CN110319898A - 一种电涡流机电转换装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电涡流机电转换装置及方法，其中电涡流机电转换装置包括部分金属化的圆盘、印制电路板、若干个感应线圈对、激励装置、以及测量装置，其中部分金属化的圆盘适于连接外部待测旋转部件并同步旋转，印制电路板与部分金属化的圆盘平行相对地设置，感应线圈对包括初级线圈和次级线圈，初级线圈和次级线圈分别同轴设置在印制电路板的正反两面，且各个感应线圈对的中心轴线与部分金属化的圆盘的中心轴线相平行，激励装置电连接于初级线圈，次级线圈电连接于测量装置，初级线圈和次级线圈通过互感作用相耦合，测量装置根据次级线圈的感应量变化输出测量信号。本发明结构简单，便于安装，且初、次级线圈之间的互感系数较大，功耗较低。
Description
技术领域
本发明涉及计量检测技术领域，更详而言之涉及一种电涡流机电转换装置及方法。
背景技术
一般来说，液体计量仪表基于旋转部件的转动进行液体流量、流速等数据的计量。因此，检测旋转部件进行转动的圈数、方向、速率等数据显得尤为重要。目前，基于电涡流效应实现水表机电(即机械量与电量)信号转换，是目前智能水表最常用的一种机电转换方式。它既可以实现累积流量转换，也可以进行瞬时流量转换。
但是，现有的基于电涡流原理进行机电转换的装置还存在着一些缺陷。存在这样的现有方案，激励线圈和感知线圈为一体式的立体结构设计，需要较大的安装空间，不便于安装，且线圈的制造成本较大，性价比较低。
公开号为CN101137892A的现有专利公开了一种感应式角位传感器，其包括适于围绕自身转轴旋转的部分金属化的圆盘、初级线圈、以及几个次级线圈，所述次级线圈相对于所述转轴基本上对称地成对布置，以形成一对或多对次级线圈，从而每对所述次级线圈一方面相对于彼此串联并反相地彼此连接，而另一方面连接到测量装置的终端，该测量装置能产生取决于在所述对的终端处的电压的输出信号，所述初级线圈围绕所述次级线圈。该方案采用印制板方式的平面电感线圈，虽然所需的安装空间较小，但是由于初级线圈和次级线圈的中心轴并不重合，因此初级线圈和次级线圈的互感系数较低，不利于激励信号从初级线圈耦合到次级线圈，存在较大的功耗损失。另外，这样的结构也限制了线圈与被测物之间的有效作用距离，不利于增加线圈对被测物的作用距离。
还值得一提的，上述两个方案均没有考虑静磁干扰的问题，当受到外界静磁场干扰时，感知线圈信号就会出错，导致机电转换装置产生较大转换误差，影响水表的正常使用。
综上所述，本领域亟需一种新的电涡流机电转换装置及方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种电涡流机电转换装置及方法，结构简单，所需安装空间较小，便于安装，成本较低，性价比较高。
本发明的另一个目的在于提供一种电涡流机电转换装置及方法，初级线圈和次级线圈之间的互感系数较大，功耗较低，电感线圈的有效作用距离较大。
本发明的另一个目的在于提供一种电涡流机电转换装置及方法，能有效排除外界静磁场的干扰，避免出现较大的计量误差，确保计量的准确性。
本发明的另一个目的在于提供一种电涡流机电转换装置及方法，产生的电涡流较强，对次级线圈的反作用能力较大，有利于提高计量准确性。
依本发明的一个方面，本发明提供一种电涡流机电转换装置，其包括：
部分金属化的圆盘、印制电路板、若干个感应线圈对、激励装置、以及测量装置，其中所述部分金属化的圆盘适于连接外部待测旋转部件并同步旋转，所述印制电路板与所述部分金属化的圆盘平行相对地设置，所述感应线圈对包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈和所述次级线圈分别同轴设置在所述印制电路板的正反两面，且各个所述感应线圈对的中心轴线与所述部分金属化的圆盘的中心轴线相平行；
所述激励装置电连接于所述初级线圈，所述次级线圈电连接于所述测量装置，所述初级线圈和所述次级线圈通过互感作用相耦合，所述测量装置根据所述次级线圈的感应量变化输出测量信号。
