CN110346000A - 一种具有异常检测功能的线圈感应式水表 - Google Patents

一种具有异常检测功能的线圈感应式水表 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有异常检测功能的线圈感应式水表，包括本体，所述本体包括安装在表盘内与表盘内的指针同轴转动的扇形金属片和位于扇形金属片正上方的计量及异常检测模块。本发明的方法及系统解决了计量型水表不能有效识别外界干扰及检测线圈与圆盘脱离异常的技术问题。

Description

一种具有异常检测功能的线圈感应式水表
技术领域
本发明属于水表技术领域，特别是涉及一种具有异常检测功能的线圈感应式水表。
背景技术
目前水表计量多是采用干簧管、霍尔元件、韦根传感器，但由于干黄管固有的机械特性、使用寿命及抗振性受到影响，而霍尔元件是电流太大，也存在低或高流速的频率响应问题；韦根传感器存在磁阻大的缺点，极易吸附住叶轮增加始动流量，且价格昂贵。因此现有远传水表采用无磁感应的原理将机械表齿轮转动或指针的转动转化为电脉冲信号。
中国专利CN201410305843.2公开了一种上采样分离无磁式远传水表及CN201711047956.7公开了一种无磁感应水表及其使用方法，通过针上设置金属片，利用2个高Q值的电感与电容产生LC阻尼震荡，电感位于金属片上方时，LC阻尼震荡衰减更快，通过2个阻尼震荡衰减状态变化，进而对水表流量进行计量。但是，该方法存在容易受外界静态强磁场干扰的缺陷，且高Q值电感与水表指针托盘金属片的距离受到限制，实际测试距离小于6mm，使得这种方法不能在传统湿式水表的表玻璃上面直接应用。
中国专利CN201810125788.7公开了一种无磁远传水表及专利，CN100535603C公开了一种感应式角位传感器，如图1所示，其在水表基表的转动轴上设置半圆形钢片或部分金属化的圆盘，水表本体玻璃上方(与圆盘平行)设置外部电感线圈以及均匀设置在外部电感线圈内的4个电感线圈，通过检测成对电感线圈的电压差计量转速和判断转动方向。但是该方法中内部线圈的感应电压差不是每个采样时刻都会发生变化，只在特定位置发生电压差转变，不能有效识别外界干扰及检测线圈与圆盘脱离等各类异常状态。
中国专利CN201811567612.3公开了一种感应式无磁远传水表，其采用呈“8”字形的不锈钢片，信号采集传感线圈包括外部电感线圈以及呈十字象限布置在外部电感线圈内的4个内部电感线圈。但是该方法中各对内部电感线圈的输出放电时间差波形是一致的，不能确定旋转方向和检测线圈与圆盘脱离的异常状态。
为了解决上述问题，提出一种具有异常检测功能的线圈感应式水表。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是计量型水表不能有效识别外界干扰及检测线圈与圆盘脱离异常的问题，提出一种具有异常检测功能的线圈感应式水表。
本发明的一种具有异常检测功能的线圈感应式水表，包括本体，所述本体包括安装在表盘内与表盘内的指针同轴转动的扇形金属片和位于扇形金属片正上方的计量及异常检测模块；所述扇形金属片的圆心角θ满足80°≤θ≤100°或260°≤θ≤280°；所述计量及异常检测模块包括单片机和与单片机电连接的窄脉冲产生电路、信号放大电路、信号选择电路、电容放电电路、用于脉冲信号收发的电感线圈；所述电感线圈包括用于脉冲信号发射的外圈输出线圈和用于脉冲信号接收的多对内圈接收感应线圈，其中，外圈输出线圈与窄脉冲产生电路连接，内圈接收感应线圈通过信号放大电路与电容放电电路连接，多对内圈接收感应线圈通过信号选择电路共享电容放电电路。单片机根据每个采样时刻每对内圈接收感应线圈的放电时间计算水流量及判断水表是否异常。
所述扇形金属片优选圆心角为90°或270°的扇形金属片。
所述单片机运行计量程序，所述计量程序是指根据内圈接收感应线圈的状态变化计算出扇形金属片的转动周期及用水量大小，通过比较两对内圈接收感应线圈的数据判断水流方向。
所述单片机运行异常检测程序，所述异常检测程序是指根据不同采样时刻各对内圈接收感应线圈的状态变化是否超出事先设置的阈值判断水表是否受到外界干扰或出现线圈与圆盘脱离异常。
所述窄脉冲产生电路优选由电容和电阻组成的微分电路或交流电发生器或其他非直流发生电路的任一项，单片机通过该窄脉冲产生电路产生脉宽脉冲信号。
所述信号放大电路优选三极管电路。
所述信号选择电路优选与非门电路，多对内圈接收感应线圈通过与非门电路进行串联，信号选择电路按一定时间间隔分别连通一对内圈接收感应线圈。
所述电容放电电路的数量为两个；所述电容放电电路是指由电容、电阻与接地构成的电路，通过单片机计时器检测两个电容放电至两个电容电压相等所需的时间。
