CN112729486B - 带有自校准功能的智能水表测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有自校准功能的智能水表测量方法。基表的传动齿轮上安装磁钢，转动惯量小，具有较小的始动流量。磁阻传感器安装在磁钢正上方，感应磁场变化并输出两个正交电压信号，计算出基表传动齿轮运动的角度和角速度，然后根据不同角速度的仪表系数与角度差计算出水表的流量，进而计算出用水量。本发明采用低功耗的测量方法，判断水表的振动、流向信息，并对实现对测量的流量值进行自校准。本发明提高了机械传感式水表在小流量下的测量准确度，提高了水表的量程比。

Description

带有自校准功能的智能水表测量方法

技术领域

本发明属于水量计量技术领域，涉及一种带有自校准功能的智能水表测量方法。

背景技术

目前，水表计量方式主要以机械式为主，通过干簧管、韦根等传感器将机械信号转化为电信号，从而实现远程抄表。随着国家节能减排政策的推行，对水表计量的准确度要求越来越高，而传统干簧管、韦根式传感器并没有解决机械水表计量精度低、始动流量小、双向计量、机械振动误计量等问题。基于磁阻式的机械水表，其传感器内部集成两路正交惠斯登电桥，每路上的磁阻阻值受外界磁场变化而变化，当基表叶轮带动磁钢转动，磁阻传感器感受到外界磁场角度变化，产生并输出两路差分电压信号。与传统机械式水表相比，磁阻式水表具有响应频率高、灵敏度高、可靠性好等特点。然而，磁阻式水表量程比较小，小流量准确度低，且不具备自校准和双向计量功能，并没有解决传统机械传感式水表的测量问题。

发明内容

本发明针对磁阻传感器水表存在的不足，提出了一种自校准功能的智能水表测量方法。

本发明采取的技术方案为：

本发明的水表的基表结构上只有一个传动齿轮并安装磁钢，转动惯量小，具有较小的始动流量。磁阻传感器安装在磁钢正上方，感应因传动齿轮带动磁钢转动引起的磁场变化，并根据所述磁阻传感器输出的两个正交电压信号计算出基表的传动齿轮运动的角度和角速度。通过单片机单元的AD采样单元获得基表转动一周的所有角度值θ＝[θ₁,θ₂,……θ_n]并存储为角度序列，计算转动一周的角速度平均值获得对应转速的仪表系数/>用不同角速度对应的仪表系数与角度差的积计算出水表的流量，进而计算出用水量Q。并用该用水量Q去修正通过基表转动一周的每个采样角度下用水量的累计值Q₁，从而实现水表的自校准。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提高了机械传感式水表在小流量测量时的准确度，提高了水表的量程比。

2、本发明通过连续测得的传动齿轮角度信号，判断水表正反转情况，并可对于水表机械振动引起的误测量通过设定阈值将其剔除。

3、本发明保证所有流量下水表基表转动一周可采样3个角度值，从而在最大的采样单元定时时间下获得水表的运动方向，降低了仪表的功耗。

附图说明

图1为测试装置示意图；

图2为硬件***整体流程框图；

图3为单片机最小***；

图4为差分放大电路图；

图5为低通滤波电路图；

图6为磁阻传感器输出信号原理图；

图7为仪表系数特性曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步的详细描述。

参照图1，水表安装在管道上，当管道内水流开始流动时，叶轮发生转动，带动安装在叶轮上的磁钢同时转动，磁阻传感器感应磁场变化，输出电压信号接到测量电路中。

参照图2，在本***中可用信号较为微弱，为了保持可用信号的完整性需要进行放大、滤波处理，然后通过单片机内部ADC采样，对采样信号进行处理。整个硬件***工作流程为：磁阻传感器输出电压信号，通过前置放大器AD620芯片将信号放大，接着经过低通滤波电路处理，最后输入单片机内部ADC转换，由单片机FM33L026对信号进行处理。

