可以得知流体的整体流量。

虽然本发明已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (7)

1.一种自发电蹼轮流量计，用以感知一管路内流体状态，其特征在于，该自发电蹼轮流量计包含:

一本体，设置在该管路的一侧并部分深入该管路；

一主控制器，设于该本体中；

一电力转换模块，设于该本体中并电连接于该主控制器；

一信号处理模块，设于该本体中并电连接于该主控制器及该电力转换模块；

一旋转组件，组设于该本体深入该管路的部分中，该旋转组件包含一转轴及间隔设置在该转轴周围的多个叶片，所述多个叶片上均设有一个磁性件；

一线圈，对应该旋转组件设于该本体中并电连接于该电力转换模块；

一霍尔感知器，对应该旋转组件设于该本体中并电连接于该信号处理模块；

一第一电力调节单元，电连接于该主控制器；

一第二电力调节单元，电连接于该信号处理模块；及

一第三电力调节单元，电连接于该主控制器，

其中，该信号处理模块包含；

一第一放大单元，电连接于该霍尔感知器；

一史密特触发器，电连接于该第一放大单元及该主控制器；

一信号转换单元，电连接于该主控制器；及

一第二放大单元，电连接于该信号转换单元，

其中，当所述多个叶片受到流体推动而转动时，该线圈会切割所述多个磁性件产生的磁力线并产生一交流电力，该交流电力经该电力转换模块转换成一直流电力，并用以驱动该主控制器及该信号处理模块；

该霍尔感知器感测该磁性件的磁场变化，并输出相对应的一霍尔电压信号，该信号处理单元将该霍尔电压信号整型后传递至该主控制器，以供判断流体流速及该主控制器被启动后的流体流量大小;

该主控制器利用该电力转换模块输出的该直流电力由一第一预设值变化至一第二预设值的一时间差值、该第一预设值及该第二预设值，以对该主控制器被启动前的前置流量进行补偿，当该电力转换模块输出的该直流电力等于该第一预设值时，该主控制器被启动。

2.如权利要求1所述的自发电蹼轮流量计，其特征在于，该电力转换模块包含:

一整流器，电连接于该线圈；及

一直流/直流转换器，电连接于该整流器、该主控制器及该信号处理模块。

3.如权利要求2所述的自发电蹼轮流量计，其特征在于，更包含:

一蓄电池，电连接于该信号处理模块；及

一充/放电控制器，电连接于该直流/直流转换器及该蓄电池。

4.如权利要求3所述的自发电蹼轮流量计，其特征在于，更包含一无线传输模块，电连接于该主控制器及该蓄电池。

5.如权利要求1所述的自发电蹼轮流量计，其特征在于，更包含一压力感知器，电连接于该信号处理模块，并用以感知该管路的静态压力。

6.如权利要求1所述的自发电蹼轮流量计，其特征在于，所述多个磁性件是嵌入所述多个叶片中，并与该流体隔绝。

7.如权利要求5所述的自发电蹼轮流量计，其特征在于，于该主控制器被启动后，依次进行一前置流量补偿程序、一静态压力感知程序及一流速感知程序，其中该前置流量补偿程序用以运作该自发电蹼轮流量计的前置流量，该静态压力感知程序用以感知该管路内的静态压力，该流速感知程序用以感知该管路内流体的流速。