一种智能水表电池容量监测方法及装置与流程

本发明涉及一种智能水表电池容量监测方法及装置。

背景技术：

由于具有高比能量、低放电电流和长贮存寿命等优点，柱式锂-亚硫酰氯电池(以下简称锂-氩电池)被广泛应用于智能水表中为控制机构、水表阀门执行机构提供能量。以常用的er18505m功率型锂-氩电池为例，其直径为18mm，高度为50mm，容量为3500mah，最大持续放电电流为500ma。以此计算该电池至少能满足水表10年的正常运行(国家相关标准规定水表的更换周期为6年)。然而由于水表的安装、使用环境与理论计算条件大相径庭，部分水表往往在6年以内就出现“电量不足”的现象，造成阀门误动作，给用户和用水管理部门带来诸多不便。尤其是目前大部分阶梯水价水表中还安装有同系列不同型号的备用电池(用于保证时钟的连续运行)，一旦电池出现故障，可直接造成贸易结算过程中的经济纠纷。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种智能水表电池容量监测方法及装置，解决因水表“电量不足”的现象，造成阀门误动作，给用户和用水管理部门带来诸多不便的问题。

本发明通过分析水表电池实际使用寿命与理论使用寿命的偏差现象，得出出现该现象的原因主要是缺乏对锂-氩电池开路及带载特性曲线的深入了解、缺乏对水表阀门执行机构负载特性的研究及缺乏有效的电池容量检测方法；现有技术中，大部分水表厂家对锂-氩电池的特性曲线仅停留在其空载特性曲线，即其开路电压与使用时间或其内阻的关系，在缺乏对特定负载下电池输出电压特性曲线研究的情况下，对电池容量的估计可靠性不高，很容易造成阀门误动作。

本发明的技术解决方案是提供一种智能水表电池容量监测方法，包括以下步骤：

s1：采集水表阀门执行机构中限位开关信息，判断智能水表是否有开关阀动作发生；

s2：如果有开关阀动作产生，则延迟时间t后再采集电池的输出电压；如果没有开关阀动作产生，则直接采集电池的输出电压；

s3：对步骤s2采集的电压数据经过运算处理后与预先设置的一级报警电压进行比较，若当前的电压低于一级报警电压时，发出报警信息；并与二级报警电压进行比较，若当前电压低于二级报警电压，发出关阀指令。

进一步地，为了防止因水表长期不用或水表阀门长期不动作带来的锂-氩电池“滞后效应”，致使采集到的电压与实际电压不符，导致误判的问题出现，本发明还包括防止电池钝化的步骤：每经过时间t1(具体为10天到15天)后，通过电阻对电池进行大电流放电的步骤。

进一步地，步骤s2中延迟时间t根据实验获取的电池两端直接给水表阀门执行机构供电时其输出电压随时间变化曲线获得。

进一步地，延迟时间t为1-3秒

进一步地，一级报警电压与二级报警电压根据实验获取的电池在不同负载下的电压特性曲线获得。

进一步地，一级报警电压为(2.9～3.0)v，二级报警电压为(2.75～2.85)v。

本发明还提供一种实现上述方法的智能水表电池容量监测装置，其特殊之处在于：包括电阻r1、r2、r3、单刀双掷开关及主控制器；上述主控制器内集成第一定时器、第二定时器；

电阻r1的一端接待检电池正极，另一端接电阻r2的一端，电阻r2的另一端接待检电池的负极；电阻r1、r2之间为电池电压采集端；

单刀双掷开关设置在电池正极与水表阀门执行机构之间，单刀双掷开关的输入端接待检电池正极，单刀双掷开关的第一输出端d1接水表阀门执行机构，单刀双掷开关的第二输出端d2通过电阻r3接待检电池负极；

主控制器中存储计算机程序，计算机程序运行时，执行以下步骤：

防止钝化过程：

s1：启动第一定时器；

s2：第一定时器中断后，给单刀双掷的程控开关发出指令，将程控开关打到d2上，通过电阻r3对电池进行大电流放电；

s3：放电结束后，重复步骤s1至s2；

电压采集过程：

a1：采集水表阀门执行机构中限位开关信息，判断是否有开关阀动作发生，如果有开关阀动作产生，立即启动第二定时器；

a2：第二定时器中断后，采集电池输出电压；

a3：对步骤a2采集的电压数据经过运算处理后与预先设置的一级报警电压进行比较，若当前的电压低于一级报警电压时，发出报警信息；并与二级报警电压进行比较，若当前电压低于二级报警电压，发出关阀指令。

进一步地，第二定时器的时间为1-3秒。

进一步地，一级报警电压介于(2.9～3.0)v，二级报警电压介于(2.75～2.85)v。进一步地，第一定时器的时间为10-15天。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过研究电池在一般情况和特定负载下的特性曲线，得出电池容量与其输出电压的规律，基于该规律提出通过监测电池输出电压而判断电池容量的方法，避开在开关阀期间采集电压，检测准确性和可靠性高。