所述外圈输出线圈为一个线圈或串联的多个线圈，根据扇形金属片与计量模块的距离调节外圈输出线圈的数量；优选地，预留两个外圈输出线圈，通过串联或单独使用的方式两级调节扇形金属片与计量模块的距离。
所述内圈接收感应线圈的数量为四个，四个内圈接收感应线圈互为90度扇形排列且四个内圈接收感应线圈的尺寸大小一致，四个内圈接收感应线圈组成一个圆形。所述外圈输出线圈包围在四个内圈接收感应线圈的外侧。
本发明的装置具有的优点是：
(1)采用圆心角接近90°或270°的扇形金属片，各对内圈接收感应线圈的放电时间数据不会长时间处于无变化的状态，可以有效根据数据变化异常及时地识别外界干扰及检测线圈与圆盘脱离等各类异常状态；
(2)多对内圈接收感应线圈通过信号选择电路共享两个电容放电电路，可以有效降低对单片机的空间占用；
(3)外圈输出线圈由一个线圈或多个线圈串联组成，通过调节串联的线圈数量，便于灵活调整扇形金属片与计量模块的距离；
(4)将微小的磁感应电压变化，转化为更加明显的电容放电时间变化，提高灵敏度和降低功耗。
附图说明
图1是背景技术中感应式角位传感器的结构图；
图2是本发明实施例的具有异常检测功能的线圈感应式水表结构图；
图3是本发明实施例的优选扇形金属片的形状示意图；
图4是本发明实施例的用于脉冲信号收发的电感线圈结构示意图；
图5是本发明实施例的具有异常检测功能的线圈感应式水表单片机部分印刷电路示意图。
具体实施方式
下面对本发明优选实施例作详细说明。
本实施例的一种具有异常检测功能的线圈感应式水表，包括本体(1)，所述本体包括安装在表盘内与表盘内的指针同轴转动的扇形金属片(3)和位于扇形金属片正上方的计量及异常检测模块(2)；所述扇形金属片(3)的圆心角θ满足80°≤θ≤100°或260°≤θ≤280°；所述计量及异常检测模块(2)包括单片机和与单片机电连接的窄脉冲产生电路、信号放大电路、信号选择电路、电容放电电路、用于脉冲信号收发的电感线圈；所述电感线圈包括用于脉冲信号发射的外圈输出线圈(5)和用于脉冲信号接收的多对内圈接收感应线圈(4)，其中，外圈输出线圈与窄脉冲产生电路连接，内圈接收感应线圈通过信号放大电路与电容放电电路连接，多对内圈接收感应线圈通过信号选择电路共享电容放电电路。单片机根据每个采样时刻每对内圈接收感应线圈的放电时间计算水流量及判断水表是否异常。本实施例中单片机采用PIC低功耗单片机，具体型号为PIC16F1854；外圈输出线圈在图4中表示为A0，内圈接收感应线圈在图4中分别表示为B1、B2、B3、B4，其中B1和B3为成对线圈，B2和B4为成对线圈。
所述扇形金属片(3)优选圆心角为90°或270°的扇形金属片。本实施例中，在图2中黑色扇形表示270°的扇形金属片，图3给出了圆心角为90°及270°的扇形金属片，在实际应用中扇形金属片(3)还可以根据需要采用与90°或270°的扇形金属片接近的不规则形状。
所述单片机运行计量程序，所述计量程序是指根据内圈接收感应线圈的状态变化计算出扇形金属片的转动周期及用水量大小，通过比较两对内圈接收感应线圈的数据判断水流方向。本实施例中，水表工作过程中，扇形金属片(3)转动，外圈输出线圈(5)按一定周期辐射电磁信号，内圈接收感应线圈(4)产生感应电流；根据转动周期得到用水量大小，通过比较两对内圈接收感应线圈的数据判断水流方向。
所述单片机运行异常检测程序，所述异常检测程序是指根据不同采样时刻各对内圈接收感应线圈的状态变化是否超出事先设置的阈值判断水表是否受到外界干扰或出现线圈与圆盘脱离异常。本实施例中，由于90°和270°的扇形金属片位置不同，使得内圈接收感应线圈(4)的感应电流在每个时刻都有差异，单片机根据其状态变化可计算出扇形金属片(3)的位置状态，根据不同采样时刻两对内圈接收感应线圈的状态变化是否超出事先设置的阈值判断水表是否受到外界干扰或出现线圈与圆盘脱离等异常。所述状况变化为两个电容C2和C3放电至两电容电压相等所需的时间变化。
所述窄脉冲产生电路优选由电容和电阻组成的微分电路或交流电发生器或其他非直流发生电路的任一项，单片机通过该窄脉冲产生电路产生脉宽脉冲信号。本实施例中，单片机印刷电路示意图如图4所示，窄脉冲产生电路是由电容C1和电阻R1构成的微分电路，单片机通过该窄脉冲产生电路产生10ns左右脉宽的脉冲信号。
所述信号放大电路优选三极管电路。本实施例中，信号放大电路由三极管构成，每个内圈接收感应线圈分别连接一个三极管，在图4中分别标识为U1A、U2A、U3A和U4A。
