一种适合于电池供电的插入式电磁流量计的制作方法

1.本发明涉及电磁设备技术领域，具体涉及一种适合于电池供电的插入式电磁流量计。


背景技术：

2.电磁流量计是利用电磁感应原理实现流速检测的一种流量计量设备。现有技术中，在水为介质的流量测量中，电磁流量计有一个明显的缺点：电极在水中会存在极化效应，并且极化电压会远远高于感生电动势，为克服这个缺点，较好的解决办法是采用交流励磁，用正反两次励磁在电极两端的测量值之差来计算感生电动势，就可以把因极化导致的电势差消除掉，这是测量水流的电磁流量计所采用的通用办法。但是这样会带来一个新问题：流量计励磁需要采用线圈(电磁铁)，而不能用永磁体，从而导致电磁流量计存在较大的功耗，不适合电池供电应用。随着信息时代的发展，家用计量仪表上网成为社会的普遍需求，而现有技术中机械式家用水表的外壳体积大，重量大，消耗的黄铜多，会导致生产成本高的问题；并且机械式水表上网需要解决机械示数到电子读数的转换，也就是业内常说的“机电转换”，而目前的机电转换仍然存在很多问题。因此，有必要提出一种新的发明，以解决上述两个问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种适合于电池供电的插入式电磁流量计，以解决现有流量计存在的功耗过大，成本高的问题。
4.本发明提供一种适合于电池供电的插入式电磁流量计，包括：探头外壳、内导磁杆、内导磁杆绝缘堵头、绕组与电极隔离堵头、绕组与电极引出线腔、绕组出线衬平垫圈、绕组尾部导磁堵头。
5.所述探头外壳位于插入式电磁流量计外侧，所述内导磁杆竖直安装于装置内部中心位置，所述内导磁杆外侧套接安装有所述内导磁杆绝缘堵头，所述内导磁杆绝缘堵头下表面安装有所述绕组与电极隔离堵头，所述探头外壳底部内侧位置安装有所述绕组出线衬平垫圈，所述绕组出线衬平垫圈下表面安装有所述绕组尾部导磁堵头，所述绕组与电极隔离堵头和所述绕组出线衬平垫圈之间区域形成所述绕组与电极引出线腔。
6.进一步地，所述探头外壳由三个联通的腔体构成，分别为流道腔体，隔离腔体、绕组与电极线引出腔体，通过上述三通结构建立自屏蔽稳定磁路，以屏蔽外界磁场干扰，保证测量稳定性。
7.进一步地，所述探头外壳、内导磁杆、绕组尾部导磁堵头，采用导磁性良好的材料制造，并且要具备抵抗激烈机械冲击的能力，因此优选采用金属性导磁材料制造，例如：铁镍合金、工业纯铁。
8.进一步地，所述探头外壳、内导磁杆与测量介质(水)接触的部分，也就是测量流道，需要做绝缘处理，本发明采用高温喷涂陶瓷绝缘层或者真空蒸镀派瑞林有机绝缘膜的
方法实现测量流道的绝缘。
9.进一步地，所述内导磁杆外侧绕有漆包线绕组，在绕组的外面有电极的引出线。
10.进一步地，所述内导磁杆绝缘堵头与内导磁杆，探头外壳之间都需要加防水垫圈或者防水胶。
11.进一步地，所述绕组与电极隔离堵头中嵌有两条电极，所述电极与内导磁杆绝缘堵头之间采用o型橡胶圈实现密封，也可以采用硅胶填充缝隙的方法实现密封。
12.进一步地，电极外侧用点焊的方法引出导线，电极的引出线，首先垂直穿过出线孔，然后再折弯沿着绕组与所述电极隔离堵头上的引线通道进入到所述绕组与电极引出线腔内部。
13.进一步地，所述绕组尾部导磁堵头在离中心一定距离位置上，对称分布有4个过线孔。
14.进一步地，所述内导磁杆顶部为一个球状头部，球状头部与所述探头外壳之间形成一个流道。
15.进一步地，所述探头外壳和内导磁杆采用热喷涂陶瓷绝缘膜、或者真空蒸镀派瑞林有机膜的方法处理，实现测量流道的绝缘化。
16.进一步地，所述探头外壳两侧有电极导槽，所述探头外壳上部与导磁内杆对接位有密封垫凹。
17.进一步地，所述内导磁杆绝缘堵头中间加工有小孔，内导磁杆由此过孔穿过伸入到所述绕组与电极引出线腔。孔的两侧开有两个电极引线过线孔，这两个孔与所述内导磁杆绝缘堵头上的电极孔正对，在磁杆过孔的另外两侧加工有2个定位销。