2、本发明通过对电池进行短时间、大电流放电，防止电池钝化，导致采集的电压不准的问题出现。

3、本发明通过充分利用水表控制器cpu现有片内资源，以极低的成本实准确、可靠地完成电池电压采集，可大幅度提高产品的性价比。

4、本发明所提出的电池容量监测方法及软、硬件实现方法，具有较强的可移植性，可广泛应用于除智能水水表以外的采用锂-氩电池供电的电子设备的电池容量监测与控制。

附图说明

图1a为实施例一试验电路示意图；

图1b为实施例一中电池在带载情况下的电压特性曲线示意图；

图2a为实施例二试验电路示意图；

图2b为实施例二中电池在带载情况下的电压特性曲线示意图；

图2c为实施例二中开关阀起始和终止瞬间电池电压的特性曲线。

图3为实施例四电池容量监测装置的硬件原理图；

图4为实施三中电池容量检测的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

实施例一

本实施例研究了电池在不同负载下的电压特性曲线，即用不同的阻值的电阻作为负载，观察电池在不同的放电电流下，输出电压随时间的变化关系，获得一级报警电压与二级报警电压。

如图1a所示，选取r1＝8.2ω，r2＝33ω，r3＝680ω，r4＝3.6kω，r5＝36kω，通过开关s1～s5将不同阻值的电阻接入电池两端，并用高精度记录式电压表每隔一定时间采样并记录一次电池的输出电压。将电压表采集、记录的数据绘制成电压-时间特性曲线，如图1b所示。由图可知：(1)在电池电量耗尽之前，无论负载大小，其输出电压均稳定在某一特定的电压值，正是这一特点，锂-氩电池才被广泛用于各种电子产品中。(2)在不同的负载下，电池的输出电压不同，其使用寿命也不相同，即负载越大(放电电流越小)其输出电压越高，使用寿命也越长。(3)即便是在负载电流最大的情况下(外接8.2ω电阻，回路电流达到400ma)，电池在其电量耗尽之前，也能稳定在3v以上，这对于额定工作电压为3v的水表阀门执行机构以及额定工作电压为(1.8～3.3v)的控制器来说，其可靠性是毋庸置疑的。

实施例二

本实施例研究了电池在特定负载下的电压特性曲线，即用水表阀门执行机构作为负载，分析电池两端直接给水表阀门执行机构供电时其输出电压随时间变化的曲线，获得水表开关阀动作时间。

如图2b所示，电池两端直接给水表阀门执行机构这一特定负载供电时其输出电压随时间变化的曲线。由图可知，在水表阀门不动作或在开、关阀过程的中间时段内，其输出电压为一恒定值(不同之处在于阀门动作之后负载变大，输出电压有所下降)，这与图1b中不同负载情况下的特性是一致的。从图2b中还可以发现：在水表阀门不停动作的情况下，电池的输出电压是周期性的会出现一个尖峰和一个波谷。这是由于在水表阀门执行机构中有两个判断阀门开、关的限位开关，当这两个限位开关闭合时，为确保阀门开、关的可靠性，控制器还会适当持续向水表阀门执行机构供电一段时间，在此期间，由于阀门已经开、关到位，但控制器仍然发出开、关阀门的信号，从而造成水表“堵转”现象。此时水表阀门执行机构的成为一个可变负载，并且在“堵转”期间负载突然变大。这种短时间的“堵转”体现在电池输出特性曲线上，就会表现为在短时间内出现波峰和波谷的现象。当控制器确认开关阀到位以后，才向水表阀门执行机构发出停止开、关阀的指令，阀门停止动作，此时电池的输出电压又恢复到一个较为平稳的电压值上。

图2c所示为水表阀门执行机构开关、阀门一次期间电池电压的波动情况，由该图可知：完成一次开、关阀共耗时约26秒，其中开阀耗时8秒，关阀耗时8秒，在这两个时间段内，负载发生突变，电池输出电压也发生突变，其余时间段内负载恒定，输出电压也为一恒定值。由图还可知：在负载突变期间，电池输出电压最高可到达3.4v，最低可到2.75v。如果在负载突变期间采集电池输出电压作为判断电池容量的依据，必然会产生误判。因此，这一细节直接影响着对电池容量监测的准确性和可靠性。通过该实施例我们可以准确地得到阀门开关阀所需时间、阀门开关期间负载从发生突变到趋于稳定所需时间，进而由这两个数据可以确定第二定时器的定时时间，为后期软件设计提供数据参考。