根据本发明的优选实施例，所述部分金属化的圆盘包括非金属圆盘和半圆形金属片，所述半圆形金属片设置在所述非金属圆盘表面且与所述非金属圆盘同圆心。
优选地，所述半圆形金属片由银、银合金、铜、或铜合金中的一种材料制成，电阻率较低，以产生较大的电涡流。
优选地，所述半圆形金属片的厚度为0.1毫米～2.0毫米。
优选地，所述感应线圈对的数量为奇数或偶数，各个所述感应线圈对所构成的中心轴线与所述部分金属化的圆盘的中心轴线相重合。
优选地，所述印制电路板的外围设置有磁屏蔽罩，能够对外界静磁场的干扰进行屏蔽。
优选地，所述部分金属化的圆盘的外围设置有磁屏蔽环，能够对外界静磁场的干扰进行屏蔽。
依本发明的另一个方面，本发明进一步提供一种电涡流机电转换方法，其包括以下步骤：
(S1)提供部分金属化的圆盘，并将其连接于待测旋转部件；
(S2)提供印制电路板，在所述印制电路板设置若干个对初级线圈和次级线圈，所述初级线圈和所述次级线圈分别同轴设置在所述印制电路板的正反两面；
(S3)将所述印制电路板与所述部分金属化的圆盘相对平行地设置，且各个线圈对的中心轴线与所述部分金属化的圆盘的中心轴线相平行；
(S4)对所述初级线圈通入交变激励电流，检测分析所述次级线圈的感应量变化并输出测量信号。
优选地，各个线圈对所构成的中心轴线与所述部分金属化的圆盘的中心轴线相重合。
根据本发明的优选实施例，本发明的所述电涡流机电转换方法进一步包括步骤(S5)：在所述印制电路板的外围设置磁屏蔽罩，在所述部分金属化的圆盘的外围设置磁屏蔽环，从而对外界静磁场的干扰进行屏蔽。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：初级线圈和次级线圈分别同轴设置在印制电路板的正反两面，所需的安装空间较小，便于安装，且同轴的结构使得初级线圈和次级线圈之间的互感较大，功耗较低，电感线圈的有效作用距离较大；半圆形金属片的电阻率较低且厚度较大，使得产生的电涡流较强，对次级线圈的反作用能力较大，有利于提高计量准确性；设置的磁屏蔽结构能有效排除外界静磁场的干扰，避免出现较大的计量误差。
本发明的上述以及其它目的、特征、优点将通过下面的详细说明和附图进一步明确。
附图说明
图1是根据本发明优选实施例的电涡流机电转换装置的结构示意图；
图2是根据本发明优选实施例的印制电路板的俯视图；
图3是根据本发明优选实施例的感应线圈对处于非金属区域上方时和处于金属区域上方时的信号波形图；
图4是根据本发明优选实施例的测量装置的测量过程示意图；
图中：部分金属化的圆盘10；非金属圆盘11；半圆形金属片12；印制电路板20；初级线圈31；次级线圈32；磁屏蔽罩41；磁屏蔽环42；水表表壳50；玻璃51。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
参看附图之图1至图4，根据本发明优选实施例的电涡流机电转换装置及方法将在接下来的描述中被阐明。
如附图1和附图2所示，所述电涡流机电转换装置包括部分金属化的圆盘10、印制电路板20、若干个感应线圈对、激励装置(图中未示出)、以及测量装置(图中未示出)。
所述部分金属化的圆盘10适于连接外部待测旋转部件并同步旋转，所述印制电路板20与所述部分金属化的圆盘10平行相对地设置。以水表的应用场景为例，如附图1所示，所述部分金属化的圆盘10设置在水表表壳50内，并适于连接于水表内用于计量的旋转部件，所述部分金属化的圆盘10与水表内的旋转部件保持同步旋转。所述印制电路板20设置在水表表壳50的玻璃51上，并且与所述部分金属化的圆盘10平行相对。
本领域技术人员容易理解的是，所述外部待测旋转部件不仅仅限定于水表内用于计量的旋转部件，本发明提供的所述电涡流机电转换装置同样适用于其他应用场景中的旋转部件的机电转换。
进一步地，所述感应线圈对包括初级线圈31和次级线圈32。所述初级线圈31和所述次级线圈32分别同轴设置在所述印制电路板20的正反两面，且各个所述感应线圈对的中心轴线与所述部分金属化的圆盘10的中心轴线相平行。