18.进一步地，所述绕组出线衬平垫圈厚度为0.25mm，稍大于绕组漆包线的直径。
19.进一步地，所述绕组尾部导磁堵头内嵌导磁柱，导磁柱与探头外壳的尾部内径是一致的并且导磁柱与探头外壳接触。
20.进一步地，本发明工作电路包括励磁驱动电路，励磁驱动电路的工作流程(励磁算法)包括五个步骤：
21.(1)正向励磁磁场建立阶段，把单片机“正向励磁驱动”和“负向励磁驱动”对应的引脚初始化为输出模式，并且，“正向励磁驱动”输出高电平，“负向励磁驱动”输出低电平；
22.(2)单片机释放励磁权由u2接管励磁，在充磁期间，单片机要对“励磁电流adc”信号进行adc采样，当单片机采样到的励磁电流值接近设定目标时，则单片机需要释放对励磁的控制，而把控制权交给u2，利用u2的反馈作用，实现“恒流励磁”，根据安培定律，磁场强度环路积分正比与环路包围的电流值，因此恒流励磁，也就是“恒磁”。单片机把励磁控制权提交给u2的方法是：把“正向励磁驱动”引脚配置为高阻输入，这时r3右边浮空，n1的栅极由u1通过r9接管控制；
23.(3)恒磁测量阶段，采用12位1mhz采样率adc，16倍过采样，并且把adc配置为500khz速率(降低指标使用)，采样时间为512us，外加u2接管励磁后的稳定时间延迟，恒磁阶段共计消耗：562us；
24.(4)磁场能量回收阶段，单片机先把“正向励磁驱动”对应的引脚初始化为输出，并且输出为0，延迟一个时间td，td也叫死区控制时间，然后“负向励磁驱动”对应的引脚输出为高电平，进入这种驱动状态后，p1,n2导通，在这个驱动状态下，绕组电流方向不变，但是
电流回路由p1 n2 r7提供，并且r7的电流方向反向，如果u1采用正负电源供电，则其输出应该为负，但是由于u1采用单端供电，因此u1输出＝0，由于p1 n2处于驱动状态，内阻较小，因此磁场能量会最大限度地被回收，单片机要一直采样励磁电流adc，直到采样值不再为0，说明磁场能量回收完成，用u1把励磁电流放大，然后采用单片机adc测量励磁电流，并且利用运放单电源供电特性，一旦检测到adc结果不为0则说明励磁能量回收完成，本发明可以全部回收磁能；
25.(5)负向励磁，负向励磁的过程，以及测量过程、以及磁场能量回收过程与正向相同，不再赘述。
26.本发明具有以下有益效果：本发明提供一种适合于电池供电的插入式电磁流量计，包括：探头外壳、内导磁杆、内导磁杆绝缘堵头、绕组与电极隔离堵头、绕组与电极引出线腔、绕组出线衬平垫圈、绕组尾部导磁堵头。本发明首先从结构上对插入式电磁流量计做了改进，本发明采用t型三通结构建立自屏蔽稳定磁路，保证测量稳定性；采用在磁性材料表面镀绝缘膜的方式实现管道绝缘减小励磁电流；增加从充磁到恒磁转换驱动、测量以及磁能回收、用单片机部件监视励磁电流，实现了励磁充磁阶段和恒磁阶段的无缝过度，减小励磁过程中的电阻消耗，并且充磁过程驱动支臂的场效应管充分导通内阻很小，充磁时间很短，并且没有额外的电阻消耗，而在回收磁能阶段，另一个支臂的场效应管充分导通内阻很小，回收时间段，并且没有额外电阻消耗，并且利用运放的单电源特性，通过adc非零来判断回收完成，避免过驱动(过驱动会导致进入反向充磁)，这些改进简化了电路，降低了功耗。把传统电磁流量计每次测量必然正负两次励磁，改成一次正励磁测量，延迟2秒，然后负励磁测量，这个流程的变化，与2秒周期的正负测量相比，节省一半能量。本发明能够把功耗降低到15-20ua，已经满足了全电子化家用水表的需求，如果配有26505e型号的锂亚电池，该电池的标称容量为：9000ma.h，按照可用容量：75％计算，则为：6750ma.h，可以支持水表使用：6750*1000/20＝337500小时＝38年。尽管本发明涉及的插入式电磁流量计具备高精度、长寿命的特性，但是相比普通机械式水表却有更好的成本优势，原因在于机械式水表的外壳体积大，重量大，消耗的黄铜多，因此成本高。第而本发明涉及的电磁流量计如果用于dn15的水表制造，成本会大幅度下降，本发明具有结构简单，节约能源，稳定性强的特点。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明提供的一种适合于电池供电的插入式电磁流量计探头剖视图。
