CN113566911A - 一种电磁水表的励磁控制方法、设备及存储介质 - Google Patents

一种电磁水表的励磁控制方法、设备及存储介质 Download PDF

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CN113566911A CN202110696822.8A CN202110696822A CN113566911A CN 113566911 A CN113566911 A CN 113566911A CN 202110696822 A CN202110696822 A CN 202110696822A CN 113566911 A CN113566911 A CN 113566911A
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陈伟
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Ningbo Water Meter Group Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种电磁水表的励磁控制方法、设备及存储介质，所述电磁水表内设有线圈，其控制方法包括向所述线圈输入不同励磁周期的励磁电流，并实时采集所述线圈输入电流时所产生的感应电压信号；根据采集所得的所述感应电压信号计算出多个不同励磁周期下所述电磁水表所对应的水体流速，并将多个不同励磁周期的水体流速进行比对，根据比对结果切换至对应的励磁周期。本发明通过调整励磁模式，在低流量范围时采用高励磁电流，实现提高信噪比的目的，求得比同类产品更低的流速值；当采用高电流励磁和低电流励磁，得到的流速相同时，采用低电流励磁模式，从而实现比同类产品更低功耗的目的。

Description

一种电磁水表的励磁控制方法、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及电磁水表技术领域，尤其涉及一种电磁水表的励磁控制方法、设备及存储介质。
背景技术
目前，随着淡水资源的日益紧缺，淡水作为一种商品在贸易结算过程中如何被准确，可靠地计量，使节约用水变得更加富有成效，水表作为计量工具，其测量准确性和稳定性尤为重要。而传统的机械水表由于受到其测量重复性、使用寿命短，且对水质要求较高等因素限制，以及机械手表存在流量测量特性调节困难等原因，目前所能达到的测量准确度等级仅仅限于二级水平。为了进一步提高水表测量的准确度，降低维护成本，目前市面上推出了非侵入式电子水表，非侵入式电子水表的测量原理是根据测量导电流体作切割磁力线运动所产生的感应电动势。具体来说，导电流体在均匀磁场中切割磁感线运动，流体截面的周围会有感应电动势产生，通过一对接触式的非磁性材料的金属电极采集感应电压，即可准确地对用水量进行测量。
从上述原理可知，电磁水表和电磁流量计需要在管体内构建一个均匀的磁场，而磁场则是通过将励磁电流注入到线圈的方式产生，因此，为了保证测量精度，降低电磁水表的功耗是电磁水表所在水计量行业面临的重要问题。现在市面上的电磁水表产品，在低功耗上主要是通过降低励磁电流、采用低功耗的电子元器件或者通过间断励磁的方式实现，但其采用非常低的励磁电流会使得信噪比势降低，导致仪表的稳定性和重复性变差。此外，增加励磁时间间隔，会导致系统响应速度变慢，可见，现有市面上的电磁水表产品均未能很好地解决电磁水表的功耗问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种电磁水表的励磁控制方法，可降低电磁水表的功耗。
本发明的目的之二在于提供一种电子设备。
本发明的目的之三在于提供一种存储介质。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种电磁水表的励磁控制方法，电磁水表内设有线圈，其控制方法包括：向所述线圈输入不同励磁周期的励磁电流，并实时采集所述线圈输入电流时所产生的感应电压信号；
根据采集所得的所述感应电压信号计算出多个不同励磁周期下所述电磁水表所对应的水体流速，并将多个不同励磁周期的水体流速进行比对，根据比对结果切换至对应的励磁周期。
