TW201809606A

TW201809606A - 自發電蹼輪流量計

Info

Publication number: TW201809606A
Application number: TW105118856A
Authority: TW
Inventors: 羅運龍; 陳佳億; 王瀚霆; 侯宜良; 鄭兆凱; 黃思瑋
Original assignee: 桓達科技股份有限公司
Priority date: 2016-06-16
Filing date: 2016-06-16
Publication date: 2018-03-16
Also published as: TWI595217B

Abstract

一種自發電蹼輪流量計，用以感知管路內流體狀態，其包含主控制器、電力轉換模組、信號處理模組、旋轉組件、線圈及霍爾感知器。旋轉組件包含設有磁性件的複數葉片，當葉片受流體推動時，線圈及電力轉換模組配合輸出直流電力以驅動主控制器及信號處理模組，霍爾感知器及信號處理模組配合輸出方波信號以供計算流體流速。

Description

自發電蹼輪流量計

本創作是關於流量感測器，且特別是有關於自發電蹼輪流量計。

蹼輪流量計(paddlewheel flowmeter)是一種流量感知器，其利用蹼輪受流體推動的速度以計算流體流速及流量。傳統的蹼輪流量計必須外接至電源供應器以擷取運作時所需的電力；然而，一般自來水管路多設於地底下，故用以感知流量的蹼輪流量計也就必須設於地下自來水管道中，而這不便於與電源供應器的連接。

本發明提供自發電蹼輪流量計，可於蹼輪轉動時產生電力，不需靠外部電源供應器提供電力。

依據本創作提供一種自發電蹼輪流量計，用以感知管路內流體狀態。自發電蹼輪流量計包含本體、主控制器、電力轉換模組、信號處理模組、旋轉組件、線圈及霍爾感知器；本體設置在管路的一側並部分深入管路；主控制器設於本體中；電力轉換模組設於本體中並電連接於主控制器；信號處理模組設於本體中並電連接於主控制器及電力轉換模組；旋轉組件組設於本體深入管路的部分中，旋轉組件包含轉軸及間隔設置在轉軸周圍的複數葉片，每個葉片上設有磁性件；線圈對應旋轉組件設於本體中並電連接於電力轉換模組；霍爾感知器對應旋轉組件設於本體中並電連接於信號處理模組。當葉片受到流體推動而轉動時，線圈會切割磁性件產生的磁力線並產生交流電能，交流電能經電力轉換模組轉換成直流電能後，用以驅動主控制器及信號處理模組；霍爾感知器感測磁性件的磁場變化，並輸出相對應之霍爾電壓信號，信號處理單元將霍爾電壓信號整型後傳遞至主控制器，以供判斷流體流速。

請參閱圖1及圖2，其等分別繪示依照本創作之自發電蹼輪流量計之組合剖視圖及電路方塊圖。在圖1中，具自發電蹼輪流量計(以下稱蹼輪流量計)1用以感知管路P內流體的流量。蹼輪流量計1包含本體10、主控制器12、霍爾感知器14、信號處理模組16、線圈18、電力轉換模組20及旋轉組件22。

本體10設置在管路P的一側並部分深入管路P。主控制器12、霍爾感知器14、信號處理模組16、線圈18及電力轉換模組20皆設在本體10內；旋轉組件22設置在本體10，用以接觸管路P內的流體。

本體10可由陶瓷、可耐熱高分子材料、複合材料或金屬之任一者所製成。本體10包含第一容置空間100及第二容置空間102，當本體10組設在管路P時，第二容置空間102與管路P的內部相連通。

主控制器12、霍爾感知器14、信號處理模組16、線圈18及電力轉換模組20設於第一容置空間100。霍爾感知器142為具有高可靠度及靈敏度的非接觸式感測器，可用以將感應到的磁場變化轉換成相對應的霍爾電壓信號。信號處理單元16包含第一放大單元160及史密特觸發器(Schmitt trigger)162，第一放大單元160電連接於霍爾感知器14，史密特觸發器162電連接於第一放大單元160及主控制器12。

電力轉換模組20包含整流器200及直流/直流轉換器202。整流器200電連接於線圈18；整流器200可例如為橋式整流器，並用以將交流電力轉換成為直流電力。直流/直流轉換器202電連接於整流器200，並用以調整整流器200輸出之直流電力的電壓位準。

