專利名稱：直讀式計(jì)量裝置和直讀式水表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
直讀式計(jì)量裝置和直讀式水表技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及一種直讀式計(jì)量裝置和一種直讀式水表，尤其是指一種使用隧道磁阻角位移傳感器作為計(jì)量元件的直讀式電子水表。
背景技術(shù)：
[0002]隨著傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械水表逐漸向新穎的電子水表過渡。目前的電子水表主要有兩大類。一類是脈沖式電子水表，采用電子開關(guān)作為計(jì)量元件，一個脈沖代表一個固定的計(jì)量數(shù)據(jù)，累積脈沖個數(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)量。另一類是直讀式電子水表，使用光電編碼技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪代碼的直接讀取計(jì)量，不需要累積。直讀表與脈沖表相比的主要優(yōu)勢是只在讀取數(shù)據(jù)的瞬間耗電，不怕斷電斷線。目前的直讀表均采用光電編碼技術(shù)，該技術(shù)普遍存在進(jìn)位誤碼現(xiàn)象，而且對氣泡、強(qiáng)光、污垢、滲漏等因素的抗干擾能力差。實(shí)用新型內(nèi)容[0003]本實(shí)用新型的目的在于提供一種新穎的、先進(jìn)的、可靠的直讀式電子水表。本實(shí)用新型采用磁性絕對編碼技術(shù)，其與光電編碼相比的主要優(yōu)勢是分辨率高，無進(jìn)位誤碼現(xiàn)象，穩(wěn)定性好，完全根除光電技術(shù)引起的各種不良故障。本實(shí)用新型使用隧道磁阻角位移傳感器感應(yīng)安裝在數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪上的環(huán)形磁鐵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相位來實(shí)現(xiàn)數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪的編碼得到計(jì)量讀數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)直讀式計(jì)量功能。[0004]根據(jù)本實(shí)用新型的一個方面，提供一種直讀式計(jì)量裝置，包括與轉(zhuǎn)動軸連接的數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪和微控制器，[0005]其特征在于，該直讀式計(jì)量裝置進(jìn)一步包括:[0006]與所述數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪同軸安裝的環(huán)形磁鐵，和[0007]與所述環(huán)形磁鐵間隔且偏心安裝的隧道磁阻角位移傳感器，[0008]所述微控制器與所述隧道磁阻角位移傳感器連接，將所述隧道磁阻角位移傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字讀數(shù)。[0009]優(yōu)選地，所述隧道磁阻角位移傳感器包括兩個彼此正交設(shè)置的單軸旋轉(zhuǎn)傳感器或惠斯通橋相對彼此90度旋轉(zhuǎn)的雙軸旋轉(zhuǎn)傳感器。[0010]優(yōu)選地，所述環(huán)形磁鐵的磁化方向沿徑向或沿軸向?qū)?zhǔn)。[0011]優(yōu)選地，所述環(huán)形磁鐵距所述隧道磁阻角位移傳感器之間的空隙為1-3_，所述隧道磁阻角位移傳感器中心距所述環(huán)形磁鐵中心3-5_。[0012]根據(jù)本實(shí)用新型的另一方案，提供一種直讀式計(jì)量裝置，包括多個計(jì)數(shù)單元和微控制器，[0013]其特征在于，所述每個計(jì)數(shù)單元包括:[0014]與轉(zhuǎn)動軸連接的數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪，[0015]與所述數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪同軸安裝的環(huán)形磁鐵，和[0016]與所述環(huán)形磁鐵間隔且偏心安裝的隧道磁阻角位移傳感器，[0017]相鄰計(jì)數(shù)單元中的數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)是1:10，[0018]所述微控制器與每一隧道磁阻角位移傳感器連接，將所述隧道磁阻角位移傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字讀數(shù)。[0019]優(yōu)選地，該直讀式計(jì)量裝置進(jìn)一步包括與所述微控制器連接的抄表接口。[0020]優(yōu)選地，所述隧道磁阻角位移傳感器包括兩個彼此正交設(shè)置的單軸旋轉(zhuǎn)傳感器或惠斯通橋相對彼此90度旋轉(zhuǎn)的雙軸旋轉(zhuǎn)傳感器。[0021]優(yōu)選地，所述環(huán)形磁鐵具有15 20mm的外直徑，2 8mm的內(nèi)直徑，f4mm的厚度，且相鄰環(huán)形磁鐵之間的間距為6-10mm。