如附图2所示，在本优选实施例中，所述感应线圈对的数量为4对，均匀布置在所述印制电路板20，各个所述感应线圈对所构成的中心轴线与所述部分金属化的圆盘10的中心轴线相重合。
容易理解的是，所述感应线圈对的数量在本发明中不受限制，通过增加所述感应线圈对的数量可以提高电涡流转换的识别分辨力。本优选实施例以所述感应线圈对的数量是4对以例来阐述和揭露本发明的所述电涡流机电转换装置的内容和特征，但所述感应线圈对的数量是4对并不能被视为对本发明的所述电涡流机电转换装置的内容和范围的限制。可选地，在本发明的其他可能的示例中，所述感应线圈对的数量也可以但不限于被实施为3对、5对、6对等。
作为一种优选的实施方式，在本实施例中，所述部分金属化的圆盘10包括非金属圆盘11和半圆形金属片12。所述非金属圆盘11适于连接外部的待测旋转部件，所述半圆形金属片12通过卡嵌的方式设置在所述非金属圆盘11表面且与所述非金属圆盘11同圆心。
进一步地，所述激励装置电连接于所述初级线圈31，所述次级线圈32电连接于所述测量装置，所述初级线圈31和所述次级线圈32通过互感作用相耦合，所述测量装置根据所述次级线圈32的感应量变化输出测量信号。利用电涡流效应，将水表旋转部件的旋转量转化为若干个次级线圈32感应量的变化，例如阻抗变化、电感变化、以及品质因数等，从而实现机电转换的目的。
值得一提的是，所述初级线圈31和所述次级线圈32分别同轴设置在所述印制电路板20的正反两面，所需的安装空间较小，结构简单，便于安装，且同轴的结构使得所述初级线圈31和所述次级线圈32之间的互感较大，功耗较低，电感线圈的有效作用距离得以增大。
具体地来说，所述激励装置对所述初级线圈31通入交变激励电流，所述初级线圈31通过互感作用将信号耦合到所述次级线圈32。此时，所述次级线圈32将会产生交变电流I1，由于电流的变化，所述次级线圈32周边会产生一个交变磁场H1。所述部分金属化的圆盘10可以被视为一个电涡流发生器，如果所述半圆形金属片12置于该交变磁场H1的下方，所述半圆形金属片12内便会产生电涡流I2，电涡流I2也将产生一个新磁场H2，H2与H1方向相反，因而可以抵消部分所述次级线圈32周边的磁场H1，从而导致所述次级线圈32感应量(阻抗、电感、品质因数等)发生改变。
如附图3所示，其分别展示了所述感应线圈对处于非金属区域上方时的信号波形图和处于金属区域上方时的信号波形图，左侧为非金属区域上方时的信号波形，右侧为金属区域上方时的信号波形。示例性地，如附图4所示，其展示了在利用两对所述感应线圈对L1和L2的情况下所述测量装置的测量过程示意图，通过所述测量装置的信号处理，通过两对所述感应线圈对就可以识别出所述部分金属化的圆盘10的旋转量和旋转方向。
本领域技术人员容易理解的是，通过增加所述感应线圈对的数量可以提高电涡流转换的识别分辨力，即所述部分金属化的圆盘10每旋转一次输出的状态数。
为了保证所述次级线圈32在一定距离内显著感知出所述部分金属化的圆盘10的金属区域与非金属区域之间的差异，需要增加所述半圆形金属片12中的电涡流I2，以使得电涡流I2产生的磁场H2，可以尽量多地抵消所述次级线圈32周边的磁场H1，从而使得所述次级线圈32的感应量发生显著的改变。因此需要减少电涡流I2流过路径上的所述半圆形金属片12的电阻值R2，使得I2变大，随之H2变大，最终导致H1显著变小。
电阻值R2由下式构成
其中，h为所述半圆形金属片12的厚度，ra为电涡流环路的外径，ri为电涡流环路的内径。因此通过加大所述半圆形金属片12的厚度h和减小所述半圆形金属片12的电阻率ρ，可以较好地降低电涡流的电阻值R2。
优选地，所述半圆形金属片12由银、银合金、铜、或铜合金中的一种材料制成，电阻率较低，以产生较大的电涡流。
优选地，所述半圆形金属片12的厚度为0.1毫米～2.0毫米。
值得一提的是，考虑到外界静磁场对电涡流转换有可能造成的干扰。优选地，所述印制电路板20的外围设置有磁屏蔽罩41，所述部分金属化的圆盘10的外围设置有磁屏蔽环42，能够对外界静磁场的干扰进行屏蔽，避免出现较大的计量误差。
