CN201748938U - 采用tmr磁性传感器的智能流量计 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种采用TMR磁性传感器的智能流量计。包括：TMR流量计传感器、流量计外壳、旋转叶轮、旋转叶轮支架、一个N极朝上的小磁体和一个S极朝上的小磁体、流量计的进出口、磁性屏蔽层、流量计芯片与流体隔离的保护层。当有被测量流体通过时，流体带动旋转叶轮旋转，从而带动N极朝上的小磁体和S极朝上的小磁体同时旋转，TMR传感器感应磁场，从而达到计量的目的。本实用新型的优点是：功耗微小、工作频率范围宽、工作温度范围宽、结构牢固、体积小、寿命长、安装方便、耐震动、输出波形清晰、无抖动、位置重复精度高，电磁屏蔽结构简单，防倒转错误计算等。

Description

采用TMR磁性传感器的智能流量计

技术领域

本实用新型涉及一种流量计，具体是一种采用TMR磁性传感器的智能流量计。

背景技术

通常流量计信号采集所选用的传感器，主要是干簧管，霍尔元件和韦根传感器。

由磁体和干簧管作为提取信号的传感系统，当磁体靠近干簧管簧片时，磁力大到能克服簧片的弹力时，簧片就吸合短接；当磁体远离簧片，吸引力小于弹力时簧片就分开，即一个脉冲发出。干簧管具有使用方便、价格低廉、安装简单等特点。但作为触点开关，它又具有脉冲波形差、维护性差、触点易抖动、易受外磁场及震动(如水锤现象)干扰等固有缺陷。

应用于智能流量计中的霍尔传感器主要是低功耗开关型霍尔集成元件，该传感器利用霍尔效应，实现磁电转换，从而可将智能流量计中计量元件的转动转化为磁场的周期性变化，从而将磁场的变化转化为高、低电平的输出。它具有结构牢固、体积小、寿命长、安装方便、功耗小、耐震动、输出波形清晰、无抖动、位置重复精度高等优点。但是从霍尔元件的降耗原理来看，对于功耗数十微瓦的霍尔传感器，其响应频率一般为20Hz～30Hz，而智能流量计，特别是智能水表的初级计量元件的转动频率通常为30Hz，因此低功耗霍尔元件一般应用于次级计量元件的流量信号采集，这限制了霍尔元件在智能水表领域的应用范围。

韦根传感器的工作原理是，传感器中的双稳态功能合金材料在交变外磁场的激励下，磁化方向瞬间发生翻转，而当外磁场撤离后，它瞬间恢复到原有的磁化方向，由此在合金材料周围的检测线圈中会感生电信号，从而实现磁电转换。这种传感器的最大特点是无须使用外加电源(零功耗)、无机械触点、无震动影响等，适用于微功耗仪表。它的缺点是输出幅值低，只有1V左右，脉宽也只有30几个微秒。不利于信号远传，只能用于近距离采集、处理。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种采用TMR磁性传感器的智能流量计，可应用在水量，油量，气体，热能等测量领域。

按照本实用新型提供的技术方案，所述采用TMR磁性传感器的智能流量计包括：流量计外壳，所述流量计外壳被保护层分隔为流体通道和流量计传感器区域；在所述流体通道内设有与流量计外壳连接的支架，所述支架上安装旋转叶轮，旋转叶轮两端分别设置一个N极朝上的小磁体和一个S极朝上的小磁体；

在所述流量计传感器区域设置有TMR流量计传感器，所述TMR流量计传感器包括与TMR传感器芯片连接的无线及有线数据收发模块和数据显示面板，所述TMR传感器芯片、无线及有线数据收发模块和数据显示面板均连接系统及电源管理模块。

在所述TMR流量计传感器和系统及电源管理模块外包裹有磁性屏蔽层，所述磁性屏蔽层位于流量计外壳内。

所述TMR传感器芯片包括两个TMR电桥，所述两个TMR电桥的输出连接传感器专用ASIC芯片，再连接微型中央处理器和存储单元。

所述TMR电桥包括两个TMR磁阻传感器元件，两个TMR磁阻传感器元件的磁性被钉扎层的磁矩方向相互反平行，磁性自由层的方向相互平行。

所述两个TMR电桥相互平行排列，并且之间留有距离。

在所述保护层上固定所述TMR传感器芯片、无线及有线数据收发模块、数据显示面板、系统及电源管理模块。

本实用新型的工作原理是：当有被测量流体通过时，流体带动旋转叶轮旋转，从而带动N极朝上的小磁体和S极朝上的小磁体同时旋转，当N极朝上的小磁体经过TMR传感器芯片时，TMR传感器芯片输出高电平，当S极朝上的小磁体经过TMR传感器芯片时，TMR传感器芯片输出低电平。高低电平通过微型中央处理器进行处理后，存储到流量计数据存储单元，可通过数据显示面板显示，也可通过无线或有线数据收发模块进行数据传输。系统及电源管理模块的功能是协调控制整个TMR流量传感器系统和对系统提供低功耗控制。

