CN116576933B - 一种测量流量与流向的智能计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量流量与流向的智能计量方法，其特征在于，该计量方法可用于计数以及正反转的监测，主要包括磁开关传感器、PCB板、磁性机构与数据处理系统，所述磁性机构在外力推动下可以绕轴心转动，所述磁开关传感器放置于PCB板上，接收磁性机构转动所形成的磁场信号，然后以脉冲的形式传送至数据处理系统，通过计量脉冲个数判断转动圈数以及脉冲的相位差判断正反转；本发明提出的全极锁存开关用于智能计量监测中，其特殊的锁存功能与采样特性，可以完美呈现计量占空比的一致性，以及抗干扰能力，同时适用于大批量地规模化贴片式生产，效率得到极大提高，成本大大降低。

Description

一种测量流量与流向的智能计量方法

技术领域

本发明涉及计量技术领域，尤其涉及智能三表：水表、电表、气表以及其他需要智能计量的系统，是一种可以测量流量与流向的智能计量方法。

背景技术

智能计量是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、智能IC卡技术以及无线物联网技术对用物理量进行计量并进行数据传递及结算交易的新型计量方式。 众多计量方法中，多用霍尔、AMR与TMR类型的传感器。对于霍尔式的全极磁开关传感器设计方式，其感应方向为垂直于PCB板2的磁场方向，可以采用贴片式的设计，但是这种霍尔全极开关传感器功耗很高，对于现在致力于节约电费，降低成本方面是一个比较大的问题，因此霍尔式的全极开关传感器已经逐渐被AMR与TMR产品所替代。

目前的AMR、TMR计量系统中，大量使用有两种设计方案，这两种设计方案的磁性机构基本都采用轴向充磁：一种是使用全极开关传感器进行设计。例如图1所示为采用现有技术方案全极磁开关传感器设计的结构图，第一全极磁开关传感器11、第二全极磁开关传感器12和第三全极磁开关传感器13两两空间方位差120度垂直站立于PCB板上，接收由于第一磁性机构31绕中轴4转动产生的磁场信号。该方案中，第一磁性机构31为轴向充磁，其磁力线分布如图1（b）所示。对于使用AMR、TMR全极磁开关传感器进行设计，虽然其功耗大大降低，但是这两种全极磁开关传感器的磁场信号工作点一般比较高，例表1为市面上某一款全极磁开关的特性参数，工作点为磁开关传感器磁场强度的开启点，释放点为磁开关传感器磁场强度的关闭点。该传感器的工作点与释放点的磁场值分别为18G和14G，磁性机构需要提供比较高的磁场才可以开启传感器。

表一

若磁场信号较强，达到磁开关的开启强度，会输出高（或低）电平；否则输出低（或高）电平。其开启角度除了决定于磁场强度的高低之外还与其感应平面内两垂直磁场信号之间的磁角度有关，所以其开启角度一般都不大，开启角度范围对应于输出脉冲信号的宽度。由图2中可以看出，三个磁开关传感器芯片开启角度基本在45度左右。这么小的开启角度若是设计为信号正交会很危险：众所周知，实际产品中存在多种公差，例如传感器的位置公差、水表转动中轴心的偏移等，两个全极磁开关传感器脉冲信号本来就比较窄，信号交叠的宽度更小，多种公差叠加的情况下有较大概率会导致两传感器信号不能正常相交，从而导致错误脉冲信号的发生，所以若用全极磁开关传感器来设计用于水表的正反转计量一般不会设计为两传感器信号相交，而是设计为传感器依次开启。

