CN113447086A - 一种电子式水表无磁检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电子式水表无磁检测装置。在水表内的叶轮上布置金属片，在水表外的附近固定位置布置传感器芯片和线圈，叶轮旋转带动金属片同步旋转，同时相对于传感器芯片所接线圈进行靠近和远离的往复运动，使得金属片和传感器芯片所接线圈之间的距离产生近和远的往复变化，传感器芯片实时通过检测所接线圈和金属片之间的距离，进而处理分析对应获得水表中的叶轮旋转检测结果。本发明能够准确地有效检测电子式水表中的水轮旋转，不会受磁场干扰而导致测量错误，能避免受潮导致工作不稳定异常。
Description
技术领域
本发明涉及了一种水表检测装置，尤其是涉及了一种电子式水表无磁检测装置。
背景技术
在水表电子化的过程当中，对于如何将用水量数字化，目前应用较多的是利用霍尔器件和磁性材料的有磁检测方式，这种方式最重要的缺点是容易受磁场干扰而导致测量错误。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种电子式水表无磁检测装置，解决了电子式水表中的水轮旋转检测容易受磁场干扰而导致测量错误的技术问题，解决了受潮阻抗逐渐下降带来的工作不稳定异常的问题。
本发明采用的技术方案是：
本发明在水表内的叶轮上布置金属片，在水表外的附近固定位置布置传感器芯片和线圈，传感器芯片和线圈连接，叶轮旋转带动金属片同步旋转，同时相对于传感器芯片所接线圈进行靠近和远离的往复运动，使得金属片和传感器芯片所接线圈之间的距离产生近和远的往复变化，传感器芯片实时通过检测线圈和金属片之间的距离，进而处理分析对应获得水表中的叶轮旋转检测结果。
所述的传感器芯片外接于单片机芯片，传感器芯片检测到的线圈和金属片之间的距离变化而转变输出为高低变化的电平信号，并送给单片机芯片进行计量处理。
所述的传感器芯片主要包括一路金属片检测电路，金属片检测电路主要由振荡器(Oscillato)、解调器(Demodulator)、放大比较器(AMP&CMP)、基准电压模块(REF)组成，振荡器的谐振输入端和谐振输出端之间连接有一个空心线圈构成的电感L，两个起振电容C1、C2并联到电感L的两端，电感L一端经隔直流电容C3连接到解调器的信号输入端，解调器的信号输入端经滤波电容C4接地，解调器的信号输出端经隔直流电容C5和放大比较器的正相输入端连接，放大比较器的反相输入端经去耦电容C6接地，基准电压模块(REF)分别连接到解调器的基准源输入端和放大比较器的反相输入端，放大比较器的输出端输出表征传感器芯片所接线圈和金属片之间距离变化的高低变化的电平信号。
所述的空心线圈构成的电感L、两个起振电容C1和C2、隔直流电容C3、滤波电容C4、隔直流电容C5和去耦电容C6均位于传感器芯片之外。
所述的电感L贴近于叶轮布置。
两个起振电容C1、C2和电感L以及振荡器构成了LC谐振电路，振荡器产生振荡信号，驱动两个起振电容C1、C2和电感L之间产生稳定的正弦波振荡；
金属片受水表叶轮带动旋转进而往复运动地靠近或者远离电感L，LC谐振电路所产生的正弦波振荡信号和水表叶轮旋转的信号进行调制获得调制信号，解调器从隔直流电容C3接收到该调制信号，获得正弦波振荡信号的幅度变化，进而将正弦波振荡信号的幅度变化中叠加有的包含水表叶轮旋转的调制波形解调提取出，解调波形再经滤波电容C4滤波后获得体现水表叶轮旋转的信号，再经隔直流电容C5发送至放大比较器进行放大和比较后，发送到单片机芯片进行计量处理并获得水表叶轮旋转的圈数。
所述的传感器芯片还包括了监测模块(Detector)，监测模块(Detector)分别连接到振荡器(Oscillato)的检测输出端，同时放大比较器的检测输出端和高功率使能端分别和振荡器(Oscillato)的检测输出端和高功率使能端连接；
监测模块引出检测使能引脚DET_EN连接到外部的单片机芯片，由单片机MCU通过检测使能引脚DET_EN周期性地控制监测模块开启工作。
所述的振荡器(Oscillato)的高功率使能端引出到传感器芯片外并作为传感器芯片的高功率使能控制引脚HP_EN，单片机芯片通过高功率使能控制引脚HP_EN用于对传感器芯片的功耗模式进行设定，对工作功率进行调整；监测模块实时监测振荡器的正弦波振荡的振幅以及放大比较器输入信号的电压，作为监测信号；