29.图2为本发明提供的一种适合于电池供电的插入式电磁流量计励磁驱动电路原理图。
30.图3为本发明提供的一种适合于电池供电的插入式电磁流量计探头立体图。
31.图4为本发明提供的一种适合于电池供电的插入式电磁流量计导磁内杆立体图。
32.图5为本发明提供的一种适合于电池供电的插入式电磁流量计内导磁杆绝缘堵头侧视图。
33.图6为本发明提供的一种适合于电池供电的插入式电磁流量计绕组出线衬平垫圈立体图。
34.图7为本发明提供的一种适合于电池供电的插入式电磁流量计绕组尾部导磁堵头立体图。
35.图8为本发明提供的一种适合于电池供电的插入式电磁流量计绕组与电极隔离堵头立体图。
36.图示说明：1-探头外壳；2-内导磁杆；3-内导磁杆绝缘堵头；4-绕组与电极隔离堵头；5-绕组与电极引出线腔；6-绕组出线衬平垫圈；7-绕组尾部导磁堵头。
具体实施方式
37.如图1至图2所示，本发明实施例提供一种适合于电池供电的插入式电磁流量计，包括：探头外壳1、内导磁杆2、内导磁杆绝缘堵头3、绕组与电极隔离堵头4、绕组与电极引出线腔5、绕组出线衬平垫圈6、绕组尾部导磁堵头7。
38.探头外壳1由导磁性良好的材料制造，目前较为理想的材料有：工业纯铁(软铁)、坡莫合金、硅钢、高密度铁氧体。探头外壳1由三个联通的腔体构成，第一、流道腔体，第二、隔离腔体、第三、绕组与电极线引出腔体5。流道腔体，首先提供一个流体流过的通道，然后，其外壁构成磁路的一部分；隔离腔体，内部嵌有内导磁杆绝缘堵头3和绕组与电极隔离堵头4，在这个腔体内实现电磁流量计的水电隔离。绕组与电极线引出腔体，在这个腔体内中间是内导磁杆2的磁杆部分，在磁杆部分绕有漆包线绕组，在绕组的外面有电极的引出线。探头外壳与流体接触的部分，并且延伸一段，表面进行绝缘处理，本发明为了尽量减小“空气磁路”的长度，采用了与传统电磁流量计完全不同的管道绝缘处理：首选方案，采用陶瓷热喷涂工艺，在金属表面形成一层厚度20-100um的致密陶瓷膜，采用氧化铝陶瓷热喷涂，并且喷涂两次，得到了大约50um厚度的陶瓷膜；次选方案，采用真空蒸镀派瑞林有机膜，采用派瑞林-c型材料，得到100um左右的致密绝缘膜。
39.内导磁杆2，由两部分组成：第一，伸入到探头外壳流道腔体内的部分，叫做：“半球磁极”，第二，伸入到“探头外壳绕组与电极引出线腔体”内的“磁杆”。“半球磁极”与“探头外壳流道腔体”外壁形成辐射状磁场，这个磁场就是电磁流量计的测量磁场。“磁杆”上绕有励磁绕组，用于建立电磁流量计工作所用的磁场。在本发明中，为尽量减少绕组的内阻，需要尽量减少绕组的每匝长度，因此“磁杆”的直径很小，并且绕组直接绕制在“磁杆”上，试制的样品磁杆部分的直径只有3mm，绕制4500匝线圈，平均长度只有31mm，最大限度降低绕组的电阻。
40.内导磁杆绝缘堵头3采用塑料材料制造，发明人采用了ppo注塑制造了该零件，ppo的优点是：耐水解、成型精度高、成本适中，也可以采用尼龙等其他耐水解注塑材料制造，也可以采用陶瓷制造。内导磁杆绝缘堵头第一个作用是：支撑内部的内导磁杆2；第二个作用是提供电极伸入到流体的通道；第三、把流体流道与绕组隔离开，实现水电隔离。内导磁杆绝缘堵头与内导磁杆2，“电极”，探头外壳1之间都需要加防水垫圈，或者防水胶。在内导磁杆绝缘堵头3中嵌有2条电极，电极的引出线与绕组之间有冲突，因此本发明设计了一个绕组与电极隔离堵头4，获得专门的电极引线通道。