对于依次开启的全极磁开关传感器，必须同时使用三个才能准确地判断水表的正反转。若仅使用其中的两个全极磁开关传感器，是无法判断水表正反转的。例如图2中任意两个脉冲信号以第一与第二全极磁开关传感器为例：水表正转（顺时针转动）时，假设第一全极磁开关传感器超前第二全极磁开关传感器一定的时间，当水表反转（逆时针转动）时，由于水表在水流推动下是一直转动的，脉冲持续输出，无法确定第一全极磁开关传感器与第二全极磁开关传感器脉冲信号的前后，所以无法判断水表的正反转。要实现这种判断正反转的效果，需要同时使用三颗传感器芯片工作，如图2示，在水表正转（顺时针转动）过程中，第一全极磁开关传感器脉冲超前第二全极磁开关传感器脉冲一段时间，同时第二全极磁开关传感器脉冲超前第三全极磁开关传感器脉冲一段时间。若水表反转（逆时针转动）时，则是第一全极磁开关传感器脉冲超前第三全极磁开关传感器脉冲一段时间，同时第三全极磁开关传感器脉冲超前第二全极磁开关传感器脉冲一段时间，依此才能准确推断出水表的转动方向。所以这种全极磁开关传感器的设计必须同时使用三个才能检测水表的正反转，成本较高；

另外全极磁开关传感器的计量，对于AMR、TMR来说，其感应方向一般为平行于其表面的磁场，若采用贴片式设计，传感器接收到的水平方向的磁场一般都比较小，无法达到表一中传感器的开启点，所以目前现有技术方案中全极开关传感器的感应方向多为垂直于PCB板2的磁场方向，可以贴片于PCB板2上，使PCB板2垂直于表盘平面或直接使用图1直插式传感器设计方式，这两种方式皆不能进行大批量的机械化生产。可见全极磁开关传感器的设计方法，不仅传感器个数多，成本高，而且生产效率较低。

另一种现有技术方案的设计是采用双极锁存开关传感器，表二为其特性参数：

表二

参数	最小值	典型值	最大值	单位
					工作点		17		G
释放点		-17		G

由表二可以看出，该传感器的工作点与释放点的磁场值为17G，磁性机构需要提供比较高的磁场才可以开启传感器，所以如图3（a）所示：第一双极锁存磁开关传感器51和第二双极锁存磁开关传感器52两两空间相位差90度左右垂直站立于PCB板上，这样双极锁存磁开关传感器的感应方向为接收垂直于PCB板2的磁场值较高的方向的磁场。同时因双极锁存的特殊工作方式，要求接收到的磁场基本呈正负对称分布，在很多实际应用中，即使这种磁场分布不是完全对称的，但是必须要求包含磁性相反的磁场分布，这需要磁性相反的两个磁性机构配对使用才可提供这种磁场，如图3（a）、（b）所示：图3（b）为磁性机构磁力线的分布，从图中可见两个磁性机构充磁方向相反，为双极锁存磁开关传感器提供对称的磁场。图3双极锁存磁开关传感器设计得到的实际产品的磁场与脉冲分布请参考图4（a）、（b）。由图4（b）所示的输出脉冲可以看出，第一双极锁存磁开关传感器51与第二双极锁存磁开关传感器52的输出脉冲信号占空比接近1：1，磁性机构每旋转一个周期，输出一个脉冲信号，同时由图4（b）可以看出，第一双极锁存磁开关传感器51与第二双极锁存磁开关传感器52的输出脉冲信号基本正交。水表正转时为顺时针旋转，第一双极锁存磁开关传感器51的输出脉冲上升沿超前第二双极锁存磁开关传感器52输出脉冲的上升沿四分之一周期。反转时，第一双极锁存磁开关传感器51的输出脉冲上升沿落后于第二双极锁存磁开关传感器52的输出脉冲上升沿四分之一周期，由此可以判断出水表的正反转。所以对于这种双极锁存磁开关传感器来说，虽然仅使用两颗传感器，因其开启与释放点的磁场是极性相反的，必须两颗充磁方向相反的磁性机构配对与之搭配，这就造成磁性机构安装会相对复杂，在规模化生产安装时，需要注意区分磁性机构的NS两极，会出现磁性机构安装错误导致的极性问题，这样会大大降低生产效率。