旋轉組件22包含轉軸220及間隔設置在轉軸220周圍的複數葉片222；在圖1中，這些葉片222呈對稱分佈設置，藉以提供穩定且順暢的旋轉。每個葉片222上設有磁性件224，磁性件224嵌入在葉片222中而與流體隔絕，藉以避免磁性件224受流體的侵蝕；然而，在實際實施時，亦不排除將磁性件224安裝在葉片222的表面。磁性件224保持N極與S極交錯排列；舉例來說，在圖1及圖2中，縱向排列的磁性件224可以為N極永久磁鐵，橫向排列的磁性件224可以為S極永久磁鐵。

當管路P內流體流經旋轉組件22時，會帶動葉片222旋轉；在圖1中，流體可例如是由左側向右側流動，並帶動葉片222以逆時針方向旋轉。

當葉片222轉動時，霍爾感知器14依據磁性件224隨葉片222轉動時的磁場變化輸出相對應的霍爾電壓信號。第一放大電路160用以放大前述的霍爾電壓信號。史密特觸發器162用以判斷放大後的霍爾電壓信號是否大於預設參考電壓以將霍爾電壓信號整型為方波信號後傳遞至主控制器12。主控制器12利用前述方波信號的頻率以進行流體流速，甚至是流體流量的運算。

此外，在葉片222轉動時，通過線圈18的磁通量隨時間改變，以產生交流電力。此交流電力經電力轉換模組20轉換成為直流電力後，以驅動主控制器12及信號處理模組16。

蹼輪流量計1更包含蓄電池24及充/放電控制器26，蓄電池24用以儲存直流電力；充/放電控制器26設在電力控制模組20的直流/直流轉換器202及蓄電池24之間，用以於蓄電池24充飽電後，斷開電力轉換模組20與蓄電池24間的連接，以達到保護蓄電池24的效果。在實際操作時，可由充/放電控制器26以預訂時間間隔或不間斷地偵測蓄電池24所儲存的電力來判斷蓄電池24是否完成充電；或者，也可以是由蓄電池24在完成充電後，發出充電完成指令以指示充/放電控制器26斷開直流電力。

蹼輪流量計1還可以包含第一電力調節單元28及第二電力調節單元30。第一電力調節單元28設於電力轉換模組20的直流/直流轉換器202及主控制器12之間，並包含第一微控制器280及第一電力調節器282；第一微控制器280電連接於直流/直流轉換器202，用以控制直流電力傳遞至主控制器12的時機；第一電力調節器282電連接於第一微控制器280及主控制器12，用以改變直流電力的位準，以提供主控制器12適用電力。第二電力調節單元30包含第二微控制器300及第二電力調節器302；第二微控制器300電連接於主控制器12及蓄電池24，用以依據主控制器12發出的信號以控制直流電力傳至給信號處理模組16的時機，第二電力調整器302電連接於第二微控制器300及信號處理模組16，用以改變直流電力的位準，以提供信號處理模組16適用電力。

蹼輪流量計1還更進一步包含無線傳輸模組32及第三電力調整單元34。第三電力調整單元34包含第三微控制器340及第三電力調節器342，第三微控制器340電連接於主控制器12及蓄電池24，第三電力調節器342電連接於無線傳輸模組32。第三微控制器340用以依據主控制器12發出的信號以控制直流電力傳送給無線傳輸模組32的時機，第三電力調節器342用以調節直流電力的位準。

復參閱圖1及圖2，本創作的自發電蹼輪流量計1還包含壓力感知器36。壓力感知器36用以感測管路P的靜態壓力，藉以判斷流體是否外洩。在此要特別說明的是，管路P的靜態壓力是指管路P內流體在不流動的狀態下的壓力；舉例來說，若圖1所繪示的管路P為自來水管路，其左側連接至自來水廠，右側連接是用戶端，前述的靜態壓力是要感知用戶端的閥門未被開啟時管路P內的壓力。當所感知之管路P的靜態壓力小於預設靜態壓力值時，例如管路P破裂時，便可以得知管路P發生洩漏情形。

在圖1及圖2中，壓力感知器36設於本體10的第一容置空間102，並密封連通第一容置空間100及第二容置空間102的開孔104，用以接觸管路P中的氣體或液體。第二放大電路164電連接於壓力感知件36，信號轉換單元166電連接於該第二放大電路164及主控制器12，並可例如為類比/數位轉換器。

可以使用如圖3所示的惠斯登電橋(Wheatstone bridge)來實現，其包含電源Vs、第一電阻器R₁ 、第二電阻器R₂ 、第三電阻器R₃ 及感知電阻器R_X 。電源Vs由蓄電池24經第二電力調節單元30提供；第一電阻器R₁ 及第二電阻器R₂ 串聯連接後連接於電源Vs，第三電阻器R₃ 及感知電阻器R_X 串聯連接後連接於電源Vs。感知電阻器R_X 可為應變體；當管路P內壓力變化導致應變體變形時，則感知電阻器R_X 的電阻值會產生變化。