本实用新型的优点是：功耗微小、工作频率范围宽、工作温度范围宽、结构牢固、体积小、寿命长、安装方便、耐震动、输出波形清晰、无抖动、位置重复精度高，电磁屏蔽结构简单，防倒转错误计算等。

附图说明

图1是隧道结磁阻效应(TMR)原理及结构示意图；

图2是TMR电桥的工作原理及结构示意图；

图3是TMR流量计传感器的电路框图；

图4是TMR流量计的结构示意图；

图5是单个TMR电桥的信号输出波形图；

图6是流量计正转时TMR电桥的信号输出波形图；

图7是流量计倒转时TMR电桥的信号输出波形图。

具体实施方式

本实用新型涉及一种采用TMR磁性传感器的智能流量计。包括：流量计外壳，旋转叶轮，旋转叶轮支架，一个N极朝上的小磁体和一个S极朝上的小磁体，流量计的进出口，磁性屏蔽层，流量计芯片与流体隔离的保护层，流量计芯片(TMR传感芯片，无线及有线数据收发模块，数据显示面板和系统及电源管理模块)。

以下结合附图，对本实用新型予以进一步地详尽阐述。

TMR隧道结磁阻效应元件的结构，如图1(a)所示，由纳米级多层膜组成：钉扎层1，磁性被钉扎层2，非磁性氧化物层3，磁性自由层4。磁性被钉扎层2的磁矩方向如5所示。磁性自由层4的磁矩方向如6所示。磁性被钉扎层2的磁矩方向5与磁性自由层4的磁矩方向6相互垂直。磁性自由层4的磁矩方向6随着外加磁场7的大小和方向的改变而变化。

隧道结磁阻效应(TMR)的工作原理，隧道结TMR的磁阻随着磁性自由层4的磁矩方向6与磁性被钉扎层2的磁矩方向5的夹角的变化而变化。当磁性自由层4的磁矩方向6随着外加磁场7的大小和方向的改变而变化时，隧道结TMR的磁阻也随之变化。如图1(b)所示，当外加磁场7的方向与被钉扎层2的磁矩方向5平行时，同时外加磁场的强度大于H1时，磁性自由层4的磁矩方向与外加磁场7的方向平行，进而与磁性被钉扎层2的磁矩方向5平行，如8所示，这时隧道结TMR的磁阻最小。当外加磁场7的方向与被钉扎层2的磁矩方向5反平行时，同时外加磁场的强度大于H2时，磁性自由层4的磁矩方向与外加磁场7的方向反平行，进而与磁性被钉扎层2的磁矩方向5反平行，如9所示，这时隧道结TMR的磁阻最大。H1与H2之间的磁场范围就是TMR的测量范围。

TMR电桥的结构，如图2(a)所示，由了两个TMR元件组成214和215。其中TMR元件214的磁性被钉扎层的磁矩方向216与TMR元件215的磁性被钉扎层的磁矩方向217方向反平行。TMR元件214和215的磁性自由层的方向218和219相互平行。电极211，212是TMR电桥的电压输入端，电极213是TMR电桥的电压输出端。

TMR电桥的工作原理，如图2(b)所示，TMR电桥的输出电压V随着外磁场7的方向和大小的改变而发生变化。当外加磁场7的方向为负(-)且磁场强度大于H1时，TMR电桥的输出电压最低。当外加磁场7的方向为正(+)且磁场强度大于H2时，TMR电桥的输出电压最高。H1与H2之间的磁场范围就是TMR惠斯通电桥的测量范围。

如图3所示，TMR流量计传感器的结构包括与TMR传感器芯片312连接的无线及有线数据收发模块315和数据显示面板319，所述TMR传感器芯片312、无线及有线数据收发模块315和数据显示面板319均连接系统及电源管理模块316。

TMR传感器芯片312包括两个TMR电桥317，所述两个TMR电桥317的输出连接传感器专用ASIC芯片313，再连接微型中央处理器和存储单元314。这些芯片可以封装在同一模块内，也可以不封装在同一模块内。

