一种流量计量装置、方法及存储介质与流程

1.本发明涉及流量计量技术领域，尤其涉及一种流量计量装置、方法及存储介质。


背景技术：

2.目前，现有的流量计，例如水表，根据计量原理不同，分为旋翼式机械水表、超声波电子水表、电磁式电子水表、基于旋翼式机械水表的脉冲水表等。
3.在现有水表中，机械式水表只有在设定的水压范围内，才满足计量精度的需要，而且对于非常小的流量(即滴漏现象)无法计量；超声波电子式水表，需要外部供电，计量受温度、水垢、泡沫等影响较大，计量稳定性不足；电磁式电子水表也需要外部供电，并且对流体的电阻率稳定性要求也较高。
4.综上，现有各式流量计的计量精度不高，且无法计量小流量。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种流量计量装置、方法及存储介质，以实现对小流量的计量，同时能够提高计量精度。
6.第一方面，为了解决上述技术问题，本发明提供了一种流量计量装置，包括壳体、发电机构、数据采集模块和数据处理模块，所述壳体连接有进流管，所述发电机构设于所述壳体内，所述发电机构用于检测所述进流管的流体流动并输出交流电压；所述数据采集模块与所述数据处理模块通信连接，所述数据采集模块用于根据预设的采样周期获取所述交流电压并发送至所述数据处理模块；所述数据处理模块被配置为：
7.接收所述交流电压，并计算所述交流电压的电压频率；
8.对所述电压频率进行快速傅里叶变换，得到基波频率；
9.根据所述基波频率和预设的流量系数数据库，得到与所述基波频率对应的流量系数；
10.计算所述采样周期与所述流量系数的乘积，得到每一采样周期内的瞬时流量；
11.对所有所述瞬时流量进行累加，得到流体流量。
12.优选地，所述发电机构包括定子和转子，所述转子用于跟随流体转动，所述转子的转动轴垂直于流体的流动方向，所述数据采集模块的数据输入端与所述定子的输出端连接。
13.优选地，所述发电机构还包括整流模块和储能模块，所述整流模块的输入端与所述定子的输出端连接，所述整流模块的输出端与所述储能模块的输入端连接，所述储能模块的输出端与所述数据采集模块的电源输入端连接。
14.优选地，所述流量系数数据库包括基波频率-流量系数关系曲线。
15.优选地，所述基波频率-流量系数关系曲线的配置过程包括：
16.根据预设的m个流量档位获得m个测量电压频率，m为大于1的正整数；
17.对m个所述测量电压频率分别进行快速傅里叶变换，得到m个测量基波频率；
18.根据m个所述测量基波频率、m个所述测量基波频率中的非零个数和预设的总流量进行计算，得到m个与所述测量基波频率对应的测量流量系数；
19.基于m个所述测量基波频率和m个所述测量流量系数进行拟合，得到基波频率-流量系数关系曲线。
20.优选地，所述流量档位与所述进流管中用于流体流通的截面积正相关，所述流量档位至少包括最大流量档位和最小流量档位。
21.优选地，所述测量流量系数的计算公式为：
22.k＝l/f*n
23.其中，k为测量流量系数，l为总流量，f为测量基波频率，n为m个所述测量基波频率中的非零个数。
24.优选地，所述装置还包括显示模块，所述显示模块与所述数据处理模块通信连接，所述显示模块用于显示流体流量和流量计量装置的工作状态。
25.第二方面，本发明提供了一种流量计量方法，基于如第一方面任意一项所述的流量计量装置实现，所述方法包括：
26.获取发电机构输出的交流电压，并计算所述交流电压的电压频率；
27.对所述电压频率进行快速傅里叶变换，得到基波频率；
28.根据所述基波频率和预设的流量系数数据库，得到与所述基波频率对应的流量系数；
29.计算所述采样周期与所述流量系数的乘积，得到每一采样周期内的瞬时流量；
30.对所有所述瞬时流量进行累加，得到流体流量。
31.第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行上述第二方面中任意一项所述的流量计量方法。
32.相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
33.本发明提供的流量计量装置，包括壳体、发电机构、数据采集模块和数据处理模块，所述壳体连接有进流管，所述发电机构设于所述壳体内，所述发电机构用于检测所述进流管的流体流动并输出交流电压；所述数据采集模块与所述数据处理模块通信连接，所述数据采集模块用于根据预设的采样周期获取所述交流电压并发送至所述数据处理模块。
34.当进流管内的流体流动时，发电机构能够输出交流电压，此时数据采集模块获取所述交流电压并发送至所述数据处理模块，所述数据处理模块被配置为：接收所述交流电压，并计算所述交流电压的电压频率；对所述电压频率进行快速傅里叶变换，得到基波频率；根据所述基波频率和预设的流量系数数据库，得到与所述基波频率对应的流量系数；计算所述采样周期与所述流量系数的乘积，得到每一采样周期内的瞬时流量；对所有所述瞬时流量进行累加，得到流体流量。通过电压频率对流体的流量进行计算，只要流体流动即可产生交流电压，从而实现对小流量的计量。同时，流量仅仅和交流电压的频率相关，这个频率是实时可变可测量的，也就是随着流速的不同，通过测量交流电压的频率，即可动态调整测量精度。
附图说明
35.图1是本发明一个优选实施例提供的流量计量装置结构示意图；