进一步地，不同励磁周期包括第一励磁周期和第二励磁周期，第一励磁周期的励磁电流大于第二励磁周期的励磁电流，且第一励磁周期和第二励磁周期均包括正向励磁电流、零点电流和反向励磁电流。
进一步地，计算不同励磁周期所对应的水体流速的方法为：
分别计算第一励磁周期和第二励磁周期所对应的平均感应电压值UH和UL；
分别采集第一励磁周期和第二励磁周期中电流输入所述线圈时所产生的磁场强度BH和磁场强度BL；
根据公式
Figure BDA0003128806680000031
和
Figure BDA0003128806680000032
分别计算获得第一励磁周期和第二励磁周期所对应的水体流速V1和V2；其中k1为第一励磁周期中励磁电流的标定系数，k2为第二励磁周期中励磁电流的标定系数。
进一步地，所述平均感应电压值的计算公式分别为：
Figure BDA0003128806680000033
Figure BDA0003128806680000034
其中：
Figure BDA0003128806680000035
是指当励磁电流为第一励磁电流时，所计算的平均感应电压值；
Figure BDA0003128806680000036
是指当励磁电流为第二电流时，所计算的平均感应电压值；
Figure BDA0003128806680000037
其含义为正向感应电压离散信号的平均值；
Figure BDA0003128806680000038
其含义为反向感应电压离散信号的平均值；
Figure BDA0003128806680000039
其含义为直流偏置电压离散信号的平均值；
Figure BDA00031288066800000310
其含义为直流偏置电压离散信号的平均值；
Figure BDA00031288066800000311
其含义为直流偏置电压离散信号的平均值。
进一步地，将多个不同励磁周期的各水体流速进行比对，根据比对结果切换励磁模式的方法为：
当判断得出第一励磁周期和第二励磁周期所对应的水体流速相同，且前一个第一励磁周期和第二励磁周期所对应的水体流速，与后一个第一励磁周期和第二励磁周期所对应的水体流速相同时，通过电流切换电路将输入所述线圈的励磁电流切换为第二励磁周期的第二励磁电流；
当判断得出第一励磁周期和第二励磁周期所对应的水体流速不相同时，则判断前一个第一励磁周期和后一个第一励磁周期所对应的水体流速是否在预设的最小流速范围内，若是，则通过电流切换电路将输入所述线圈的励磁电流切换为第一励磁电流；若否，则继续以周期性方式输入第一励磁电流和第二励磁电流。进一步地，所述电流切换电路包括恒压电源、与所述恒压电源输出端相连的开关电路和与所述开关电路相连的控制器，所述开关电路的输出端连接线圈，所述控制器用于控制所述开关电路中每个开关的开关状态以改变输入至线圈的励磁电流。
进一步地，在切换励磁模式后还包括：重新计算当前励磁模式的平均流速和瞬时流量，并将计算结果进行显示。
进一步地，在切换励磁模式后还包括：判断切换励磁模式后重新计算的流速是否与切换前的流量相同，若相同，则重新切换励磁模式直至切换励磁模式后的流量发生变化；若切换前后的流量发生变化，则根据变化情况实时调整励磁周期。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种电子设备，其包括处理器、存储器及存储于所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的电磁水表的励磁控制方法。
本发明的目的之三采用如下技术方案实现：
一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的电磁水表的励磁控制方法。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明设计了一种新的励磁模式，将高低励磁电流分别注入到电磁水表的线圈中去，从而得到两组感应电压值，经过逻辑判断，调整励磁模式，在低流量范围时采用高励磁电流，实现提高信噪比的目的，求得比同类产品更低的流速值。当采用高电流励磁和低电流励磁，得到的流速相同时，采用低电流励磁模式，从而实现比同类产品更低功耗的目的。