参照图3，单片机单元采用FM33L026,LCD显示单元采用定制的液晶显示器。单片机的第1脚分别与电阻R1和电容C1连接，电阻R1的另一端接VCC的3V电压，电容C1的另一端接地。第52和54脚接与电解电容CD1的正极、电容C4的一端；电解电容CD1的正极、电容C4的一端共接VCC的3V电压，电解电容CD1的负极和电容C4的另一端共接地。第51、53脚接地。晶振Y1的频率为32.768KHz。单片机的第48脚与电容C3和晶振Y1的一端连接，第49脚与电容C2、晶振Y1的另一端连接，电容C3和电容C2的另一端共同接地。单片机的第12、16和17脚分别与存储单元芯片的WP、SCL和SDA端口相连接。单片机第55脚接X端低通滤波输出端口VOUTX信号端口，第57脚接Y端低通滤波输出端口VOUTY信号端口，单片机第5、6、7、8脚分别与LCD的25、26、27、28脚连接，第13、14、15脚与LCD的第1、2、3脚连接，第22～29脚与LCD的第4～11脚连接，第31、32脚与LCD的第12、13脚连接,第39～46脚与LCD的第14～21脚连接，第59、60和61脚与LCD的第22、23和24脚连接。单片机第37、38脚与UART端口的RXD1和TXD1脚相连接。

参照图4，在实际测量过程中，磁阻传感器输出两路电压信号(X+、X-)和(Y+、Y-)分别接入相同的放大滤波电路中，本实施例采取单路测量电路进行阐述，滤波电路输入信号由(Signal+、Signal-)表示上述两路信号(X+、X-)和(Y+、Y-)，前置差分放大电路采用仪表放大器AD620,AD620芯片的1脚和8脚中间接电阻R10,5脚接参考电压V_REF1.5V,6脚接输出V_OUT1,7脚接3V电压VCC,4脚接地，3脚接电阻R8，R8的另一端接信号输入Signal+端口，2脚接电阻R9,R9的另一端接信号输入Signal-端口。

参照图5，低通滤波电路根据实际最大流量下的叶轮转动频率来设计截止频率。输入端为差分放大电路的6脚V_OUT1，V_OUT1接电阻R11的一端，电阻R11的另一端接电阻R12和电容C9的一端，电容C9的另一端接地，R12的另一端为输出端接ADC,同时接电容C10的一端，C10的另一端接地。信号输出端VOUT2表示磁阻传感器输出的两路电压信号分别经放大滤波后的目标信号，对应X路的输出目标信号VOUTX与单片机55脚连接，Y路的输出目标信号VOUTY与单片机57脚连接。

本发明的测量方法如下：

磁阻传感器内部集成两个正交的惠斯登电桥分别为X桥和Y桥，每个电桥上有4个磁阻，磁阻的阻值随外部磁场的变化而变化，当叶轮带动磁钢转动时，磁钢产生的磁场与X桥形成夹角φ，如图6所示，X桥产生一路余弦信号Vcosφ,Y桥上产生一路正弦信号Vsinφ，V为两路信号的幅值，基表转动一周，两路输出信号完成一个周期变化。磁阻传感器将差分电压信号输出到测量电路。电压信号经过差分放大去除掉共模噪声，再经过低通滤波得到目标信号，单片机完成信号采样后进行数据处理，根据公式(1)计算出当前叶轮转动角度和转动角速度：

其中，θ为叶轮的转动角度值；ω为叶轮转动角速度；T为AD采样单元定时时间。单片机获得水表运行的矢量角度并存储在数组中。V(X)和V(Y)分别为X桥、Y桥采样得到的传感器差分信号输出电压值；由于正切函数的值域θ∈[0～π],且V(X)≠0，为保证角度计算的有效性，则在0～2π范围内采用下式计算：

AD采样单元定时时间T是以DN15水表标准中规范量程内的最大瞬时流量Q4:3150L/H下，基表转动一周所需时间的1/3为基准，其计算公式如下所示：

q_max＝k(ω_max)*ω_max (3)

式中，q_max为最大瞬时流量Q4:3150L/H；ω_max为最大瞬时流量下叶轮转动的角速度，k(ω_max)为最大角速度对应的仪表系数，T_max为最大流量下基表转动一周所需要的时间，T为AD采样单元定时时间。在理想状态下以及规定的检测范围内，仪表系数k与角速度ω为非线性关系，其数值由流量标准装置标定得到，特性曲线如图7所示。

保证所有流量下基表叶轮转动一周可采样3个及以上的角度值，从而在最大的定时时间获得水表的运动方向，降低了仪表的功耗。对转动一定角度内连续测得的3个角度信号θ_i-1、θ_i、θ_i+1进行角度值判断，如果角度θ_i-1<θ_i<θ_i+1，则表示当前时刻为正转；反之，则为反转。同时，将一定时间内采样计算得到的所有角度差值的最大值与设定的角度阈值θ_s比较，如大于阈值θ_s，则判断为正常流量并进行累计，否则视为无效振动引起的错误计量，将其剔除。水表振动的阈值根据水表始动流量对应的角度信息确定，阈值计算公式如下所示：

q_st＝k(ω_st)*ω_st (6)

