CN110274636A - 一种无磁水表流量检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种无磁水表流量检测装置及方法，包括两个设于阻尼振荡采样电路和带有定时器的单片机，两个阻尼振荡采样电路均与单片机相连，阻尼振荡采样电路包括LC放电控制电路、LC激励振荡控制电路、LC振荡电路、微分控制电路和积分电路，单片机分别与LC放电控制电路、LC激励振荡控制电路、LC振荡电路、微分控制电路和积分电路相连，LC放电控制电路、LC激励振荡控制电路和微分控制电路均与LC振荡电路相连。基于该装置的检测方法包括采样、接收电平段、电平段处理和计算，本发明的优点是：设有两个阻尼振荡采样电路，检测精确度高；只需要单片机具有定时器功能，单片机要求低；检测距离长，适用方位广；电路组成简单，使用元器件少，成本低。

Description

一种无磁水表流量检测装置及方法

技术领域

本发明涉及水表流量检测，尤其涉及一种无磁水表流量检测装置及方法。

背景技术

近些年来，智能远程自动抄表技术被大力倡导及应用，无磁水表也是智能仪表中重要的一类产品，无磁检测技术也逐渐趋于成熟。无磁水表的工作原理就是电涡流效应，目前市面上的无磁水表全都是利用电涡流效应对叶轮直接取样或者间接取样，进而计算出水流量或水流速等数据。

电涡流的产生需要金属导体在磁场中做切割磁感线运动，无磁水表中由电路控制L(电感)、C(电容)产生阻尼振荡从而在LC周边形成磁场，水表叶轮或者计数齿轮上面集成金属导体，水流会驱动叶轮或者计数齿轮做周期旋转运动，每次金属导体旋转到LC附近就会产生涡电流效应，由于涡电流会形成方向相反的磁场，反馈给LC会导致阻尼振荡的衰减系数增大。单片机根据阻尼振荡的衰减系数周期性变化可以检测出水表叶轮或者计数齿轮的转速或转数。阻尼振荡是模拟信号，需要经过数字化处理才可转换为计量数据。无磁水表中由于叶轮旋转导致金属导体的位置不确定，因此需要区分两种情况的阻尼振荡：一种是有涡电流反馈的振荡并且衰减较快；另一种是无涡电流反馈的振荡并且衰减较慢。

目前，无磁水表流量检测大多采用TI公司MSP430单片机的套片方案，该方案存有检测距离短、成本高的缺点。

发明内容

本发明主要解决了上述问题，提供了一种检测距离长，成本低的无磁水表流量检测装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种无磁水表流量检测装置，包括两个设于无磁水表叶轮上方的阻尼振荡采样电路和带有定时器的单片机，两个阻尼振荡采样电路均与单片机相连，所述阻尼振荡采样电路包括LC放电控制电路、LC激励振荡控制电路、LC振荡电路、微分控制电路和积分电路，所述单片机分别与LC放电控制电路第一输入端、LC激励振荡控制电路第一输入端、LC振荡电路输入端和微分控制电路第一输入端相连，LC放电控制电路第二输入端和LC激励振荡控制电路第二输入端均与LC振荡电路输出端相连，LC振荡电路输出端还与微分控制电路第二输入端相连，微分控制电路输出端与积分电路输入端相连，积分电路输出端与单片机输入端相连。

无磁水表叶轮面向阻尼振荡采样电路的一面，一半为绝缘面另一半为导电面，阻尼振荡采样电路在绝缘面和导电面上采集的波形不同，且阻尼振荡采样电路只能采集到这两种波形，根据阻尼振荡采样电路采集到波形的变化能够判断叶轮转动的圈数，结合单片机的定时器能够计算出无磁水表的流量。本发明中，采用LC振动电路进行检测，检测距离长，对单片机要求低，只需要单片机具有定时器功能，能够降低单片机的成本。

作为上述方案的一种优选方案，所述的两个阻尼振荡采样电路的共用单片机的输出端，两个阻尼振荡采样电路的积分电路输出端与单片机的不同输入端相连。单片机同时控制两个阻尼振荡采样电路进行采样，保证采样能够同时进行。

