CN114577278B - 基于光学旋转编码的水表流量采样方法和计量结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水表计量采样技术领域，特别是一种基于光学旋转编码的水表流量采样方法和计量结构，计量结构包括遮光旋转轴、保护腔、两组光电发射和光电接收对管、凹陷腔以及外围驱动、控制电路。流量采样方法包括：叶轮带动旋转轴同步旋转的过程中，当旋转轴的遮光部分完全吸收了由光电发射管发出的光线时，接收光电管检测不到光信号，无法转换为电信号；当遮光部分旋转出光通路后，接收光电管可以检测到光信号，并将光信号转换为电信号；由此，水表的流量信息就被转换为脉冲电信号，从而实现对水表流量的采集。本发明通过光电转换，将水表的流量信息转换为脉冲电信号，完全不受外界磁场的影响，实现真正的无磁采样，采样灵敏度高，计量无误差。

Description

基于光学旋转编码的水表流量采样方法和计量结构

技术领域

本发明涉及水表计量采样技术领域，特别涉及一种基于光学旋转编码的水表流量采样方法和计量结构。

背景技术

目前市场上用于水表计量的无磁采样方法，主要包括LC振荡采样方法和两级线圈感应式采样方法。其中，基于LC振荡的采样，原理是当电感在金属上方时，LC振荡为有阻尼振荡，振幅衰减很快，而当电感在非金属上方时，LC振荡为无阻尼振荡，振幅衰减很慢，通过区分两种不同振荡来判断字轮的旋转，再根据字轮转动一圈所对应的脉冲数，得到水流量。这种采样方式，对于电感的要求较高，空心电感会导致感应能量弱，传感距离不够，实际应用效果差；若要达到一定的传感距离，需要在电感中间放置铁芯，容易受到外界磁场的影响，进而造成计量误差。

对于两级线圈感应式采样，原理是初级线圈在激励电路作用下产生激励磁场，在次级线圈上产生感应电流；字轮上的金属在激励磁场的作用下产生涡电流，涡电流会产生与激励磁场相反的磁场，并在次级线圈上产生感应电流。当字轮带动金属转动时，次级线圈上产生的复合电流，会随着金属位置的不同而变化，从而实现对水量的计量。这种采样方法，如果次级线圈与字轮距离过大，则涡电流产生的感应磁场强度不够，影响采样的灵敏度；同时，该方法是利用磁感应原理来实现采样的，无法完全避免外界强磁场的干扰，不能保证采样的鲁棒性。

为此，本申请设计了一种基于光学旋转编码的水表流量采样方法和计量结构，以解决上述现有的水表计量技术存在的不足。

发明内容

本发明为了弥补现有技术中的不足，提供了一种基于光学旋转编码的水表流量采样方法和计量结构。

对于一种基于光学旋转编码的水表流量采样方法，其中的光学旋转编码包括一个具有旋转轴线的旋转轴，至少一个光产生元件，以及至少一个光检测元件；光产生元件可以在特定方向上连续或周期性的发射光线；光检测元件可以吸收、检测光线，并将光信号转换为电信号；旋转轴沿轴线可驱动，旋转轴上的一部分可以反射或吸收光线；在旋转轴沿轴线旋转一周的过程中，当旋转轴转到某些角度时，光产生元件发射的光线，可以通过直射、反射等方式被光检测元件吸收、检测到；当旋转轴转到另外一些角度时，光产生元件发射的光线会被旋转轴反射或吸收，无法被光检测元件检测到。

具体的采样方法为：

S1，水表叶轮通过齿轮连接着表盘上的旋转轴，水表叶轮随着水流而旋转，并带动旋转轴同步转动；

S2，光电发射管在外围驱动电路的控制下，连续或周期性的发射光线，光电接收管可吸收、检测光线，并将光信号转换为电信号；

S3，旋转轴上的遮光部分旋转到某些位置时，会完全吸收从光电发射管中发射出来的光线，使得光电接收管无法检测到光信号；

S4，当旋转轴上的遮光部分旋转到另外一些位置时，从光电发射管中发射出来的光线，可以通过旋转轴到达光电接收管，被光电接收管检测到，转换为电信号；

S5，水表的流量信息被转换为脉冲电信号，从而实现对水表流量的采集。

本发明的一种基于光学旋转编码的水表计量结构为，水表叶轮通过齿轮与表盘上的旋转轴旋转联动，水表叶轮与旋转轴作为基表的一部分，封装成一个整体；在以旋转轴为中心的旋转平面上，呈水平正交对称放置有光电收发对管，光电收发对管包括两个光电发射管和两个光电接收管，构成从发射管到接收管的两条光通路；光电发射管和光电接收管与外围驱动、控制电路一起，组成光电转换部件，实现水表流量信息的转换、采集、处理、传输，并封装成独立的整体，组成水表上壳电子部分；水表上壳电子部分与基表相互独立，通过螺丝和卡块组装固定。

