CN112949330B - 一种多射频应答器环布式无源计量装置及其信息采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多射频应答器环布式无源计量装置及其信息采集方法，该装置包括表盘、转轴和机芯，机芯可将压力形变传导转换后带动转轴转动，转轴转动连接于表盘的中心通孔处，还包括多个环布于表盘上且与表盘上的计量刻度一一对应的无源射频应答器，每个应答器包括射频芯片及射频天线电路，射频天线电路延伸至靠近转轴侧壁处后断开形成两个接触端子，转轴侧壁上设有开关凸块，转轴转动一个任意角度停下后，至少有一个射频天线电路对应的两个接触端子因被开关凸块作用而导通。本发明实现了在不适宜使用电池的恶劣环境下，对油气管线进行远程压力监测或对输电线线路铁塔顶的螺丝紧固件松紧侦测，具有成本低、劳动力投入小且安全高效的特点。

Description

一种多射频应答器环布式无源计量装置及其信息采集方法

技术领域

本发明涉及无线射频识别技术(RFID)在计量设备中的应用，具体涉及一种多射频应答器环布式无源计量装置及其信息采集方法。

背景技术

无线射频识别即射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)，是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体(电子标签或射频应答器)进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的，其被认为是21世纪最具发展潜力的信息技术之一。

RFID技术的基本工作原理为：电子标签或射频应答器进入阅读器的有效工作范围后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag，无源标签或被动标签)，或者由标签主动发送某一频率的信号(ActiveTag，有源标签或主动标签)，阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。无源射频应答器(被动标签)没有内装电池，在阅读器的读出范围之外时，无源射频应答器处于无源状态，在阅读器的读出范围之内时，无源射频应答器从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电源，无源射频应答器的有效识读距离可达10米以上。

RFID技术可应用于计量仪表的远程抄表系统中，实现非接触式的数据采集和信息远传，目前主要应用于水表、电表或气表的数据抄收，其采集的通常是流量数据，并且这类计量表及使用的射频应签器通常均是有源的。另外，使用RFID技术进行压力表表盘指数远程抄收的现有技术少见报导，尤其是使用无源射频应签器对纯机械结构的压力表(不设电源和压力传感器)的表盘指数远程抄送的未见报导。

现代工业活动中，有时不得不在极端恶劣(严寒或酷热等)的环境中应用计量装置(包括但不限于压力表)，例如偏远高山极端寒冷地区，特别是中国东北地区、西伯利亚等区域户外应用的计量装置(油气管道的压力表等)。如果采用机械表，数据采集将耗费大量人力且时效性较差，难以实现压力监测的意义；若采用数显表，要么需要长距离的有源接线方式，要么用自带电池的半有源方式，前者成本高且在很多偏远地区很难实现，后者一方面受电量限制需要定期更换电池，劳动量大且有些险地不便于更换操作，另一方面在极冷的冬季特别是零下40度左右，常规电池的性能受到极大影响，甚至无法使用，而适合极冷条件使用的特种电池价格又较高昂，无法推广使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多射频应答器环布式无源计量装置及其信息采集方法，旨在克服现有技术对于极端恶劣环境中计量装置数据采集困难的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种多射频应答器环布式无源计量装置，包括表盘、转轴和机芯，所述机芯可将压力形变传导转换后带动所述转轴转动，所述转轴转动连接于所述表盘的中心通孔处，其特征在于，还包括多个以所述转轴为中心环绕布设于所述表盘上且与所述表盘上的计量刻度一一对应的无源射频应答器，每个所述无源射频应答器包括射频芯片及所述射频芯片电连接的射频天线电路，所述射频天线电路延伸至靠近所述转轴侧壁处后断开形成两个接触端子，所述转轴侧壁上设有开关凸块，所述转轴转动一个任意角度停下后，至少有一个所述射频天线电路对应的两个接触端子因被所述开关凸块作用而导通。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述转轴转动一个任意角度停下后，有且仅有一个所述射频天线电路对应的两个接触端子因被所述开关凸块作用而导通。