36.图2是本发明一个优选实施例提供的数据处理流程示意图；
37.图3是本发明实施例提供的基波频率-流量系数关系曲线图。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.参照图1，本发明实施例提供了一种流量计量装置，包括壳体、发电机构、数据采集模块和数据处理模块，壳体连接有进流管，发电机构设于壳体内，发电机构用于检测进流管的流体流动并输出交流电压；数据采集模块与数据处理模块通信连接，数据采集模块用于根据预设的采样周期获取交流电压并发送至数据处理模块。
40.具体地，发电机构包括定子和转子，转子用于跟随流体转动，转子的转动轴垂直于流体的流动方向，数据采集模块的数据输入端与定子的输出端连接。其中，转子包括若干个永磁体，若干个永磁体组成海尔贝克(halbach)阵列，有利于减小气隙，增加灵敏度。以水表为例，转子的转动轴垂直于流体的流动方向，即转动轴垂直于水平面，有利于转子跟随水流转动，减少转子的摩擦。
41.进一步地，发电机构还包括整流模块和储能模块，整流模块的输入端与定子的输出端连接，整流模块的输出端与储能模块的输入端连接，储能模块的输出端与数据采集模块的电源输入端连接。优选地，储能模块的输出端连接有稳压芯片。在具体应用中，储能模块可以采用超级电容，超级电容再经过稳压芯片输出稳定电压作为工作电源，无需外部供电，进一步地增加了本装置的实用性。
42.在一种实施方式中，数据采集模块设于壳体上，数据采集模块与数据处理模块集成于一体，此时储能模块为数据采集模块和数据处理模块供电。在另一种实施方式中，数据采集模块设于壳体上，数据处理模块设于数据处理终端上，此时储能模块为数据采集模块供电。需要说明的是，只要数据采集模块与数据处理模块通信连接即可，本发明对二者的安装位置和方式不做具体限定。
43.示例性地，流体发电机采用永磁式内转子，定子部分采用无铁芯导电线圈，均匀构成12极6对线圈的6相电压输出，水流在铜管中流动时，带动永磁式内转子转动，6对线圈同时输出电压，每对线圈输出电压相位分别相差60度，采用桥式整流对6组输出电压进行整流，整流输出经过稳压管输出到5v的超级电容，超级电容再经过ldo稳压芯片输出稳定电压作为工作电源，因此不再需要外部供电。
44.进一步地，从6对线圈中分别选取2对线圈，采用差分采样，采样频率10khz，采样周期为1/10khz，测量线圈输出电压。随着水压和水流的不同，这个线圈输出为频率范围0-600hz，vpp为10v的近似正弦波电压。这个频率越高，表明水压差越大，单位时间流过进流管截面的流量越大。无论进流管直径大小，流量仅仅与交流电压频率、流通时间有关。当进流管上设有阀门器件，例如水龙头，调节水龙头开关的大小不同，交流电压频率也跟随变化，
调节进水口水压，线圈输出电压的频率也跟随变化。在具体应用当中，数据采集模块根据采样周期，获取交流电压并发送至数据处理模块。
45.参照图2，所述数据处理模块用于执行以下步骤：
46.s11，接收所述交流电压，并计算所述交流电压的电压频率；
47.s12，对所述电压频率进行快速傅里叶变换，得到基波频率；
48.s13，根据所述基波频率和预设的流量系数数据库，得到与所述基波频率对应的流量系数；
49.s14，计算所述采样周期与所述流量系数的乘积，得到每一采样周期内的瞬时流量；
50.s15，对所有所述瞬时流量进行累加，得到流体流量。
51.在步骤s11中，数据处理模块与数据采集模块可以采用有线通信，也可以通过蓝牙、zigbee、wifi等无线通信传输交流电压数据，数据处理模块接收到交流电压之后，计算交流电压的电压频率。
52.在步骤s12中，对所述电压频率进行快速傅里叶变换，得到基波频率。具体地，数据处理模块中预先配置快速傅里叶变换的相关算法，对电压频率进行离散傅里叶变换，得到基波频率。
53.在步骤s13中，根据所述基波频率和预设的流量系数数据库，得到与所述基波频率对应的流量系数。其中，所述流量系数数据库包括基波频率-流量系数关系曲线，如图3所示。当然，在其他实施例中，流量系数数据库也可以采用图表、方程式等形式。示例性地，拟合后的曲线方程包括多段直线，可以通过线性插值法和直线方程计算流量系数。以i为正整数，当基波频率f
x
落在fi,f
i+1
之间时，对应的流量系数k
x
＝ki+(k
i+1-ki)*(f
x-fi)/(f
i+1-fi)。
54.在一种实施方式中，所述基波频率-流量系数关系曲线的配置过程包括：
55.根据预设的m个流量档位获得m个测量电压频率，m为大于1的正整数；
56.对m个所述测量电压频率分别进行快速傅里叶变换，得到m个测量基波频率；
57.根据m个所述测量基波频率、m个所述测量基波频率中的非零个数和预设的总流量进行计算，得到m个与所述测量基波频率对应的测量流量系数；
58.基于m个所述测量基波频率和m个所述测量流量系数进行拟合，得到基波频率-流量系数关系曲线。
59.进一步地，为了增加数据的可靠性，根据预设的频率划分采样组，并获得多个采样组的测量电压频率，相邻采样组的采样点之间部分重叠。
60.示例性地，在基波频率-流量系数关系曲线的配置过程中，设定采样频率为8khz，每64个采样点为1组，进行快速傅里叶变换(fft)变换，得到测量基波频率。同时，相邻采样组重叠32个采样点，持续对连续重叠的64个采样点进行fft变换，依次得到每4ms的测量基波频率。通过本装置分别测量和计算得到的每隔4ms的多个测量基波频率，记录多个测量基波频率和不为0的测量基波频率个数。此测量基波频率在流速稳定时是基本固定不变的，当进水管截止时，测量基波频率立即为0。