[0022]優(yōu)選地，每一計(jì)數(shù)單元內(nèi)，所述環(huán)形磁鐵距所述隧道磁阻角位移傳感器之間的空隙為1-3_，所述隧道磁阻角位移傳感器中心距所述環(huán)形磁鐵中心3-5_。[0023]優(yōu)選地,所述直讀式計(jì)量裝置包括1-10個所述計(jì)數(shù)單元。[0024]根據(jù)本實(shí)用新型的再一方面，提供一種包括如上所述直讀式計(jì)量裝置的直讀式水表。[0025]根據(jù)本實(shí)用新型的計(jì)量裝置的優(yōu)點(diǎn)在于，不需要用電來記錄旋轉(zhuǎn)輪的位置。不同于現(xiàn)有的增量式編碼器就需要持續(xù)供電來累計(jì)脈沖，本實(shí)用新型的計(jì)量裝置由于根據(jù)隧道磁阻角位移傳感器可以提供數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪的絕對角度，而不需要靠持續(xù)供電來累計(jì)脈沖，因而節(jié)能便于長時間使用。此外，因?yàn)樗褂昧藢?shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪的絕對編碼而不是增量式編碼，因此就不存在因計(jì)數(shù)脈沖個數(shù)而產(chǎn)生的累計(jì)誤差。第三，多個計(jì)數(shù)單元的集成設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)水表很簡單；第四，可靠性高；第五，它能以低成本實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。


[0026]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。[0027]圖2(A)為本實(shí)用新型使用的環(huán)形磁鐵示意圖及其充磁方向(沿旋轉(zhuǎn)軸磁化)。[0028]圖2(B)為本實(shí)用新型使用的環(huán)形磁鐵示意圖及其充磁方向(沿徑向磁化)。[0029]圖3為隧道磁阻角位移傳感器的輸出與磁場方向的特性曲線。[0030]圖4為本實(shí)用新型的電路示意圖。
具體實(shí)施方式
[0031]圖1示出本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1示意性示出一種采用磁性傳感器技術(shù)的計(jì)量裝置。該計(jì)量裝置包括在數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪3上的安裝同心的環(huán)形磁鐵2，該環(huán)形磁鐵只有一對徑向充磁的磁極。在數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪對面的電路板上安裝有隧道磁阻角位移傳感器I。該隧道磁阻角位移傳感器I的中心與數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪以及環(huán)形磁鐵2的中心偏移。轉(zhuǎn)動軸穿過數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪的中心。使數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪固定于機(jī)架，隧道磁阻角位移傳感器的輸出端與電路板上的微控制器連接，微控制器的輸出端與抄表接口連接。[0032]一個典型的環(huán)形磁鐵2如圖2 (A)所示。圖中，以虛線構(gòu)成的平面將環(huán)形磁鐵分成了兩個極，圖2A中磁化方向與該平面垂直。一個磁化指向?yàn)橄蛏?1，一個磁化指向?yàn)橄蛳?2。磁場線23通常平行于磁鐵的一端面，從向上的極化點(diǎn)21指向向下的極化點(diǎn)22。由于數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪3的旋轉(zhuǎn)，在隧道磁阻角位移傳感器I的偏心位置產(chǎn)生了變化的磁場，從而導(dǎo)致了環(huán)形磁鐵2的角位移變化。隧道磁阻角位移傳感器I的輸出與環(huán)形磁鐵2產(chǎn)生的磁場相對于隧道磁阻角位移傳感器I的某一參考軸形成的角度成正余弦關(guān)系。[0033]圖2 (B)顯示了環(huán)形磁鐵2的一個可供選擇的磁化方式，即磁化方向25沿直徑方向并對齊。在這種情況下，環(huán)形磁鐵2上方面內(nèi)的磁場線23的方向與磁化方向相反。[0034]隧道磁阻效應(yīng)是由兩導(dǎo)電鐵磁層之間的電子自旋極化遂穿效應(yīng)所致。這兩鐵磁層被絕緣體或者半導(dǎo)體隧道勢壘層隔開，這種三層結(jié)構(gòu)稱之為磁隧道結(jié)。其中一個鐵磁層是自由磁化，其方向平行于外加磁場的方向，這層稱之為自由層。另外一個鐵磁層的磁化方向固定，不隨外加磁場改變，這層稱之為釘扎層。當(dāng)橫跨隧道勢壘層施加一偏置電壓時，隨著兩鐵磁層磁化強(qiáng)度方向的相對不同，隧道磁阻角位移傳感器內(nèi)部的電阻的大小以正弦形式變化。當(dāng)自由層和釘扎層的磁化強(qiáng)度方向相反時，隧道磁阻角位移傳感器內(nèi)部的電阻最大，當(dāng)自由層和釘扎層的磁化強(qiáng)度方向相同時，隧道磁阻角位移傳感器內(nèi)部的電阻最小。[0035]隧道磁阻角位移傳感器由兩個磁隧道結(jié)電橋傳感器組成。