所以鉴于此，人们急需一种成本低，工艺简单可行，且利于大规模自动化生产的智能计量方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种智能计量方法，不仅用以解决直插式磁开关传感器不能进行大批量的机械化生产的弊端，还能使设计简单化，提供生产效率，大大降低成本。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种测量流量与流向的智能计量方法，该计量方法可用于计数以及正反转的监测，主要包括磁开关传感器、PCB板、磁性机构与数据处理系统，所述磁性机构在外力推动下可以绕轴心转动，所述磁开关传感器放置于PCB板上，接收磁性机构转动所形成的磁场信号，然后以脉冲的形式传送至数据处理系统，通过计量脉冲个数判断转动圈数以及脉冲的相位差判断正反转。

所述磁开关传感器为全极锁存式磁开关传感器。

所述磁性机构为永磁材料，在绕轴心转动的过程中用于为所述磁开关传感器提供磁场信号。

所述磁性机构为径向充磁，可以在外力作用下绕轴心转动，例如水表中水流的推动力，气表中燃气使用过程中气流的推动等等。

所述全极锁存磁开关传感器在所述PCB板上的具体方位要根据所述磁性机构的磁场进行调节。

所述磁开关传感器处于磁性机构的上方或一侧。（也可以是下方，视角不同，从而方位不同）

所述PCB板可以是规则的方形板，也可是圆形板，弧形板，或是不规则的形状。

所述磁性机构为圆盘状、躺着的柱体、块状或其他不规则形状，轴心与磁性机构的中心重合；

所述磁性机构中心也可以偏向轴心的一侧，可以通过一固定物与中轴相连，可以绕轴心转动。

所述磁开关传感器在每一个智能监测的计量方法中至少用一个。

两个所述磁开关传感器在所述PCB板上放置时由于保证开启角度的问题，可以原位旋转一定的角度，该角度范围为/>。

两个所述磁开关传感器的空间相位差为/>，两个所述磁开关传感器的空间相位差可以根据磁场的分布与结构的限定进行设计。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

本发明采用全极锁存磁开关传感器进行设计，磁场工作开启点低，传感器灵敏，容易调整传感器的开启角度，实现占空比接近50%，防止由于各种公差引起输出脉冲信号不正交而出现的错误；而且该磁开关传感器感应磁场的水平分量，可以做到更小面积占比的贴片设计，能在不动基表和外壳结构的情况下，适配替换各类计量方案，适用于大规模地机械化化生产。

本发明设计的计量方法完全不需要采用两个磁性机构，芯片的开启不需要指定磁场方向，可直接用一个轴向充磁的磁性机构代替，所以磁性机构安装相对简单，极大地提高了生产效率，降低了磁性机构的成本；同时本发明所设计的计量方法，磁性机构与传感器可以放在中轴上，相比轴向充磁，对于器件的微型化更加有利。

附图说明

图1（a）为现有技术方案一中全极磁开关传感器的设计结构图；

图1（b）为现有技术方案一中磁性机构的磁力线分布图；

图2为现有技术方案一中全极磁开关传感器设计产品正反转输出的脉冲分布图；

图3（a）为现有技术方案二中双极锁存磁开关传感器的设计结构图；

图3（b）为现有技术方案二中磁性机构的磁力线分布图；

图4（a）为现有技术方案二中双极锁存磁开关传感器接收到的磁场分布图；

图4（b）为现有技术方案二中双极锁存磁开关传感器正反转输出的脉冲分布图；

图5（a）为本发明实施例一中一计量方法的俯视透视图；

图5（b）为本发明实施例一中一计量方法的整体结构示意图；

图5（c）为本发明实施例一中磁性机构的磁力线分布图；

图6（a）为本发明实施例一中磁性机构旋转一周的磁场分布曲线；

图6（b）为本发明实施例一中磁性机构旋转一周的脉冲分布曲线；

图7（a）为本发明实施例二中一计量方法的俯视透视图；

图7（b）为本发明实施例二中一计量方法的整体结构示意图；

图8为本发明实施例二中磁性机构旋转一周的磁场与脉冲分布曲线；

图9为本发明所采用的的全极锁存磁开关传感器特性图；

图中：图中：11-第一全极磁开关传感器；12-第二全极磁开关传感器；13-第三全极磁开关传感器；2-PCB板；31-第一磁性机构；32-第二磁性机构；33-第三磁性机构；34-第四磁性机构；4-中轴；51-第一双极锁存磁开关传感器；52-第二双极锁存磁开关传感器；61-第一全极锁存磁开关传感器；62-第二全极锁存磁开关传感器。