一般來說，惠斯登電橋被設計使得當管路P內壓力為預設靜態壓力時呈平衡狀態，即其輸出之電壓(V_G )為零伏特；當管路P內壓力不等於靜態壓力時，應變體產生變形使感知電阻器R_X 的電阻值產生變化，則惠斯登電橋呈不平衡狀態，使其輸出之電壓非為零伏特，即有電壓差產生，此電壓差可以下式表示:

前述電壓差經第二放大器164放大後，再由信號轉換單元166以將類比形式的電壓差信號轉換為數位形式的方波信號後，再由主控制器12進行管路P內靜態壓力的運算；主控制器12也可依據前述運算所得到的靜態壓力以判斷流體洩漏量。

復參閱圖1，蹼輪流量計1尚可包含電路板38A、38B，電路板38A和38B可以透過導線40而達到電連接的效果。在圖1中，線圈18、電力轉換模組20、蓄電池24及充/放電控制器26設於電路板38A，並利用預先形成在電路板上的佈線而達到電連接的效果。主控制器12、霍爾感知器14、信號轉換單元16、第一電力調節單元28、第二電力調節單元30、無線傳輸模組32及第三電力調節單元34分別設於電路板38B，並利用預先形成在電路板上的佈線而達到電連接的效果。藉此，可以避免發電迴路及供電迴路間非必要的電氣干擾。然而，在實際實施時，電路板38A和38B也可以為非分離式設計，藉以縮減蹼輪流量計1的體積。

在實際操作時，蹼輪流量計1的葉片222會受流體帶動時，在圖4a所示的時間點t1~t2，葉片222以第一週期P1轉動，在時間點t2之後，葉片222以第二週期P2轉動。圖4b繪示電力轉換模組20的輸出電流，此輸出電流跟隨葉片222轉動週期變化；圖4d繪示電力轉換模組20的輸出電壓，此輸出電壓隨著葉片222的轉動次數增加而上升。

當電力轉換模組20輸出的電壓大於第一預設電壓V1時(如圖4d時間點t3所示)，第一電力調節單元28發出觸發信號TRI(如圖4c所示)以啟動主控制器12，執行補償程序以對主控制器12啟動前的流體流量進行運算。

在此要特別說明的是，在管路P內的流體流速過低時，電力轉換模組20輸出的電力並無法驅動主控制器12(如圖3d所示時間點0~t1)，則蹼輪流量計1便無法進行流體流量的感知；因此，在圖3d所示之時間點0~t2之間的流體流量(以下稱前置流量)只有主控制器12被啟動後透過執行補償程序來獲得。主控制器12啟動後，流體的流量可以藉由霍爾感知器14產生的霍爾電壓信號進行運作。

主控制器12在執行補償程序時，會記錄電力轉換模組20的輸出的直流電力等於第一預設值V1時的啟動時間(即圖3d所示時間點t3)，以及電力轉換模組20的輸出電力等於第二預設值V2的截止時間(即時間點t4)，並利用第一預設值V1及第二預設值V2的斜率變化對流體的前置流量進行運算；第一預設值V1及第二預設值V2的斜率變化可以下式表示之:

簡言之，主控制器12透過電力轉換模組20的輸出電力由第一預設值V1變化至第二預設值V2間的時間差值以對前置流量做運作，達到線性補償的效果。然而，在實際實施時，主控制器12也可以使用內建的查找表以對流體的前置流量進行非線性補償。

在實際操作時，蹼輪式流量計1的主控制器12啟動後，優先完成前置流量補償；之後，進行管路P內靜態壓力的感知；最後，再藉由霍爾感知器14以感知流體流速。當然，藉由流體的流速及在前獲得的前置流量便可以得知流體的整體流量。

雖然本創作已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本創作，任何熟習此技藝者，在不脫離本創作的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本創作的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧自發電蹼輪流量計