式中，q_st为始动瞬时流量；ω_st是始动瞬时流量下叶轮转动的角速度；k(ω_st)为最小角速度所对应的仪表系数k；T_s为基表在瞬时流量下转动一周所需要的时间；n_s为叶轮转动一周内单片机AD采样次数；θ_s为始动流量下单片机单次采样时间对应的转动角度值，将其设定为判断水表振动的角度阈值。

在完成正反向判断以及剔除掉无效的错误计量之后，根据单片机存储的角度序列，判断基表是否转动一周，由于角度信号为周期性变化，所以当第n次采样得到的角度值θ_n小于第n-1次采样得到的角度值θ_n-1时，表示基表完成一周转动，可获得基表转动一周下，单片机采样的所有角度值θ＝[θ₁,θ₂,……θ_n]。由于叶轮转动速度与水流流速有关，不同流量流速下，叶轮转动快慢程度不一，特别是在小流量情况下，单片机一次采样测得转动角度值θ远小于360°。根据一周的角速度平均值：

式中，为角速度平均值，n为采样次数。

获得对应的仪表系数由此得到转动一周的实际用水累计量Q：

根据转动一周的实际用水量Q，来修正水表转动一周的每个角度值θ＝[θ₁,θ₂,……θ_n]下的用水量的累计值Q₁，

Q_i＝k(ω_i)*(θ_i+1-θ_i) (13)

修正值ΔQ

ΔQ＝Q-Q₁ (15)

其中，当ΔQ大于0时，修正后的累计流量Q₁′＝Q₁+ΔQ；当ΔQ小于0时，Q₁′＝Q₁-ΔQ。通过此方法实现水表的自校准，提高水表在小流量测量的准确度。

Claims (3)

1.带有自校准功能的智能水表测量方法，其特征在于：

该方法所使用的装置包括基表、磁阻传感器、差分放大单元、低通滤波单元、单片机单元、LCD显示单元、UART通讯单元和存储单元；

在所述基表的传动齿轮上安装磁钢，所述磁阻传感器安装在磁钢正上方，通过所述磁阻传感器感应磁场变化并输出两路正交电压信号；所述两路正交电压信号与差分放大单元的输入端连接，所述差分放大单元的输出端与低通滤波单元的正输入端连接；所述低通滤波单元的输出端与单片机的I/O口连接；所述LCD显示单元、UART通讯单元、存储单元均与单片机的I/O口连接；

该方法具体是：

通过所述磁阻传感器输出的正交电压信号计算出所述传动齿轮运动的角度值和角速度，根据基表转动一周单片机采样的所有角度值θ＝[θ₁,θ₂,……θ_n]计算出角速度平均值并用角速度平均值/>对应的仪表系数/>与角度差值的积计算出用水量Q：

根据转动一周的实际用水量Q，来修正水表转动一周的每个角度值θ＝[θ₁,θ₂,……θ_n]下的用水量的累计值Q₁：

Q_i＝k(ω_i)*(θ_i+1-θ_i)

其中k(ω_i)为角速度值ω_i对应的仪表系数；

修正值ΔQ为：

ΔQ＝Q-Q₁

其中，当ΔQ大于0时，修正后的累计流量Q₁ ^′＝Q₁+ΔQ；当ΔQ小于0时，Q₁ ^′＝Q₁-ΔQ。

2.根据权利要求1所述的带有自校准功能的智能水表测量方法，其特征在于:

所述单片机单元的AD采样单元定时采样磁阻传感器输出的正交电压信号，获得基表运行的矢量角度并存储在存储单元中；

根据连续测得的角度信号序列比对，判别水表正向或反向流动；

根据一定采样时间内计算得到的所有角度差值的最大值和设定的角度阈值比对，判别并剔除水表机械振动引入的无效数据。

3.根据权利要求2所述的带有自校准功能的智能水表测量方法，其特征在于：

AD采样单元定时时间T设置为最大流量下基表转动一周所需时间的1/3，所有流量下基表转动一周可采样三个及以上角度值。