进一步地，为了更好的实现本发明，旋转轴采用三棱柱式遮光结构，下半部分为圆柱体形状，与齿轮连接，并通过前级齿轮与水表叶轮联动；旋转轴的上半部分为三棱柱形状，三棱柱的横截面为直角三角形，直角顶点与旋转轴线重合，斜边所在的柱面为遮光材料，可以吸收光电发射管发出的光线。

进一步地，为了更好的实现本发明，旋转轴高出表盘，穿过表玻璃平面，旋转轴的三棱柱式遮光部分位于凸出的圆柱体状保护腔中，所述保护腔是由覆盖在表盘上方的钢化表玻璃在旋转轴的位置向上凸起形成的。

进一步地，为了更好的实现本发明，水表上壳电子部分具有一个圆柱体状的凹陷腔，当水表上壳电子部分与基表组装固定后，凹陷腔刚好包住钢化表玻璃上凸起的保护腔。

进一步地，为了更好的实现本发明，两条光通路中，一条光通路由一个光电发射管和一个光电接收管组成的第一光电收发对管构成，第二条光通路由另一个光电发射管和另一个光电接收管组成的第二光电收发对管构成；两组光电收发对管固定在水表上壳电子部分的凹陷腔中，呈水平正交对称放置，当水表上壳电子部分与基表组装固定后，两组光电收发对管与旋转轴的三棱柱式遮光部分处于同一旋转平面上。

进一步地，为了更好的实现本发明，光电收发对管通过软板、引线与外围驱动控制电路连接，水表工作所需的控制、处理、驱动、传输的元器件放置在独立的电路板上，固定在水表上壳电子部分的密封仓中。

本发明的有益效果是：

本发明采用的基于光学旋转编码的水表流量采样方法，通过光电转换，将水表的流量信息转换为脉冲电信号，完全不受外界磁场的影响，实现真正的无磁采样，采样灵敏度高，正向或反向计量无误差。另一方面，本发明提供的水表计量结构，基表与上壳电子部分相互独立，安装调试简单，维护成本低。

附图说明

图1为本发明的基于光学旋转编码的水表计量结构的基表部分的剖视图；

图2为本发明的基于光学旋转编码的水表计量结构的水表上壳电子部分的剖视图；

图3为本发明的三棱柱式遮光旋转轴与光电收发对管的结构图；

图4为本发明的两组收发对管与旋转轴的三棱柱式遮光部分横切面示意图。

图中，

101、水表叶轮，102、齿轮，103、保护腔，104、旋转轴，105、引线，106、电路板，107、凹陷腔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电性连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1-图4为本发明的一种具体实施例，如图1和图2所示，本实施例的计量结构中，水表叶轮101通过两个齿轮102与表盘上的旋转轴104联动。旋转轴104采用三棱柱式遮光结构，旋转轴下半部为圆柱体形状，与齿轮102连接；旋转轴104的上半部为三棱柱式遮光结构。覆盖在表盘上方的钢化表玻璃在旋转轴104的位置向上凸起，形成圆柱体状的保护腔103；旋转轴104的三棱柱式遮光部分，位于凸出的圆柱体状保护腔103中。两组收发对管固定在水表上壳电子部分的凹陷腔107中，当上壳电子部分与基表组装固定后，凹陷腔107刚好包住钢化表玻璃上凸起的圆柱体状保护腔103。水表工作所需的控制、处理、驱动、传输等元器件，放置在独立的电路板106上，收发对管通过引线105与电路板106连接。

如图3所示，旋转轴104的下半部为圆柱体形状，上半部为三棱柱形状。两组收发对管固定在水表上壳电子部分中的凹陷腔107中，呈水平正交对称放置。当上壳电子部分与基表组装固定后，两组收发对管与旋转轴104的三棱柱式遮光部分处于同一旋转平面上。

如图4所示，一个光电发射管F1和一个光电接收管S1组成第一光电收发对管，构成第一光通路，另外一个光电发射管F2和一个光电接收管S2组成第二光电收发对管，构成第二光通路。旋转轴104的上半部为三棱柱形状，三棱柱的横截面为直角三角形，直角顶点与旋转轴线重合，斜边所在的柱面为遮光材料，可以吸收光电发射管发出的光线。当三棱柱遮光结构的两条直角边分别与X0轴与Y0轴重合时，第一光通路截止，光线无法通过；当三棱柱遮光结构沿逆时针方向旋转时，第一光通路导通，光线可以通过；当三棱柱遮光结构旋转180度之后，两条直角边分别与X1轴与Y1轴重合，第一光通路截止，光线无法通过；三棱柱遮光结构继续旋转180度，在此过程中第一光通路截止，光线无法通过，由此完成一个周期的旋转。同理，当三棱柱遮光结构的两条直角边分别与X0轴与Y1轴重合时，第二光通路截止，光线无法通过；当三棱柱遮光结构沿逆时针方向旋转时，第二光通路导通，光线可以通过；当三棱柱遮光结构旋转180度之后，两条直角边分别与X1轴与Y0轴重合，第二光通路截止，光线无法通过；三棱柱遮光结构继续旋转180度，在此过程中第二光通路截止，光线无法通过，由此完成一个周期的旋转。由此可见，当三棱柱遮光结构从X0轴与Y0轴的位置旋转90度到达X0轴与Y1轴位置的过程中，第一光通路导通，第二光通路截止；继续旋转90度到达X1轴与Y1轴位置的过程中，第一光通路导通，第二光通路导通；继续旋转90度到达X1轴与Y0轴位置的过程中，第一光通路截止，第二光通路导通；继续旋转90度到达X0轴与Y0轴位置的过程中，第一光通路截止，第二光通路截止。因此，三棱柱遮光结构旋转一周，可以通过光电转换，产生4种不同状态的编码，4种不同的状态编码因旋转方向不同，可以此实现对水表流量的正向和方向计量。

