CN115507904B - 一种电磁水表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁水表，包括通过安装在管体内的测量组件以采集流量信号，处理组件接收采集信号并实现采集信号的处理以得出测量结果在测量水流量的同时通过电容耦合的方式在两个测量电极上施加高于励磁频率的脉冲序列，由此在测量电极上混叠了两种频率成份的信号，一种是与励磁频率相同的第一输出信号，另一种是与高频脉冲序列频率相同的第二输出信号，通过对第一、第二输出信号进行放大、高速模数转换，并进行一些预定的解调操作，在不影响流量测量精度与实时性的前提下，实时地检测测量介质的电导率，最终通过电导率辅助判断测量电极的状态。

Description

一种电磁水表

技术领域

本发明涉及计量仪表技术领域，尤其涉及一种电磁水表。

背景技术

电磁水表的测量原理基于法拉第电磁感应定律。其传感器部分由线圈、电极和绝缘内衬组成，在测量时传感器中的励磁线圈通电产生磁场，当导电流体通过磁场时，由于切割磁力线的作用力，在两个测量电极上会产生微弱的感应电动势，其大小与测量管道内的流速成正比，以此来计算管道内流过的流量。

电磁水表广泛的分布在自来水的管网中，根据自来水行业特殊的需求，电磁水表已不止承担着测量流量的功能，同时还会配套压力、温度等传感器设备，并且通过NB-IoT远传设备将流量、压力、温度等参数上传至客户的智慧水务系统，但是市场上还没有关于水质安全监测方面的集成，比如自来水的电导率。电导率是水质安全的一个重要指标，每个地区的自来水电导率值应该都稳定在一个固定区间内，不应发生明显的变化；当自来水被污染后，比如在沿海地区，咸潮来临之际，自来水的电导率会发生非常明显的变化。

如果继续采用类似配套压力、温度等传感器的方式，在电磁水表上再配套电导率仪来监测自来水的电导率无疑会增加成本，而且还会增加电磁水表的尺寸。因此，需要结合电磁水表传感器本身工作原理及机械结构，制作一款无需额外增加机械部件，通过简单的电路，配套特定的时序即可完成电导率的测量变得至关重要。

有资料显示，由于在测量电极上施加脉冲序列往往会影响到测量的精度，市面上出现一些分时测量电导率的方法，即流量及电导率测量与电导率测量分时进行，这在一定程度上是通过放弃测量流量来实现电导率的检测，在某些实时性要求高的场合，这种方式不适用。根据电导率值的大小，目前市面上的电磁水表一般都具备判断两个测量电极是否处于空管或者断开状态，但是没有很好的策略来判断测量电极是否处于短路或者是否被污染。

中国专利文献CN103048023B公开了一种“电磁式水表”。采用了包括具有导管、励磁线圈、电极与接地端的传感器，以及除常规功能外还具有电极清零及空管检测模块的转换器，该电极清零及空管检测模块用以在第一及第二开关单元同时导通时将所述电极上的电压清零，在仅第一开关单元导通以及所述电压施加单元交替输出高压信号及低压信号给所述电极时，检测并计算该电极与接地端之间的电阻值，并将计算出的阻值与一预设值相比对，以确定所述导管内是否有流体。上述技术方案未考虑测量介质的电导率对于测量结果的影响。

发明内容

本发明主要解决原有的未考虑测量介质的电导率对于测量结果的影响的技术问题，提供一种电磁水表，在测量水流量的同时通过电容耦合的方式在两个测量电极上施加高于励磁频率的脉冲序列，由此在测量电极上混叠了两种频率成份的信号，一种是与励磁频率相同的第一输出信号，另一种是与高频脉冲序列频率相同的第二输出信号，通过对第一、第二输出信号进行放大、高速模数转换，并进行一些预定的解调操作，在不影响流量及电导率测量精度与实时性的前提下，实时地检测测量介质的电导率，最终通过电导率辅助判断测量电极的状态。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括：

