无磁水表采样频率自适应调整策略的研究与实现

2021-06-02张明志赵文龙娄嘉骏郝丰收

南昌航空大学学报（自然科学版） 2021年1期

张明志，赵文龙，娄嘉骏，郝丰收

（1. 南昌航空大学信息工程学院，南昌 330063； 2. 宁波水表(集团)股份有限公司，浙江宁波 315032）

引言

无磁计量技术如今在智能水表中得到了广泛发展，采用无磁传输可有效克服磁干扰、高温失磁等问题，提高了水表的计量精度与可靠性[1-2]。速度式机械水表主要由表壳、叶轮、齿轮组、字轮组、指针组、密封装置等组成，无磁计量如果直接在叶轮上安装发讯片，则可去除齿轮组、子轮组、指针组等机械装置，从而减少叶轮转动阻力，可大大提高检测精度、降低始动流量，但相应的发讯片转速也会增快，导致采样频率高，系统功耗大。而智能水表一般采用电池供电，且由于成本和结构等因素影响，增加电池容量十分困难。因此一般的做法是保留齿轮系统降低发讯片转速，仍旧没有解决传统机械水表由于齿轮磨损导致测量准确度和重复性指标难以长期保持，仪表非线性特性校正困难等问题。本文提出采样频率自适应调整策略，研究可在去除齿轮系统前提下，主动根据管道内的流量值调整采样频率，以此设计叶轮式智能水表样机，并通过实验验证该策略的有效性。

1 无磁计量原理

无磁计量的基础原理是LC振荡，图1为示意图，电感L和电容C构成LC振荡电路，在Z点接入NMOS管T，在栅极利用MCU输入控制脉冲，在时间tp内，控制电平为高，此时管T导通，在电源VDD与地之间形成电流通路，电源向电感与电容之间注入能量，当管T栅极电压跳变为0时，晶体管截止，电路开始振荡，Z点将输出衰减的正弦曲线。其中，1/tp为采样频率。

当LC电路振荡时，电感线圈中产生一个时变的磁场，如果其下方有导体，就会在导体中产生电流，称为电涡流。从能量角度看，在导体内不仅存在电涡流损耗，还存在磁效应，既产生焦耳热，又产生磁滞损耗，它们造成了交变磁场能量的损失，从而加速了输出正弦曲线的衰减过程[3-4]。

图1 LC振荡示意图

根据无磁计量原理设计的三电感检测叶轮旋转圈数示意图如图2所示。由图2可知，当LC振荡遇到附有不锈钢的区域时（阻尼区），振荡衰减很快，而在绝缘材料区（非阻尼区），其振荡衰减慢很多，实测结果如图2所示。把衰减快的定义为状态1，衰减慢的定义为状态0。为了可以提高系统的抗干扰能力，设计了3个LC振荡器，叶轮240°扇形区用不锈钢覆盖，剩下的120°为绝缘材料，则叶轮正向旋转时将依次出现的状态序列为011、101、110，反向旋转时出现的状态序列为110、101、011。当3个状态都出现一次即判定为叶轮旋转一圈，达到计数目的。也有一些设计中只用一个传感器，此时仅有0和1两个状态，当两个状态都出现一次即认为叶轮已旋转一圈，但一个电感无法辨别叶轮的旋转方向[5-8]。

图2 阻尼区与非阻尼区产生的衰减

2 系统硬件设计

2.1 硬件框图

叶轮式智能水表系统由主控芯片、LCD、三电感叶轮位置采集电路、按键和LoRa无线模块组成。系统硬件框图如图3所示，用MSP430FR6972作为主控芯片，接收电路各个部分产生的信号并作出相应处理；LCD液晶用作显示包含累积量、日期、时间、CRC校验码，故障代码和软件版本等信息；三电感叶轮位置采集电路用以采集叶轮旋转速度；按键用作切换显示内容；LoRa无线模块用以发送水流量等信息。

图3 系统结构框图

2.2 核心电路

叶轮式智能水表核心部分便是利用LC振荡原理设计三路电感电路，实时检测叶轮旋转圈数。电路原理图如图4所示。

3 采样频率自适应调整策略

整个自适应采样频率调整策略程序设计流程图如图5所示。

图4 核心电路

图5 采样频率自适应调整程序流程图

自适应调整算法的编程逻辑是：由实验确定DN15口径的基表在最小流量16 L/H时每隔6 s旋转一圈，叶轮每转一圈会切换3个状态（011、101、110），则2 s变化一个状态。为了提高稳定性，减少临界跳动，统计3 s内状态变化数，此状态变化数与当前流速呈线性关系，流量越大状态变化越多，在主函数中每隔3 s根据状态变化数确定当前流量，调整采样频率。由香农采样定理：为了不失真地恢复模拟信号，采样频率应该大于模拟信号频谱中最高频率的2倍，这里采样频率选定为叶轮旋转频率的3倍，由此可得采样周期St与3 s内叶轮状态变化数C的关系为：

