专利名称：直读式计量装置和直读式水表的制作方法
技术领域：
直读式计量装置和直读式水表技术领域[0001]本实用新型涉及一种直读式计量装置和一种直读式水表，尤其是指一种使用隧道磁阻角位移传感器作为计量元件的直读式电子水表。
背景技术：
[0002]随着传感器技术的迅猛发展，传统的机械水表逐渐向新颖的电子水表过渡。目前的电子水表主要有两大类。一类是脉冲式电子水表，采用电子开关作为计量元件，一个脉冲代表一个固定的计量数据，累积脉冲个数实现计量。另一类是直读式电子水表，使用光电编码技术来实现数字计数转轮代码的直接读取计量，不需要累积。直读表与脉冲表相比的主要优势是只在读取数据的瞬间耗电，不怕断电断线。目前的直读表均采用光电编码技术，该技术普遍存在进位误码现象，而且对气泡、强光、污垢、渗漏等因素的抗干扰能力差。实用新型内容[0003]本实用新型的目的在于提供一种新颖的、先进的、可靠的直读式电子水表。本实用新型采用磁性绝对编码技术，其与光电编码相比的主要优势是分辨率高，无进位误码现象，稳定性好，完全根除光电技术引起的各种不良故障。本实用新型使用隧道磁阻角位移传感器感应安装在数字计数转轮上的环形磁铁旋转产生的旋转磁场相位来实现数字计数转轮的编码得到计量读数，从而实现直读式计量功能。[0004]根据本实用新型的一个方面，提供一种直读式计量装置，包括与转动轴连接的数字计数转轮和微控制器，[0005]其特征在于，该直读式计量装置进一步包括:[0006]与所述数字计数转轮同轴安装的环形磁铁，和[0007]与所述环形磁铁间隔且偏心安装的隧道磁阻角位移传感器，[0008]所述微控制器与所述隧道磁阻角位移传感器连接，将所述隧道磁阻角位移传感器的输出转换为数字读数。[0009]优选地，所述隧道磁阻角位移传感器包括两个彼此正交设置的单轴旋转传感器或惠斯通桥相对彼此90度旋转的双轴旋转传感器。[0010]优选地，所述环形磁铁的磁化方向沿径向或沿轴向对准。[0011]优选地，所述环形磁铁距所述隧道磁阻角位移传感器之间的空隙为1-3_，所述隧道磁阻角位移传感器中心距所述环形磁铁中心3-5_。[0012]根据本实用新型的另一方案，提供一种直读式计量装置，包括多个计数单元和微控制器，[0013]其特征在于，所述每个计数单元包括:[0014]与转动轴连接的数字计数转轮，[0015]与所述数字计数转轮同轴安装的环形磁铁，和[0016]与所述环形磁铁间隔且偏心安装的隧道磁阻角位移传感器，[0017]相邻计数单元中的数字计数转轮旋转圈数是1:10，[0018]所述微控制器与每一隧道磁阻角位移传感器连接，将所述隧道磁阻角位移传感器的输出转换为数字读数。[0019]优选地，该直读式计量装置进一步包括与所述微控制器连接的抄表接口。[0020]优选地，所述隧道磁阻角位移传感器包括两个彼此正交设置的单轴旋转传感器或惠斯通桥相对彼此90度旋转的双轴旋转传感器。[0021]优选地，所述环形磁铁具有15 20mm的外直径，2 8mm的内直径，f4mm的厚度，且相邻环形磁铁之间的间距为6-10mm。[0022]优选地，每一计数单元内，所述环形磁铁距所述隧道磁阻角位移传感器之间的空隙为1-3_，所述隧道磁阻角位移传感器中心距所述环形磁铁中心3-5_。[0023]优选地,所述直读式计量装置包括1-10个所述计数单元。[0024]根据本实用新型的再一方面，提供一种包括如上所述直读式计量装置的直读式水表。[0025]根据本实用新型的计量装置的优点在于，不需要用电来记录旋转轮的位置。不同于现有的增量式编码器就需要持续供电来累计脉冲，本实用新型的计量装置由于根据隧道磁阻角位移传感器可以提供数字计数转轮的绝对角度，而不需要靠持续供电来累计脉冲，因而节能便于长时间使用。此外，因为它使用了对数字计数转轮的绝对编码而不是增量式编码，因此就不存在因计数脉冲个数而产生的累计误差。第三，多个计数单元的集成设置标准水表很简单；第四，可靠性高；第五，它能以低成本实现远程抄表。
[0026]图1为本实用新型的结构示意图。[0027]图2(A)为本实用新型使用的环形磁铁示意图及其充磁方向(沿旋转轴磁化)。[0028]图2(B)为本实用新型使用的环形磁铁示意图及其充磁方向(沿径向磁化)。[0029]图3为隧道磁阻角位移传感器的输出与磁场方向的特性曲线。[0030]图4为本实用新型的电路示意图。