41.绕组与电极引出线腔5是探头外壳1的一部分，这个腔体内，内部围绕“磁杆”是漆
包线构成的励磁绕组，在绕组外面与腔体内壁之间留有0.5-0.8mm的空隙，用于走电极引出线。绕组出线衬平垫圈6采用聚酯膜刀模冲压成型，并且粘贴在绕组尾部导磁堵头7靠近绕组的侧面上，目的是衬平绕组出线时沿半径方向走的一条线，这样做的目的是保证绕组均匀压实，绕组均匀压实是节省绕组总长度的关键，本发明的其中一个技巧在于：在保证绕组总匝数的情况下努力减少绕组的总长，减少绕组的直流电阻。
42.绕组尾部导磁堵头7采用导磁材料制造，与探头外壳1和导磁内杆2材料一致即可。该堵头是总磁路的一部分，其作用有二个：第一，作为绕组的尾部挡板，形成固定的绕线空档；第二，把“磁杆”尾部磁场导入到“探头外壳”，把磁场导入到：“有效励磁”空气磁路中，也就是探头外壳流道腔和导磁内杆球头之间的“空气磁路”(磁隙)中。绕组尾部导磁堵头采用粘接的方式固定到“磁杆”尾部。绕组尾部导磁堵头7在离中心一定距离位置上，钻有4个过线孔对称分布。
43.电路原理说明：
44.励磁回路的主电路是一个场效应管h桥，这是通用设计，不在本发明权利要求内，为正确描述本发明的原理，再此还需要对h桥电路加以说明：
45.h桥上面两个臂是p沟道器件，分别为p1,p2。h桥下面两个臂是n沟道器件，分别为n1,n2。p1由对侧的n2器件驱动，r1提供p1的上拉驱动，r5接到n2.d，被n2驱动。p2由对侧的n1器件驱动，r2提供p1的上拉驱动，r6接到n1.d，被n1驱动。绕组接入到h桥的中间，当p1,n2导通时绕组电流方向从左到右，当p2,n1导通时，电流方向从右到左，实现两个方向励磁。n1的栅极驱动有两个来源：第一是“正向励磁驱动”，这个信号来自于单片机引脚，单片机为公知器件，在电路中没有给出，这路信号通过r3接入n1栅极；第二是来自运放u2的输出端1脚，通过r9接入n1的栅极。
46.n2的栅极驱动有两个来源：第一是“负向励磁驱动”，这个信号来自于单片机引脚，单片机为公知器件，在电路中没有给出，这路信号通过r4接入n2栅极；第二是来自运放u2的输出端1脚，通过r8接入n2的栅极。r7是励磁电流取样电阻，u1构成101倍放大器，可以把励磁电流信号放大101倍，u1的输出一路接入单片机的adc引脚，信号命名为“励磁电流adc”，在本文档中没有画出单片机，单片机是一种公知器件；u1的输出另一路接入u2的负输入端，给u2提供负反馈。u2构成负反馈放大器，u2的正输入为“励磁电流设置”，负输入接u1的输出，而u1的输出是电流取样信号vr1*101，vr1为r1两端电压＝i*r1，i为励磁电流，u1输出＝i*r1*101。根据运放的工作原理，当u2接管励磁驱动时，在负反馈的作用下，u2会把励磁电流调整到：i*r1*101＝“励磁电流设置”因此通过“励磁电流设置”电压就可以控制励磁电流的大小，如果励磁电流固定，则可以采用分压电阻提供这个电压即可，如果希望励磁电流可以自由调整，可以用dac提供这个电压。e1是锂电容，锂电容是锂电池与电解电容复合的一种新产品，其特性与锂电池相似，但漏电流比锂电池小很多，大约为ua量级，并且充放电寿命也远远超过锂电池，该器件的存在是本发明的权利要求之一，下文会描述其具体作用。bat1是锂电池，发明人采用26505e型锂电池，作为样品供电电源。上述电路的工作流程(励磁算法)如下：
47.第一步，正向励磁磁场建立阶段
48.把单片机“正向励磁驱动”和“负向励磁驱动”对应的引脚初始化为输出模式，并且，“正向励磁驱动”输出高电平，“负向励磁驱动”输出低电平，这时不管u2输出什么电压，