采样周期由定时器T0确定，T0的时钟源为外部32 768 Hz低频时钟，则T0定时中断周期T与采样周期的关系为：

为了提高系统稳定性，程序中采用查表的方式进行调整，状态数变化每四个为一档，为保证计量精度取每档中的最大值计算并列表，主程序中每3 s查询一次即可。

当流量较大时，若根据公式（2）计算出T较小，流量超过临界值(本文为500 L/H)时，系统进入间歇性高频采样模式，系统以200 ms内全速采样、1 s低频采样依次轮替以达到节省功耗的目的。

整个流程中最关键的便是判定管道内流体由静止状态到流动状态。由无磁计量的基本原理可知，用微控制器测定正向脉宽的时间，即可判断出电感是否处于阻尼区，当流体静止时，此时叶轮上的发讯片也是静止状态，3个电感的LC振荡衰减速率一直保持不变，即整形后的矩形波正向脉宽保持不变（理想状态，实际会有很小的波动）。本文中测定正向脉宽的时间用的是边沿捕获的方法，当给LC振荡网络激励时，开启相应管脚的下降沿捕获中断使能，并将工作时钟设定为MCLK（4M），那么当LC振荡衰减到阈值之下时，整形后的矩形波下降沿出现，正向脉宽时间为：

式中，MCLK为设定的定时器工作时钟频率，TAxCCRn为对应的捕获寄存器的捕获值。

在水流静止时，程序中在每次测定出3个电感的正向脉宽的值，每个电感测得的时间值都先采用滑动滤波去除干扰（取连续的3次结果求取平均值），每次过滤后的求得的新的时间值减去上一次的时间值，即可得到LC振荡衰减速率的变化情况，此过程可用如式（4）表示：

当∆t大于设定的阈值时（根据实际的测试结果，本文设定为15 μs），即可认定水流由静止状态转变为流动状态，三电感的采样频率如5流程图所示先全速采样一段时间再根据流速调节采样频率。

4 实验结果及分析

系统测试分为计量准确度及重复性测试和功耗测试，其中测量准确度实验利用DN15,Q3=2500,R200基表依据国家标准GB/T 778.1—2018《饮用冷水水表和热水水表》中的规定分别测量了Q1、Q2、Q3、Q4流量点的相关数据，重复性实验按标准在Q1、Q2、Q3流量下进行[9-11]。

功耗测试利用Agilent N6705A直流电源分析仪分别采集了不同流量下的功耗数据。

实验现场如图6和图7所示。

图6 准确度及重复性测试

4.1 计量准确度及重复性

在水表校验台对各个流量点的计量准确度及重复性如表1所示。

由表1可知，在变频采样前提下，虽然准确度及重复性不如全速采样时理想，但在低区流量时误差最大只有+1.042%，最小−0.215%，在高区流量时误差最大只有−0.628%，最小−0.140%，达到了1级表的要求，重复性指标也均在国家标准规定之内，变频采样策略不会降低仪表精度等级。

图7 功耗测试

4.2 系统功耗

使用Agilent N6705A电流分析仪测得在全速采样（4 ms采样一次）时系统平均电流如图8所示为58.085 μA。而一般经济适用的LS17330（3.6 V，标称容量2.1 Ah）的锂亚电池的典型放电曲线如图9所示，当以3.6 mA恒流放电时，系统工作在电压恒定区间只有500 h，实际释放的容量为500×0.003 6=1.8(Ah)，在温差大、强电磁干扰等恶劣环境中电池利用率为80%，整个电子系统部分只能工作2.83年。因此必须使用自适应调整采样频率策略降低系统功耗。

采用自适应调整采样频率算法，不同流量系统功耗如表2所示。

由表2可知，在采用自适应调整采样频率算法后，系统的功耗与流量呈正相关，流量越低，功耗越小。以每天3 h最大流量3125 L/H，其余无流量计算，则一天的平均电流为：

表1 变频采样计量准确度

图8 全速采样下系统功耗

图9 LS17330放电曲线

表2 不同流量点系统功耗

LS17330电池使用寿命为：

达到国家标准GB/T 778.1—2018《饮用冷水水表和热水水表》第5.2.3.1节小口径智能水表电池使用寿命要求：制造商应确保电池的预期使用寿命能保证水表的正常年限比水表的使用寿命至少长一年的要求（按JJG 162—2019《引用冷水水表检定规程》规定口径25 mm及以下的水表使用期限一般不超过6年）。