專利名稱：壓電傳感式射流水表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水流量計量儀表，尤其涉及一種具有計量數(shù)據(jù)無線遠傳功能的 壓電傳感式射流水表。
背景技術(shù)：
隨著全球淡水資源的日益緊缺，對用水量的準確計量和管理顯得尤為重要。 水表作為用水量的重要計量器具，它的計量準確性、測量范圍度、使用可靠性、 壽命和功能、以及制造成本等均關(guān)系到它在用水計量和水費結(jié)算，以及控制用 水、節(jié)約用水和用水管理等方面的使用價值。
目前國內(nèi)外普遍使用的水表產(chǎn)品主要是傳統(tǒng)的機械水表和帶電子裝置水 表。這兩類水表大都采用機械葉輪式和旋轉(zhuǎn)活塞式傳動(傳感)原理，通過機 械計數(shù)器指示測量結(jié)果或用傳感器獲取機械旋轉(zhuǎn)信號并經(jīng)處理后顯示測量結(jié) 果。由于原理和結(jié)構(gòu)上的問題，使這類水表的使用壽命、測量重復(fù)性和可靠性、 測量準確度、對水質(zhì)的要求、以及測量信號的獲取和傳輸?shù)确矫婢嬖谥T多 不足和缺陷。因此研發(fā)一種使用功能更強、計量更準確、量程比更寬、可靠性 更好、性價比更高的新型水表是很有必要的。
本世紀初以來，國際上將采用新型傳感技術(shù)和現(xiàn)代流量計技術(shù)的電子水表 歸屬于水表范疇，開展了這方面的技術(shù)和應(yīng)用研究，取得了一定的成果，特別 是在民用和商用中小口徑管道水計量方面的應(yīng)用得到了廣泛的重視和關(guān)注。射 流水表是電子水表中的主要種類之一，目前國外已有將其用于中小口徑封閉管 道水流量計量方面的報道，其中采用永磁勵磁的電磁傳感原理檢測水流量流速信號的射流水表，在改善流體低雷諾數(shù)測量特性和消除管道振動影響等方面取 得了一定成效(目前國內(nèi)尚無同類產(chǎn)品)。但這種傳感和勵磁方式的射流水表技 術(shù)在應(yīng)用中還是存在許多不足，諸如(1)由于采用永磁勵磁以及電磁傳感方 式獲取測量信號，很容易在導(dǎo)電水流體中產(chǎn)生較高的極化干擾電勢，影響水表 向更小流量測量范圍的拓展。當水流量較小時，測量信號處于很低的頻率和很 弱的幅值狀態(tài)，此時水表就難以區(qū)別由極化電勢和流動噪聲造成的隨機干擾信 號和有用的測量信號，并使測量信號嚴重不穩(wěn)定；(2)由于是永磁勵磁，當鐵 質(zhì)管道中的殘余鐵銹物質(zhì)隨水流流動吸附在射流水表計量腔的內(nèi)壁上時，就會 嚴重影響射流水表的測量準確度，同時造成測量范圍的變窄；(3)當永磁勵磁 方式的射流水表受到人為的外部磁場干擾時，會對水表測量造成影響，嚴重時 會使測量失效；(4)射流水表計量讀數(shù)通常采用人工或有線傳輸方式進行抄讀 用水計量數(shù)據(jù)，增加了人工費用和誤抄可能，同時也增加了布線成本以及出現(xiàn) 故障的可能性。"具有計量數(shù)據(jù)無線遠傳功能的壓電傳感式射流水表"由于其具 備了水計量儀器所希望的優(yōu)良性能和特點，克服了永磁勵磁的電磁傳感射流水 表的固有缺陷，因此有著較高的使用價值和較好的發(fā)展前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種測量范圍寬、小流量特性好、具有計量數(shù)據(jù)無 線遠傳功能、電池供電、使用壽命長、性價比高的新型中小口徑水表新產(chǎn)品。 該壓電傳感式射流水表包括射流水表計量腔和信號處理模塊；
其中，該射流水表計量腔包括進水口、出水口、主通道、兩個反饋通道和
側(cè)壁體；第一壓電傳感元件和第二壓電傳感元件安裝在主通道中；
該信號處理模塊包括電荷轉(zhuǎn)換與差動放大器,用于對該第一壓電傳感元件和第二壓電傳感元件測量的電荷信號進行轉(zhuǎn)換放大和差動放大處理；放大與低 通濾波器，用于對差動放大后的電壓信號進行放大和低通濾波處理；波形整形 器，用于對電壓信號整形處理；單片計算機處理電路，用于對整形后的測量電 壓信號進行數(shù)字濾波和運算處理；