附图说明
图1为本发明励磁控制方法的流程示意图；
图2为本发明励磁电流信号、磁场强度与感应电压的对应关系图；
图3为本发明标定过程中线圈所产生的感应电压示意图；
图4为本发明励磁控制方法中励磁模式切换流程示意图图；
图5为本发明高低励磁模式下的励磁电流示意图；
图6为本发明高电流励磁模式下的励磁电流示意图；
图7为本发明低电流励磁模式下的励磁电流示意图；
图8为本发明电流切换电路示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，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。
实施例一
本实施例为了降低电磁水表的功耗，提供一种励磁控制方法，该方法应用在电磁水表中。本实施例为了满足电磁水表测量高精度的要求，需要提高电磁水表的测量量程比，而量程比是最大流量与最小流量的比值，因此需要降低最小流量的数值才可提高量程比，但是如果同时要兼顾低功耗的要求，测量降低后的最小流量所得的感应电压信号质量也会降低，因此，本实施例提供的励磁控制方法，可在针对小流量测量时，采用大电流励磁，使得导电流体产生的感应电压信号幅度提升，提高感应电压信息的测量质量。在导电流体流量处于常用流量范围时，励磁电流调整为小电流励磁，由于此时流速相对较高，测量所得的感应电压信号也相对准确，因此，信噪比不会降低，同时，励磁电流较小，整体功耗降低，达到降低功耗同时保证系统响应速度的效果。
具体地，如图1所示，本实施例的励磁控制方法具体包括如下步骤：
向所述线圈输入不同励磁周期的励磁电流，并实时采集所述线圈输入电流时所产生的感应电压信号；
根据采集所得的所述感应电压信号计算出多个不同励磁周期下所述电磁水表所对应的水体流速，并将多个不同励磁周期的水体流速进行比对，根据比对结果切换至对应的励磁周期。
而本实施例中，向所述线圈注入不同励磁周期的励磁电流信号来实现上述低功耗的目的，本实施例中不同励磁周期包括第一励磁周期和第二励磁周期，第一励磁周期的励磁电流大于第二励磁周期的励磁电流，相当于第一励磁周期中向所述线圈输入的是电流相对较高的高电流励磁电流信号，而第二励磁周期中向所述线圈输入的是电流相对较低的低电流励磁电流信号。其中，无论是第一励磁周期还是第二励磁周期，其周期内均采用三值方波励磁，该励磁方法有功耗低和零点稳定性好的特点，即周期内包括三个部分，分别为正向励磁电流、零点电流和反向励磁电流，将周期内的电流信号输入所述线圈中，线圈会产生磁场强度信号，且通过线圈电极两端即可采集感应电压信号，从而计算该周期所对应的水体流速。
如图2所示，励磁电流信号的一个周期内包含三个部分，可对I1、I2、I3、I4四个位置进行信号采集，其中I1位励磁电流正向通过线圈的大小，I1为励磁电流正向通过线圈的大小,幅值为
Figure BDA0003128806680000071
所对应的正向磁场强度为
Figure BDA0003128806680000072
被测到的感应电压幅值为
Figure BDA0003128806680000073
经过80ms后。励磁电流关闭I2＝0,磁场强度也随即变为B2＝0；同一时间，感应电压幅值U2变为0。
同样经过80ms，励磁电流反向进入线圈，这时电流大小为
Figure BDA0003128806680000074
因为励磁电流反向，管体内磁场方向也发生变化，其幅值为
Figure BDA0003128806680000075
感应电压幅值更改为
Figure BDA0003128806680000076
经过80ms，励磁电流关闭，I4＝0，磁场同时也关闭B4＝0；感应电压信号随即U4＝0。一个高电流励磁周期结束后，随即进行第二励磁周期，该周期采用低电流励磁方式，励磁电流正向通过线圈，其幅值为
Figure BDA0003128806680000077
正向磁场也降低为
Figure BDA0003128806680000078
感应电压幅值是为
Figure BDA0003128806680000079
经过80ms后，励磁电流关闭I6＝0，磁场关闭B6＝0，感应电压信号U6为0。经过80ms后，励磁电流反向进入线圈，其幅值为