具体实施方式

为阐明技术问题、技术方案、实施过程及性能展示，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释。本发明，并不用于限定本发明。以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

实施例一

如图5（a）和图5（b）所示，所述第一全极锁存磁开关传感器61和所述第二全极锁存磁开关传感器62放置于PCB板的上下两侧，接收所述第三磁性机构33绕中轴4旋转产生的磁场信号，其中，图5（a）为俯视透视图，图5（b）为整体结构示意图

作为优选，本实施例中采用的全极锁存磁开关传感器可以选用型号为VCS1355S的磁开关传感器。表三为其特性参数，表中工作点为磁开关传感器的开启点，释放点为磁开关传感器的关闭点。

表三

参数	最小值	典型值	最大值	单位
					工作点		5		G
释放点		-5		G

其功能特性如图9所示，这种全极锁存磁开关传感器，A方向加磁场输出低电平，在B方向加磁场则输出高电平，在两者之间保持锁存状态。开关点与关闭点的工作磁场比较低，皆为5G，很容易接收到磁场信号达到传感器的开启点。

本实施例中所述第三磁性机构33为径向充磁，磁力线分布如图5（c）所示；磁性机构的中心与轴心重合，磁性机构绕轴心转动即是绕自己的中心转动。因充磁方向为径向，该磁性机构的外径会更大一些，厚度会更薄点，以提供给全极锁存磁开关传感器合适的磁场信号。

采用图5（a）和图5（b）所示设计得到的磁场请参考图6（a）：其中Bx1与Bx2分别为所述第一全极锁存磁开关传感器61与所述第二全极锁存磁开关传感器62接收到的磁场分布曲线，传感器的开启角度对应输出脉冲的宽度，本实施例中输出脉冲宽度在90度左右，占空比接近1：1。

两个传感器在PCB板上下两侧同一个位置，但是角度方位相差45度，输出脉冲信号如图6（b）示两信号基本正交，磁性机构每旋转一个周期，输出两个脉冲信号，读取输出脉冲的个数即可计算出转动圈数。

同样以水表中的应用为例：当水表正转时为顺时针旋转，第一全极锁存磁开关传感器61的输出脉冲上升沿超前第二全极锁存磁开关传感器62输出脉冲的上升沿接近八分之一周期。反转时为逆时针旋转，第一全极锁存磁开关传感器61的输出脉冲上升沿落后于第二全极锁存磁开关传感器62的输出脉冲上升沿接近八分之一周期，由此可以准确判断出水表的正反转方向。

本发明与现有技术相比，仅使用一个径向充磁的磁性机构即可令全极锁存磁开关传感器得到合适的磁场信号，结构更加简单，成本低廉。而且本发明所设计的计量方法，磁性机构与传感器放在中轴上（PCB板的上下两侧同一个位置），不仅容易实现完美的占空比，而且大大减小了占用面积；同时全极锁存磁开关传感器工作开启点低，可以采用贴片式工艺更加有利于机械化的大规模生产，大大降低成本。

实施例二

如图7（a）和图7（b）所示，所述第一全极锁存磁开关传感器61和所述第二全极锁存磁开关传感器62放置于PCB板2的同一侧，接收由所述第四磁性机构34绕中轴4旋转产生的磁场信号，其中图7（a）为俯视透视图，图7（b）为整体结构示意图。

本实施例中所述第四磁性机构34为径向充磁，磁力线分布同实施例一中磁性机构图5（c）所示。磁性机构的中心与轴心不重合，偏向一侧，磁性机构绕轴心转动。这种设计方式，磁性机构的尺寸与实施例一中有些差别，可改变其尺寸大小以提供给全极锁存磁开关合适的磁场信号。

另外全极锁存磁开关传感器的开启角度不仅取决于磁场的高低，还与水平面内两垂直磁场之间的磁角度有关，所以其在PCB板2上的放置一般会原位旋转一定的角度以保证较为完美的占空比分布，如图7（a）和图7（b）所示；