作为上述方案的一种优选方案，所述的LC放电控制电路包括双向稳压管D1、场效应管Q1和二极管D2，所述场效应管Q1栅极与单片机第一输出端相连，场效应管Q1源极接地GND，场效应管Q1漏极与LC振荡电路输出端相连，二极管D2阳极与场效应管Q1源极相连，二极管D2阴极与场效应管Q1漏极相连，双向稳压二极管D1两端分别与场效应管Q1的栅极和源极相连。

作为上述方案的一种优选方案，所述的LC激励振荡控制电路包括场效应管Q2、双向稳压二级管D3、二极管D4和电阻R1，所述场效应管Q2栅极与单片机第二输出端相连，场效应管Q2源极接地GND，场效应管Q2漏极与电阻R1第一端相连,电阻R1第二端与LC振荡电路输出端相连，二极管D4阳极与场效应管Q2源极相连，二极管D4阴极与场效应管Q2漏极相连，双向稳压二极管D3两端分别与场效应管Q2的栅极和源极相连。

作为上述方案的一种优选方案，所述的LC振荡电路包括电感L1和电容C1，电感L1红和电容C1并联，该并联电路第一端与单片机第三输出端相连，该并联电路第二端分别与LC放电控制电路第二输入端、LC激励振荡控制电路第二输入端及微分控制电路第二输入端相连。

作为上述方案的一种优选方案，所述的微分控制电路包括电阻R2、R3、电容C2和三极管Q3，所述电容C2与电阻R3并联，该并联电路第一端与电阻R2第一端相连，该并联电路第二端与三极管Q3基极相连，电阻R2第二端与LC振荡电路相连，三极管Q3发射极与单片机第三输出端相连，三极管Q3集电极与积分电路输入端相连。

作为上述方案的一种优选方案，所述的积分电路包括电容C3和电阻R4，所述电容C3与电阻R4并联，该并联电路第一端分别与微分控制电路和单片机输入端相连，该并联电路第二端接地GND。

本发明还提供一种无磁水表流量检测方法，包括以下步骤：

S01：所述单片机在单位时间t内控制两个阻尼振荡采样电路进行n次采样；

S02：所述单片机接收两个阻尼振荡采样电路输出的电平段，形成循环变化的电平段组合；

S03：所述单片机检测到电平段组合完成一次循环变化时，记录该次循环变化期间内阻尼振荡采样电路采样次数N；

S04：根据公式计算无磁水表叶轮转速v从而得出无磁水表流量，a为电平段组合完成一次循环变化时叶轮转动的圈数。

作为上述方案的一种优选方案，所述单片机控制阻尼振荡采样电路进行采样包括以下步骤：

S11：所述单片机第一输出端输出低电平控制场效应管Q1关断；

S12：所述单片机第二输出端输出高电平控制场效应管Q2导通；

S13：所述单片机第三输出端输出高电平为所述LC振荡电路充电；

S14：所述LC振荡电路充电完成后，所述单片机第二输出端输出低电平控制场效应管Q2关断，在LC振荡电路输出端形成振荡波；

S15：振荡波通过所述微分控制电路和所述积分电路形成一段高电平段；

S16：该段高电平段作为数字信号直接输入单片机输入端。

本发明的优点是：设有两个阻尼振荡采样电路，检测精确度高；只需要单片机具有定时器功能，单片机要求低；阻尼振荡采样电路的检测距离长，适用范围广；阻尼振荡采样电路组成简单，使用元器件少，成本低。