由于r8 r9电阻值较大10k，而r3r4电阻很小200欧，因此n1被驱动导通，n2截止，同时p1截止，p2导通，励磁绕组右正左负被驱动。在本发明中，利用电阻的较大差异，实现：单片机驱动和运放驱动励磁的切换，当单片机口线配置为输出时，由于单片机的驱动内阻很小，再加上r3,r4电阻只有200欧，因此励磁控制由单片机决定，而u2的作用被屏蔽，在期间由于n1被充分驱动，因此p2,n1充分导通，内阻很小，电池电压，几乎全部施加到励磁绕组两端，绕组被快速充磁，，充磁时间可以用：l*di/dt＝3.6v，来估算。第二步，单片机释放励磁权由u2接管励磁
49.在充磁期间，单片机要对“励磁电流adc”信号进行adc采样，当单片机采样到的励磁电流值接近设定目标时，则单片机需要释放对励磁的控制，而把控制权交给u2，利用u2的反馈作用，实现“恒流励磁”，根据安培定律，磁场强度环路积分正比与环路包围的电流值，因此恒流励磁，也就是“恒磁”。单片机把励磁控制权提交给u2的方法是：把“正向励磁驱动”引脚配置为高阻输入，这时r3右边浮空，n1的栅极由u1通过r9接管控制，这种切换技巧是本发明的权利要求之一。当u2接管励磁后，u2的输出电压值会调整n1的d-s电阻，最终会把电流稳定到：i*r1*101＝“励磁电流设置”。从u2接管到这个状态，大约需要10-50us，因此单片机释放励磁权后延迟最多50us就可以进入恒磁状态，既可以开始测量电极回路的输出电压。
50.第三步，恒磁测量阶段
51.为降低功耗，单片机应尽快完成测量电极回路电压的测量，发明人采用12位1mhz采样率adc，16倍过采样，并且把adc配置为500khz速率(降低指标使用)，采样时间为：2us*16*16＝512us，外加u2接管励磁后的稳定时间延迟，恒磁阶段共计消耗：562us。在恒磁阶段，磁场已经稳定不再储存能量，因此这个时间内的励磁消耗，不能回收，因此恒磁时间越短，功耗越低。
52.第四步，磁场能量回收阶段
53.单片机先把“正向励磁驱动”对应的引脚初始化为输出，并且输出为0，延迟一个时间td，td也叫死区控制时间，目的是避免桥路上下直通，然后“负向励磁驱动”对应的引脚输出为高电平，进入这种驱动状态后，p1,n2导通，在这个驱动状态下，绕组电流方向不变，但是电流回路由p1 n2 r7提供，并且r7的电流方向反向，如果u1采用正负电源供电，则其输出应该为负，但是由于u1采用单端供电，因此u1输出＝0，由于p1 n2处于驱动状态，内阻较小，因此磁场能量会最大限度地被回收，在期间，单片机要一直采样励磁电流adc，直到采样值不再为0，说明磁场能量回收完成。用u1把励磁电流放大，然后采用单片机adc测量励磁电流，并且利用运放单电源供电特性，一旦检测到adc结果不为0则说明励磁能量回收完成，本发明可以全部回收磁能，这是本发明的权利要求。在磁场能量回收过程中，还需要注意到一个关键器件：e1，e1是一颗锂电容，允许外部电流反向而给这个器件充电，在充电电量比较小的情况下，e1的端电压保持不变，这个特性使得采用一次性锂电池供电的电磁流量计磁能回收成为可能，一次性锂电池(主要是锂亚硫酰氯电池)，严格上是不允许反向充电的，如果反复对一次性锂电池充电，会造成电池损坏，但是e1的存在使得磁能回收成为可能。还有一种回收磁能的做法是在电池bat1两端并联大电解电容，但是回收的磁能仍然会导致电解电容的电压上升几十mv，对一次性锂电池仍然会有损伤，降低其寿命，因此在电源回路中并联锂电容是磁能回收的关键技术，是本发明的权利要求之一。
54.第五步，负向励磁
55.负向励磁的过程，以及测量过程、以及磁场能量回收过程与正向相同，不再赘述。
56.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。