监测模块引出检测输出引脚DET Output连接到外部的单片机芯片，由单片机MCU通过检测输出引脚DET Output接收监测模块发送过来的监测信号进行监测是否工作异常，进而通过高功率使能控制引脚HP_EN反馈控制到传感器芯片中的振荡器(Oscillato)进行功率调整控制。
本发明的有益效果是：
本发明能够准确地有效检测电子式水表中的水轮旋转，不会受磁场干扰而导致测量错误，能避免受潮导致工作不稳定异常。
采用本发明作为水表装置，可免受外部磁场的干扰。同时本发明采用低功耗电路实现，为解决低功耗电路容易受湿气带来的阻抗下降而工作异常，本发明还集成了一个异常检测模块，在检测到异常情况后可通过控制引脚来增加功率，使芯片重新正常工作，因此显著提高在该应用环境下的可靠性。
附图说明
图1为本发明传感器芯片中单个金属片检测电路和外围元器件的结构图；
图2为叶轮上金属片由远及近到线圈L下方时的振荡器波形示意图；
图3为图2的信号跳变示意图；
图4为叶轮上金属片由近及远到线圈L下方时的振荡器波形示意图；
图5为图4的信号跳变示意图；
图6为本发明在一颗传感器芯片上集成两路金属片检测电路的结构图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提出一种无磁检测方式，其原理是检测金属片和传感器芯片所接线圈之间的距离。在电子式水表这一具体应用里，在水表内的叶轮上布置一到数片金属片，在水表外的附近固定位置布置传感器芯片和线圈，传感器芯片所接线圈应紧贴水表布置，使得和金属片接近，叶轮旋转带动金属片同步旋转，同时相对于传感器芯片所接线圈进行靠近和远离的往复运动，使得金属片和传感器芯片所接线圈之间的距离产生近和远的往复变化，传感器芯片实时通过检测线圈和金属片之间的距离，进而处理分析对应获得水表中的叶轮旋转检测结果。
水表内的水流推动叶轮旋转时，金属片将从传感器芯片所接线圈底下转过，因此金属片的距离将由远及近、再由近及远的循环往复变化。
传感器芯片外接于单片机芯片，传感器芯片检测到的自身和金属片之间的距离变化而转变输出为高低变化的电平信号，并送给单片机芯片进行计量处理。
具体实施的传感器芯片的结构和外围元器件如图1所示：
传感器芯片主要包括一路金属片检测电路，金属片检测电路主要由振荡器(Oscillato)、解调器(Demodulator)、放大比较器(AMP&CMP)、基准电压模块(REF)的几个模块组成，振荡器的谐振输入端和谐振输出端之间连接有一个空心线圈构成的电感L，电感L贴近于叶轮布置。两个起振电容C1、C2串联后并联到电感L的两端，两个起振电容C1、C2之间引出接地，电感L一端经隔直流电容C3连接到解调器的信号输入端，解调器的信号输入端经滤波电容C4接地，解调器的信号输出端经隔直流电容C5和放大比较器的正相输入端连接，放大比较器的反相输入端经去耦电容C6接地，基准电压模块(REF)分别连接到解调器的基准源输入端和放大比较器的反相输入端，放大比较器的输出端输出表征传感器芯片所接线圈和金属片之间距离变化的高低变化的电平信号，可以发送到外部的单片机芯片。
空心线圈构成的电感L、两个起振电容C1和C2、隔直流电容C3、滤波电容C4、隔直流电容C5和去耦电容C6均位于传感器芯片之外。
解调器的外围有三个电容C3/C4/C5，其中：
隔直流电容C3将LC谐振电路的正弦波振荡耦合到解调器。
滤波电容C4，与芯片内部的电路共同作用，将LC谐振电路的高频正弦波滤除，剩下的就是体现叶轮旋转的信号。但体现叶轮旋转的信号还比较微弱，一般在几十mV的级别。
隔直流电容C5，将微弱的体现叶轮旋转的信号送至放大比较器，放大比较器先将此微弱的体现叶轮旋转的信号进行放大，再经比较器比较，最终得到叶轮旋转的数字信号，送给单片机芯片进行计量处理。
基准电压模块为解调器和放大比较器/比较器提供基准电压，该基准电压在芯片外部接一个去耦电容C6。
两个起振电容C1、C2和电感L以及振荡器构成了LC谐振电路，振荡器产生振荡信号，在极低功耗下起振，驱动两个起振电容C1、C2和电感L之间产生稳定的正弦波振荡；