10‧‧‧本體

100‧‧‧第一容置空間

102‧‧‧第二容置空間

104‧‧‧開孔

12‧‧‧主控制器

14‧‧‧霍爾感知器

16‧‧‧信號處理模組

160‧‧‧第一放大單元

162‧‧‧史密特觸發器

164‧‧‧第二放大單元

166‧‧‧信號轉換單元

18‧‧‧線圈

20‧‧‧電力轉換模組

200‧‧‧整流器

202‧‧‧直流/直流轉換器

22‧‧‧旋轉組件

220‧‧‧轉軸

222‧‧‧葉片

224‧‧‧磁性件

24‧‧‧蓄電池

26‧‧‧充/放電控制器

28‧‧‧第一電力調節單元

280‧‧‧第一微控制器

282‧‧‧第一電力調節器

30‧‧‧第二電力調節單元

300‧‧‧第二微控制器

302‧‧‧第二電力調節器

32‧‧‧無線傳輸模組

34‧‧‧第三電力調節單元

340‧‧‧第三微控制器

342‧‧‧第三電力調節器

36‧‧‧壓力感知器

38A、38B‧‧‧電路板

40‧‧‧導線

P‧‧‧管路

圖1繪示依照本創作第一實施方式之自發電蹼輪流量計之組合剖視圖；

圖2繪示依照本創作第一實施方式之自發電蹼輪流量計之電路方塊圖；

圖3繪示依照本創作第一實施方式之壓力感知件及第二放大電路之電路圖；及

圖4繪示依照本創作第一實施方式之自發電蹼輪流量計之運作時序圖。

Claims

一種自發電蹼輪流量計，用以感知一管路內流體狀態，該自發電蹼輪流量計包含: 一本體，設置在該管路的一側並部分深入該管路；一主控制器，設於該本體中；一電力轉換模組，設於該本體中並電連接於該主控制器；一信號處理模組，設於該本體中並電連接於該主控制器及該電力轉換模組；一旋轉組件，組設於該本體深入該管路的部分中，該旋轉組件包含一轉軸及間隔設置在該轉軸周圍的複數葉片，各該葉片上設有一磁性件；一線圈，對應該旋轉組件設於該本體中並電連接於該電力轉換模組；及一霍爾感知器，對應該旋轉組件設於該本體中並電連接於該信號處理模組；其中，當該等葉片受到流體推動而轉動時，該線圈會切割該等磁性件產生的磁力線並產生一交流電力，該交流電力經該電力轉換模組轉換成一直流電力，並用以驅動該主控制器及該信號處理模組；該霍爾感知器感測該磁性件的磁場變化，並輸出相對應之一霍爾電壓信號，該信號處理單元將該霍爾電壓信號整型後傳遞至該主控制器，以供判斷流體流速及該主控制被啟動後的流體流量大小。
如請求項第1項所述之自發電蹼輪流量計，其中該電力轉換模組包含: 一整流器，電連接於該線圈；及一直流/直流轉換器，電連接於該整流器、該主控制器及該信號處理模組。
如請求項第2項所述之自發電蹼輪流量計，更包含: 一蓄電池，電連接於該信號轉換模組；及一充/放電控制器，電連接於該直流/直流轉換器及該蓄電池。
如請求項第3項所述之自發電蹼輪流量計，更包含一無線傳輸模組，電連接於該主控制器及該蓄電池。
如請求項第4項所述之自發電蹼輪流量計，更包含: 一第一電力調節單元，電連接於該直流/直流轉換器及該主控制器；一第二電力調節單元，電連接於該蓄電池及該信號轉換模組；及一第三電力調節單元，電連接於該蓄電池及該無線傳輸模組。
如請求項第1項所述之自發電蹼輪流量計，更包含一壓力感知器，電連接於該信號處理模組，並用以感知該管路的靜態壓力。
如請求項第6項所述之自發電蹼輪流量計，其中該信號處理模組包含: 一第一放大單元，電連接於該霍爾感知器；一史密特觸發器，電連接於該第一放大單元及該主控制器；一第二放大單元，電連接於該靜態壓力感知器；及一信號轉換單元，電連接於該主控制器及該第二放大單元。
如請求項第1項所述之自發電蹼輪流量計，其中各該磁性件是嵌入該等葉片中，並與該流體隔絕。
如請求項第6項所述之自發電蹼輪流量計，其中該主控制器利用該電力轉換模組輸出之直流電力由一第一預設值變化至一第二預設值的時間差值、該第一預設值及該第二預設值，以對該主控制器被啟動前的前置流量進行補償，當電力轉換模組輸出之直流電力等於該第一預設值時，該主控制器被啟動。
如請求項第9項所述之自發電蹼輪流量計，其中於該主控制器被啟動後，依序進行一前置流量補償程序、一靜態壓力感知程序及一流速感知程序，其中該前置流量補償程序用以運作該自發電蹼輪流量計的前置流量，該靜態壓力感知程序用以感知該管路內之靜態壓力，該流速感知程序用以感知該管路內流體的流速。