探討傳感器在水計(jì)量表具中的應(yīng)用與防護(hù)

姜龍明 舒莉丹

三川智慧科技股份有限公司 江西 鷹潭 335200

引言

在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代中，智能化手段不斷深入到大眾生活中，傳感器在智能水表中的應(yīng)用具有一定代表性，不僅能夠保證人們用水安全，而且能夠提供多樣的支付手段、快捷的繳費(fèi)方式，對(duì)提高水利部門(mén)工作效率具有重要意義。

1 水計(jì)量表具中傳感器的應(yīng)用

1.1 傳感器選型

水計(jì)量表具傳感器的配套商、智能儀表生產(chǎn)廠家一直在尋找能耗更低、體積更小的傳感器應(yīng)用方案，促使磁阻式傳感器成為智能儀表領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的傳感器。考慮到水計(jì)量表具的特殊性，磁阻式傳感器選型標(biāo)準(zhǔn)如下：①動(dòng)作電流的峰值應(yīng)小于600μA，以此滿(mǎn)足水表的功耗使用需求。②響應(yīng)速度應(yīng)小于3μS，以此保證傳感器能夠安裝在水表葉輪上。③磁場(chǎng)靈敏度應(yīng)小于1.5mT。

1.2 低功耗設(shè)計(jì)

依據(jù)智能水表運(yùn)行原理，磁阻式傳感器在使用過(guò)程中必須具有持續(xù)供電的能力，有必要通過(guò)低功耗設(shè)計(jì)來(lái)明確儀表的使用時(shí)間，以此達(dá)到適當(dāng)延長(zhǎng)傳感器運(yùn)作時(shí)長(zhǎng)的目的。由于磁阻式傳感器依照MCU進(jìn)行定時(shí)，通過(guò)計(jì)量轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)便可明確測(cè)量水表字輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，在儀表正常周期內(nèi)給傳感器上電，檢測(cè)時(shí)運(yùn)用到有關(guān)周期的數(shù)據(jù)，可用如下公式進(jìn)行計(jì)算。

其中，T為儀表正常周期；t1為開(kāi)啟檢測(cè)時(shí)間；t2為非開(kāi)啟檢測(cè)時(shí)間。

根據(jù)這種測(cè)量方式進(jìn)行計(jì)算，可在水表精度不變的基礎(chǔ)上，提高傳感器使用時(shí)間達(dá)一倍以上，最低滿(mǎn)足八年以上智能水表設(shè)計(jì)需求[1]。

1.3 電磁閥門(mén)電路設(shè)計(jì)

針對(duì)用戶(hù)供水操作以及停水，應(yīng)充分發(fā)揮出智能水表對(duì)用水狀態(tài)的控制作用，可采用電磁球閥驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)用水系統(tǒng)傳感器采集到的狀態(tài)信息，一旦達(dá)到欠費(fèi)紅線(xiàn)數(shù)字，電磁閥門(mén)便會(huì)關(guān)閉，直到用戶(hù)完成繳納，電磁閥門(mén)又會(huì)在傳感器的作用下自動(dòng)開(kāi)啟，以此運(yùn)行供水模式。為避免傳感器長(zhǎng)久使用之后不靈敏，還應(yīng)對(duì)傳感器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行定期檢查，以免出現(xiàn)計(jì)費(fèi)不準(zhǔn)、計(jì)費(fèi)不科學(xué)等問(wèn)題。

2 傳感器的防護(hù)

2.1 磁簧開(kāi)關(guān)的防護(hù)