Figure BDA00031288066800000710
磁场强度变更为
Figure BDA00031288066800000711
感应电压为
Figure BDA00031288066800000712
这里需要注意的是：
Figure BDA00031288066800000713
如果流速不变的情况下，
Figure BDA00031288066800000714
Figure BDA00031288066800000715
感应电压信号的具体处理如下：
Figure BDA00031288066800000716
Figure BDA00031288066800000717
其中：
Figure BDA00031288066800000718
其含义为80ms采集的正向感应电压离散信号的平均值。
Figure BDA00031288066800000719
其含义为80ms采集的反向感应电压离散信号的平均值。
Figure BDA0003128806680000081
其含义为80ms采集到的直流偏置电压离散信号的平均值。
Figure BDA0003128806680000082
其含义为80ms采集到的直流偏置电压离散信号的平均值。
Figure BDA0003128806680000083
其含义为80ms采集到的直流偏置电压离散信号的平均值。
Figure BDA0003128806680000084
是指当励磁电流为高电流时，所计算的平均感应电压值。
Figure BDA0003128806680000085
是指当励磁电流为低电流时，所计算的平均感应电压值。
而本实施例中计算不同励磁周期所对应的水体流速的方法为：
分别计算第一励磁周期和第二励磁周期所对应的平均感应电压值UH和UL；
分别采集第一励磁周期和第二励磁周期中电流输入所述线圈时所产生的磁场强度BH和磁场强度BL；
根据流速
Figure BDA0003128806680000086
分别计算获得第一励磁周期和第二励磁周期所对应的水体流速V1和V2；其中k1为第一励磁周期中励磁电流的标定系数，k2为第二励磁周期中励磁电流的标定系数；其中D的含义为管体内直径。
其中，本实施例的标定方法也可通过周期性地将第一励磁周期的高励磁电流和第二励磁周期的低励磁电流注入进线圈里，所述线圈所产生的感应电压如图3所示，经过N个周期的测量，可通过标定台设定已知流速，通过设定多个流速点，达到标定的目的，从而获得高励磁电流和低励磁电流的标定系数k1和k2。
在完成标定后，电磁水表可进入测量模式，在测量模式下将一个第一励磁周期的高励磁电流和一个第二励磁周期的低励磁电流一次注入所述线圈中，得到高励磁电流的平均感应电压和低电流感应电压值，对应计算出的流速为V1、V2。间隔3秒后，注入下一个第一励磁周期的高励磁电流和第二励磁周期的低励磁电流信号，再通过计算得到流速V3、V4。
当判断得出第一励磁周期和第二励磁周期所对应的水体流速相同，且前一个第一励磁周期和第二励磁周期所对应的水体流速，与后一个第一励磁周期和第二励磁周期所对应的水体流速相同或近似相同时，即V1≈V2≈V3≈V4，此时，通过电流切换电路将输入所述线圈的励磁电流切换为第二励磁周期的第二励磁电流，即切换为低电流励磁模式。
当判断得出第一励磁周期和第二励磁周期所对应的水体流速不相同时，即V1≠V2，V3≠V4,则进入下一个判断，判断前一个第一励磁周期和后一个第一励磁周期所对应的水体流速是否在预设的最小流速范围内，即V1和V3是否在设定的最小流速范围内，若在小流速范围内，则通过电流切换电路将输入所述线圈的励磁电流切换为第一励磁电流，即切换位高励磁电流模式；如果不在所设定的小流速范围内，将继续采用高低电流励磁模式，继续以周期性方式输入第一励磁电流和第二励磁电流。
