張明志， 趙文龍， 婁嘉駿， 郝豐收

（1. 南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，南昌 330063； 2. 寧波水表(集團(tuán))股份有限公司，浙江 寧波 315032）

引言

無磁計(jì)量技術(shù)如今在智能水表中得到了廣泛發(fā)展，采用無磁傳輸可有效克服磁干擾、高溫失磁等問題，提高了水表的計(jì)量精度與可靠性[1-2]。速度式機(jī)械水表主要由表殼、葉輪、齒輪組、字輪組、指針組、密封裝置等組成，無磁計(jì)量如果直接在葉輪上安裝發(fā)訊片，則可去除齒輪組、子輪組、指針組等機(jī)械裝置，從而減少葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，可大大提高檢測(cè)精度、降低始動(dòng)流量，但相應(yīng)的發(fā)訊片轉(zhuǎn)速也會(huì)增快，導(dǎo)致采樣頻率高，系統(tǒng)功耗大。而智能水表一般采用電池供電，且由于成本和結(jié)構(gòu)等因素影響，增加電池容量十分困難。因此一般的做法是保留齒輪系統(tǒng)降低發(fā)訊片轉(zhuǎn)速，仍舊沒有解決傳統(tǒng)機(jī)械水表由于齒輪磨損導(dǎo)致測(cè)量準(zhǔn)確度和重復(fù)性指標(biāo)難以長期保持，儀表非線性特性校正困難等問題。本文提出采樣頻率自適應(yīng)調(diào)整策略，研究可在去除齒輪系統(tǒng)前提下，主動(dòng)根據(jù)管道內(nèi)的流量值調(diào)整采樣頻率，以此設(shè)計(jì)葉輪式智能水表樣機(jī)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該策略的有效性。

1 無磁計(jì)量原理

無磁計(jì)量的基礎(chǔ)原理是LC振蕩，圖1為示意圖，電感L和電容C構(gòu)成LC振蕩電路，在Z點(diǎn)接入NMOS管T，在柵極利用MCU輸入控制脈沖，在時(shí)間tp內(nèi)，控制電平為高，此時(shí)管T導(dǎo)通，在電源VDD與地之間形成電流通路，電源向電感與電容之間注入能量，當(dāng)管T柵極電壓跳變?yōu)?時(shí)，晶體管截止，電路開始振蕩，Z點(diǎn)將輸出衰減的正弦曲線。其中，1/tp為采樣頻率。

當(dāng)LC電路振蕩時(shí)，電感線圈中產(chǎn)生一個(gè)時(shí)變的磁場，如果其下方有導(dǎo)體，就會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，稱為電渦流。從能量角度看，在導(dǎo)體內(nèi)不僅存在電渦流損耗，還存在磁效應(yīng)，既產(chǎn)生焦耳熱，又產(chǎn)生磁滯損耗，它們?cè)斐闪私蛔兇艌瞿芰康膿p失，從而加速了輸出正弦曲線的衰減過程[3-4]。

圖1 LC振蕩示意圖

根據(jù)無磁計(jì)量原理設(shè)計(jì)的三電感檢測(cè)葉輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)示意圖如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)LC振蕩遇到附有不銹鋼的區(qū)域時(shí)（阻尼區(qū)），振蕩衰減很快，而在絕緣材料區(qū)（非阻尼區(qū)），其振蕩衰減慢很多，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖2所示。把衰減快的定義為狀態(tài)1，衰減慢的定義為狀態(tài)0。為了可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，設(shè)計(jì)了3個(gè)LC振蕩器，葉輪240°扇形區(qū)用不銹鋼覆蓋，剩下的120°為絕緣材料，則葉輪正向旋轉(zhuǎn)時(shí)將依次出現(xiàn)的狀態(tài)序列為011、101、110，反向旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)的狀態(tài)序列為110、101、011。當(dāng)3個(gè)狀態(tài)都出現(xiàn)一次即判定為葉輪旋轉(zhuǎn)一圈，達(dá)到計(jì)數(shù)目的。也有一些設(shè)計(jì)中只用一個(gè)傳感器，此時(shí)僅有0和1兩個(gè)狀態(tài)，當(dāng)兩個(gè)狀態(tài)都出現(xiàn)一次即認(rèn)為葉輪已旋轉(zhuǎn)一圈，但一個(gè)電感無法辨別葉輪的旋轉(zhuǎn)方向[5-8]。