這兩個磁隧道結(jié)電橋傳感器的釘扎層的磁化方向相互垂直，這樣就能產(chǎn)生彼此有90度相位差的輸出，通過所產(chǎn)生的正余弦輸出就能計(jì)算出施加到隧道磁阻角位移傳感器上的磁場方向。這兩種輸出函數(shù)可能是由兩個彼此正交的單軸旋轉(zhuǎn)傳感器提供，或者是一個雙軸旋轉(zhuǎn)傳感器提供。這些旋轉(zhuǎn)傳感器的代表型號有由江蘇多維科技有限公司生產(chǎn)的MMA153F和MMA253F，但不限于上面所說的兩個型號。旋轉(zhuǎn)傳感器的輸出如圖3所示，在圖中水平軸30代表由環(huán)形磁鐵所產(chǎn)生的磁場的角度，縱軸31代表旋轉(zhuǎn)傳感器的輸出電壓，波形32是余弦輸出，波形33是正弦輸出。[0036]數(shù)字處理電路的布局如圖4所示。這里，將一個高度集成半導(dǎo)體裝置稱之為微控制器7，它是用來將隧道磁阻角位移傳感器的模擬輸出41轉(zhuǎn)化為代表數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪3的旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)字讀數(shù)，因此那些數(shù)字代表著數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪3的旋轉(zhuǎn)角度。微控制器中提供了絕對編碼功能。[0037]由于相互正交的隧道磁阻角位移傳感器是旋轉(zhuǎn)傳感器，所以旋轉(zhuǎn)傳感器的兩個正余弦輸出與環(huán)形磁鐵上磁場的方向角度α有關(guān)，其關(guān)系如下:[0038]OUTl=COS (α )[0039]0UT2=SIN ( α )[0040]利用反正切函數(shù)，就能根據(jù)OUTl和0UT2計(jì)算出旋轉(zhuǎn)傳感器的角度:[0041]a =ATAN (0UT2/0UT1)。[0042]α能在(Γ360度整個角度范圍內(nèi)取值。為了能使0_9這10個代表數(shù)字在轉(zhuǎn)輪的圓周周圍以等間距角度增量間隔開，事先將α的范圍劃分成10個區(qū)間，每一區(qū)間用一個預(yù)期的數(shù)字表示。[0043]進(jìn)一步，如圖1所示，在直讀式電子水表的殼體內(nèi)設(shè)置隧道磁阻角位移傳感器1、環(huán)形磁鐵2、數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪3、電路板4、轉(zhuǎn)動軸5及機(jī)架6，其中隧道磁阻角位移傳感器I與電路板4連接，環(huán)形磁鐵2與數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪3連接，繞穿過每個數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪3中心的同心轉(zhuǎn)動軸5旋轉(zhuǎn)。[0044]在水表的殼體內(nèi)，環(huán)形磁鐵2與數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪3連同相鄰最近的隧道磁阻角位移傳感器I以確定位置相互連接，電路板4和所述的隧道磁阻角位移傳感器連接，形成一個計(jì)數(shù)單元。優(yōu)選地，電子水表可包含有I到10個這樣的計(jì)數(shù)單元。相鄰計(jì)數(shù)單元中數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)成1:10的關(guān)系，即若左邊第I個計(jì)數(shù)單元旋轉(zhuǎn)IO1圈的話，就會使相鄰右邊的計(jì)數(shù)單元旋轉(zhuǎn)IO2圈，以此類推，第10個計(jì)數(shù)單元旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)為10'[0045]環(huán)形磁鐵2如圖2所示。該環(huán)形磁鐵優(yōu)選地具有以下特征:15 20mm的外直徑，2 8mm的內(nèi)直徑，I 4mm的厚度。[0046]水表殼體內(nèi)的各元件優(yōu)選地以下列方式相對彼此間隔放置:相鄰環(huán)形磁鐵的間距為6 10_。隧道磁阻角位移傳感器I和環(huán)形磁鐵2之間的空隙為廣3_。隧道磁阻角位移傳感器位于轉(zhuǎn)動軸的3 5mm處。轉(zhuǎn)動軸的直徑為2 7mm。[0047]如圖4所示，隧道磁阻角位移傳感器I的輸出端與微控制器7的輸入端連接，微控制器7的輸出端與抄表外接口 8連接。隧道磁阻角位移傳感器1、微控制器7以及抄表接口8可能為外購部件。電路板可能含有一個單一的雙軸隧道磁阻角位移傳感器1，或者可能含有兩個單軸隧道磁阻角位移傳感器1，這兩個單軸傳感器以覆蓋數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪3旋轉(zhuǎn)90度區(qū)間的方式放置。[0048]以上借助優(yōu)選實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，但是本實(shí)用新型不限于此。本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本實(shí)用新型的原理進(jìn)行各種修改。