如图4所示，TMR流量计的结构包括流量计外壳414和421，流量计进出口411和412，旋转叶轮413，旋转叶轮支架415，一个N极朝上的小磁体417和一个S极朝上的小磁体416，N极朝上的小磁体417产生的磁场418，S极朝上的小磁体416产生的磁场419，磁性屏蔽层422，流量计传感器与流体隔离的保护层420，TMR传感器芯片312，系统及电源管理模块316，数据显示面板无线及有线数据收发模块319，315。所述流量计外壳414，421被保护层420分隔为流体通道和流量计传感器区域；在所述流体通道内设有与流量计外壳414连接的支架415，所述支架415上安装旋转叶轮413，所述N极朝上的小磁体417和S极朝上的小磁体416与旋转叶轮413相连，并可以随着旋转叶轮413的旋转而同步旋转。在所述流量计传感器区域设置TMR流量计传感器，在所述保护层上固定所述TMR传感器芯片、无线及有线数据收发模块、数据显示面板、系统及电源管理模块。

TMR流量计传感器和系统及电源管理模块外罩有磁性屏蔽层，所述磁性屏蔽层位于流量计外壳内。所述磁性屏蔽层只屏蔽TMR磁性传感器芯片和系统及电源管理模块，并不妨碍TMR磁性传感器芯片感应流量计内部磁体的磁场信号。

TMR流量计的工作原理是：当有被测量流体通过流量计进出口411，412流过时，流体带动旋转叶轮413旋转，从而带动N极朝上的小磁体417和S极朝上的小磁体416同时旋转，当N极朝上的小磁体417经过TMR传感器芯片312时，TMR传感器芯片感应磁场418输出高电平，当S极朝上的小磁体416经过TMR传感器芯片312时，TMR传感器芯片输出感应磁场418低电平。隔离的保护层420的功能是隔离被测流体与传感器模块及相应的电路。磁性屏蔽层422屏蔽外界磁性的干扰。

TMR流量计传感器的工作原理是：TMR电桥芯片317，318采集流量计N极朝上的小磁体和S极朝上的小磁体产生的磁场信息，并传递到传感器专用芯片ASIC 313进行信号处理，处理后的TMR电桥317和318的信号如图5所示，当N极朝上的小磁体417经过TMR电桥317和318，信号为高电平，当S极朝上的小磁体416经过TMR电桥317和318，信号为低电平。由于TMR电桥317和318的位置不同(如图3所示)，当流量计正转时，磁体先经过TMR电桥317，然后是TMR电桥318，所以TMR电桥317的信号变化先于TMR电桥318的信号变化，如同6所示，TMR电桥317的信号变化611先于TMR电桥318的信号612变化。当流量计倒转时，磁体先经过TMR电桥318，然后是TMR电桥317，所以TMR电桥318的信号变化先于TMR电桥317的信号变化，如同7所示，TMR电桥318的信号变化612先于TMR电桥317的信号611变化。

微型中央处理器MCU和存储单元314从传感器专用芯片ASIC 313采集处理后的信号并进一步处理成流量数据并存储。流量数据可通过数据显示面板319显示，也可以通过无线及有线数据收发模块315向外传输。系统及电源管理模块316的功能是是协调控制整个TMR流量传感器系统和对系统提供低功耗控制。

种采用TMR磁性传感器的智能流量计的特点是：功耗微小、工作频率范围宽、工作温度范围宽、结构牢固、体积小、寿命长、安装方便、耐震动、输出波形清晰、无抖动、位置重复精度高，电磁屏蔽结构简单，防倒转错误计算等。

Claims (6)

1.采用TMR磁性传感器的智能流量计，其特征是：包括流量计外壳，所述流量计外壳被保护层分隔为流体通道和流量计传感器区域；在所述流体通道内设有与流量计外壳连接的支架，所述支架上安装旋转叶轮，旋转叶轮两端分别设置一个N极朝上的小磁体和一个S极朝上的小磁体；

在所述流量计传感器区域设置有TMR流量计传感器，所述TMR流量计传感器包括与TMR传感器芯片连接的无线及有线数据收发模块和数据显示面板，所述TMR传感器芯片、无线及有线数据收发模块和数据显示面板均连接系统及电源管理模块。

2.如权利要求1所述的流量计，其特征是在所述TMR流量计传感器和系统及电源管理模块外包裹有磁性屏蔽层，所述磁性屏蔽层位于流量计外壳内。

3.如权利要求1所述的流量计，其特征是所述TMR传感器芯片包括两个TMR电桥，所述两个TMR电桥的输出连接传感器专用ASIC芯片，再连接微型中央处理器和存储单元。

4.如权利要求3所述的流量计，其特征是所述TMR电桥包括两个TMR磁阻传感器元件，两个TMR磁阻传感器元件的磁性被钉扎层的磁矩方向相互反平行，磁性自由层的方向相互平行。

5.如权利要求3所述的流量计，其特征是所述两个TMR电桥相互平行排列，并且之间留有距离。

6.如权利要求1所述的流量计，其特征是在所述保护层上固定所述TMR传感器芯片、无线及有线数据收发模块、数据显示面板、系统及电源管理模块。

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