圖2 阻尼區(qū)與非阻尼區(qū)產(chǎn)生的衰減

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件框圖

葉輪式智能水表系統(tǒng)由主控芯片、LCD、三電感葉輪位置采集電路、按鍵和LoRa無線模塊組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示，用MSP430FR6972作為主控芯片，接收電路各個(gè)部分產(chǎn)生的信號(hào)并作出相應(yīng)處理；LCD液晶用作顯示包含累積量、日期、時(shí)間、CRC校驗(yàn)碼，故障代碼和軟件版本等信息；三電感葉輪位置采集電路用以采集葉輪旋轉(zhuǎn)速度；按鍵用作切換顯示內(nèi)容；LoRa無線模塊用以發(fā)送水流量等信息。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 核心電路

葉輪式智能水表核心部分便是利用LC振蕩原理設(shè)計(jì)三路電感電路，實(shí)時(shí)檢測(cè)葉輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。電路原理圖如圖4所示。

3 采樣頻率自適應(yīng)調(diào)整策略

整個(gè)自適應(yīng)采樣頻率調(diào)整策略程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖4 核心電路

圖5 采樣頻率自適應(yīng)調(diào)整程序流程圖

自適應(yīng)調(diào)整算法的編程邏輯是：由實(shí)驗(yàn)確定DN15口徑的基表在最小流量16 L/H時(shí)每隔6 s旋轉(zhuǎn)一圈，葉輪每轉(zhuǎn)一圈會(huì)切換3個(gè)狀態(tài)（011、101、110），則2 s變化一個(gè)狀態(tài)。為了提高穩(wěn)定性，減少臨界跳動(dòng)，統(tǒng)計(jì)3 s內(nèi)狀態(tài)變化數(shù)，此狀態(tài)變化數(shù)與當(dāng)前流速呈線性關(guān)系，流量越大狀態(tài)變化越多，在主函數(shù)中每隔3 s根據(jù)狀態(tài)變化數(shù)確定當(dāng)前流量，調(diào)整采樣頻率。由香農(nóng)采樣定理：為了不失真地恢復(fù)模擬信號(hào)，采樣頻率應(yīng)該大于模擬信號(hào)頻譜中最高頻率的2倍，這里采樣頻率選定為葉輪旋轉(zhuǎn)頻率的3倍，由此可得采樣周期St與3 s內(nèi)葉輪狀態(tài)變化數(shù)C的關(guān)系為：

采樣周期由定時(shí)器T0確定，T0的時(shí)鐘源為外部32 768 Hz低頻時(shí)鐘，則T0定時(shí)中斷周期T與采樣周期的關(guān)系為：

為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，程序中采用查表的方式進(jìn)行調(diào)整，狀態(tài)數(shù)變化每四個(gè)為一檔，為保證計(jì)量精度取每檔中的最大值計(jì)算并列表，主程序中每3 s查詢一次即可。

當(dāng)流量較大時(shí)，若根據(jù)公式（2）計(jì)算出T較小，流量超過臨界值(本文為500 L/H)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入間歇性高頻采樣模式，系統(tǒng)以200 ms內(nèi)全速采樣、1 s低頻采樣依次輪替以達(dá)到節(jié)省功耗的目的。

整個(gè)流程中最關(guān)鍵的便是判定管道內(nèi)流體由靜止?fàn)顟B(tài)到流動(dòng)狀態(tài)。由無磁計(jì)量的基本原理可知，用微控制器測(cè)定正向脈寬的時(shí)間，即可判斷出電感是否處于阻尼區(qū)，當(dāng)流體靜止時(shí)，此時(shí)葉輪上的發(fā)訊片也是靜止?fàn)顟B(tài)，3個(gè)電感的LC振蕩衰減速率一直保持不變，即整形后的矩形波正向脈寬保持不變（理想狀態(tài)，實(shí)際會(huì)有很小的波動(dòng)）。本文中測(cè)定正向脈寬的時(shí)間用的是邊沿捕獲的方法，當(dāng)給LC振蕩網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)時(shí)，開啟相應(yīng)管腳的下降沿捕獲中斷使能，并將工作時(shí)鐘設(shè)定為MCLK（4M），那么當(dāng)LC振蕩衰減到閾值之下時(shí)，整形后的矩形波下降沿出現(xiàn)，正向脈寬時(shí)間為：

式中，MCLK為設(shè)定的定時(shí)器工作時(shí)鐘頻率，TAxCCRn為對(duì)應(yīng)的捕獲寄存器的捕獲值。

在水流靜止時(shí)，程序中在每次測(cè)定出3個(gè)電感的正向脈寬的值，每個(gè)電感測(cè)得的時(shí)間值都先采用滑動(dòng)濾波去除干擾（取連續(xù)的3次結(jié)果求取平均值），每次過濾后的求得的新的時(shí)間值減去上一次的時(shí)間值，即可得到LC振蕩衰減速率的變化情況，此過程可用如式（4）表示：