具体来说，每3秒，注入2个周期的低励磁电流信号进入线圈，所测得感应电压用于流速的计算。如果后一个周期新计算的流速值小于前一个周期计算所得的流速值，系统自动切换为高低电流励磁模式，求得4组流速值，如果V1≈V2≈V3≈V4,那么切换为低电流励磁方式(如图7所示)，切换位低电流励磁方式后还需比较新计算的流速与之前的流速是否有所降低，如果有，则系统重新切换回高低电流励磁模式；若新计算的流速未降低，则有可能存在低电流励磁模式切换失败的情况，因此系统重新切换位低电流励磁模式，直至所测流速变小。如果V1≠V2，V3≠V4,进入下一个判断，V1和V3是否在设定的最小流速范围内，如果在小流速范围内，系统切换为高励磁电流模式(如图6所示)；并在切换模式后重新计算流速，将重新计算的流速与切换前计算所得的流速进行比对，判断新计算的流速是否升高，若升高，则重新判断新计算的流速是否在预设的小流量范围内，如果是，则重新切换位高电流励磁模式进行循环，如果不在所设定的小流速范围内，即切换模式后测得的新的流速若高于前一个流速值，系统则将切换为高低电流励磁模式(如图5所示)。本方法具体流程如图4所示。注意在高低电流励磁模式下，所测流速结果以高电流励磁为主。
本实施例中，在每次切换励磁模式后，都需要重新计算当前励磁模式下对应的平均流速和瞬时流量，并将计算结果进行显示，以供用户查看实时流量情况。
而本实施例中，通过所述电流切换电路来改变输入至线圈中的励磁电流，实现切换励磁模式的效果；如图8所示，所述电流切换电路具体包括恒压电源、与所述恒压电源输出端相连的开关电路和与所述开关电路相连的控制器，其控制器可以是单片机；所述开关电路的输出端连接线圈，所述控制器用于控制所述开关电路中每个开关的开关状态以改变输入至线圈的励磁电流。其中，开关电路包括五个开关，分别是sw1、sw2、sw3、sw4和sw5，其中sw1和sw3串联形成第一开关支路，sw2和sw4串联形成第二开关支路，第一开关支路和第二开关支路并联后与恒压电源的输出端相连，切第一开关支路和第二开关支路均引出输出端与线圈两极相连。而开关sw5的一端接地，另一段经电阻R2与比较器的正输入端相连，同时，比较器的正输入端经R1和R3与开关电路连接，比较器的负输入端接地，比较器的输出端与恒压电源相连，用于保持输出恒定。具体工作原理为：通过单片机IO口输出控制信号，将SW5断开，励磁电流为低电流励磁，恒压源在采样电阻R1上分压，得到低励磁电流IL,于此同时，MCU控制SW1和SW4闭合，SW2和SW3断开，励磁电流从线圈1流向线圈2最终回到GND，这样实现了正向励磁。经过80ms,SW1,SW2，SW3,SW4，同时断开，这样使得线圈中电流为零，经过80ms，进入反向励磁的阶段，SW1和SW4断开，SW2和SW3闭合，电流从线圈2流向线圈1，经过80ms，励磁电流关闭，以上为低励磁电流周期。高电流励磁是：将SW5闭合，R2与R3形成分压电路，反馈到恒压源后，励磁电流变为IH，通过相同模拟开关SW1 SW2，SW3,SW4控制逻辑来实现高电流励磁周期。
本实施例设计了一种新的励磁模式，将高低励磁电流分别注入到电磁水表的线圈中去。从而得到两组感应电压值，经过逻辑判断，调整励磁模式，在低流量范围时采用高励磁电流，实现提高信噪比的目的，求得比同类产品更低的流速值。当采用高电流励磁和低电流励磁，得到的流速相同时，采用低电流励磁模式，从而实现比同类产品更低功耗的目的。
实施例二
本实施例提供一种电子设备，其包括处理器、存储器及存储于所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例一中的电磁水表的励磁控制方法；另外，本实施例还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的电磁水表的励磁控制方法。
本实施例中的设备及存储介质与前述实施例中的方法是基于同一发明构思下的两个方面，在前面已经对方法实施过程作了详细的描述，所以本领域技术人员可根据前述描述清楚地了解本实施中的系统的结构及实施过程，为了说明书的简洁，在此就不再赘述。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种电磁水表的励磁控制方法，其特征在于，所述电磁水表内设有线圈，其控制方法包括：
向所述线圈输入不同励磁周期的励磁电流，并实时采集所述线圈输入电流时所产生的感应电压信号；
根据采集所得的所述感应电压信号计算出多个不同励磁周期下所述电磁水表所对应的水体流速，并将多个不同励磁周期的水体流速进行比对，根据比对结果切换至对应的励磁模式。
