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      電磁流量計

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      一種基于通信技術和圖像識別算法的電磁流量計設計

      來源:作者:發表時間:2017-07-02 10:02:45

       摘要: 通過比對目前電子式電磁流量計的不足,提出了一種基于攝像技術和圖像識別技術的電子式電磁流量計設計方案。主要是利用 M-BUS 總線進行抄表,從 M-BUS 總線上取電直接給攝像頭供電,并在攝像頭拍照后,又利用對取得圖片的二值化處理、圖像識別比對等手段,將數據圖片數字化,達到機械電磁流量計的測量數據與抄表的電子數據完全一致,**終實現電磁流量計數據數字化結算和智能遠程抄表的目的。

       
      引言
                    隨著電子技術和網絡技術的發展,人們的生活模式已經發生了巨大地改變,而對戶用計量儀表來說,同樣面臨著電子化和網絡化的問題。從 2009 年開始,國家電網公司對電表進行改造,截止到目前為止,國內絕大多數的電表已經實現了電子化和網絡化,人們可以在各種網絡終端,如手機、IPAD、計算機上完成對電量的查詢
      和繳費,十分便利。但是與人民生活同樣休戚相關的電磁流量計,其電子化和網絡化改造卻大大落后于電表,當然這除了與水務集團中沒有一個像國家電網公司這樣一個自上而下的強力主管部門主導外,更主要的原因還在于電磁流量計的計量技術和電表有著巨大的差異。
       
      1 目前電子式電磁流量計的計數方式
                    通常來說電磁流量計是一個無源的計量設備,即其在正常計量時并沒有外部電源給其供電,因此對電磁流量計要實現電子化和網絡化只能依賴電池供電,而這對目前低功耗集成電路設計和電池制造來說,均是非常大的挑戰。
       
                    其次,電磁流量計的計量方式一直以來是依靠機械結構完成,簡要地說是通過在密閉的機械腔體中加裝葉輪,當液體通過時,由于水流的沖量對葉輪沖擊,帶動葉輪旋轉,并通過一定的齒輪和字輪配比,來實現**基本的計量功能,這是一種價格低廉且經過長期驗證,并得到廣泛結算認同的計量技術,因此目前很多電子化的技術,均是在不改變這種計量技術的基礎上而完成的。
       
      1. 1 以干簧管為代表加裝傳磁感應元件的電子化技術
                    以圖 1 為例,干簧管式電磁流量計就是對傳統機械電磁流量計的改裝,圖 1 為一個雙干簧管脈沖發訊式電磁流量計的俯視示意圖。紅圈內的電磁流量計示數區域“×0. 1 位”的紅色小指針被加裝了小磁鐵,兩個白色棒狀物體內,被加裝了干簧管。其原理是表內的指針表的轉動帶動磁鐵轉動,當小磁鐵靠近干簧管時,干簧管閉合,當小磁鐵遠離干簧管的時,干簧管開啟,而電磁流量計 MCU 將這些累加開關量存儲在電子存儲器中,抄讀時只需讀取存儲器的數據即可得到累計電磁流量計的用量。圖 1 中這只電磁流量計的雙干簧管加裝在“× 0. 1 位”,干簧管每順序的吸合 1次,則計量 0. 1 噸水,順序的吸合 10 次,則計量為 1 噸水。
       
      但是這種設計的缺點在于,由于磁鐵和干簧管都是磁感應元件,其對磁場非常敏感,因此抵御蓄意磁干擾的能力相對較弱,并且干簧管本身是靠金屬片的吸合產生信號的,而在長期使用中,由于金屬的應力疲勞,在某些情況下會丟失信號,這樣會造成 MCU 中的計數值和機械部分的計數值不同,通過上文的介紹可以看出,其電子值又是在機械值的基礎上二次測量出來的,在電子化結算時常因機械值與電子值的不同而發生矛盾,因此由于“二次計量”所引發的機電不同步,是這種設計常為人詬病之處。
       