采用上述进一步结构改进的好处为，每次数据采集时，阅读器仅会从每个无源计量装置仅接受到一个电子编码信息，数据采集量小，不需要比对筛选，效率高。

进一步，所述开关凸块为圆弧状金属块且其对应的圆心角与相邻两个所述无源射频应答器在所述表盘周向上间隔的圆心角相同，所述圆弧状金属块的外侧圆弧面与所述接触端子接触。

采用上述进一步结构改进的好处为，结构简单，加工方便，成本低。

进一步，所述转轴侧壁沿径向开设有滑槽，所述滑槽内滑动连接有所述开关凸块，所述开关凸块伸入所述滑槽的一端与所述滑槽槽底底间夹设有弹簧。

采用上述进一步结构改进的好处为，弹簧弹力作用，可使得开关凸块与接触端子接触时压紧，接触导通的效果好，可有效减小接触电阻。

进一步，所述开关凸块沿转动方向的前后侧面伸出所述滑槽的部分分别采用倒角或圆角设计以便与所述接触端子接触后平滑过渡。

采用上述进一步结构改进的好处为，倒角或圆角设计保证开关凸块随转轴转动而靠近及远离所述接触端子均是平滑过渡，避免有明显台阶存在时的硬性碰撞。

进一步，每个所述射频天线电路对应的两个接触端子上下间隔设置，所述表盘上与所述开关凸块的整个行程对应的区域均匀间隔开设有滑槽，滑槽内滑动连接有伸缩柱，所述伸缩柱与所述滑槽槽底间夹设有弹簧，两个彼此对应的所述接触端子分别位于所述伸缩柱下端及所述滑槽的槽底。

采用上述进一步结构改进的好处为，此时开关凸块仅是对相应的伸缩柱提供压应力以使相应的射频天线电路导通，开关凸块的材料不受限制，可以为导体也可以为非导体，比如可以为耐磨且摩擦系数小的聚四氟乙烯塑料。

进一步，所述伸缩柱的上端采用便与所述开关凸块底面接触后平滑过渡的倒角、圆角或球面设计。

采用上述进一步结构改进的好处为，保证转轴转动时开关凸块可顺利推动伸缩柱向滑槽内移动。

进一步，所述转轴上还固定有计量指针，所述计量指针与所述开关凸块对应设置。

采用上述进一步结构改进的好处为，使该无源计量装置除了远程无线抄表外，还可以人工观察抄表。

进一步，所述无源射频应答器和与其匹配的阅读器间的有效识别距离在3m以上。

采用上述进一步结构改进的好处为，识别距离越大，越有利于选择在更安全的范围内进行远程抄表(比如识别距离足够大，则可于地面上对电力铁塔顶的螺丝紧固件的松紧程度进行识别侦测)。

本发明还提供了一种多射频应答器环布式无源计量装置的信息采集方法，其包括如下步骤：

S1.将上述的无源计量装置沿油气管线或输电线路进行布置，各无源计量装置安装固定于油气管线上油气压力监测点或输电线路电力铁塔顶部受侦测的螺丝紧固件上；

S2.对所有无源计量装置上的各无源射频应答器进行初始化，每个所述射频芯片具有唯一的电子编码；

S3.无人机搭载与所述无源射频应答器匹配的阅读器后沿油气管线或输电线路飞行，飞行过程中阅读器对各无源计量装置上已导通的射频应答器返回的电子编码信息进行采集。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明将纯机械原理的压力表结构与多个无源射频应答器有效结合，形成了一种全新结构的无源计量装置，由于该计量装置本身不需要自带电源故适用于在极端恶劣的环境中使用；使用多个无源射频应答器与计量刻度一一对应，转轴转动后，开关凸块作用下可使与相应计量刻度对应的无源射频应答器的射频电线天路导通，则当阅读器在有效识别距离内经过该无源计量装置时，即可接收到相应无源射频应答器发送至的唯一电子编码信息，也即完成了对各无源计量装置的远程抄表；实现了在极寒或酷热等不适宜使用电池的恶劣环境下，对油气管线进行远程压力监测或对输电线线路铁塔顶的螺丝紧固件松紧侦测，具有成本低、劳动力投入小且安全高效的特点。