实施例三

在实施例一与实施例二理论分析以及大量实验的基础上，本实施例提出了一种准确、可靠检测电池容量的方法：综合考虑成本与效果，本实施例还是以电池的输出电压作为衡量电池容量的指标这一传统方法，即在电池的整个生命周期内，通过采集电池的输出电压来判断电池的容量。当电池电压低于某一设定值时(通过大量实验验证，当电池电压下降至2.85v(二级报警电压)时，水表阀门执行机构工作将出现无法开、关或开关不可靠的现象)，可认为电池无法继续正常工作，无法保障阀门的正常开关。但与传统方法的不同之处在于：对电池输出电压的采集要避开阀门开关到位后出现负载突变的时间段。如前文所述，在负载突变期间，电池的输出电压会短时间跌至事先所设定的报警电压，如果用在此期间采集回的电压数据作为判断电池容量有无的依据，显然会发生误判。

具体的本实施例的检测方法如下：

s1：采集水表阀门执行机构中限位开关信息，判断智能水表是否有开关阀动作发生。

s2：如果有开关阀动作产生，则延迟时间t后再采集电池的输出电压；如果没有开关阀动作产生，则不采集电池的输出电压；该延迟时间t即为实施例二中的水表开关阀动作期间电压特性曲线发生突变的时间。

s3：对步骤s2采集的电压数据经过中值滤波运算处理后与预先设置的一级报警电压进行比较，若当前的电压低于一级报警电压时，发出报警信息；并与二级报警电压进行比较，若当前电压低于二级报警电压(电池容量耗尽时的电压)，发出关阀指令。此处一级报警电压与二级报警电压根据实施例二的曲线获得，一级报警电压介于(2.9～3.0)v，二级报警电压介于(2.75～2.85)v之间。

在试验期间也发现，当水表长期不用或水表阀门长期不动作时，由于锂-氩电池自身具有“滞后效应”(长时间无大电流或脉冲电流激发的情况下，电池的输出电压也会降低至门限电压以下)这一弊端，本实施例中还包括防止电池钝化的步骤：每经过时间t1后，通过电阻对电池进行大电流放电的步骤。

实施例四

本实施例利用现有水表控制电路的硬件资源，设计了一种电池容量监测的装置，同时可以防止电池钝化。

如图3所示，本实施例电池容量监测的装置包括电阻r1、r2、r3及单刀双掷开关；还包括主控制器，主控制器上集成第一定时器及第二定时器。

电阻r1的一端接待检电池正极，另一端接电阻r2的一端，电阻r2的另一端接待检电池的负极；电阻r1、r2之间为电池电压输出端；

单刀双掷开关设置在待检电池正极与水表控制水表阀门执行机构之间，单刀双掷开关的输入端接待检电池正极，单刀双掷开关的第一输出端d1接水表阀门执行机构，单刀双掷开关的第二输出端d2通过电阻r3接待检电池负极。

目前市面上也有输入电压高达5v的独立ad转换器，但考虑到pcb布局以及成本等因素，本发明中使用水表现有控制器的cpu中集成的12位ad转换器，但其可接受的输入电压范围为(0.1～2)v，其中电阻r1和r2为分压电阻，电池电压经这两个电阻分压达到主控制器中ad转换器的输入允许电压范围，从而在无需额外增加另一个ad转换器及节省电路板空间的情况实现对电池输出电压的采集。s为一单刀双掷的程控开关，正常情况下刀头与d1相连，电池为水表控制器和水表阀门执行机构供电，每隔一段时间(实验证明在10～15天为宜)开关与刀头与d2相连，通过电阻r3对电池进行短时间、大电流放电，从而达到防止电池钝化(电池电压滞后)的目的。

主控制器中存储计算机程序，计算机程序运行时，执行以下步骤：

防止钝化过程：

s1：启动第一定时器；

s2：当第一定时器定时结束、产生中断以后，给单刀双掷的程控开关发出指令，将程控开关打到d2上，通过电阻r3对电池进行大电流放电，以防止电池钝化；

s3：放电结束后，重复步骤s1至s2，等待下一次放电中断指令的到来。

电压采集过程：

a1：采集水表阀门执行机构中限位开关信息，判断是否有开关阀动作发生，如果有开关阀动作产生，立即启动第二定时器；通过第二定时器延时一段时间，以避开堵转期间负载突变而造成的电池输出电压的突变；

a2：定时结束，第二定时器中断后，此时再开始对电池的输出电压进行采集；

a3：对步骤a2采集的电压数据经过运算处理后与预先设置的一级报警电压进行比较，若当前的电压低于一级报警电压时，控制器发出图形、声音等报警信息，提示用户更换电池；如果计算结果表明当前电池电压也低于二级报警电压(电池容量耗尽时的电压)，控制器立即发出关阀指令，利用电池残余能量将阀门彻底关死，从而确保用水管理部门的权益。