管体，用于放置测量电极以实现测量通过的导电介质流量；

测量组件，用于采集测量信号以进行流量及电导率测量；

处理组件，用于实现采集信号的处理以得出测量结果，与测量组件相连。

通过安装在管体内的测量组件采集流量信号，处理组件接收采集信号并实现采集信号的处理以得出测量结果。

作为优选，所述的测量组件包括第一测量电极、第二测量电极和励磁线圈，所述第一测量电极、第二测量电极设置在管体中。电磁水表在两个测量电极上产生的第一输出信号是由导电测量介质在交替磁场的作用下产生的，其中交替磁场通过对励磁线圈激励特定励磁频率的电流信号产生。叠加在第一输出信号上的第二输出信号则由施加在两个测量电极上的高频脉冲序列产生。产生第二输出信号的装置包括：高频脉冲序列发生装置、高频脉冲序列耦合装置。其中高频脉冲序列发生装置产生高频脉冲序列；高频脉冲耦合装置主要作用是在削弱高频脉冲发生器对前置放大器输入阻抗的影响，以免降低流量及电导率测量精度。

作为优选，所述的测量组件包括第一测量电极、第二测量电极、第三测量电极和励磁线圈，所述第一测量电极、第二测量电极、第三测量电极设置在管体中，所述第一测量电极和第三测量电极之间设有第一等效电阻，所述第二测量电极和第三测量电极之间设有第二等效电阻。

作为优选，所述的处理组件包括设置在第一测量电极、第二测量电极两端的第一脉冲耦合装置、第二脉冲耦合装置，第一脉冲耦合装置、第二脉冲耦合装置之间设有脉冲电流源，第一测量电极、第二测量电极两端依次经过前置放大电路、模数采集单元与微处理器单元相连，励磁线圈经过励磁线圈驱动单元与微处理器单元相连。匹配的高频脉冲耦合装置为电容器，高频电流脉冲通过电容耦合至两个测量电极上。

作为优选，所述的处理组件包括依次相连的第三脉冲耦合装置、第一脉冲耦合装置、脉冲电压源、第二脉冲耦合装置和第四脉冲耦合装置，第一测量电极、第二测量电极两端经过第一长电缆分别与第三脉冲耦合装置、第四脉冲耦合装置相连，同时第一长电缆依次经过前置放大电路、模数采集单元与微处理器单元相连，励磁线圈经过第二长电缆、励磁线圈驱动单元与微处理器单元相连。电磁水表的两个测量电极与耦合装置有时会通过长电缆线连接，电缆线对地等效电容会造成高频电流脉冲衰减，影响电导率的测量。为了减弱电缆线对地等效电容的影响，权利要求2中的高频脉冲序列发生装置可以采用电压脉冲激励，激励过程保持电压恒定；高频脉冲序列耦合装置则采用高通滤波器的结构，即电容器搭载电阻组成耦合装置。

作为优选，所述的处理组件包括与第一测量电极依次相连的第三脉冲耦合装置、第一脉冲耦合装置、第一脉冲电压源，与第二测量电极依次相连的第二脉冲耦合装置、第四脉冲耦合装置、第二脉冲电压源，第一测量电极、第二测量电极两端依次经过第一长电缆、前置放大电路、模数采集单元与微处理器单元相连，励磁线圈经过第二长电缆、励磁线圈驱动单元与微处理器单元相连。增加了13c接地电极，并且用独立的15a、15b分别对11a、11b施加电压脉冲激励。这种方式可以得到11a相对于11c的电导率，11b相对于11c的电导率，有助于判断两个测量电极的状态。