61.然后，根据m个所述测量基波频率、m个所述测量基波频率中的非零个数和预设的总流量进行计算，得到m个与所述测量基波频率对应的测量流量系数。
62.所述测量流量系数的计算公式为：
63.k＝l/f*n
64.其中，k为测量流量系数，l为总流量，f为测量基波频率，n为m个所述测量基波频率中的非零个数。
65.在本实施例中，通过精度为0.1甚至更高一级的仪器获取l升的水量，将这l升的水量作为总流量。
66.需要说明的是，所述流量档位与所述进流管中用于流体流通的截面积正相关，所述流量档位至少包括最大流量档位和最小流量档位。进流管可以配置阀门器件，通过控制阀门器件的通断大小，能够控制进流管中用于流体流通的截面积的增大或减小。例如，通过阀门器件，如水龙头控制水流大小，最大流量档位即将水龙头开通至最大时的流量档位，最小流量档位即将水龙头关断至最小时的流量档位。
67.在具体应用当中，以水表为例，假设水表工作的最大流量为q3，最小流量为q1，将q1到q3分别设置10档，分别测量10组不同测量基波频率和测量流量系数，通过曲线拟合，得到基波频率-流量系数关系曲线。
68.在步骤s14和s15中，计算所述采样周期与所述流量系数的乘积，得到每一采样周期内的瞬时流量；对所有所述瞬时流量进行累加，得到流体流量。
69.需要说明的是，流量是和时间相关的，流量是阀门打开到关闭t0-t1这一段时间内的流出的水量。从数学的角度看，即单位流速在t0-t1时间段内的积分。如果单位流速不变是个常量，流量就是单位流速乘以(t1-t0)。在本实施例中，流量系数即是每一采样周期内的单位流速，因此计算所述采样周期与所述流量系数的乘积，得到每一采样周期内的瞬时流量。最后，对所有所述瞬时流量进行累加，得到流体流量。
70.在一种优选实施方式中，所述装置还包括显示模块，所述显示模块与所述数据处理模块通信连接，所述显示模块用于显示流体流量和流量计量装置的工作状态。示例性地，显示模块可以显示开始供水指示、停止供水指示、每秒送出当前(从本次开始供水起)的总水量等内容。
71.本发明提供的流量计量装置，通过电压频率对流体的流量进行计算，只要流体流动即可产生交流电压，从而实现对小流量的计量。同时，流量仅仅和交流电压的频率相关，这个频率是实时可变可测量的，也就是随着流速的不同，通过测量交流电压的频率，即可动态调整测量精度。此外，装置无需外部供电，能够在较大量程范围内自动调整计量精度，不受外部电磁干扰，调校简单，制造消耗的材料少，整机体积小。
72.本发明实施例还提供了一种流量计量方法，基于如上述实施例所述的流量计量装置实现，包括：
73.获取发电机构输出的交流电压，并计算所述交流电压的电压频率；
74.对所述电压频率进行快速傅里叶变换，得到基波频率；
75.根据所述基波频率和预设的流量系数数据库，得到与所述基波频率对应的流量系数；
76.计算所述采样周期与所述流量系数的乘积，得到每一采样周期内的瞬时流量；
77.对所有所述瞬时流量进行累加，得到流体流量。
78.需要说明的是，本发明实施例提供的一种流量计量方法对应上述实施例的一种流量计量装置的所有实现步骤，两者的工作原理和有益效果一一对应，因而不再赘述。
79.本发明实施例还提供了一种终端设备。该终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，例如流量计量程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个流量计量方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如数据处理模块。
80.示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述终端设备中的执行过程。
81.所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及智能平板等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，上述部件仅仅是终端设备的示例，并不构成对终端设备的限定，可以包括比上述更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
82.所称处理器可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个终端设备的各个部分。
83.所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
84.其中，所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载
波信号和电信信号。
85.需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
86.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。