      1. 2 光電直讀電磁流量計
                    如圖 2 所示的是目前被廣泛使用的光電直讀電磁流量計為透射式光電直讀電磁流量計,其計量的方式與傳統機械式電磁流量計無異,讀數區每一位字輪均是由 0 ~ 9 這 10個數字組成的。光電直讀電磁流量計的特殊性在于電磁流量計顯示讀數的字輪兩側加裝了 4 ~ 7 對發光的紅外發射管和紅外接收管,字輪上也又密布了一些可透光的小孔。當需要抄讀數據時,發光二極管開始發光,由于字輪隨機所停的位置的不同,那么在抄讀的瞬間,有的紅外光會透過字輪上小孔,有的紅外光無法穿過小孔,而在發射管的對面同樣加裝著紅外接收裝置,那么穿過小孔的接收管可以接收到信號,而未穿過小孔的位置,接收管無法收到信號,因此通過信號的有無的邏輯關系,即可確定出字輪旋轉的位置,便可正確的讀數反饋。所以只要開孔位置得當,光電管位置合理,那么通過一定算法的邏輯排列就可以得到和字輪顯示完全一致的讀數。
       
                    這種設計的好處在于解決了干簧管式電磁流量計中的“二次計量”問題,通過光電編碼使得計量數據可以直接反應出來。但是這種設計由于在字輪上加裝了大量的光電管(通常每一位加裝 5 ~ 7 個,一般識別 4 ~ 5位,所以每一個電磁流量計上需要加裝 20 ~35 個左右的光電管),并且每個光電管的位置都要十分的精確,若有 1個光電管發生異常,則整個電子計數全部混亂;其次,由于水中難免還混有少量雜質或者氣泡,這些物質一旦附著在光電管或者接收器上,也會造成計數的異常,因此在大量的推廣使用中,光電直讀電磁流量計總是存在一定比例的識別故障。
       
      2 攝像直讀電磁流量計
                    針對以上兩款**大規模使用的電磁流量計存在的問題,如何設計一款既依靠原有機械結構進行計量,又可直觀反映計量數據,數據還可以電子化使用的電磁流量計,成為目前電磁流量計設計一個難題。基于此**直接的方式,莫過于將攝像頭直接加裝在電磁流量計的字輪上,用攝像頭代替人的肉眼,這樣既保證了機械計量本身的精確性,又真正地實現了所見即所計。
       
                    但是由于攝像技術本身的特點,在實際設計時又會遇到如下的問題:(1)由于攝像頭本身的功耗較大,在拍照時需要 100 mA 左右的電流,普通的電磁流量計電池無法長期提供如此大的電流輸出;(2)攝像頭拍照為圖片,往往一張圖片的尺寸在十幾千字節,這對現有的抄表通信技和目前抄表所用的通信帶寬,無法支撐數量龐大的表計進行數據傳輸。因此,如何設計一款切實可用的攝像直讀電磁流量計,就必須解決好上述兩個問題。
       
      2. 1 針對攝像頭需要大電流的設計
                    在電池無法滿足攝像電磁流量計的需求時,就必須采用有源的設計來解決功耗問題,但是由于電磁流量計的局限,通過市電給電磁流量計供電是不現實的。因此就必須采用一種既能解決供電問題,又能解決信號問題的方式,綜上需求,無疑 M-BUS 總線抄表技術是**好地選擇。如圖 3 所示,在實際設計中,選取 M-BUS 芯片為上海 貝 嶺 的 BL15721A 型 芯 片,其 特 點 是 符 合EN1434-3 的國際標準。但是在設計中,同時也發現目前市場上的標準 M-BUS 芯片,不論是 TI 的 TSS721A還是安森美的 NCN51550 均無法從芯片直接供出 100mA 以上的電流,因此依靠 M-BUS 芯片直接驅動攝像頭的方式是不可行的。
       
                    針對這一問題,在設計中通過從 M-BUS 總線直接取電的方式去解決,通過一組全橋電路將總線上的電流整形為直流,為了保證總線的取電效率,又選取了 1枚上海貝嶺的 DC-DC 芯片 BL9342 作為攝像頭 5 V 的電壓輸入。
       
                    攝像頭從總線取電的好處在于,規避了 M-BUS芯片供電不足的問題,直接通過集中器的系統電源給攝像頭供電;并且由于抄讀命令往往是由集中器發出的,因此在非抄讀時間,總線其實可以不供電,僅在抄讀時逐只 表 進 行 抄 讀。即 使 攝 像 頭 電 流100 mA左右,對 5 V 的攝像頭,功耗實際只有不到0. 5 W,而對總線 24 V 或者 36 V 的供電電壓而言,實際消耗的總線電流只有十幾到二十幾個毫安,對集中的電源的帶載能力而言,這些功率是幾乎可以忽略不計的。因此按照這種設計,幾乎完美地解決了攝像頭需要大電流供電的問題。
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