一种电磁水表的工作方法，包括以下步骤：

S1安装电磁水表；

S2设置励磁周期和电流脉冲激励的频率；

S3在励磁信号切换前采集流量信号，在每次电流脉冲信号切换前采集电导率信号；

S4计算流量信号与电导率信号；

S5计算电极两端的电阻R_ab以及被测介质的电导率μ；

S6根据计算结果实现电磁水表工作状态判断。

作为优选，所述的步骤S5按照权利要求4的电磁水表进行计算时：

其中V_ab为第一测量电极、第二测量电极两端的电压，I_ab为脉冲电流源的电流值；

其中R_ab为第一测量电极、第二测量电极两端的电阻，L为第一测量电极、第二测量电极之间的距离，S为第一测量电极、第二测量电极与被测介质的接触面积。

作为优选，所述的步骤S5按照权利要求5的电磁水表进行计算时，具体包括：

V_EXCITE≈V₁₃+V_ab

其中电压交流源V_EXCITE的电压值，R₁₃的阻值、V₁₃的电压已知；

其中R_ab为第一测量电极、第二测量电极两端的电阻，L为第一测量电极、第二测量电极之间的距离，S为第一测量电极、第二测量电极与被测介质的接触面积。

在按照权利要求6的电磁水表计算被测介质电导率时，与上述步骤相同。而测量第一测量电极与第三测量电极之间的电导率，第二测量电极与第三测量电极之间的电导率时，与权利要求9中所述步骤类似。主要区别在于计算上述电导率时，需要先计算第一测量电极与第三测量电极之间的第一等效电阻，第二测量电极与第三测量电极之间的第二等效电阻。

作为优选，所述的步骤S6具体包括，若电导率趋于0时，测量电极没有被测量介质覆盖，则判定电磁水表处于空管状态；若电导率处于一个很高的值，则判定测量电极可能处于短路状态；若电导率处于一个缓慢变化的过程中，则判定测量电极可能处于被污染状态。

本发明的有益效果是：在测量水流量的同时通过电容耦合的方式在两个测量电极上施加高于励磁频率的脉冲序列，由此在测量电极上混叠了两种频率成份的信号，一种是与励磁频率相同的第一输出信号，另一种是与高频脉冲序列频率相同的第二输出信号，通过对第一、第二输出信号进行放大、高速模数转换，并进行一些预定的解调操作，在不影响流量及电导率测量精度与实时性的前提下，实时地检测测量介质的电导率，最终通过电导率辅助判断测量电极的状态。

附图说明

图1是本发明的一种第一实施方案的原理连接结构图。

图2是本发明的一种第一实施方案的励磁及电流脉冲激励控制时序图。

图3是本发明的一种第一实施方案的流量信号与电导率信号采样时序图。

图4是本发明的一种第一实施方案的电导率测量原理。

图5是本发明的一种第一实施方案的电极两端电压与电流的关系。

图6是本发明的一种第一实施方案的长电缆情况下系统框图。

图7是本发明的一种第一实施方案的长电缆情况下电极两端电压与电流的关系。

图8是本发明的一种第二实施方案的原理连接结构图。

图9是本发明的一种第二实施方案的励磁及电流脉冲激励控制时序图。

图10是本发明的一种第二实施方案的电极两端的电压波形图。

图11是本发明的一种第二实施方案的电导率测量原理图。

图12是本发明的一种第三实施方案的原理连接结构图。

图13是本发明的一种第三实施方案的励磁及电流脉冲激励控制时序图。

图14是本发明的一种第三实施方案的异常情况下励磁及电压脉冲激励控制时序图。

图15是本发明的一种第三实施方案的异常报警原理说明图。

图16是本发明的一种第三实施方案的报警流程图。

图中10管体，11a第一测量电极，11b第二测量电极，11c第三测量电极，12a第一脉冲耦合装置，12b第二脉冲耦合装置，13a第三脉冲耦合装置，13b第四脉冲耦合装置，14脉冲电流源，15脉冲电压源，15a第一脉冲电压源，15b第二脉冲电压源，16前置放大电路，17模数采集单元，18微处理器单元，19励磁线圈驱动单元，20励磁线圈，21第一长电缆，22第二长电缆，23a第一等效电阻，23b第二等效电阻。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种电磁水表，如图1展示了本发明电磁水表在脉冲电流源激励下的第一实施方案。实施方案中参考数字10代表电磁水表的管体部分，它的内表面有光滑的绝缘衬里覆盖；其中11a、11b为两个测量电极，用于收集由20励磁线圈产生交变磁场，流动的导电介质在交变磁场的作用下产生的微弱感应电动势。参考数字19为励磁线圈驱动单元，其时序由18微处理器单元控制。参考数字14为脉冲电流源，产生频率固定、占空比为50％的脉冲电流。参考数字12a、12b为脉冲耦合装置，将脉冲电流源的信号耦合至11a、11b两个测量电极上。参考数字16为前置放大电路，其输入是流动的导电介质在交变磁场作用下产生的第一输出信号和14脉冲电流源耦合产生的第二输出信号两种信号的混叠。两种信号由17模数采集单元通过高频采样，最终由19微处理单元进行解调，计算出本发明电磁水表的流量及电导率。

