CN108645463A - 一种基于无磁NB-IoT物联网水表的新型计量阻尼片 - Google Patents

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祝向辉
张军虎
陈强
周鹭鹏
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    • G01F1/56—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects
    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开一种基于无磁NB‑IoT物联网水表的新型计量阻尼片，包括有阻尼片基板，所述阻尼片基板上环绕形成有金属线圈，所述金属线圈的两端并联有第一电容，所述金属线圈和第一电容构成无源LC振荡器，籍此，其通过对计量阻尼片的整体结构巧妙合理设计，增强阻尼片对电感产生的电磁波的吸收效应，以此来达到增强谐振回路的阻尼系数的目的，提高计量的可靠性与适应性，计量更精确。

Description

一种基于无磁NB-IoT物联网水表的新型计量阻尼片
技术领域
本发明涉及水表上的阻尼片配件，尤其是指一种基于无磁NB-IoT物联网水表的新型计量阻尼片。
背景技术
水表常规计量方式有两种：其一是有磁传感器测量，另一是无磁传感器测量。
有磁传感器测量：目前传统的水表方案主要采用霍尔、干簧管等有磁传感器进行流量检测，因此叶轮上需要带有永久磁铁，由于供水管道的生锈和水质比较差，叶轮上的磁铁很容易吸附水中的铁屑、铁锈等，并形成堆积，从而阻碍了叶轮的转动和增加了磨损，严重的甚至不能转动，大大影响水表的使用寿命。同时，由于长时间工作于环境温度的变化，磁铁磁力也会减弱，从而影响到采样的可靠性。
无磁传感器测量：如图1所示，其利用MCU 1与无磁计量技术相整合，无磁传感器测量是通过第二电容2和电感磁芯3构成一个LC震荡，定时给LC电路充电，充了电的LC电路形成一个衰减的正弦波，波形衰减的快慢会随叶轮上导电材料的位置变化而变化，那么这对这个变化的测量则就形成了对水流动量的计量；现有技术中，普遍采用铜或其他导电性能良好的金属材料铺设在叶轮4上形成阻尼片5以对电感磁芯震荡产生的电磁场能量进行吸收，但是其吸收能量的效率较低；而且，在电感磁芯距离叶轮距离非常近的条件下，普通的金属材料已经能极大的增强谐振回路的阻尼系数。然而由于工艺与物理机械结构的种种限制下，电感磁芯与叶轮的距离不能进一步缩短，则会造成距离越大，电感磁芯位于金属区域与非金属区域的阻尼系数就会越来越接近，主控计算出来的数字信号不能很好的区分出电感位于金属区域还是非金属区域，容易发生漏计或者多计，计量不精确。
因此，本发明专利申请中，申请人精心研究了一种基于无磁NB-IoT物联网水表的新型计量阻尼片来解决了上述问题。
发明内容
本发明针对上述现有技术所存在不足，主要目的在于提供一种基于无磁NB-IoT物联网水表的新型计量阻尼片，其通过对计量阻尼片的整体结构巧妙合理设计，增强阻尼片对电感产生的电磁波的吸收效应，以此来达到增强谐振回路的阻尼系数的目的，提高计量的可靠性与适应性，计量更精确。
为实现上述之目的，本发明采取如下技术方案：
一种基于无磁NB-IoT物联网水表的新型计量阻尼片，包括有阻尼片基板，所述阻尼片基板上环绕形成有金属线圈，所述金属线圈的两端并联有第一电容，所述金属线圈和第一电容构成无源LC振荡器。
作为一种优选方案，所述阻尼片基板为印制板，前述金属线圈于印制板上走线绕制而成。
作为一种优选方案，所述阻尼片基板为半圆形结构。
作为一种优选方案，所述阻尼片基板的厚度为0.4毫米。
作为一种优选方案，所述第一电容为1uF。
作为一种优选方案，所述阻尼片基板的圆心处有半圆形孔，所述金属线圈具有多个依次连接且自内往外环绕排布的走线组，所述走线组具有依次连接的第一弧形线段、第一纵向线段、第一横向线段、第二弧形线段、第二横向线段及第二纵向线段；第二弧形线段围绕半圆形孔外围布置；下一走线组的第一弧形线段连接于上一走线组的第二纵向线段。