附图说明

图1为本发明提供的一种多射频应答器环布式无源计量装置的示意图；

图2为图1所示无源计量装置沿A-A的剖示图(示意了计量指针)；

图3为图1所示无源计量装置虚线圈出部分放大后的示意图；

图4为图2中开关凸块与转轴侧壁上开设的滑槽滑动连接的示意图；

图5为当两个对应的接触端子上下间隔设置时无源计量装置的剖示图；

图6为使用本发明的无源计量装置进行油气压力监测或螺丝紧固件松紧监测时的信息采集方法。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、表盘；2、转轴；3、计量刻度；4、射频芯片；5、射频天线电路；6、接触端子；7、开关凸块；8、滑槽；9、弹簧；10、伸缩柱；11、计量指针；12、油气管线；13、无源计量装置；14、阅读器；15、无人机。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

在本发明的描述中，若用到“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位的术语，其指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至5所示，本发明提供一种多射频应答器环布式无源计量装置，包括表盘1、转轴2和机芯，所述机芯可将压力形变传导转换后带动所述转轴2转动，所述转轴2转动连接于所述表盘1的中心通孔处，其还包括多个以所述转轴2为中心环绕布设于所述表盘1上且与所述表盘1上的计量刻度3一一对应的无源射频应答器，每个所述无源射频应答器包括射频芯片4及所述射频芯片4电连接的射频天线电路5，所述射频天线电路5延伸至靠近所述转轴2侧壁处后断开形成两个接触端子6，所述转轴2侧壁上设有开关凸块7，所述转轴2转动一个任意角度停下后，至少有一个所述射频天线电路5对应的两个接触端子6因被所述开关凸块7作用而导通。

需要说明的是，当转轴转动一个角度后停下时，若有两个或更多的射频天线电路因开关凸块作用而导通了，此时阅读器在有效识别范围内时，可从无源计量装置上相应读取两个或更多的电子编码信息，可以理解的是，此时只有一个代表最小计量刻度的电子编码信息是有效数据，其他的是无效信息，阅读器采集到信息后可自行比较后仅保留代表最小计量刻度的电子编码信息。

可以理解的是，一个无源计量装置中，无源射频应答器的数量越多，排布越密，则其计量精度越高。机芯的结构可参考现有的纯机械原理的压力表的机芯，比如其可以将弹簧管自由端的直线位移变为角位移，使弹簧管的微小位移量放大。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，所述转轴2转动一个任意角度停下后，有且仅有一个所述射频天线电路5对应的两个接触端子6因被所述开关凸块7作用而导通。

可以理解的是，相对于有两个或多个射频天线电路被导通的情况，本实施例中有且仅有一个射频电线电路被导通的结构设计，可保证数据采集更高效和准确；但不足之处是，该种方式对各部件的精度要求也较高，同时容错率较低，若某个无源射频应答器芯片损坏，则当开关凸块转动至该位置时，阅读器无法读取到数据，而另一种方式则不会(至少可以读取一个相邻计量刻度的数据)。

在上述实施例中，如图1至3所示，所述开关凸块7为圆弧状金属块且其对应的圆心角与相邻两个所述无源射频应答器在所述表盘1周向上间隔的圆心角相同，所述圆弧状金属块的外侧圆弧面与所述接触端子6接触。

需要说明的是，圆弧状金属块优选使用铜块，其与转轴之间的连接方式可以为粘接固定的形式。

作为上述实施例的一种优选方式，如图4所示，所述转轴2侧壁沿径向开设有滑槽8，所述滑槽8内滑动连接有所述开关凸块7，所述开关凸块7伸入所述滑槽8的一端与所述滑槽8槽底底间夹设有弹簧9。