当金属片受叶轮带动旋转到靠近电感L时，金属片将因涡流吸收LC谐振电路中的一部分起振能量，从而使得LC谐振电路正弦波振荡的幅度变小，变小的幅度与金属片离线圈L的距离有关。由此，LC谐振电路产生的正弦波振荡幅度受金属片距离的调制，如果叶轮以一定的频率在旋转，则LC谐振电路所产生的正弦波幅度也以相同的频率变化。
金属片受水表叶轮带动旋转进而往复运动地靠近或者远离电感L，LC谐振电路所产生的正弦波幅度变化的频率和水表叶轮旋转频率保持一致，
振荡器后的解调器从隔直流电容C3接收到LC谐振电路的正弦波振荡信号，获得正弦波振荡信号的幅度变化，进而将正弦波振荡信号的幅度变化中叠加有的包含水表叶轮旋转的调制波形解调提取出，调制波形再经滤波电容C4滤波后获得体现水表叶轮旋转的信号，再经隔直流电容C5发送至放大比较器进行放大和比较后的发送到单片机芯片进行计量处理获得水表叶轮旋转的圈数。
叶轮上金属片由远及近到线圈L下方时，振荡器输出的波形示意图如图2所示。远离时幅值较大，靠近后幅值较小。实际的幅值变化会比示意图里的更小，可能仅为几十毫伏。该振荡器波形的幅值变化经解调器和放大比较器/比较器放大后，变为一个由1到0的信号跳变(经反相处理，变为由0到1的信号跳变也可以)，提供给单片机MCU处理，如图3所示。
叶轮上金属片由近及远，远离线圈L下方时的振荡器波形示意图如图4所示，与图2是相反一个过程。该振荡器波形的幅值变化经解调器和放大比较器/比较器放大后，变为一个由0到1的信号跳变(经反相处理，变为由1到0的信号跳变也可以)，提供给单片机MCU处理，如图5所示。
具体实施中，由于该芯片内各个模块都是低功耗电路(所有电路工作的电流小于3uA)，如果因为外部因素，如防潮措施不理想等引起的外部阻抗下降，进而导致振荡器的谐振振荡幅度下降，或者放大比较器的输入信号电压下降，一旦超过一定阈值的程度，将使得该传感器芯片无法检测到金属片的距离变化，降低了可靠性。
传感器芯片还包括了监测模块(Detector)，监测模块(Detector)分别连接到振荡器(Oscillato)的检测输出端，同时放大比较器的检测输出端和高功率使能端分别和振荡器(Oscillato)的检测输出端和高功率使能端连接；
监测模块引出检测使能引脚DET_EN连接到外部的单片机芯片，由单片机MCU通过检测使能引脚DET_EN周期性地控制监测模块开启工作。
振荡器(Oscillato)的高功率使能端引出到传感器芯片外并作为传感器芯片的高功率使能控制引脚HP_EN，通过高功率使能控制引脚HP_EN用于对传感器芯片的功耗模式进行设定，对工作功率进行调整；监测模块实时监测振荡器的正弦波振荡的振幅以及放大比较器输入信号的电压，作为监测信号；
监测模块引出检测输出引脚DET Output连接到外部的单片机芯片，由单片机MCU通过检测输出引脚DET Output接收监测模块发送过来的监测信号进行监测是否工作异常，进而通过高功率使能控制引脚HP_EN反馈控制到传感器芯片中的振荡器(Oscillato)进行功率调整控制，以更高功率进行工作。
该监测模块有几个特点：
监测模块可由单片机MCU开启或关闭，通过引脚DET_EN实现，降低监测模块工作带来的功耗增加。由于防潮性能下降是一个渐进变化的过程，单片机MCU周期性的开启监测模块工作。
开启监测模块后，监测模块将输出监测信号通过引脚DET Output给单片机MCU。
初始情况下，传感器芯片运行在较低功率模式下，高功率使能控制引脚HP_EN信号输入置为“0”。
单片机MCU接收监测模块的检测输出引脚DET Output发过来的信号，判断显示传感器芯片是否处于异常状态：
若处于异常状态，单片机MCU通过将高功率使能控制引脚HP_EN信号置“1”，使得传感器芯片进入较高功耗模式，从而使得传感器芯片重新正常工作。因为传感器芯片的防潮性能下降，带来的阻抗是逐渐下降的，由此解决了阻抗逐渐下降带来的工作不稳定异常的问题。
同时单片机MCU在控制传感器芯片进入较高功耗模式时候，也可对外发出报警信号，提示该传感器芯片外围发生了阻抗下降等异常事件，提醒用户前来检修。并且在检修进行之前，传感器芯片仍可正常工作，代价仅仅是功耗会上升一些。在检修以后，防潮性能问题解决以后，将从高功率使能控制引脚HP_EN信号输入控制信号，使得恢复到“0”，恢复到较低功率模式。
由此，传感器芯片集成了一个监测模块，以解决这一可靠性问题。监测模块用来监测振荡器的振幅，以及放大比较器输入信号的电压。