進一步優(yōu)選的，還包括無線收發(fā)模塊，用于將所述信號處理模塊輸出的用 水量和流量的計量數(shù)據(jù)，按約定的通信協(xié)議發(fā)送給遠處的控制終端進行數(shù)據(jù)抄 收和管理；
進一步優(yōu)選的，該射流水表計量腔內(nèi)的主通道上安裝有一個矩形阻流體， 該第一壓電傳感元件和第二壓電傳感元件在該矩形阻流體后方靠近該射流水表 計量腔的該出水口的方向?qū)ΨQ安裝；
進一歩優(yōu)選的，該電荷轉(zhuǎn)換與差動放大器包括電荷放大器Al、 A2以及差 動放大器A3、 A4和A5，該第一壓電傳感元件和第二壓電傳感元件分別連接到 各自對應(yīng)的電荷放大器A1、 A2的輸入端，該電荷放大器A1、 A2在同相和反相 輸入端之間接有各自對應(yīng)的高頻濾波電容器C1、 C2，該電荷放大器A1、 A2的 同相輸入端與輸出端之間分別接有各自對應(yīng)的反饋電容器Cfl、 Cf2和反饋電阻 器Rfl、 Ri2，并且該電荷放大器A1和A2的反向輸入端均通過連線接信號地； 該電荷放大器A1、 A2的輸出端分別通過各自對應(yīng)的耦合電容器C3、 C4與該差 動放大器A3、 A4的同相端相連接，該差動放大器A3、 A4的反向端分別連接到 電阻器R1的兩端，電阻器R2、 R3分別各自連接在該差動放大器A3、 A4的反 向輸入端和輸出端之間，并且通過電阻器R4將該差動放大器A3的輸出端與該 差動放大器A5的反相輸入端相連接，通過電阻器R5將該差動放大器A4的輸 出端與該差動放大器A5的同相輸入端相連接，反饋電阻器R6連接在該差動放 大器A5的反相輸入端和輸出端之間，電阻器R7連接在該差動放大器A5同相輸入端與信號地之間，該差動放大器A5輸出端通過電容器C5將信號電壓輸出 到下一級電路；
進一步優(yōu)選的，該信號處理模塊還包括特性校正輸入器，用于對單片計算 機處理電路輸出的計量特性進行人工外部校正；以及，測量顯示器，用于顯示 單片計算機處理電路輸出的計量結(jié)果；
進一歩優(yōu)選的，該第一壓電傳感元件和第二壓電傳感元件,其內(nèi)部的壓電零 件采用單片壓電元件結(jié)構(gòu)或雙片壓電元件電荷并聯(lián)輸出結(jié)構(gòu)；
進一歩優(yōu)選的，該矩形阻流體朝進水口面呈弧形狀；
進一步優(yōu)選的，該第一壓電傳感元件和第二壓電傳感元件中的壓電零件安 裝在薄壁的、高絕緣性能的工程塑料零件中，并形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，且高出該計 量腔內(nèi)部的底平面4至6 mm。
本發(fā)明的優(yōu)點
1. 采用懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計以及雙壓電傳感元件的射流水表，具有檢測靈敏度 高，小流量測量特性好，測量范圍寬，工作穩(wěn)定可靠；
2. 設(shè)置在射流水表計量腔主通道上的雙壓電傳感元件形式的壓電傳感器(含 后續(xù)電荷轉(zhuǎn)換與差動放大器電路)，具有信號檢測幅度大，抗管道振動和外部電 磁輻射干擾的性能優(yōu)越，同時對外部強磁干擾不敏感；
3. 采用壓電傳感器設(shè)計的射流水表可完全消除電磁傳感檢測方式所形成的 極化電勢和流動噪聲等對水表小流量測量時的影響，有利于顯著改善射流水表 的小流量測量特性；
4. 采用設(shè)置在射流水表計量腔主通道上的雙壓電傳感元件的射流水表，具有 比設(shè)置在單一反饋通道上的單壓電傳感結(jié)構(gòu)形式的檢測靈敏度要高得多；
5. 具有計量數(shù)據(jù)無線遠傳功能的壓電傳感式射流水表，可將測量運算得到的計量數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)模塊發(fā)送到遠處的無線控制終端，用于數(shù)據(jù)抄收和管理。 同時可降低人工費用、杜絕數(shù)據(jù)誤抄的可能性，也解決了有線遠傳計量數(shù)據(jù)帶 來的布線不便和布線及維護成本高的缺陷；
6.具有計量數(shù)據(jù)無線遠傳功能的壓電傳感式射流水表具有體積小、壽命長、