如图2展示了本发明第一实施方案的励磁及电流脉冲激励的时序图，从图中可以看出，励磁周期为工频的整数倍，而电流脉冲激励的频率则是工频的整数倍，这样的设置可以有效的克服工频干扰对流量及电导率测量的影响。

如图3展示了本发明第一实施方案的流量与电导率信号的采样时序图，流量信号的采集区域在励磁信号切换前，电导率信号的采集区域在每次电流脉冲信号切换前，这种采样区域的设置可以降低电磁流量计微分干扰的影响，最后在如图中给出了流量信号与电导率信号的计算方法，这种方法巧妙的将流量信号与电导率信号进行了分离。

如图4则是给出了本发明第一实施方案电导率的测量原理，11a、11b两个电极被测量介质淹没时，它们之间可以等效成一个电阻，而本发明第一实施方案就是通过对其两端施加固定电流脉冲信号，可以克服直流漂移量的影响，而在11a、11b两端会产生相对应的电压值，这个电压值直接与等效电阻成正比。如图5展示了脉冲电流源与11a、11b两端电压的关系，其中参考数字23代表测量电极11a、11b两端的电阻，根据式1可以得到电极两端的电阻R_ab，再通过式2便可得到被测介质的电导率μ。

其中V_ab为11a、11b两端的电压，I_ab为脉冲电流源的电流值。

其中R_ab为11a、11b两端的电阻，L为11a、11b之间的距离，S为11a、11b与被测介质的接触面积。

如图6则是给出的本发明第一实施方案还存在一个比较常见的应用场景，11a、11b、10、20组成部分与其他部分会用过长电缆线连接，一般电缆线会达到100米，此时电缆线的对地电容将会造成电流源脉冲信号失真，如如图7所示，此时电极两端的电压值将不能正确的反映电导率的值。为了解决这个问题，我们将提出第二实施方案来解决长电缆对地电容对测量的影响。

计算时具体包括：

V_EXCITE≈V₁₃+V_ab

其中电压交流源V_EXCITE的电压值，R₁₃的阻值、V₁₃的电压已知；

其中R_ab为第一测量电极11a、第二测量电极11b两端的电阻，L为第一测量电极11a、第二测量电极11b之间的距离，S为第一测量电极11a、第二测量电极11b与被测介质的接触面积。

如图8展示了本发明电磁水表在脉冲电压源激励下的第二实施方案。在计算被测介质电导率时，与计算如图6所述步骤相同。而测量第一测量电极11a与第三测量电极11c之间的电导率，第二测量电极11b与第三测量电极11c之间的电导率时，与权利要求9中所述步骤类似。主要区别在于计算上述电导率时，需要先计算第一测量电极11a与第三测量电极11c之间的第一等效电阻23a，第二测量电极11b与第三测量电极11c之间的第二等效电阻23b。

实施方案中参考数字10代表电磁水表的管体部分，它的内表面有光滑的绝缘衬里覆盖；其中11a、11b为两个测量电极，用于收集由20励磁线圈产生交变磁场，流动的导电介质在交变磁场的作用下产生的微弱感应电动势。参考数字19为励磁线圈驱动单元，其时序由18微处理器单元控制。参考数字14为脉冲电流源，产生频率固定、占空比为50％的脉冲电压源。参考数字12a、12b、13a、13b为脉冲耦合装置，将脉冲电压源信号耦合至11a、11b两个测量电极上。参考数字16为前置放大电路，其输入是流动的导电介质在交变磁场作用下产生的第一输出信号和14脉冲电流源耦合产生的第二输出信号两种信号的混叠。两种信号由17模数采集单元通过高频采样，最终由19微处理单元进行解调，计算出本发明电磁水表的流量及电导率。