作为一种优选方案，所述阻尼片基板上对应半圆形孔的两侧分别开设有定位孔，且，两个定位孔位于金属线圈的外侧。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，其主要是通过对计量阻尼片的整体结构巧妙合理设计，增强阻尼片对电感产生的电磁波的吸收效应，以此来达到增强谐振回路的阻尼系数的目的，同时，能迅速将吸收的能量耗散出去，重新变为磁不饱和状态，进一步吸收能量；当电感磁芯位于金属区域与非金属区域时，计算出来的数字信号差值非常大，进而可以适当拉大电感磁芯到计量阻尼片的距离，从而解决电感和叶轮之间的距离问题，降低了结构要求，具有计量更精确、稳定性更高和适应性更强等特点。
为更清楚地阐述本发明的结构特征、技术手段及其所达到的具体目的和功能，下面结合附图与具体实施例来对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是现有技术中较具代表性的一种用于水表的无磁计量原理图；
图2是本发明之实施例中新型计量阻尼片的结构示意图。
附图标识说明：
1、MCU 2、第二电容
3、电感磁芯 4、叶轮
5、阻尼片
10、阻尼片基板 11、半圆形孔
12、定位孔 20、金属线圈
21、第一弧形线段 22、第一纵向线段
23、第一横向线段 24、第二弧形线段
25、第二横向线段 26、第二纵向线段
30、第一电容。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步描述。
如图2所示，一种基于无磁NB-IoT物联网水表的新型计量阻尼片，基于背景技术中在距离无法进一步降低的情况下，本文中提供的新技术方案，是从阻尼片的材料与形态上入手，增强阻尼片对电感产生的电磁波的吸收效应，以此来达到增强谐振回路的阻尼系数的目的。
具体而言：所述新型计量阻尼片包括有阻尼片基板10，所述阻尼片基板10上环绕形成有金属线圈20，所述金属线圈20的两端并联有第一电容30，优选地，所述第一电容30为1uF；所述金属线圈20和第一电容30构成无源LC振荡器；所述阻尼片基板10为印制板，优选地，所述阻尼片基板10的厚度为0.4毫米；前述金属线圈20于印制板上走线绕制而成。
具体请参照图2所示，所述阻尼片基板10为半圆形结构，在本实施例中，所述阻尼片基板10的圆心处有半圆形孔11，所述金属线圈20具有多个依次连接且自内往外环绕排布的走线组，所述走线组具有依次连接的第一弧形线段21、第一纵向线段22、第一横向线段23、第二弧形线段24、第二横向线段25及第二纵向线段26；第二弧形线段24围绕半圆形孔11外围布置；下一走线组的第一弧形线段连接于上一走线组的第二纵向线段，所述阻尼片基板10上对应半圆形孔的两侧分别开设有定位孔12，且，两个定位孔12位于金属线圈20的外侧。
所述新型计量阻尼片装设于叶轮上，当叶轮旋转到电感底部的时候，电感磁芯端发出的振荡电磁波，通过电磁感应将能量转移到叶轮上面的无源振荡器，此时无源振荡器起振，由于电感磁芯对磁场的集束效应，有源振荡器的能量被快速转移到无源振荡器，无源振荡器线圈的磁通量很快饱和。由于金属线圈20面积大，同时没有磁芯的集束效应，无源振荡器的能量迅速耗散出去，此时无源振荡器的能量急剧衰减，金属线圈20的磁通量很快由饱和状态转换为非饱和态，继续吸收有源振荡器的能量，此过程反复进行，有源振荡器的能量被高速耗散。
需要说明的是，为提高有源LC振荡器向无源LC振荡器能量转移的效率，从原理上分析振荡频率越接近，电磁波越容易共振，即能量转移的效率越高；因此，无源振荡器的振荡频率接近有源振荡器的振荡频率。
由于金属线圈的电感不容易精确掌控，在确定无源LC振荡器的振荡频率中我们主要调整第一电容的值来实现；参考公式为，其中，；在理想LC振荡回路中，实际中振荡角频率是小于的；由于无源LC振荡器和有源LC振荡器的，难以量化，在推导实际电容值的过程中，取相同频率下比较接近的电容值进行测试；由有源LC振荡器的振荡频率计算公式，可知，要保持相同频率，LC = L0C0，其中L0和C0分别为有源LC振荡器的电感值和电容值；L和C分别为无源LC振荡器的电感值和电容值；实测中，L0 = 470uH，C0 = 750pF，L=0.63uH，计算可得：C= L0C0/L=560nF，实际运行中有源LC振荡器的电感由于磁芯的存在，其阻尼系数比无源LC振荡器大，参考公式为，为了使无源LC振荡器的实际振荡频率尽量接近有源LC振荡器，需满足：LC> L0C0，即应满足C>560nF。在使用相同LC元件的条件下,更换阻尼片之后电感位于阻尼区域与非阻尼区域计算出来的数字信号差值提高了100%以上，测试数据如表1所示：