安裝維護方便、可在水質(zhì)不好的條件下使用。


從對說明本發(fā)明的主旨及其使用的優(yōu)選實施例和附圖的以下描述來看，本
發(fā)明的以上和其它目的、特點和優(yōu)點將是顯而易見的，在附圖中 圖1為本發(fā)明的電路原理框圖； 圖2為本發(fā)明的射流水表計量腔結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明的電荷轉(zhuǎn)換與差動放大器電原理圖； 圖4為本發(fā)明單片機及外圍電路電原理圖； 圖5為本發(fā)明無線收發(fā)模塊電原理圖； 圖6a為本發(fā)明壓電零件安裝結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6b為圖6a中A向視圖； 圖6c為圖6a中俯視圖； 圖7為壓電零件信號引出連接示意圖； 圖8a為壓電式射流水表結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8b為圖8a中I處放大圖； 圖8c為圖8a中A向視圖。
具體實施例方式
以下，將結(jié)合示意圖對本發(fā)明進行詳細的描述。本發(fā)明提出了釆用設(shè)置在射流水表計量腔主通道上的雙壓電傳感檢測元件 (懸臂梁結(jié)構(gòu))的射流水表，并將測量結(jié)果得到的用水量計量數(shù)據(jù)通過表內(nèi)的 無線收發(fā)模塊傳輸?shù)竭h處的無線控制終端，便于用水量的控制和收費管理。
如圖1、圖2和圖8所示，壓電傳感式射流水表包括射流水表計量腔9和 信號處理模塊IO等部件。所述射流水表計量腔主要由進水口 1、出水口 8、主
通道2、兩個反饋通道3和側(cè)壁體4等組成；在主通道2的中間位置設(shè)有一面帶 圓弧狀的矩形阻流體5，阻流體5后部兩側(cè)對稱設(shè)有第一壓電傳感元件6和第二 壓電傳感元件7。所述信號處理模塊10包括電荷轉(zhuǎn)換與差動放大器,用于對所 述第一壓電傳感元件6和第二壓電傳感元件7測量的電荷信號進行轉(zhuǎn)換放大和 差動放大處理；放大與低通濾波器，用于對差動放大后的電壓信號進行放大和 低通濾波處理；波形整形器，用于對電壓信號整形處理；單片計算機處理電路， 用于對整形后的測量電壓信號進行數(shù)字濾波和運算處理。
還包括無線收發(fā)模塊ll，如圖5所示，用于將所述信號處理模塊10輸出的 用水量和流量的計量數(shù)據(jù)，按約定的通信協(xié)議發(fā)送給遠處的控制終端進行數(shù)據(jù) 抄收和管理，供用水管理部門使用。射流水表電路由內(nèi)置的單節(jié)高容量鋰電池 供電。
如圖4所示，為本發(fā)明單片機及外圍電路電原理圖，信號處理模塊10還包 括特性校正輸入器，用于對單片計算機處理電路得出的計量特性進行人工外部 校正；測量顯示器，用于顯示單片計算機處理電路輸出的計量結(jié)果。
本發(fā)明的電荷轉(zhuǎn)化與差動放大器電原理圖如圖3所示，所述電荷與差動放 大器包括電荷放大器A1、 A2以及差動放大器A3、 A4和A5，所述第一壓電傳 感元件6和第二壓電傳感元件7分別連接到各自對應(yīng)的電荷放大器Al、 A2的 輸入端，所述電荷放大器Al、 A2在同相和反相輸入端之間接有各自對應(yīng)的高頻濾波電容器C1、 C2，所述電荷放大器A1、 A2的同相輸入端與輸出端之間分 別接有各自對應(yīng)的反饋電容器Cfl、 Cf2和反饋電阻器Rfl、 Rf2，并且所述電荷 放大器Al和A2的反向輸入端均通過連線接信號地；所述電荷放大器Al、 A2 的輸出端分別通過各自對應(yīng)的耦合電容器C3、 C4與所述差動放大器A3、 A4的 同相端相連接，所述差動放大器A3、 A4的反向端分別連接到電阻器R1的兩端， 電阻器R2、 R3分別各自連接在所述差動放大器A3、 A4的反向輸入端和輸出端 之間，并且通過電阻器R4將所述差動放大器A3的輸出端與所述差動放大器A5 的反相輸入端相連接，通過電阻器R5將所述差動放大器A4的輸出端與所述差 動放大器A5的同相輸入端相連接，反饋電阻器R6連接在所述差動放大器A5 的反相輸入端和輸出端之間，電阻器R7連接在所述差動放大器A5同相輸入端 與信號地之間，所述差動放大器A5輸出端通過電容器C5將信號電壓輸出到下 一級電路。