磁簧開(kāi)關(guān)是由非常薄的低磁阻簧片組成，當(dāng)開(kāi)關(guān)靠近外磁路時(shí)，在尾端會(huì)產(chǎn)生磁極相吸的現(xiàn)象，能夠?qū)λ?jì)量表具的流量信息進(jìn)行全面采集，不同的安裝位置產(chǎn)生的脈沖當(dāng)量存在一定差異，并且磁簧開(kāi)關(guān)價(jià)格低廉、安裝便捷、使用簡(jiǎn)便。在對(duì)磁簧開(kāi)關(guān)進(jìn)行防護(hù)時(shí)，首先，解決機(jī)械觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)處存在的問(wèn)題，主要是對(duì)波形采用有效的濾波、整形、延時(shí)查詢(xún)等措施，在保證磁簧開(kāi)關(guān)無(wú)同時(shí)導(dǎo)通的前提下，由兩個(gè)磁簧開(kāi)關(guān)對(duì)一個(gè)采集周期內(nèi)的信息進(jìn)行收集，再除去單個(gè)磁簧開(kāi)關(guān)的毛刺。其次，解決管腳封裝操作不當(dāng)?shù)膯?wèn)題。若操作過(guò)程中的焊接溫度較高，則會(huì)影響傳感器自身的靈敏度，因此在焊接時(shí)，應(yīng)保證折彎處距管腳3mm以上，并且由生產(chǎn)廠家制做開(kāi)關(guān)的防護(hù)裝備，以此減少磁簧開(kāi)關(guān)運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)損壞的問(wèn)題。最后，解決臨界工作狀態(tài)觸點(diǎn)異常抖動(dòng)問(wèn)題，主要是利用磁簧開(kāi)關(guān)特有的品質(zhì)來(lái)解決特殊工作狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)的抖動(dòng)問(wèn)題，以此提升傳感器整體靈敏度。

2.2 霍爾元件的防護(hù)

在智能水表領(lǐng)域中，霍爾元件作為低功耗開(kāi)關(guān)型設(shè)備使用，具有使用壽命長(zhǎng)、體積小、無(wú)抖動(dòng)等特點(diǎn)，能夠?qū)⒋艌?chǎng)的周期性變化看作是元件的轉(zhuǎn)動(dòng)。一般情況下，水計(jì)量表具的定時(shí)周期為傳感器工作時(shí)間、休眠時(shí)間的綜合，當(dāng)裝有霍爾元件的傳感器工作一段時(shí)間之后，需要利用低功耗設(shè)計(jì)來(lái)保證定式電路的有效運(yùn)行。以功耗為15μW的傳感器為例，在45ms定時(shí)周期內(nèi)會(huì)有短暫的喚醒時(shí)間，沿著脈沖數(shù)據(jù)下降方向測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，明確智能水表中霍爾傳感器的應(yīng)用范圍。與磁簧開(kāi)關(guān)相比，霍爾元件輸出的脈沖波形強(qiáng)、不易抖動(dòng)、壽命長(zhǎng)、抗振動(dòng)能力強(qiáng)，并且為霍爾元件應(yīng)用的防護(hù)手段與磁簧開(kāi)關(guān)相似，具有增強(qiáng)霍爾傳感器應(yīng)用效果的作用。

2.3 韋根傳感器的防護(hù)

基于韋根效應(yīng)制作出的韋根傳感器，能夠在無(wú)外加電源和一定磁場(chǎng)作用下輸出較為恒定的電脈沖信號(hào)，一般維持在1V以上，將其應(yīng)用于智能水表中，可有效解決水計(jì)量表具的功耗問(wèn)題。韋根傳感器主要是由外殼、內(nèi)芯、信號(hào)引出線(xiàn)三大部分組成，其中使用到的韋根特絲線(xiàn)是一種直徑為0.3mm的新功能合金線(xiàn)[2]。在韋根傳感器工作過(guò)程中，其磁場(chǎng)方向會(huì)呈現(xiàn)周期性變化，當(dāng)內(nèi)芯與外殼按照相同方向滲透為根特絲線(xiàn)之后，然后再切換到第二塊磁鐵，內(nèi)芯與外殼相反的極性能夠促使韋根傳感器輸出正負(fù)交替的脈沖信號(hào)。由于傳感器的觸發(fā)信號(hào)在1～10KH范圍變化，工作時(shí)溫度變化在-196℃到+300℃之間，需要采用多層磁屏蔽罩的主動(dòng)防護(hù)方式，考慮到水表葉輪磁鋼的整體環(huán)形結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量選擇磁場(chǎng)強(qiáng)度大一些的傳感器，以此避免長(zhǎng)時(shí)間使用后出現(xiàn)磁鐵老化、吸附強(qiáng)度衰減的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)傳感器的脈沖后續(xù)放大、整形等進(jìn)行有效處理，以此實(shí)現(xiàn)各種流量范圍內(nèi)的全面采集，助力智能電表的發(fā)展。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，智能水表領(lǐng)域中，傳感器因其體積小、能耗低等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，通過(guò)對(duì)傳感器進(jìn)行有效的防護(hù)，能夠進(jìn)一步突出設(shè)備的實(shí)用價(jià)值，同時(shí)結(jié)合科學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)解決傳感器應(yīng)用面臨的突出問(wèn)題具有重要推動(dòng)作用。