为方便描述，定义如下术语：
CH0_H：第一路LC谐振回路在没有阻尼片遮挡的情况下震荡波在特定时间范围内最高电压值对应的数字信号值；
CH0_L：第一路LC谐振回路在完全被阻尼片遮挡的情况下震荡波在特定时间范围内最高电压值对应的数字信号值；
CH1_H：第二路LC谐振回路在没有阻尼片遮挡的情况下震荡波在特定时间范围内最高电压值对应的数字信号值；
CH1_L：第二路LC谐振回路在完全被阻尼片遮挡的情况下震荡波在特定时间范围内最高电压值对应的数字信号值；
CH0Δ：CH0_H与CH0_L的差值；
CH1Δ：CH1_H与CH1_L的差值；
其中CH0Δ与CH1Δ的数值越大，计量越精准也越可靠，即对应的阻尼片性能越好。
为了满足最基本的计量要求CH0Δ和CH1Δ不能低于60，使用新型PCB阻尼片，在同样的条件下CH0Δ和CH1Δ能达到250左右，这样对结构与装配提供了更高的适应性。
在评估不同阻尼片的效果过程中，设计如下实验：
将三个通道LC谐振回路中的电感固定在设计好的模具上，按120°分布；
将模具固定在基表上；
利用风机使叶轮完全遮挡其中一个电感；
利用编写的程序读取三个通道当前震荡波对应的数字信号值；
名词描述：
CH0:第一路LC谐振回路在当前条件下情况下震荡波在特定时间范围内最高电压值对应的数字信号值；
CH1:第尔路LC谐振回路在当前条件下情况下震荡波在特定时间范围内最高电压值对应的数字信号值；
CH2:第三路LC谐振回路在当前条件下情况下震荡波在特定时间范围内最高电压值对应的数字信号值；
CHΔ: CH0、CH1和CH2三个值最大值与最小值的差值；
其中CHΔ数值越大对应的阻尼片性能越好。
测试数据如表2所示：
结论分析：通过测试数据可知C = 1000nF时，CHΔ最大，即阻尼片性能最高。
本发明设计要点在于，其主要是通过对计量阻尼片的整体结构巧妙合理设计，增强阻尼片对电感产生的电磁波的吸收效应，以此来达到增强谐振回路的阻尼系数的目的，同时，能迅速将吸收的能量耗散出去，重新变为磁不饱和状态，进一步吸收能量；当电感磁芯位于金属区域与非金属区域时，计算出来的数字信号差值非常大，进而可以适当拉大电感磁芯到计量阻尼片的距离，从而解决电感和叶轮之间的距离问题，降低了结构要求，具有计量更精确、稳定性更高和适应性更强等特点。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种基于无磁NB-IoT物联网水表的新型计量阻尼片，其特征在于：包括有阻尼片基板，所述阻尼片基板上环绕形成有金属线圈，所述金属线圈的两端并联有第一电容，所述金属线圈和第一电容构成无源LC振荡器。
2.根据权利要求1所述的一种基于无磁NB-IoT物联网水表的新型计量阻尼片，其特征在于：所述阻尼片基板为印制板，前述金属线圈于印制板上走线绕制而成。
3.根据权利要求2所述的一种基于无磁NB-IoT物联网水表的新型计量阻尼片，其特征在于：所述阻尼片基板为半圆形结构。
4.根据权利要求3所述的一种基于无磁NB-IoT物联网水表的新型计量阻尼片，其特征在于：所述阻尼片基板的厚度为0.4毫米。
5.根据权利要求1所述的一种基于无磁NB-IoT物联网水表的新型计量阻尼片，其特征在于：所述第一电容为1uF。
6.根据权利要求3所述的一种基于无磁NB-IoT物联网水表的新型计量阻尼片，其特征在于：所述阻尼片基板的圆心处有半圆形孔，所述金属线圈具有多个依次连接且自内往外环绕排布的走线组，所述走线组具有依次连接的第一弧形线段、第一纵向线段、第一横向线段、第二弧形线段、第二横向线段及第二纵向线段；第二弧形线段围绕半圆形孔外围布置；下一走线组的第一弧形线段连接于上一走线组的第二纵向线段。
7.根据权利要求6所述的一种基于无磁NB-IoT物联网水表的新型计量阻尼片，其特征在于：所述阻尼片基板上对应半圆形孔的两侧分别开设有定位孔，且，两个定位孔位于金属线圈的外侧。
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