CN206832304U - 一种质量式流量物联网传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种质量式流量物联网传感器，包括流体通道、进气口和出气口，流体通道上部为浮筒，浮筒内设有浮子组，浮子组由多个浮子组成，浮子由大至小依次嵌套，最大的浮子位于浮筒底部；流体通道内设有电阻应变片，浮子组在气流的作用下，浮子上浮，会触发电阻应变片变形，通过电阻应变片变形量，获得微量质量变化，经过单片机运行，获取流体的流速信号，电阻应变片接惠斯通电桥的输入端，惠斯通电桥的输出端接单片机的输入端，通过单片机对质量与流速及时间参数运算得到流量值，实现燃气量计量的测量。本实用新型采用质量检测方式，可实现宽量程、高精度、小体积、低成本、高可靠的燃气量计量，具有很强的推广和应用价值。

Description

一种质量式流量物联网传感器

技术领域

本实用新型涉及一种流量计，尤其涉及质量式流量物联网传感器。

背景技术

燃气流量计量表(燃气表)作为计量燃气体积数量的计量器具，它具有自动累计体积数的功能，使得那些使用天然气或管道煤气的用户，可以方便地知道用了多少气，以便能按照每月消耗燃气的立方米数缴费。传统的燃气表，基本以膜式表居多，体积大，测量范围窄。燃气计量电子化，是大势所趋，尤其是超声波燃气表，倍受推崇，但到目前为止，除大口径超声波燃气表产品化外，在小流量(G4.0以下)民用燃气计量方面，需要采用200K的超声波换能器，需要升压处理，功耗大，成本高，高压脉冲还存在安全隐患，在小流量(100L/h)以下，测量效果非常不好，因此一直没有实现产品化应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述燃气流量计的存在的问题，提供一种质量式流量物联网传感器，可实现宽量程、高精度、小体积、低成本、高可靠的燃气量计量。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种质量式流量物联网传感器，包括流体通道、进气口和出气口，其特征是：流体通道上部为浮筒，浮筒内设有浮子组，浮子组由多个浮子组成，浮子由大至小依次嵌套，最大的浮子位于浮筒底部；流体通道内设有电阻应变片，浮子组在气流的作用下，浮子上浮，会触发电阻应变片变形，通过电阻应变片变形量，获得微量质量变化，经过单片机运行，获取流体的流速信号，电阻应变片接惠斯通电桥的输入端，惠斯通电桥的输出端接单片机的输入端，通过单片机对质量与流速及时间参数运算得到流量值，实现燃气量计量的测量。

惠斯通电桥是由四个电阻组成的电桥电路，这四个电阻分别叫做电桥的桥臂，本实用新型的其中一个电阻为电阻应变片，惠斯通电桥利用电阻的变化来测量物理量的变化，单片机采集可变电阻两端的电压然后处理，就可以计算出相应的物理量的变化，是一种精度很高的测量方式。

具体实施时，电阻应变片位于浮子组下面的流体通道，电阻应变片开孔，最小的浮子下端与拉线连接，拉线穿过电阻应变片的开孔，在开孔下侧的拉线上设有限位卡，浮子组在气流的作用下，浮子上浮，限位卡顶在电阻应变片的底面，触发电阻应变片变形。

具体实施时，电阻应变片位于浮子组上面的流体通道，电阻应变片下连接有顶杆，顶杆末端正对最小的浮子上面，浮子组在气流的作用下，浮子上浮，最小的浮子顶在顶杆末端，顶杆触发电阻应变片变形。

具体实施时，设有唤醒睡眠的控制电路，惠斯通电阻桥通过A/D输出唤醒睡眠的控制电路启动测试，当气流开始进入流体通道，浮子上浮的作用力触发电阻应变片，接通电源。

具体实施时，设有电源启动测试机构，启动测试机构包括机械开关，当气流开始进入流体通道，浮子上浮的作用力通过机械开关接通电源启动测试后再作用到电阻应变片上。浮子的作用力通过机械开关接通电源启动测试后再作用到电阻应变片上，最大限度节省电池消耗。

惠斯通电阻桥通过A/D输出唤醒睡眠的控制电路启动测试，或者通过机械开关接通电源启动测试后再作用到电阻应变片上，最大限度节省电池消耗。本实用新型有流体通过，才开始测量，否则不工作，可以极大节省电池能量，而目前超声波计量方式，其时时刻刻进行测量的工作，耗电量大。