附图说明

图1为本发明的一种原理框图。

图2为本发明中其中一个阻尼振荡采样电路的一种电路连接原理图。

图3为本发明中无磁水表流量检测方法的一种流程示意图。

图4为本发明中单片机控制阻尼振荡采样电路采样的一种流程示意图。

图5为本发明中阻尼振荡采样电路在叶轮导电区域内时LC振荡电路产生的一种波形图。

图6为本发明中阻尼振荡采样电路在叶轮绝缘区域内时LC振荡电路产生的一种波形图。

图7为本发明中单片机接收到阻尼振荡采样电路在叶轮导电区域内输出波形的一种波形图。

图8为本发明中单片机接收到阻尼振荡采样电路在叶轮绝缘区域内输出波形的一种波形图。

图9为本发明中阻尼振荡采样电路的一种安装示意图。

1-单片机 2-阻尼振荡采样电路 3-LC放电控制电路 4-LC激励振荡控制电路 5-LC振荡电路 6-微分控制电路 7-积分电路8-叶轮。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例：

本实施例一种无磁水表流量检测装置，如图1所示，包括两个设于无磁水表叶轮8上方的阻尼振荡采样电路2和带有定时器的单片机1，两个阻尼振荡采样电路均与单片机相连，所述阻尼振荡采样电路包括LC放电控制电路3、LC激励振荡控制电路4、LC振荡电路5、微分控制电路6和积分电路7，所述单片机分别与LC放电控制电路第一输入端、LC激励振荡控制电路第一输入端、LC振荡电路输入端和微分控制电路第一输入端相连，LC放电控制电路第二输入端和LC激励振荡控制电路第二输入端均与LC振荡电路输出端相连，LC振荡电路输出端还与微分控制电路第二输入端相连，微分控制电路输出端与积分电路输入端相连，积分电路输出端与单片机输入端相连。

所述的两个阻尼振荡采样电路的共用单片机的输出端，两个阻尼振荡采样电路的积分电路输出端与单片机的不同输入端相连。本实施例中设其中一个阻尼振荡采样电路为电路A，另一个阻尼振荡采样电路为电路B。

电路A的电路连接原理图，如图2所示，LC放电控制电路包括双向稳压管D1、场效应管Q1和二极管D2，所述场效应管Q1栅极与单片机第一输出端I/O_1相连，场效应管Q1源极接地GND，场效应管Q1漏极与LC振荡电路输出端相连，二极管D2阳极与场效应管Q1源极相连，二极管D2阴极与场效应管Q1漏极相连，双向稳压二极管D1两端分别与场效应管Q1的栅极和源极相连。

所述LC激励振荡控制电路包括场效应管Q2、双向稳压二级管D3、二极管D4和电阻R1，所述场效应管Q2栅极与单片机第二输出端I/O_2相连，场效应管Q2源极接地GND，场效应管Q2漏极与电阻R1第一端相连,电阻R1第二端与LC振荡电路输出端相连，二极管D4阳极与场效应管Q2源极相连，二极管D4阴极与场效应管Q2漏极相连，双向稳压二极管D3两端分别与场效应管Q2的栅极和源极相连。

所述的LC振荡电路包括电感L1和电容C1，电感L1红和电容C1并联，该并联电路第一端与单片机第三输出端I/O_3相连，该并联电路第二端分别与LC放电控制电路第二输入端、LC激励振荡控制电路第二输入端及微分控制电路第二输入端相连。

所述的微分控制电路包括电阻R2、R3、电容C2和三极管Q3，所述电容C2与电阻R3并联，该并联电路第一端与电阻R2第一端相连，该并联电路第二端与三极管Q3基极相连，电阻R2第二端与LC振荡电路相连，三极管Q3发射极与单片机第三输出端I/O_3相连，三极管Q3集电极与积分电路输入端相连。

所述的积分电路包括电容C3和电阻R4，所述电容C3与电阻R4并联，该并联电路第一端分别与微分控制电路和单片机输入端I/O_4相连，该并联电路第二端接地GND。电路B中积分电路与单片机输入端I/O_5相连，本实施例中所采用的单片机为STM8L系列的单片机，本实施中提及的单片机的第一输出端口I/O_1、第二输出端口I/O_2、第三输出端口I/O_3、输入端口I/O_4、输入端口I/O_5并不特指单片机中某一具体的端口，可根据需求选择单片机中不同的I/O口。