2.根据权利要求1所述的电磁水表的励磁控制方法，其特征在于，不同励磁周期包括第一励磁周期和第二励磁周期，第一励磁周期的励磁电流大于第二励磁周期的励磁电流，且第一励磁周期和第二励磁周期均包括正向励磁电流、零点电流和反向励磁电流。
3.根据权利要求2所述的电磁水表的励磁控制方法，其特征在于，计算不同励磁周期所对应的水体流速的方法为：
分别计算第一励磁周期和第二励磁周期所对应的平均感应电压值UH和UL；
分别采集第一励磁周期和第二励磁周期中电流输入所述线圈时所产生的磁场强度BH和磁场强度BL；
根据公式
Figure FDA0003128806670000011
和
Figure FDA0003128806670000012
分别计算获得第一励磁周期和第二励磁周期所对应的水体流速V1和V2；其中k1为第一励磁周期中励磁电流的标定系数，k2为第二励磁周期中励磁电流的标定系数。
4.根据权利要求3所述的电磁水表的励磁控制方法，其特征在于，所述平均感应电压值的计算公式分别为：
Figure FDA0003128806670000021
Figure FDA0003128806670000022
其中：
Figure FDA0003128806670000023
是指当励磁电流为第一励磁电流时，所计算的平均感应电压值；
Figure FDA0003128806670000024
是指当励磁电流为第二电流时，所计算的平均感应电压值；
Figure FDA0003128806670000025
其含义为正向感应电压离散信号的平均值；
Figure FDA0003128806670000026
其含义为反向感应电压离散信号的平均值；
Figure FDA0003128806670000027
其含义为直流偏置电压离散信号的平均值；
Figure FDA0003128806670000028
其含义为直流偏置电压离散信号的平均值；
Figure FDA0003128806670000029
其含义为直流偏置电压离散信号的平均值。
5.根据权利要求4所述的电磁水表的励磁控制方法，其特征在于，将多个不同励磁周期的各水体流速进行比对，根据比对结果切换励磁模式的方法为：当判断得出第一励磁周期和第二励磁周期所对应的水体流速相同，且前一个第一励磁周期和第二励磁周期所对应的水体流速，与后一个第一励磁周期和第二励磁周期所对应的水体流速相同时，通过电流切换电路将输入所述线圈的励磁电流切换为第二励磁周期的第二励磁电流；
当判断得出第一励磁周期和第二励磁周期所对应的水体流速不相同时，则判断前一个第一励磁周期和后一个第一励磁周期所对应的水体流速是否在预设的最小流速范围内，若是，则通过电流切换电路将输入所述线圈的励磁电流切换为第一励磁电流；若否，则继续以周期性方式输入第一励磁电流和第二励磁电流。
6.根据权利要求5所述的电磁水表的励磁控制方法，其特征在于，所述电流切换电路包括恒压电源、与所述恒压电源输出端相连的开关电路和与所述开关电路相连的控制器，所述开关电路的输出端连接线圈，所述控制器用于控制所述开关电路中每个开关的开关状态以改变输入至线圈的励磁电流。
7.根据权利要求1所述的电磁水表的励磁控制方法，其特征在于，在切换励磁模式后还包括：重新计算当前励磁模式的平均流速和瞬时流量，并将计算结果进行显示。
8.根据权利要求1所述的电磁水表的励磁控制方法，其特征在于，在切换励磁模式后还包括：判断切换励磁模式后重新计算的流速是否与切换前的流量相同，若相同，则重新切换励磁模式直至切换励磁模式后的流量发生变化；若切换前后的流量发生变化，则根据变化情况实时调整励磁模式。
9.一种电子设备，其特征在于，其包括处理器、存储器及存储于所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1～8任一所述的电磁水表的励磁控制方法。
10.一种存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现权利要求1～8任一所述的电磁水表的励磁控制方法。
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