本领域技术人员容易理解的是，所述磁屏蔽罩41和所述磁屏蔽环42应采用磁导率较高的导磁材料制成(磁导率应大于5000H/m)。另外，所述磁屏蔽环42会随着所述部分金属化的圆盘10涉水，因此所述磁屏蔽环42应进行防蚀材料的涂覆保护，避免锈蚀。
进一步地，本发明还提供一种电涡流机电转换方法，其包括以下步骤：
(S1)提供部分金属化的圆盘10，并将其连接于待测旋转部件；
(S2)提供印制电路板20，在所述印制电路板20设置若干个对初级线圈31和次级线圈32，所述初级线圈31和所述次级线圈32分别同轴设置在所述印制电路板20的正反两面；
(S3)将所述印制电路板20与所述部分金属化的圆盘10相对平行地设置，且各个线圈对的中心轴线与所述部分金属化的圆盘10的中心轴线相平行；
(S4)对所述初级线圈31通入交变激励电流，检测分析所述次级线圈32的感应量变化并输出测量信号。
优选地，各个线圈对所构成的中心轴线与所述部分金属化的圆盘10的中心轴线相重合。
根据本发明的优选实施例，本发明的所述电涡流机电转换方法进一步包括步骤(S5)：在所述印制电路板20的外围设置磁屏蔽罩41，在所述部分金属化的圆盘10的外围设置磁屏蔽环42，从而对外界静磁场的干扰进行屏蔽。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。
Claims (10)
1.一种电涡流机电转换装置，其特征在于，包括：
部分金属化的圆盘、印制电路板、若干个感应线圈对、激励装置、以及测量装置，其中所述部分金属化的圆盘适于连接外部待测旋转部件并同步旋转，所述印制电路板与所述部分金属化的圆盘平行相对地设置，所述感应线圈对包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈和所述次级线圈分别同轴设置在所述印制电路板的正反两面，且各个所述感应线圈对的中心轴线与所述部分金属化的圆盘的中心轴线相平行；
所述激励装置电连接于所述初级线圈，所述次级线圈电连接于所述测量装置，所述初级线圈和所述次级线圈通过互感作用相耦合，所述测量装置根据所述次级线圈的感应量变化输出测量信号。
2.根据权利要求1所述的电涡流机电转换装置，其特征在于，所述部分金属化的圆盘包括非金属圆盘和半圆形金属片，所述半圆形金属片设置在所述非金属圆盘表面且与所述非金属圆盘同圆心。
3.根据权利要求2所述的电涡流机电转换装置，其特征在于，所述半圆形金属片由银、银合金、铜、或铜合金中的一种材料制成。
4.根据权利要求2所述的电涡流机电转换装置，其特征在于，所述半圆形金属片的厚度为0.1毫米～2.0毫米。
5.根据权利要求1所述的电涡流机电转换装置，其特征在于，所述感应线圈对的数量为奇数或偶数，各个所述感应线圈对所构成的中心轴线与所述部分金属化的圆盘的中心轴线相重合。
6.根据权利要求1所述的电涡流机电转换装置，其特征在于，所述印制电路板的外围设置有磁屏蔽罩。
7.根据权利要求1所述的电涡流机电转换装置，其特征在于，所述部分金属化的圆盘的外围设置有磁屏蔽环。
8.一种电涡流机电转换方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)提供部分金属化的圆盘，并将其连接于待测旋转部件；
(S2)提供印制电路板，在所述印制电路板设置若干个对初级线圈和次级线圈，所述初级线圈和所述次级线圈分别同轴设置在所述印制电路板的正反两面；
(S3)将所述印制电路板与所述部分金属化的圆盘相对平行地设置，且各个线圈对的中心轴线与所述部分金属化的圆盘的中心轴线相平行；
(S4)对所述初级线圈通入交变激励电流，检测分析所述次级线圈的感应量变化并输出测量信号。
9.根据权利要求8所述的电涡流机电转换方法，其特征在于，各个线圈对所构成的中心轴线与所述部分金属化的圆盘的中心轴线相重合。
10.根据权利要求8所述的电涡流机电转换方法，其特征在于，进一步包括步骤(S5)：在所述印制电路板的外围设置磁屏蔽罩，在所述部分金属化的圆盘的外围设置磁屏蔽环。
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