对应的，本实施例提出一种无磁水表流量检测方法，如图3所示，包括如下步骤：

S01：所述单片机在单位时间t内控制两个阻尼振荡采样电路进行n次采样；

S02：所述单片机接收两个阻尼振荡采样电路输出的电平段，形成循环变化的电平段组合；

S03：所述单片机检测到电平段组合完成一次循环变化时，记录该次循环变化期间内阻尼振荡采样电路采样次数N；

S04：根据公式计算无磁水表叶轮转速v从而得出无磁水表流量，a为电平段组合完成一次循环变化时叶轮转动的圈数。

如图4所示，所述单片机控制阻尼振荡采样电路进行采样包括以下步骤：

S11：所述单片机第一输出端输出低电平控制场效应管Q1关断，避免LC充电过程中场效应管Q1漏电；

S12：所述单片机第二输出端输出高电平控制场效应管Q2导通，为LC充电做准备；

S13：所述单片机第三输出端输出高电平为所述LC振荡电路充电，充电持续时间为1us，此时场效应管Q2处于导通状态，电感L1、电阻R1、场效应管Q2会有电流流过，由于电感L1存在内阻则电感L1两端会有电压差；

S14：所述LC振荡电路充电完成后，所述单片机第二输出端输出低电平控制场效应管Q2关断，电感L1、电阻R1、场效应管Q2的电路回路被切断，根据电感L1和电容C1自身特性会检测点T即LC电路输出端形成振荡波，因阻尼振荡采样电路所处位置的不同，振荡波为图5或图6中的一种；

S15：振荡波通过所述微分控制电路和所述积分电路形成一段高电平段；

S16：该段高电平段作为数字信号直接输入单片机输入端。

本实施例中，当阻尼振荡采样电路位于叶轮导电区域上方时，在阻尼振荡采样电路中检测点T处产生的波形如图5所示，此时阻尼振荡采样电路输入到单片机的波形如图7所示，单片机捕获到的高电平持续时间为T1；当阻尼振荡采样电路位于叶轮绝缘区域上方时，在阻尼振荡采样电路中检测点T处产生的波形如图6所示，此时阻尼振荡采样电路输入到单片机的波形如图8所示，单片机捕获到的高电平持续时间为T2；如图9所示，所述阻尼振荡采样电路安装在无磁水表叶轮上位6mm处，图中叶轮阴影部分为导电区域，叶轮空白部分为绝缘区域，电路A设置在叶轮导电区域上方，电路B设置在叶轮绝缘区域上方，电路A与叶轮圆心构成的直线和电路B与叶轮圆心构成的直线相互垂直，此时单片机自电路A接收到的高电平的持续时间为T1，自电路B接收到的高电平的持续时间为T2，随着叶轮顺时针转动，单片机自电路A、B接收到的高电平的持续时间组合依照T1、T2，T1、T1，T2、T1，T2、T2的规律循环变化，当叶轮持续转动后，从单片机开始接收到高电平持续时间组合为T1、T2的电平段组合时起至单片机开始接收高电平持续时间组合为T1、T2的电平段组合的这一段时间内，叶轮旋转了3/4圈，设完成一次上述变化的期间内单片机一共控制阻尼振荡采样电路采样了40次，而单片机每秒控制阻尼振荡采样电路采样8次，那么可以根据公式得出，该种情况下叶轮的转速是0.15圈/秒，已知叶轮转速，能够很容易的得出当前情况下无磁水表的流量。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种无磁水表流量检测装置，其特征是：包括两个设于无磁水表叶轮(8)上方的阻尼振荡采样电路(2)和带有定时器的单片机(1)，两个阻尼振荡采样电路均与单片机相连，所述阻尼振荡采样电路包括LC放电控制电路(3)、LC激励振荡控制电路(4)、LC振荡电路(5)、微分控制电路(6)和积分电路(7)，所述单片机分别与LC放电控制电路第一输入端、LC激励振荡控制电路第一输入端、LC振荡电路输入端和微分控制电路第一输入端相连，LC放电控制电路第二输入端和LC激励振荡控制电路第二输入端均与LC振荡电路输出端相连，LC振荡电路输出端还与微分控制电路第二输入端相连，微分控制电路输出端与积分电路输入端相连，积分电路输出端与单片机输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种无磁水表流量检测装置，其特征是：所述的两个阻尼振荡采样电路的共用单片机的输出端，两个阻尼振荡采样电路的积分电路输出端与单片机的不同输入端相连。