本發(fā)明的壓電零件安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，第一壓電傳感元件6和第 二壓電傳感元件7中的壓電零件12安裝在薄壁的、高絕緣性能的工程塑料零件 中(其兩端用環(huán)氧樹脂13粘結(jié))，并形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，且高出所述計量腔內(nèi)部 底平面4 6mm;如圖7所示，為壓電元件14 (采用PZT-5等材料)和電荷引出 片15、電荷引出線16—起構(gòu)成的壓電零件12的信號引出連接示意圖；壓電零 件12可采用單片壓電元件14結(jié)構(gòu)或雙片壓電元件電荷并聯(lián)輸出結(jié)構(gòu)。
壓電傳感式射流水表的工作過程為封閉管道中的水流量從射流水表計量 腔9的進水口 1流入射流水表后，在"附壁效應(yīng)"作用下水流會在主通道2和 反饋通道3之間進行持續(xù)的振蕩，其振蕩頻率與管道中水的流速成正比，只要 測得水的流速就能計算得到流過射流水表的用水量；由于主通道上水的流速是 反饋通道上水的流速三倍以上，因此在主通道上設(shè)置傳感器是最合適的，便于對小流量開展測量。由于水流的作用，會使第一壓電傳感元件6和第二壓電傳 感元件7產(chǎn)生微小的形變，也使內(nèi)部具有懸臂梁結(jié)構(gòu)形式的壓電元件同步產(chǎn)生 形變，輸出電荷信號。水的流速越快，壓電傳感元件受力越大，產(chǎn)生的電荷也 越大，通過電荷轉(zhuǎn)換與差動放大器輸出的電信號幅值也越大。同時流速的快慢 與水流體在計量腔中的振蕩頻率成正比，因此壓電傳感元件感受到的壓力變化 也與振蕩頻率成正比，因此壓電傳感元件輸出的頻率也隨之變化。流速越快， 壓電傳感元件輸出的電荷信號頻率越高、幅值越大，反之頻率越低，幅值越小。 通過后續(xù)專用電路可將信號處理成符合單片計算機要求的電信號。
盡管已示出和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，可以設(shè)想，本領(lǐng)域的技術(shù)人員 可在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)設(shè)計對本發(fā)明的各種修改，本發(fā)明請求保護 的范圍以權(quán)利要求為準。
權(quán)利要求
1、一種壓電傳感式射流水表，包括射流水表計量腔(9)和信號處理模塊(10)，其特征在于所述射流水表計量腔(9)包括進水口(1)、出水口(8)、主通道(2)、兩個反饋通道(3)和側(cè)壁體(4)；第一壓電傳感元件(6)和第二壓電傳感元件(7)安裝在所述主通道(2)中；所述信號處理模塊(10)包括電荷轉(zhuǎn)換與差動放大器，用于對所述第一壓電傳感元件(6)和第二壓電傳感元件(7)測量的電荷信號進行轉(zhuǎn)換放大和差動放大處理；放大與低通濾波器，用于對差動放大后的電壓信號進行放大和低通濾波處理；波形整形器，用于對電壓信號整形處理；單片計算機處理電路，用于對整形后的測量電壓信號進行數(shù)字濾波和運算處理。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的壓電傳感式射流水表，其特征在于 還可以包括無線收發(fā)模塊(11)，用于將所述信號處理模塊(10)輸出的用水量和流量的計量數(shù)據(jù)，按約定的通信協(xié)議發(fā)送給遠處的控制終端進行數(shù)據(jù)抄 收和管理。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電傳感式射流水表，其特征在于 所述射流水表計量腔(9)內(nèi)的所述主通道(2)上安裝有一個矩形阻流體(5)，所述第一壓電傳感元件(6)和第二壓電傳感元件(7)在所述矩形阻流 體(5)后方靠近所述射流水表計量腔(9)的所述出水口 (8)的方向?qū)ΨQ安裝。