所述信号选择电路优选与非门电路，多对内圈接收感应线圈通过与非门电路进行串联，信号选择电路按一定时间间隔分别连通一对内圈接收感应线圈。本实施例中，采用与非门电路UD作为信号选择电路，如图4所示，多对内圈接收感应线圈分别与信号选择电路UD串联。
所述电容放电电路的数量为两个；所述电容放电电路是指由电容、电阻与接地构成的电路，通过单片机计时器检测两个电容放电至两个电容电压相等所需的时间。本实施例中，如图4所示，电容放电电路为电容C2与接地构成的电路以及电容C3与接地构成的电路，通过单片机计时器检测两个电容C2和C3放电至两电容电压相等所需的时间。
所述外圈输出线圈(5)为一个线圈或串联的多个线圈，根据扇形金属片与计量模块的距离调节外圈输出线圈的数量；优选地，预留两个外圈输出线圈，通过串联或单独使用的方式两级调节扇形金属片与计量模块的距离。本实施例中，如图5所示，采用1个外圈输出线圈(5)。
所述内圈接收感应线圈(4)的数量为四个，四个内圈接收感应线圈互为90度扇形排列且四个内圈接收感应线圈的尺寸大小一致，四个内圈接收感应线圈组成一个圆形。所述外圈输出线圈(5)包围在四个内圈接收感应线圈(4)的外侧。本实施例中，如图5所示，感应线圈(4)均匀对称分布且彼此串联，外圈输出线圈(5)包围在四个内圈接收感应线圈(4)的外侧。
当然，本技术领域中的普通技术用户应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明的，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变型都将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有异常检测功能的线圈感应式水表，包括本体，其特征在于，所述本体包括安装在表盘内与表盘内的指针同轴转动的扇形金属片和位于扇形金属片正上方的计量及异常检测模块；所述扇形金属片的圆心角θ满足80°≤θ≤100°或260°≤θ≤280°；所述计量及异常检测模块包括单片机和与单片机电连接的窄脉冲产生电路、信号放大电路、信号选择电路、电容放电电路、用于脉冲信号收发的电感线圈；所述电感线圈包括用于脉冲信号发射的外圈输出线圈和用于脉冲信号接收的多对内圈接收感应线圈，其中，外圈输出线圈与窄脉冲产生电路连接，内圈接收感应线圈通过信号放大电路与电容放电电路连接，多对内圈接收感应线圈通过信号选择电路共享电容放电电路。
2.根据权利要求1所述的具有异常检测功能的线圈感应式水表，其特征在于，所述扇形金属片优选圆心角为90°或270°的扇形金属片。
3.根据权利要求1所述的具有异常检测功能的线圈感应式水表，其特征在于，所述单片机运行计量程序，所述计量程序是指根据内圈接收感应线圈的状态变化计算出扇形金属片的转动周期及用水量大小，通过比较两对内圈接收感应线圈的数据判断水流方向。
4.根据权利要求1所述的具有异常检测功能的线圈感应式水表，其特征在于，所述单片机运行异常检测程序，所述异常检测程序是指根据不同采样时刻各对内圈接收感应线圈的状态变化是否超出事先设置的阈值判断水表是否受到外界干扰或出现线圈与圆盘脱离异常。
5.根据权利要求1所述的具有异常检测功能的线圈感应式水表，其特征在于，所述窄脉冲产生电路优选由电容和电阻组成的微分电路或交流电发生器或其他非直流发生电路的任一项，单片机通过该窄脉冲产生电路产生脉冲信号。
6.根据权利要求1所述的具有异常检测功能的线圈感应式水表，其特征在于，所述信号放大电路优选三极管电路。
7.根据权利要求1所述的具有异常检测功能的线圈感应式水表，其特征在于，所述信号选择电路优选与非门电路，多对内圈接收感应线圈通过与非门电路进行串联，信号选择电路按一定时间间隔分别连通一对内圈接收感应线圈。
8.根据权利要求1所述的具有异常检测功能的线圈感应式水表，其特征在于，所述电容放电电路的数量为两个；所述电容放电电路是指由电容、电阻与接地构成的电路，通过单片机计时器检测两个电容放电至两个电容电压相等所需的时间。
9.根据权利要求1-8任一项所述的具有异常检测功能的线圈感应式水表，其特征在于，所述外圈输出线圈为一个线圈或串联的多个线圈，根据扇形金属片与计量模块的距离调节外圈输出线圈的数量；优选地，预留两个外圈输出线圈，通过串联或单独使用的方式两级调节扇形金属片与计量模块的距离。
10.根据权利要求1-8任一项所述的具有异常检测功能的线圈感应式水表，其特征在于，所述内圈接收感应线圈的数量为四个，四个内圈接收感应线圈互为90度扇形排列且四个内圈接收感应线圈的尺寸大小一致，四个内圈接收感应线圈组成一个圆形；所述外圈输出线圈包围在四个内圈接收感应线圈的外侧。
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