图8为采用图7（a）和图7（b）设计得到的磁场与脉冲分布，其中Bx1与Bx2分别为所述第一全极锁存磁开关传感器61与所述第二全极锁存磁开关传感器62接收到的磁场分布曲线。这种磁性机构偏轴的设计，传感器与轴心的距离很重要，可以调整全极锁存磁开关传感器的方位，使输出脉冲信号宽度控制在180度左右，所述第一全极锁存磁开关传感器61和所述第二全极锁存磁开关传感器62空间方位差为90度，两传感器输出脉冲信号基本正交，每个传感器的开启、关闭占空比接近于1：1,与实施例一不同：实施例二中磁性机构每旋转一周，输出一个脉冲，输出脉冲个数即为水表的转动圈数。

当水表正转时为顺时针旋转，第一全极锁存磁开关传感器61的输出脉冲上升沿超前第二全极锁存磁开关传感器62输出脉冲的上升沿接近四分之一周期。水表反转时为逆时针旋转，第一全极锁存磁开关传感器61的输出脉冲上升沿落后于第二全极锁存磁开关传感器62的输出脉冲上升沿接近四分之一周期，由此可以准确判断出水表的正反转。其信号输出类似于图4（b）双极锁存磁开关传感器搭配两个磁性机构的输出脉冲信号，但其仅采用一个磁性机构。

使用此全极锁存磁开关传感器设计，因采用的全极锁存磁开关传感器工作开启点低，反应灵敏，所以其感应磁场方向可为平行于PCB板2的方向，使用贴片式设计，对大规模的机械化生产更加有利；同时该设计完全不需要采用两个磁性机构，全极锁存磁开关传感器芯片的开启不需要指定磁场方向，无论N或S，只要磁场达到开启点即可，可以直接用一个径向充磁的磁性机构代替，即可得到类似于图4（b）两个磁性机构设计的脉冲输出，这为磁性机构成本的降低提供了有利途径。

本发明的两个实施例中磁性机构皆为径向充磁，仅包含两个全极锁存磁开关传感器和一个磁性机构，设计方法更加简单。同时鉴于全极锁存磁开关传感器的工作开启点较低，更加灵敏，可以接收水平磁场信号，所以全极锁存磁开关传感器可以贴片式设计，更加有利于机械化的大规模生产，成本大大降低。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种测量流量与流向的智能计量方法，其特征在于，该计量方法可用于计数以及正反转的监测，包括磁开关传感器、PCB板、磁性机构与数据处理系统，所述磁开关传感器为全极锁存式磁开关传感器，在每一个智能监测的计量方法中至少用一个；所述磁性机构为永磁材料且为径向充磁，在外力推动下可以绕轴心转动用于为所述磁开关传感器提供磁场信号；所述磁开关传感器放置于PCB板上，接收磁性机构转动所形成的磁场信号，然后以脉冲的形式传送至数据处理系统，从而判断转动圈数以及正反转；所述磁开关传感器在所述PCB板上的具体方位要根据所述磁性机构的磁场进行调节；两个所述磁开关传感器在所述PCB板上放置时由于保证开启角度的问题，可以原位旋转一定的角度，该角度范围θ为0°≤θ≤90°；两个所述磁开关传感器的空间相位差α为0°≤α≤180°，两个所述磁开关传感器的空间相位差可以根据磁场的分布与结构的限定进行设计。

2.根据权利要求1所述的一种测量流量与流向的智能计量方法，其特征在于，所述磁开关传感器处于磁性机构的上方或一侧。

3.根据权利要求1所述的一种测量流量与流向的智能计量方法，其特征在于，所述PCB板可以是规则的方形板，也可是圆形板，弧形板，或是不规则的形状。

4.根据权利要求1所述的一种测量流量与流向的智能计量方法，其特征在于，所述磁性机构的中心与轴心重合。

5.根据权利要求1所述的一种测量流量与流向的智能计量方法，其特征在于，所述磁性机构中心也可以偏向轴心的一侧，可以通过一固定物与中轴相连，可以绕轴心转动。