當(dāng)?t大于設(shè)定的閾值時(shí)（根據(jù)實(shí)際的測(cè)試結(jié)果，本文設(shè)定為15 μs），即可認(rèn)定水流由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃?dòng)狀態(tài)，三電感的采樣頻率如5流程圖所示先全速采樣一段時(shí)間再根據(jù)流速調(diào)節(jié)采樣頻率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

系統(tǒng)測(cè)試分為計(jì)量準(zhǔn)確度及重復(fù)性測(cè)試和功耗測(cè)試，其中測(cè)量準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)利用DN15,Q3=2500,R200基表依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 778.1—2018《飲用冷水水表和熱水水表》中的規(guī)定分別測(cè)量了Q1、Q2、Q3、Q4流量點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，重復(fù)性實(shí)驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)在Q1、Q2、Q3流量下進(jìn)行[9-11]。

功耗測(cè)試?yán)肁gilent N6705A直流電源分析儀分別采集了不同流量下的功耗數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖6和圖7所示。

圖6 準(zhǔn)確度及重復(fù)性測(cè)試

4.1 計(jì)量準(zhǔn)確度及重復(fù)性

在水表校驗(yàn)臺(tái)對(duì)各個(gè)流量點(diǎn)的計(jì)量準(zhǔn)確度及重復(fù)性如表1所示。

由表1可知，在變頻采樣前提下，雖然準(zhǔn)確度及重復(fù)性不如全速采樣時(shí)理想，但在低區(qū)流量時(shí)誤差最大只有+1.042%，最小?0.215%，在高區(qū)流量時(shí)誤差最大只有?0.628%，最小?0.140%，達(dá)到了1級(jí)表的要求，重復(fù)性指標(biāo)也均在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定之內(nèi)，變頻采樣策略不會(huì)降低儀表精度等級(jí)。

圖7 功耗測(cè)試

4.2 系統(tǒng)功耗

使用Agilent N6705A電流分析儀測(cè)得在全速采樣（4 ms采樣一次）時(shí)系統(tǒng)平均電流如圖8所示為58.085 μA。而一般經(jīng)濟(jì)適用的LS17330（3.6 V，標(biāo)稱容量2.1 Ah）的鋰亞電池的典型放電曲線如圖9所示，當(dāng)以3.6 mA恒流放電時(shí)，系統(tǒng)工作在電壓恒定區(qū)間只有500 h，實(shí)際釋放的容量為500×0.003 6=1.8(Ah)，在溫差大、強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境中電池利用率為80%，整個(gè)電子系統(tǒng)部分只能工作2.83年。因此必須使用自適應(yīng)調(diào)整采樣頻率策略降低系統(tǒng)功耗。

采用自適應(yīng)調(diào)整采樣頻率算法，不同流量系統(tǒng)功耗如表2所示。

由表2可知，在采用自適應(yīng)調(diào)整采樣頻率算法后，系統(tǒng)的功耗與流量呈正相關(guān)，流量越低，功耗越小。以每天3 h最大流量3125 L/H，其余無流量計(jì)算，則一天的平均電流為：

表1 變頻采樣計(jì)量準(zhǔn)確度

圖8 全速采樣下系統(tǒng)功耗

圖9 LS17330放電曲線

表2 不同流量點(diǎn)系統(tǒng)功耗

LS17330電池使用壽命為：

達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 778.1—2018《飲用冷水水表和熱水水表》第5.2.3.1節(jié)小口徑智能水表電池使用壽命要求：制造商應(yīng)確保電池的預(yù)期使用壽命能保證水表的正常年限比水表的使用壽命至少長一年的要求（按JJG 162—2019《引用冷水水表檢定規(guī)程》規(guī)定口徑25 mm及以下的水表使用期限一般不超過6年）。

5 結(jié)論

1）在無磁水表中設(shè)計(jì)了采樣頻率自適應(yīng)調(diào)整策略，使計(jì)量采樣頻率隨著管道內(nèi)流體流量的變化而調(diào)整，降低系統(tǒng)對(duì)能量的消耗。

2）使現(xiàn)有無磁水表發(fā)訊片可直接安裝在葉輪上，不再需要齒輪系統(tǒng)來降低發(fā)訊片轉(zhuǎn)速，無磁計(jì)量的準(zhǔn)確度和重復(fù)性大大提高。

3）采用采樣頻率自適應(yīng)調(diào)整策略，不同流量點(diǎn)系統(tǒng)功耗有顯著差別，從而可延長LS17330鋰亞電池的使用壽命。