具体实施方式
[0031]图1示出本实用新型的结构示意图。图1示意性示出一种采用磁性传感器技术的计量装置。该计量装置包括在数字计数转轮3上的安装同心的环形磁铁2，该环形磁铁只有一对径向充磁的磁极。在数字计数转轮对面的电路板上安装有隧道磁阻角位移传感器I。该隧道磁阻角位移传感器I的中心与数字计数转轮以及环形磁铁2的中心偏移。转动轴穿过数字计数转轮的中心。使数字计数转轮固定于机架，隧道磁阻角位移传感器的输出端与电路板上的微控制器连接，微控制器的输出端与抄表接口连接。[0032]一个典型的环形磁铁2如图2 (A)所示。图中，以虚线构成的平面将环形磁铁分成了两个极，图2A中磁化方向与该平面垂直。一个磁化指向为向上21，一个磁化指向为向下22。磁场线23通常平行于磁铁的一端面，从向上的极化点21指向向下的极化点22。由于数字计数转轮3的旋转，在隧道磁阻角位移传感器I的偏心位置产生了变化的磁场，从而导致了环形磁铁2的角位移变化。隧道磁阻角位移传感器I的输出与环形磁铁2产生的磁场相对于隧道磁阻角位移传感器I的某一参考轴形成的角度成正余弦关系。[0033]图2 (B)显示了环形磁铁2的一个可供选择的磁化方式，即磁化方向25沿直径方向并对齐。在这种情况下，环形磁铁2上方面内的磁场线23的方向与磁化方向相反。[0034]隧道磁阻效应是由两导电铁磁层之间的电子自旋极化遂穿效应所致。这两铁磁层被绝缘体或者半导体隧道势垒层隔开，这种三层结构称之为磁隧道结。其中一个铁磁层是自由磁化，其方向平行于外加磁场的方向，这层称之为自由层。另外一个铁磁层的磁化方向固定，不随外加磁场改变，这层称之为钉扎层。当横跨隧道势垒层施加一偏置电压时，随着两铁磁层磁化强度方向的相对不同，隧道磁阻角位移传感器内部的电阻的大小以正弦形式变化。当自由层和钉扎层的磁化强度方向相反时，隧道磁阻角位移传感器内部的电阻最大，当自由层和钉扎层的磁化强度方向相同时，隧道磁阻角位移传感器内部的电阻最小。[0035]隧道磁阻角位移传感器由两个磁隧道结电桥传感器组成。这两个磁隧道结电桥传感器的钉扎层的磁化方向相互垂直，这样就能产生彼此有90度相位差的输出，通过所产生的正余弦输出就能计算出施加到隧道磁阻角位移传感器上的磁场方向。这两种输出函数可能是由两个彼此正交的单轴旋转传感器提供，或者是一个双轴旋转传感器提供。这些旋转传感器的代表型号有由江苏多维科技有限公司生产的MMA153F和MMA253F，但不限于上面所说的两个型号。旋转传感器的输出如图3所示，在图中水平轴30代表由环形磁铁所产生的磁场的角度，纵轴31代表旋转传感器的输出电压，波形32是余弦输出，波形33是正弦输出。[0036]数字处理电路的布局如图4所示。这里，将一个高度集成半导体装置称之为微控制器7，它是用来将隧道磁阻角位移传感器的模拟输出41转化为代表数字计数转轮3的旋转角度的数字读数，因此那些数字代表着数字计数转轮3的旋转角度。微控制器中提供了绝对编码功能。[0037]由于相互正交的隧道磁阻角位移传感器是旋转传感器，所以旋转传感器的两个正余弦输出与环形磁铁上磁场的方向角度α有关，其关系如下:[0038]OUTl=COS (α )[0039]0UT2=SIN ( α )[0040]利用反正切函数，就能根据OUTl和0UT2计算出旋转传感器的角度:[0041]a =ATAN (0UT2/0UT1)。[0042]α能在(Γ360度整个角度范围内取值。为了能使0_9这10个代表数字在转轮的圆周周围以等间距角度增量间隔开，事先将α的范围划分成10个区间，每一区间用一个预期的数字表示。[0043]进一步，如图1所示，在直读式电子水表的壳体内设置隧道磁阻角位移传感器1、环形磁铁2、数字计数转轮3、电路板4、转动轴5及机架6，其中隧道磁阻角位移传感器I与电路板4连接，环形磁铁2与数字计数转轮3连接，绕穿过每个数字计数转轮3中心的同心转动轴5旋转。[0044]在水表的壳体内，环形磁铁2与数字计数转轮3连同相邻最近的隧道磁阻角位移传感器I以确定位置相互连接，电路板4和所述的隧道磁阻角位移传感器连接，形成一个计数单元。优选地，电子水表可包含有I到10个这样的计数单元。