从上述描述中可以看出，本发明的第二实施方案改变了激励源的类型，方案一中采用的是电流源，而方案二中采用的则是电压源；与之对应的耦合装置也发生了变化，方案一是采用纯电容形式的耦合装置，而方案二中则采用了电阻、电容串联的耦合方式。

如图9展示了本发明第二实施方案的励磁及电压脉冲激励的时序图，从图中可以看出，励磁周期为工频的整数倍，而电流脉冲激励的频率则是工频的整数倍，这样的设置可以有效的克服工频干扰对流量及电导率测量的影响。

如图10展示了本发明第二实施方案在电压脉冲激励下的信号，如图10中上图代表了没有长电缆线下的信号，如图10的下图代表了长电缆线下的信号。从上下两幅对比图中可以看出，电缆线对地电容会影响上升沿，信号上升的更加缓慢，而对信号的后半段没有影响，从第一实施方案中我们可以得知，电导率采样区域正是出于电压源切换前，也就是信号的后半段，最终通过采样后半段信号，我们可以得到准确的电导率值。

如图11解释了本发明第二实施方案的电导率测量原理，C13与R13、Rab组成了高通滤波电路，Rab两端存在电缆等效对地电容，由于R13的存在，改变了第一实施方案中的频幅特性，而且C13的容值大于Rab两端等效电容的容值，所以电缆线对地电容可以忽略不计。

如图12展示了本发明电磁水表在脉冲电压源激励下的第三实施方案。本方案是第二实施方案的改进方案，并且可以根据11a、11b电导率的信息提供自诊断功能。第二实施方案中参考数字10代表电磁水表的管体部分，它的内表面有光滑的绝缘衬里覆盖；其中11c为基地电极，11a、11b为两个测量电极，用于收集由20励磁线圈产生交变磁场，流动的导电介质在交变磁场的作用下产生的微弱感应电动势。23a、23b代表了测量电极11a、11b相对于11c的等效电阻，参考数字19为励磁线圈驱动单元，其时序由18微处理器单元控制。参考数字15a、15b为脉冲电压源源，产生频率固定、占空比为50％的脉冲电压源。参考数字12a、12b、13a、13b为脉冲耦合装置，将脉冲电压源信号耦合至11a、11b两个测量电极上。参考数字16为前置放大电路，其输入是流动的导电介质在交变磁场作用下产生的第一输出信号和14脉冲电流源耦合产生的第二输出信号两种信号的混叠。两种信号由17模数采集单元通过高频采样，最终由19微处理单元进行解调，计算出本发明电磁水表的流量及电导率。

从上述描述中，我们可以看出，第三实施方案在第二实施方案中增加了13c接地电极，并且用独立的15a、15b分别对11a、11b施加电压脉冲激励。这种方式我们可以得到11a相对于11c的电导率，11b相对于11c的电导率，有助于我们判断两个测量电极的状态。

如图13展示了本发明第三实施方案的励磁及电压脉冲激励的时序图，从图中可以看出，励磁周期为工频的整数倍，而电压脉冲激励的频率则是工频的整数倍，15a电压源与15b电压源的幅值为第二实施方案中电压源的一半，由于采用正负交替激励的方式，所以激励幅值与第二实施方案中的幅值相等。信号的采样及计算方式采用第一实施方案中的方法，可以得到11a、11b之间的电导率。此外，这样的设置可以有效的克服工频干扰对流量及电导率测量的影响。

如图14给出第三实施方案的异常情况下的励磁及电压脉冲激励的时序图，当检测到11a、11b之间的电导率处于异常时，此时电压激励源15a、15b会产生异常激励时序。从如图14中可以看出，电压激励源15a与15b交替工作，当15a激励时，15b停止工作；当15b激励时，15a停止工作。

如图15是如图14时序工作的机制说明，通过如图13的激励时序，可以辅助判断电极是否处于异常状态，而根据如图14的时序可以更加精准的判断是哪个测量电极处于异常状态。