具体实施时，流体通道内壁分别设有控制仓和电源仓，控制仓和电源仓内分别设有控制电路和电池。

具体实施时，浮子组中的最小浮子为球形浮子，其它浮子的上部为筒形，下部为圆锥形，圆锥形的锥端开孔，浮子由大至小依次嵌套，相邻的浮子的圆锥面相贴，球形浮子位于第二轻的浮子的圆锥形的锥端开孔处，最大的浮子筒形外壁和浮筒内壁设有间隙，各相邻浮子的筒形体之间设有间隙，上述间隙形成气流道。

具体实施时，单片机的输出端与显示器、通信接口、温度传感器、压力传感器、阀门执行机构相连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用质量检测方式，可实现宽量程、高精度、小体积、低成本、高可靠的燃气量计量，具有很强的推广和应用价值。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例拉线式质量式流量物联网传感器结构示意图。

图2是本实用新型第一实施例拉线式质量式流量物联网传感器微浮子上浮工作示意图；

图3是本实用新型第一实施例拉线式质量式流量物联网传感器小浮子上浮工作示意图；

图4是本实用新型第一实施例拉线式质量式流量物联网传感器中浮子上浮工作示意图；

图5是本实用新型第一实施例拉线式质量式流量物联网传感器大浮子上浮工作示意图；

图6是本实用新型施例第一实施例拉线式质量式流量物联网传感器电路原理示意图。

图7是本实用新型第二实施例顶杆式质量式流量物联网传感器结构示意图。

图8是本实用新型施例第二实施例顶杆式质量式流量物联网传感器电路原理示意图。

图中：1、进气口；2、进气螺纹接口；3、控制仓；4、电阻应变片；5、电阻应变片固定点；6、大浮子；7、中浮子；8、小浮子；9、出气口；10、出气螺纹接口；11、浮筒；12、微浮子；13、拉线；14、电源仓；15、开孔；16、拉线卡；17、气流道；16A、托盘；13A顶杆；MCU、单片机。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6，一种质量式流量物联网传感器，包括两端的进气螺纹接口2和出气螺纹接口10，进气口1和出气口9分别位于进气螺纹接口2和出气螺纹接口10内，进气口1和出气口9间为流体通道，流体通道上部为浮筒11，浮筒11下设有台阶面，浮筒11内设有浮子组，浮子组由多个浮子组成，浮子由大至小依次嵌套，最大的浮子位于浮筒11的台阶面上，流体通道内壁分别设有控制仓3和电源仓14，控制仓3和电源仓14内分别设有控制电路和电池，控制电路设有单片机MCU，电池为控制电路提供电源。本实用新型实施例浮子组采用四个浮子组合，从内到外分别为微浮子12、小浮子8、中浮子7和大浮子6，浮子组中最小浮子的为微浮子12，其结构为球形，小浮子8、中浮子7和大浮子6的上部均为筒形，下部为圆锥形，圆锥形的锥端开孔，各浮子由从小到大一组浮子以浮筒中心嵌套，相邻的浮子的圆锥面相贴，球形浮子位于小浮子8(第二轻的浮子)的圆锥形的锥端开孔处，大浮子6(最大的浮子)筒形外壁和浮筒内壁设有间隙，各相邻浮子的筒形体之间设有间隙，上述间隙形成气流道17。流体通道内设有电阻应变片4，电阻应变片4的一端固定在流体通道内壁处的电阻应变片固定点5，浮子组在气流的作用下，浮子上浮，会触发电阻应变片4变形，通过电阻应变片4变形量，获得微量质量变化，经过单片机运行，获取流体的流速信号，微浮子12下端与拉线13连接，拉线13穿过电阻应变片4的开孔15，在开孔15下侧的拉线13上设有限位卡16，电阻应变片4接惠斯通电桥的输入端，惠斯通电桥的输出端接单片机MCU的输入端，惠斯通电桥的输出端接单片机MCU的输入端，通过单片机MCU对质量与流速及时间参数运算得到流量值，实现燃气量计量的测量。

单片机MCU接显示器、通信接口、温度传感器、压力传感器、阀门执行机构。构成完整的计量体系，其计量原理如下例所示。

本实施例中，大浮子6的量程为400-4000L/h；中浮子7的量程为100-1000L/h；小浮子8的量程为16-160L/h；；微浮子12的量程为50-500mL。

如图1和图2，所示为一个小流量(50mL-500mL)实施例，当微弱的气体从进气口1进入后，由于其小浮子8、中浮子7和大浮子6较重，微弱的气流不足以将其浮起来，只有浮子12可以浮起，气流从气流道17流出，浮子12带动拉线13上移，当拉线13的限位卡16作用到电阻应变片4时，产生形变，电阻桥有电压输出给单片机MCUA/D口，并通过以下公式计算获得测量值。

