探讨传感器在水计量表具中的应用与防护

2021-07-08姜龙明舒莉丹

科学与信息化 2021年18期

关键词：磁阻水表霍尔

姜龙明舒莉丹

三川智慧科技股份有限公司江西鹰潭 335200

引言

在互联网时代中，智能化手段不断深入到大众生活中，传感器在智能水表中的应用具有一定代表性，不仅能够保证人们用水安全，而且能够提供多样的支付手段、快捷的缴费方式，对提高水利部门工作效率具有重要意义。

1 水计量表具中传感器的应用

1.1 传感器选型

水计量表具传感器的配套商、智能仪表生产厂家一直在寻找能耗更低、体积更小的传感器应用方案，促使磁阻式传感器成为智能仪表领域广泛应用的传感器。考虑到水计量表具的特殊性，磁阻式传感器选型标准如下：①动作电流的峰值应小于600μA，以此满足水表的功耗使用需求。②响应速度应小于3μS，以此保证传感器能够安装在水表叶轮上。③磁场灵敏度应小于1.5mT。

1.2 低功耗设计

依据智能水表运行原理，磁阻式传感器在使用过程中必须具有持续供电的能力，有必要通过低功耗设计来明确仪表的使用时间，以此达到适当延长传感器运作时长的目的。由于磁阻式传感器依照MCU进行定时，通过计量转动信号的检测便可明确测量水表字轮转动的方式，在仪表正常周期内给传感器上电，检测时运用到有关周期的数据，可用如下公式进行计算。

其中，T为仪表正常周期；t1为开启检测时间；t2为非开启检测时间。

根据这种测量方式进行计算，可在水表精度不变的基础上，提高传感器使用时间达一倍以上，最低满足八年以上智能水表设计需求[1]。

1.3 电磁阀门电路设计

针对用户供水操作以及停水，应充分发挥出智能水表对用水状态的控制作用，可采用电磁球阀驱动电路进行设计，根据用水系统传感器采集到的状态信息，一旦达到欠费红线数字，电磁阀门便会关闭，直到用户完成缴纳，电磁阀门又会在传感器的作用下自动开启，以此运行供水模式。为避免传感器长久使用之后不灵敏，还应对传感器的运行状态进行定期检查，以免出现计费不准、计费不科学等问题。

2 传感器的防护

2.1 磁簧开关的防护

磁簧开关是由非常薄的低磁阻簧片组成，当开关靠近外磁路时，在尾端会产生磁极相吸的现象，能够对水计量表具的流量信息进行全面采集，不同的安装位置产生的脉冲当量存在一定差异，并且磁簧开关价格低廉、安装便捷、使用简便。在对磁簧开关进行防护时，首先，解决机械触点开关处存在的问题，主要是对波形采用有效的滤波、整形、延时查询等措施，在保证磁簧开关无同时导通的前提下，由两个磁簧开关对一个采集周期内的信息进行收集，再除去单个磁簧开关的毛刺。其次，解决管脚封装操作不当的问题。若操作过程中的焊接温度较高，则会影响传感器自身的灵敏度，因此在焊接时，应保证折弯处距管脚3mm以上，并且由生产厂家制做开关的防护装备，以此减少磁簧开关运输过程中出现损坏的问题。最后，解决临界工作状态触点异常抖动问题，主要是利用磁簧开关特有的品质来解决特殊工作状态时出现的抖动问题，以此提升传感器整体灵敏度。

2.2 霍尔元件的防护

在智能水表领域中，霍尔元件作为低功耗开关型设备使用，具有使用寿命长、体积小、无抖动等特点，能够将磁场的周期性变化看作是元件的转动。一般情况下，水计量表具的定时周期为传感器工作时间、休眠时间的综合，当装有霍尔元件的传感器工作一段时间之后，需要利用低功耗设计来保证定式电路的有效运行。以功耗为15μW的传感器为例，在45ms定时周期内会有短暂的唤醒时间，沿着脉冲数据下降方向测量转动频率，明确智能水表中霍尔传感器的应用范围。与磁簧开关相比，霍尔元件输出的脉冲波形强、不易抖动、寿命长、抗振动能力强，并且为霍尔元件应用的防护手段与磁簧开关相似，具有增强霍尔传感器应用效果的作用。

2.3 韦根传感器的防护

基于韦根效应制作出的韦根传感器，能够在无外加电源和一定磁场作用下输出较为恒定的电脉冲信号，一般维持在1V以上，将其应用于智能水表中，可有效解决水计量表具的功耗问题。韦根传感器主要是由外壳、内芯、信号引出线三大部分组成，其中使用到的韦根特丝线是一种直径为0.3mm的新功能合金线[2]。在韦根传感器工作过程中，其磁场方向会呈现周期性变化，当内芯与外壳按照相同方向渗透为根特丝线之后，然后再切换到第二块磁铁，内芯与外壳相反的极性能够促使韦根传感器输出正负交替的脉冲信号。由于传感器的触发信号在1～10KH范围变化，工作时温度变化在-196℃到+300℃之间，需要采用多层磁屏蔽罩的主动防护方式，考虑到水表叶轮磁钢的整体环形结构，应尽量选择磁场强度大一些的传感器，以此避免长时间使用后出现磁铁老化、吸附强度衰减的问题，同时对传感器的脉冲后续放大、整形等进行有效处理，以此实现各种流量范围内的全面采集，助力智能电表的发展。