具体而言，弹簧一端与槽底固定连接，另一端与所述开关凸块伸入所述滑槽的一端固定连接。可以理解的是，除了弹簧还可以是其他具有弹性的部件，比如橡胶块、金属弹片等。

在上述实施例的基础上，所述开关凸块7沿转动方向的前后侧面伸出所述滑槽8的部分分别采用倒角或圆角设计以便与所述接触端子6接触后平滑过渡，具体如图4所示，开关凸块位于滑槽外的端部两侧呈斜面状。

作为替代上述实施例的另一个可能的实施方式，如图5所示，每个所述射频天线电路5对应的两个接触端子6上下间隔设置，所述表盘1上与所述开关凸块7的整个行程对应的区域均匀间隔开设有滑槽8，每个滑槽8分别各自对应一个无源射频应答器，滑槽8内滑动连接有伸缩柱10，所述伸缩柱10与所述滑槽8槽底间夹设有弹簧9，两个彼此对应的所述接触端子6分别位于所述伸缩柱10下端及所述滑槽8的槽底。

需要说明的是，射频天线电路断开后形成的两个接触端子，一个置于滑槽底并固定不动，另一个接触端子固定于伸缩住底部，随伸缩住上下可有一个较小的移动行程，因此该接触端子与射频天线电路要预留一段电线长度以适应该移动行程。

在上述实施例的基础上，所述伸缩柱10的上端采用便与所述开关凸块7底面接触后平滑过渡的倒角、圆角或球面设计，如图5所示，此时伸缩柱上端为球面设计。

在上述各实施例的基础上，所述转轴2上还可固定有计量指针11，所述计量指针11与所述开关凸块7对应设置，如图2所示。

在上述各实施例的基础上，所述无源射频应答器和与其匹配的阅读器14间的有效识别距离在3m以上。

需要说明的是，图1中给出的射频天线电路仅是示意作用，以便于理解本发明的内容，实际上仅需使各射频天线电路断开处绕转轴等间隔排布并与计量刻度一一对应即可满足本发明目的，射频天线电路的主体及与其电连接的射频芯片并非一定要如图1所示方式排布，可以是各种能够增强识别距离的其他现有方式。

本发明还提供了一种多射频应答器环布式无源计量装置的信息采集方法，其包括如下步骤：

S1.将上述的无源计量装置13沿油气管线12或输电线路进行布置，各无源计量装置13安装固定于油气管线12上油气压力监测点或输电线路电力铁塔顶部受侦测的螺丝紧固件上；

S2.对所有无源计量装置13上的各无源射频应答器进行初始化，每个所述射频芯片4具有唯一的电子编码；

S3.无人机15搭载与所述无源射频应答器匹配的阅读器14后沿油气管线12或输电线路飞行以对各无源计量装置13进行信息采集。

需要说明的是，阅读器采集到信息后，可上传至云端，从而可以远程实时的获知压力信息或螺丝紧固件的松紧程度情况；另外，若不上传云端，则阅读器可附带存储模块，将采集的信息暂时存于存储模块，待巡查结束返航后再对存储模块的数据进行分析整理。

上述信息采集方法的示意图如图6所示，极度严寒的条件下，无人机使用电池也不便时，可以使用汽油为动力的无人机，阅读器必须有电池，因无人机使用汽油为燃料，故无人机启动后有些部件会升温，可营造出适宜阅读器电池工作的温度；另外，若靠近油气管线或输电线路铺设有公路，也可以使用汽车搭载阅读器进行沿线移动以完成信息采集。用于螺丝紧固件松紧侦测时，螺母松动后会相对螺栓产生轴向位移，螺母轴向移动时与本发明提供的计量装置作用，在机芯的转换下，变轴向直移位移为转轴的转动，从而可获知螺母松动的程度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多射频应答器环布式无源计量装置，包括表盘（1）、转轴（2）和机芯，所述机芯将压力形变传导转换后带动所述转轴（2）转动，所述转轴（2）转动连接于所述表盘（1）的中心通孔处，其特征在于，还包括多个以所述转轴（2）为中心环绕布设于所述表盘（1）上且与所述表盘（1）上的计量刻度（3）一一对应的无源射频应答器，每个所述无源射频应答器包括射频芯片（4）及所述射频芯片（4）电连接的射频天线电路（5），所述射频天线电路（5）延伸至靠近所述转轴（2）侧壁处后断开形成两个接触端子（6），所述转轴（2）侧壁上设有开关凸块（7），所述转轴（2）转动任意角度停下后，至少有一个所述射频天线电路（5）对应的两个接触端子（6）因被所述开关凸块（7）作用而导通，此时阅读器在有效识别范围内时，从无源计量装置上相应读取电子编码信息。