因此，凡按照本實(shí)用新型原理所作的修改，都應(yīng)當(dāng)理解為落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種直讀式計(jì)量裝置，包括與轉(zhuǎn)動軸連接的數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪和微控制器， 其特征在于，該直讀式計(jì)量裝置進(jìn)一步包括: 與所述數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪同軸安裝的環(huán)形磁鐵，和 與所述環(huán)形磁鐵間隔且偏心安裝的隧道磁阻角位移傳感器， 所述微控制器與所述隧道磁阻角位移傳感器連接，將所述隧道磁阻角位移傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字讀數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的直讀式計(jì)量裝置，其特征在于，所述隧道磁阻角位移傳感器包括兩個彼此正交設(shè)置的單軸旋轉(zhuǎn)傳感器或惠斯通橋相對彼此90度旋轉(zhuǎn)的雙軸旋轉(zhuǎn)傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的直讀式計(jì)量裝置，其特征在于，所述環(huán)形磁鐵距所述隧道磁阻角位移傳感器之間的空隙為1_3_，所述隧道磁阻角位移傳感器中心距所述環(huán)形磁鐵中心3_5mm0
4.一種直讀式計(jì)量裝置，包括多個計(jì)數(shù)單元和微控制器， 其特征在于，所述每個計(jì)數(shù)單元包括: 與轉(zhuǎn)動軸連接的數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪， 與所述數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪同軸安裝的環(huán)形磁鐵，和 與所述環(huán)形磁鐵間隔且偏心安裝的隧道磁阻角位移傳感器， 相鄰計(jì)數(shù)單元中的數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)是1:10， 所述微控制器與每一隧道磁阻角位移傳感器連接，將所述隧道磁阻角位移傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字讀數(shù)。
5.如權(quán)利要求4所述的直讀式計(jì)量裝置，其特征在于，該直讀式計(jì)量裝置進(jìn)一步包括與所述微控制器連接的抄表接口。
6.如權(quán)利要求4所述的直讀式計(jì)量裝置，其特征在于，所述隧道磁阻角位移傳感器包括兩個彼此正交設(shè)置的單軸旋轉(zhuǎn)傳感器或惠斯通橋相對彼此90度旋轉(zhuǎn)的雙軸旋轉(zhuǎn)傳感器。
7.如權(quán)利要求4所述的直讀式計(jì)量裝置，其特征在于，所述環(huán)形磁鐵具有15 20mm的外直徑，2 8mm的內(nèi)直徑，f4mm的厚度，且相鄰環(huán)形磁鐵之間的間距為6_10mm。
8.如權(quán)利要求4所述的直讀式計(jì)量裝置，其特征在于，每一計(jì)數(shù)單元內(nèi)，所述環(huán)形磁鐵距所述隧道磁阻角位移傳感器之間的空隙為l_3mm，所述隧道磁阻角位移傳感器中心距所述環(huán)形磁鐵中心3_5mm。
9.如權(quán)利要求4所述的直讀式計(jì)量裝置，其特征在于，該計(jì)量裝置包括1-10個計(jì)數(shù)單J Li ο
10.一種直讀式水表，其特征在于，該直讀式水表包括如權(quán)利要求1或權(quán)利要求4所述的直讀式計(jì)量裝置。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種直讀式計(jì)量裝置和直讀式水表。該直讀式計(jì)量裝置包括與轉(zhuǎn)動軸連接的數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪和微控制器，其特征在于，該直讀式計(jì)量裝置進(jìn)一步包括與所述數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪同軸安裝的環(huán)形磁鐵，和與所述環(huán)形磁鐵間隔且偏心安裝的隧道磁阻角位移傳感器。所述微控制器與所述隧道磁阻角位移傳感器連接，將所述隧道磁阻角位移傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字讀數(shù)。本實(shí)用新型使用隧道磁阻角位移傳感器感應(yīng)安裝在數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪上的環(huán)形磁鐵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相位來實(shí)現(xiàn)數(shù)字計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)輪的編碼得到計(jì)量讀數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)直讀式計(jì)量功能。
文檔編號G01F15/06GK202974369SQ201220424579
公開日2013年6月5日 申請日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月24日
發(fā)明者王峰, 王俊云, 程曉峰 申請人:江蘇多維科技有限公司