本实施例的具体流量采样方法为：

S1，水表叶轮101通过齿轮102连接着表盘上的旋转轴104，水表叶轮101随着水流而旋转，并带动旋转轴104同步转动；

S2，光电发射管在外围驱动电路的控制下，连续或周期性的发射光线，光电接收管可吸收、检测光线，并将光信号转换为电信号；

S3，旋转轴104上的遮光部分旋转到某些位置时，会完全吸收从光电发射管中发射出来的光线，使得光电接收管无法检测到光信号；

S4，当旋转轴104上的遮光部分旋转到另外一些位置时，从光电发射管中发射出来的光线，可以通过旋转轴到达光电接收管，被光电接收管检测到，转换为电信号；

S5，水表的流量信息被转换为脉冲电信号，从而实现对水表流量的采集。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于光学旋转编码的水表计量结构，包括水表叶轮（101），其特征在于：

所述水表叶轮（101）通过齿轮（102）与表盘上的旋转轴（104）旋转联动，水表叶轮（101）与旋转轴（104）作为基表的一部分，封装成一个整体；在以所述旋转轴（104）为中心的旋转平面上，呈水平正交对称放置有光电收发对管，所述光电收发对管包括两个光电发射管和两个光电接收管，构成从发射管到接收管的两条光通路；所述光电发射管和光电接收管与外围驱动、控制电路一起，组成光电转换部件，实现水表流量信息的转换、采集、处理、传输，并封装成独立的整体，组成水表上壳电子部分；所述水表上壳电子部分与基表相互独立，通过螺丝和卡块组装固定；所述两条光通路中，一条光通路由一个光电发射管和一个光电接收管组成的第一光电收发对管构成，第二条光通路由另一个光电发射管和另一个光电接收管组成的第二光电收发对管构成；两组光电收发对管固定在水表上壳电子部分的凹陷腔（107）中，呈水平正交对称放置，当水表上壳电子部分与基表组装固定后，两组光电收发对管与旋转轴（104）的三棱柱式遮光部分处于同一旋转平面上；

所述旋转轴（104）采用三棱柱式遮光结构，下半部分为圆柱体形状，与齿轮（102）连接，并通过前级齿轮与水表叶轮（101）联动；所述旋转轴（104）的上半部分为三棱柱形状，三棱柱的横截面为直角三角形，直角顶点与旋转轴线重合，斜边所在的柱面为遮光材料，可以吸收光电发射管发出的光线；

所述旋转轴（104）高出表盘，穿过表玻璃平面，旋转轴（104）的三棱柱式遮光部分位于凸出的圆柱体状保护腔（103）中，所述保护腔（103）是由覆盖在表盘上方的钢化表玻璃在旋转轴（104）的位置向上凸起形成的；

所述水表上壳电子部分具有一个圆柱体状的凹陷腔（107），当水表上壳电子部分与基表组装固定后，所述凹陷腔（107）刚好包住钢化表玻璃上凸起的保护腔（103）。

2.根据权利要求1所述的基于光学旋转编码的水表计量结构，其特征在于：

所述光电收发对管通过软板、引线（105）与外围驱动控制电路连接，水表工作所需的控制、处理、驱动、传输的元器件放置在独立的电路板（106）上，固定在水表上壳电子部分的密封仓中。

3.一种基于权利要求1-2任意一项所述的基于光学旋转编码的水表计量结构的采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，水表叶轮（101）通过齿轮（102）连接着表盘上的旋转轴（104），水表叶轮（101）随着水流而旋转，并带动旋转轴（104）同步转动；

S2，光电发射管在外围驱动电路的控制下，连续或周期性的发射光线，光电接收管可吸收、检测光线，并将光信号转换为电信号；

S3，旋转轴（104）上的遮光部分旋转到某些位置时，会完全吸收从光电发射管中发射出来的光线，使得光电接收管无法检测到光信号；

S4，当旋转轴（104）上的遮光部分旋转到另外一些位置时，从光电发射管中发射出来的光线，可以通过旋转轴到达光电接收管，被光电接收管检测到，转换为电信号；

S5，水表的流量信息被转换为脉冲电信号，从而实现对水表流量的采集。

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