2.根据权利要求1所述的一种多射频应答器环布式无源计量装置，其特征在于，所述转轴（2）转动任意角度停下后，有且仅有一个所述射频天线电路（5）对应的两个接触端子（6）因被所述开关凸块（7）作用而导通。

3.根据权利要求1所述的一种多射频应答器环布式无源计量装置，其特征在于，所述开关凸块（7）为圆弧状金属块且其对应的圆心角与相邻两个所述无源射频应答器在所述表盘（1）周向上间隔的圆心角相同，所述圆弧状金属块的外侧圆弧面与所述接触端子（6）接触。

4.根据权利要求3所述的一种多射频应答器环布式无源计量装置，其特征在于，所述转轴（2）侧壁沿径向开设有滑槽（8），所述滑槽（8）内滑动连接有所述开关凸块（7），所述开关凸块（7）伸入所述滑槽（8）的一端与所述滑槽（8）槽底间夹设有弹簧（9）。

5.根据权利要求4所述的一种多射频应答器环布式无源计量装置，其特征在于，所述开关凸块（7）沿转动方向的前后侧面伸出至所述滑槽（8）的部分均采用倒角或圆角设计以便与所述接触端子（6）接触后平滑过渡。

6.根据权利要求1所述的一种多射频应答器环布式无源计量装置，其特征在于，每个所述射频天线电路（5）对应的两个接触端子（6）上下间隔设置，所述表盘（1）上与所述开关凸块（7）的整个行程对应的区域均匀间隔开设有与所述无源射频应答器一一对应的滑槽（8），所述滑槽（8）内滑动连接有伸缩柱（10），所述伸缩柱（10）与所述滑槽（8）槽底间夹设有弹簧（9），两个彼此对应的所述接触端子（6）分别设置于所述伸缩柱（10）下端及所述滑槽（8）的槽底。

7.根据权利要求6所述的一种多射频应答器环布式无源计量装置，其特征在于，所述伸缩柱（10）的上端采用便与所述开关凸块（7）底面接触后平滑过渡的倒角、圆角或球面设计。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种多射频应答器环布式无源计量装置，其特征在于，所述转轴（2）上还固定有计量指针（11），所述计量指针（11）与所述开关凸块（7）对应设置。

9.根据权利要求1至7任一项所述的一种多射频应答器环布式无源计量装置，其特征在于，所述无源射频应答器和与其匹配的阅读器（14）间的有效识别距离在3m以上。

10.一种多射频应答器环布式无源计量装置的信息采集方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.将如权利要求1至9任一项所述的无源计量装置（13）沿油气管线（12）或输电线路进行布置，各无源计量装置（13）安装固定于油气管线（12）上油气压力监测点或输电线路电力铁塔顶部受侦测的螺丝紧固件上；

S2.对所有无源计量装置（13）上的各无源射频应答器进行初始化，每个所述射频芯片（4）具有唯一的电子编码；

S3.无人机（15）搭载与所述无源射频应答器匹配的阅读器（14）后在有效识别范围内沿油气管线（12）或输电线路飞行，飞行过程中阅读器对各无源计量装置（13）上已导通的射频应答器返回的电子编码信息进行采集。

Images