惠斯通电桥是由四个电阻组成的电桥电路，这四个电阻分别叫做电桥的桥臂，本实用新型的其中一个电阻为电阻应变片4，惠斯通电桥利用电阻的变化来测量物理量的变化，单片机MCU采集可变电阻两端的电压然后处理，就可以计算出相应的物理量的变化，是一种精度很高的测量方式。R1为电阻应变片4的电阻阻值，如果R1＝R2＝R3＝R4或R1×R2＝R3×R4，则无论输入多大电压，输出电压总为0，这种状态为平衡状态。电阻应变片4形变破坏平衡后，产生与电阻变化相对应的输出电压，应变片电阻的变化量为ΔR，则输出电压的计算公式为e＝(1/4)*(ΔR/R)*E，即e＝(1/4)*K*ε*E，公式中除了ε外，均为已知量，所以如果测出电桥的输出电压就可以计算出应变的大小，通过单片机MCU内的“质量-流量常数表”及修正系数，可以根据质量的变化，产生流量的变化，即单位时间的流速与时间的运算，获得流量值，单片机MCU存贮器累计流量，并进行后续可能的操作：显示、通信、控制。

此例中采用0.01g精度的电阻应变片4，量程范围为0.01-500g，通过单片机MCU运算，标定范围，实现3L-4000L的流速获取，再与时间运算，得到气体的流量，如果结合温度传感器和压力传感器的修正，可得到到高精度的计量结果。

图3、图4和图5中，以此类推，当气流不断增大时，会分别将小浮子8、中浮子7和大浮子6相继推起，但都作用在微浮子12上，通过拉线作用在电阻应变片4上，从而产生相应的输出，经过标定，实现3-4000L/h的宽量程高精度计量。

实施例2：

请参阅图7和图8，其结构和原理基本同实施例1，在此不作重复描述，电阻应变片4位于浮子组上面的流体通道，电阻应变片4下连接有顶杆13A，顶杆13A末端连接托盘16A，托盘16A正对微浮子12上面，浮子组在气流的作用下，浮子上浮，最小的浮子顶在顶杆末端，顶杆13A触发电阻应变片4变形。电阻应变片4在浮子组上端设置的状态，顶杆13A与电阻片4硬性连接，并做调零处理，当浮子上浮，顶到托盘16A底部后，通过顶杆13A使电阻应变片形变，信号送到单片机MCU处理，得到质量数据，通过运算，得到流量，并累积记录，获得数据。

为保证最大限度节省电池消耗，可以设有唤醒睡眠的控制电路，惠斯通电阻桥通过A/D输出唤醒睡眠的控制电路启动测试，当气流开始进入流体通道，浮子上浮的作用力触发电阻应变片4，接通电源。本实施例中，设有电源启动测试机构，启动测试机构包括机械开关17，当气流开始进入流体通道，浮子上浮的作用力通过机械开关17接通电源启动测试后再作用到电阻应变片4上。浮子的作用力通过机械开关17接通电源启动测试后再作用到电阻应变片4上，最大限度节省电池消耗。

本实用新型可用于任何流体的计量，并不限于燃气。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“内侧”、“外侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种质量式流量物联网传感器，包括流体通道、进气口和出气口，其特征是：流体通道上部为浮筒，浮筒内设有浮子组，浮子组由多个浮子组成，浮子由大至小依次嵌套，最大的浮子位于浮筒底部；流体通道内设有电阻应变片，电阻应变片连接惠斯通电桥的输入端，惠斯通电桥的输出端接单片机的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种质量式流量物联网传感器，其特征在于：电阻应变片位于浮子组下面的流体通道，电阻应变片开孔，最小的浮子下端与拉线连接，拉线穿过电阻应变片的开孔，在开孔下侧的拉线上设有限位卡。

3.根据权利要求1所述的一种质量式流量物联网传感器，其特征在于：电阻应变片位于浮子组上面的流体通道，电阻应变片下连接有顶杆，顶杆末端正对最小的浮子上面。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种质量式流量物联网传感器，其特征在于：流体通道内壁分别设有控制仓和电源仓，控制仓和电源仓内分别设有控制电路和电池。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种质量式流量物联网传感器，其特征在于：浮子组中的最小浮子为球形浮子，其它浮子的上部为筒形，下部为圆锥形，圆锥形的锥端开孔，浮子由大至小依次嵌套，相邻的浮子的圆锥面相贴，球形浮子位于第二轻的浮子的圆锥形的锥端开孔处，最大的浮子筒形外壁和浮筒内壁设有间隙，各相邻浮子的筒形体之间设有间隙，上述间隙形成气流道。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种质量式流量物联网传感器， 其特征在于：单片机的输出端与显示器、通信接口、温度传感器、压力传感器、阀门执行机构相连接。