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電傳感式射流水表，其特征在于所述電荷轉(zhuǎn) 換與差動放大器包括電荷放大器A1、 A2以及差動放大器A3、 A4和A5，所述 第一壓電傳感元件(6)和第二壓電傳感元件(7)分別連接到各自對應(yīng)的電荷 放大器A1、 A2的輸入端，所述電荷放大器A1、 A2在同相和反相輸入端之間接 有各自對應(yīng)的高頻濾波電容器C1、 C2，所述電荷放大器A1、 A2的同相輸入端與輸出端之間分別接有各自對應(yīng)的反饋電容器Cfl、Cf2和反饋電阻器Rfl、RG， 并且所述電荷放大器Al和A2的反向輸入端均通過連線接信號地；所述電荷放 大器Al、 A2的輸出端分別通過各自對應(yīng)的耦合電容器C3、 C4與所述差動放大 器A3、 A4的同相端相連接，所述差動放大器A3、 A4的反向端分別連接到電阻 器R1的兩端，電阻器R2、 R3分別各自連接在所述差動放大器A3、 A4的反向 輸入端和輸出端之間，并且通過電阻器R4將所述差動放大器A3的輸出端與所 述差動放大器A5的反相輸入端相連接，通過電阻器R5將所述差動放大器A4 的輸出端與所述差動放大器A5的同相輸入端相連接，反饋電阻器R6連接在所 述差動放大器A5的反相輸入端和輸出端之間，電阻器R7連接在所述差動放大 器A5同相輸入端與信號地之間，所述差動放大器A5輸出端通過電容器C5將 信號電壓輸出到下一級電路。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電傳感式射流水表，其特征在于所述信 號處理模塊(10)還包括特性校正輸入器，用于對單片計算機處理電路得出的 計量特性進行人工外部校正；以及，測量顯示器，用于顯示單片計算機處理電路輸出的計量結(jié)果。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電傳感式射流水表，其特征在于 所述第一壓電傳感元件(6)和第二壓電傳感元件(7),其內(nèi)部的壓電零件(12沫用單片壓電元件(14)結(jié)構(gòu)或雙片壓電元件電荷并聯(lián)輸出結(jié)構(gòu)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電傳感式射流水表，其特征在于 所述矩形阻流體(5)朝進水口 (1)面呈弧形狀。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電傳感式射流水表，其特征在于 所述第一壓電傳感元件(6)和第二壓電傳感元件(7)中的壓電零件(12)安裝在薄壁的、高絕緣性能的工程塑料零件中，并形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，且高出所述計量腔(9)內(nèi)部的底平面4至6mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種壓電傳感式射流水表，包括射流水表計量腔、壓電傳感元件和信號處理模塊等，該射流水表計量腔包括進水口、出水口、主通道、兩個反饋通道和側(cè)壁體；壓電傳感元件安裝在所述主通道中；該信號處理模塊包括電荷轉(zhuǎn)換與差動放大器，用于對壓電傳感元件測量的電荷信號進行轉(zhuǎn)換放大和差動放大處理；放大與低通濾波器，用于對差動放大后的電壓信號進行放大和低通濾波處理；波形整形器，用于對電壓信號整形處理；單片計算機處理電路，用于對整形后的測量電壓信號進行數(shù)字濾波和運算處理。該壓電傳感式射流水表還包括無線收發(fā)模塊，用于將信號處理模塊輸出的用水量和流量的計量數(shù)據(jù)，按約定的通信協(xié)議發(fā)送給遠處的控制終端進行數(shù)據(jù)抄收和管理。
文檔編號G01F1/56GK101476910SQ200810163038
公開日2009年7月8日 申請日期2008年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月15日
發(fā)明者靈 姚, 亮 徐 申請人:寧波水表股份有限公司