3.根据权利要求2所述的一种无磁水表流量检测装置，其特征是：所述的LC放电控制电路包括双向稳压管D1、场效应管Q1和二极管D2，所述场效应管Q1栅极与单片机第一输出端相连，场效应管Q1源极接地GND，场效应管Q1漏极与LC振荡电路输出端相连，二极管D2阳极与场效应管Q1源极相连，二极管D2阴极与场效应管Q1漏极相连，双向稳压二极管D1两端分别与场效应管Q1的栅极和源极相连。

4.根据权利要求2所述的一种无磁水表流量检测装置，其特征是：所述的LC激励振荡控制电路包括场效应管Q2、双向稳压二级管D3、二极管D4和电阻R1，所述场效应管Q2栅极与单片机第二输出端相连，场效应管Q2源极接地GND，场效应管Q2漏极与电阻R1第一端相连,电阻R1第二端与LC振荡电路输出端相连，二极管D4阳极与场效应管Q2源极相连，二极管D4阴极与场效应管Q2漏极相连，双向稳压二极管D3两端分别与场效应管Q2的栅极和源极相连。

5.根据权利要求1或3或4所述的一种无磁水表流量检测装置，其特征是：所述的LC振荡电路包括电感L1和电容C1，电感L1红和电容C1并联，该并联电路第一端与单片机第三输出端相连，该并联电路第二端分别与LC放电控制电路第二输入端、LC激励振荡控制电路第二输入端及微分控制电路第二输入端相连。

6.根据权利要求5所述的一种无磁水表流量检测装置，其特征是：所述的微分控制电路包括电阻R2、R3、电容C2和三极管Q3，所述电容C2与电阻R3并联，该并联电路第一端与电阻R2第一端相连，该并联电路第二端与三极管Q3基极相连，电阻R2第二端与LC振荡电路相连，三极管Q3发射极与单片机第三输出端相连，三极管Q3集电极与积分电路输入端相连。

7.根据权利要求1或6所述的一种无磁水表流量检测装置，其特征是：所述的积分电路包括电容C3和电阻R4，所述电容C3与电阻R4并联，该并联电路第一端分别与微分控制电路和单片机输入端相连，该并联电路第二端接地GND。

8.一种无磁水表流量检测方法，采用权利要求1-7中任一项所述的装置，其特征是：包括以下步骤：

S01：所述单片机在单位时间t内控制两个阻尼振荡采样电路进行n次采样；

S02：所述单片机接收两个阻尼振荡采样电路输出的电平段，形成循环变化的电平段组合；

S03：所述单片机检测到电平段组合完成一次循环变化时，记录该次循环变化期间内阻尼振荡采样电路采样次数N；

S04：根据公式计算无磁水表叶轮转速v从而得出无磁水表流量，a为电平段组合完成一次循环变化时叶轮转动的圈数。

9.根据权利要8所述的一种无磁水表流量检测方法，其特征是：所述单片机控制阻尼振荡采样电路进行采样包括以下步骤：

S11：所述单片机第一输出端输出低电平控制场效应管Q1关断；

S12：所述单片机第二输出端输出高电平控制场效应管Q2导通；

S13：所述单片机第三输出端输出高电平为所述LC振荡电路充电；

S14：所述LC振荡电路充电完成后，所述单片机第二输出端输出低电平控制场效应管Q2关断，在LC振荡电路输出端形成振荡波；

S15：振荡波通过所述微分控制电路和所述积分电路形成一段高电平段；

S16：该段高电平段作为数字信号直接输入单片机输入端。