本发明具体实施还可以在在一颗传感器芯片上集成两路金属片检测电路，如图6所示，以便更精细的提供叶轮位置信息。这和图1中的单路检测电路相比，Oscillator(振荡器)、Demodulator(解调器)、AMP&CMP(放大比较器)和Detector(监测模块)是独立的两套，REF(基准电压)则是共用同一个电路模块。
Claims (8)
1.一种电子式水表无磁检测装置，其特征在于：在水表内的叶轮上布置金属片，在水表外的附近固定位置布置传感器芯片和线圈，叶轮旋转带动金属片同步旋转，同时相对于传感器芯片所接线圈进行靠近和远离的往复运动，使得金属片和传感器芯片所接线圈之间的距离产生近和远的往复变化，传感器芯片实时通过检测线圈和金属片之间的距离，进而处理分析对应获得水表中的叶轮旋转检测结果。
2.根据权利要求1所述的一种电子式水表无磁检测装置，其特征在于：
所述的传感器芯片外接于单片机芯片，传感器芯片检测到的线圈和金属片之间的距离变化而转变输出为高低变化的电平信号，并送给单片机芯片进行计量处理。
3.根据权利要求1所述的一种电子式水表无磁检测装置，其特征在于：
所述的传感器芯片主要包括一路金属片检测电路，金属片检测电路主要由振荡器、解调器、放大比较器、基准电压模块组成，振荡器的谐振输入端和谐振输出端之间连接有一个空心线圈构成的电感L，两个起振电容C1、C2并联到电感L的两端，电感L一端经隔直流电容C3连接到解调器的信号输入端，解调器的信号输入端经滤波电容C4接地，解调器的信号输出端经隔直流电容C5和放大比较器的正相输入端连接，放大比较器的反相输入端经去耦电容C6接地，基准电压模块分别连接到解调器的基准源输入端和放大比较器的反相输入端，放大比较器的输出端输出表征传感器芯片所接线圈和金属片之间距离变化的高低变化的电平信号。
4.根据权利要求1所述的一种电子式水表无磁检测装置，其特征在于：
所述的空心线圈构成的电感L、两个起振电容C1和C2、隔直流电容C3、滤波电容C4、隔直流电容C5和去耦电容C6均位于传感器芯片之外。
5.根据权利要求1所述的一种电子式水表无磁检测装置，其特征在于：
所述的电感L贴近于叶轮布置。
6.根据权利要求1所述的一种电子式水表无磁检测装置，其特征在于：
两个起振电容C1、C2和电感L以及振荡器构成了LC谐振电路，振荡器产生振荡信号，驱动两个起振电容C1、C2和电感L之间产生稳定的正弦波振荡；
金属片受水表叶轮带动旋转进而往复运动地靠近或者远离电感L，LC谐振电路所产生的正弦波振荡信号和水表叶轮旋转的信号进行调制获得调制信号，解调器从隔直流电容C3接收到该调制信号，获得正弦波振荡信号的幅度变化，进而将正弦波振荡信号的幅度变化中叠加有的包含水表叶轮旋转的调制波形解调提取出，解调波形再经滤波电容C4滤波后获得体现水表叶轮旋转的信号，再经隔直流电容C5发送至放大比较器进行放大和比较后，发送到单片机芯片进行计量处理并获得水表叶轮旋转的圈数。
7.根据权利要求1所述的一种电子式水表无磁检测装置，其特征在于：
所述的传感器芯片还包括了监测模块，监测模块分别连接到振荡器的检测输出端，同时放大比较器的检测输出端和高功率使能端分别和振荡器的检测输出端和高功率使能端连接；监测模块引出检测使能引脚DET_EN连接到外部的单片机芯片，由单片机MCU通过检测使能引脚DET_EN周期性地控制监测模块开启工作。
8.根据权利要求7所述的一种电子式水表无磁检测装置，其特征在于：
所述的振荡器的高功率使能端引出到传感器芯片外并作为传感器芯片的高功率使能控制引脚HP_EN，单片机芯片通过高功率使能控制引脚HP_EN用于对传感器芯片的功耗模式进行设定，对工作功率进行调整；监测模块实时监测振荡器的正弦波振荡的振幅以及放大比较器输入信号的电压，作为监测信号；
监测模块引出检测输出引脚DET Output连接到外部的单片机芯片，由单片机MCU通过检测输出引脚DET Output接收监测模块发送过来的监测信号进行监测是否工作异常，进而通过高功率使能控制引脚HP_EN反馈控制到传感器芯片中的振荡器进行功率调整控制。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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