如图16则是11a、11b两个电极出现异常后的处理机制，从流程图中可以看出，通过11a、11b相对于11c的电导率值可以辅助判断电极是否处于短路、断路、空管、被污染等状态。电磁水表主要用于测量自来水的流量，而自来水的电导率会应地区的差异性会有所变化，但是在某一特定区域，自来水的电导率值波动不会太大，一般稳定在一个区间内，比如上海嘉定的自来水电导率在150us/cm～500us/cm，吉林市的自来水电导率在100～200us/cm，此次发明专利除了能够测量自来水的电导率外，还根据特定区域内自来水电导率处在一个特定区间内的这一特性，辅助判断电磁水表测量电极的健康状态。当11a、11b与11c之间的电导率远大于该地区的电导率时，说明11a、11b与11c之间可能出现的短路；当11a、11b与11c之间的电导率远小于该地区的电导率时，说明11a、11b可能出现的断路，或者11a、11b处于空管状态下；当11a、11b与11c之间的电导率小于该地区的电导率时，而且随着时间的推移，电导率值逐渐下降，这个可以说明11a、11b可能被污染了。如图16中的thr1、thr2、thr3、thr4、thr5、thr6参数根据现场的电导率情况以及客户的需求进行自定义，方便客户实时的获取电磁水表电极的健康状况。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了测量组件、处理组件等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (4)

1.一种电磁水表，其特征在于，包括：

管体(10)，用于放置测量电极以实现测量通过的导电介质流量；

测量组件，用于采集测量信号以进行流量及电导率测量，所述测量组件包括第一测量电极(11a)、第二测量电极(11b)、第三测量电极(11c)和励磁线圈(20)，所述第一测量电极(11a)、第二测量电极(11b)、第三测量电极(11c)设置在管体(10)中，所述第一测量电极(11a)和第三测量电极(11c)之间设有第一等效电阻(23a)，所述第二测量电极(11b)和第三测量电极(11c)之间设有第二等效电阻(23b)；

处理组件，用于实现采集信号的处理以得出测量结果，与测量组件相连，所述处理组件包括与第一测量电极(11a)依次相连的第三脉冲耦合装置(13a)、第一脉冲耦合装置(12a)、第一脉冲电压源(15a)，与第二测量电极(11b)依次相连的第二脉冲耦合装置(12b)、第四脉冲耦合装置(13b)、第二脉冲电压源(15b)，第一测量电极(11a)、第二测量电极(11b)两端依次经过第一长电缆(21)、前置放大电路(16)、模数采集单元(17)与微处理器单元(18)相连，励磁线圈(20)经过第二长电缆(22)、励磁线圈驱动单元(19)与微处理器单元(18)相连。

2.根据权利要求1所述的一种电磁水表，电磁水表的工作方法包括以下步骤：

S1安装电磁水表；

S2设置励磁周期和脉冲激励的频率；

S3在励磁信号切换前采集流量信号，在每次脉冲信号切换前采集电导率信号；S4计算流量信号与电导率信号；

S5计算电极两端的电阻R_ab以及被测介质的电导率μ；

S6根据计算结果实现电磁水表工作状态判断。

3.根据权利要求2所述的一种电磁水表，其特征在于，所述步骤S5电磁水表进行计算时，具体包括：

V_EXCITE≈V₁₃+V_ab

其中电压交流源V_EXCITE的电压值，R₁₃的阻值、V₁₃的电压已知；

其中R_ab为第一测量电极(11a)、第二测量电极(11b)两端的电阻，L为第一测量电极(11a)、第二测量电极(11b)之间的距离，S为第一测量电极(11a)、第二测量电极(11b)与被测介质的接触面积。

4.根据权利要求2所述的一种电磁水表，其特征在于，所述步骤S6具体包括，若电导率趋于0时，测量电极没有被测量介质覆盖，则判定电磁水表处于空管状态；若电导率处于一个很高的值，则判定测量电极可能处于短路状态；若电导率处于一个缓慢变化的过程中，则判定测量电极可能处于被污染状态。