相邻计数单元中数字计数转轮的旋转圈数成1:10的关系，即若左边第I个计数单元旋转IO1圈的话，就会使相邻右边的计数单元旋转IO2圈，以此类推，第10个计数单元旋转的圈数为10'[0045]环形磁铁2如图2所示。该环形磁铁优选地具有以下特征:15 20mm的外直径，2 8mm的内直径，I 4mm的厚度。[0046]水表壳体内的各元件优选地以下列方式相对彼此间隔放置:相邻环形磁铁的间距为6 10_。隧道磁阻角位移传感器I和环形磁铁2之间的空隙为广3_。隧道磁阻角位移传感器位于转动轴的3 5mm处。转动轴的直径为2 7mm。[0047]如图4所示，隧道磁阻角位移传感器I的输出端与微控制器7的输入端连接，微控制器7的输出端与抄表外接口 8连接。隧道磁阻角位移传感器1、微控制器7以及抄表接口8可能为外购部件。电路板可能含有一个单一的双轴隧道磁阻角位移传感器1，或者可能含有两个单轴隧道磁阻角位移传感器1，这两个单轴传感器以覆盖数字计数转轮3旋转90度区间的方式放置。[0048]以上借助优选实施例对本实用新型进行了详细说明，但是本实用新型不限于此。本技术领域技术人员可以根据本实用新型的原理进行各种修改。因此，凡按照本实用新型原理所作的修改，都应当理解为落入本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种直读式计量装置，包括与转动轴连接的数字计数转轮和微控制器， 其特征在于，该直读式计量装置进一步包括: 与所述数字计数转轮同轴安装的环形磁铁，和 与所述环形磁铁间隔且偏心安装的隧道磁阻角位移传感器， 所述微控制器与所述隧道磁阻角位移传感器连接，将所述隧道磁阻角位移传感器的输出转换为数字读数。
2.如权利要求1所述的直读式计量装置，其特征在于，所述隧道磁阻角位移传感器包括两个彼此正交设置的单轴旋转传感器或惠斯通桥相对彼此90度旋转的双轴旋转传感器。
3.如权利要求1所述的直读式计量装置，其特征在于，所述环形磁铁距所述隧道磁阻角位移传感器之间的空隙为1_3_，所述隧道磁阻角位移传感器中心距所述环形磁铁中心3_5mm0
4.一种直读式计量装置，包括多个计数单元和微控制器， 其特征在于，所述每个计数单元包括: 与转动轴连接的数字计数转轮， 与所述数字计数转轮同轴安装的环形磁铁，和 与所述环形磁铁间隔且偏心安装的隧道磁阻角位移传感器， 相邻计数单元中的数字计数转轮旋转圈数是1:10， 所述微控制器与每一隧道磁阻角位移传感器连接，将所述隧道磁阻角位移传感器的输出转换为数字读数。
5.如权利要求4所述的直读式计量装置，其特征在于，该直读式计量装置进一步包括与所述微控制器连接的抄表接口。
6.如权利要求4所述的直读式计量装置，其特征在于，所述隧道磁阻角位移传感器包括两个彼此正交设置的单轴旋转传感器或惠斯通桥相对彼此90度旋转的双轴旋转传感器。
7.如权利要求4所述的直读式计量装置，其特征在于，所述环形磁铁具有15 20mm的外直径，2 8mm的内直径，f4mm的厚度，且相邻环形磁铁之间的间距为6_10mm。
8.如权利要求4所述的直读式计量装置，其特征在于，每一计数单元内，所述环形磁铁距所述隧道磁阻角位移传感器之间的空隙为l_3mm，所述隧道磁阻角位移传感器中心距所述环形磁铁中心3_5mm。
9.如权利要求4所述的直读式计量装置，其特征在于，该计量装置包括1-10个计数单J Li ο
10.一种直读式水表，其特征在于，该直读式水表包括如权利要求1或权利要求4所述的直读式计量装置。
专利摘要本实用新型提供一种直读式计量装置和直读式水表。该直读式计量装置包括与转动轴连接的数字计数转轮和微控制器，其特征在于，该直读式计量装置进一步包括与所述数字计数转轮同轴安装的环形磁铁，和与所述环形磁铁间隔且偏心安装的隧道磁阻角位移传感器。所述微控制器与所述隧道磁阻角位移传感器连接，将所述隧道磁阻角位移传感器的输出转换为数字读数。本实用新型使用隧道磁阻角位移传感器感应安装在数字计数转轮上的环形磁铁旋转产生的旋转磁场相位来实现数字计数转轮的编码得到计量读数，从而实现直读式计量功能。
文档编号G01F15/06GK202974369SQ201220424579
公开日2013年6月5日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者王峰, 王俊云, 程晓峰 申请人:江苏多维科技有限公司