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电磁流量计

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一种基于通信技术和图像识别算法的电磁流量计设计

来源:作者:发表时间:2017-07-02 10:02:45

 摘要: 通过比对目前电子式电磁流量计的不足,提出了一种基于摄像技术和图像识别技术的电子式电磁流量计设计方案。主要是利用 M-BUS 总线进行抄表,从 M-BUS 总线上取电直接给摄像头供电,并在摄像头拍照后,又利用对取得图片的二值化处理、图像识别比对等手段,将数据图片数字化,达到机械电磁流量计的测量数据与抄表的电子数据完全一致,最终实现电磁流量计数据数字化结算和智能远程抄表的目的。

 
引言
              随着电子技术和网络技术的发展,人们的生活模式已经发生了巨大地改变,而对户用计量仪表来说,同样面临着电子化和网络化的问题。从 2009 年开始,国家电网公司对电表进行改造,截止到目前为止,国内绝大多数的电表已经实现了电子化和网络化,人们可以在各种网络终端,如手机、IPAD、计算机上完成对电量的查询
和缴费,十分便利。但是与人民生活同样休戚相关的电磁流量计,其电子化和网络化改造却大大落后于电表,当然这除了与水务集团中没有一个像国家电网公司这样一个自上而下的强力主管部门主导外,更主要的原因还在于电磁流量计的计量技术和电表有着巨大的差异。
 
1 目前电子式电磁流量计的计数方式
              通常来说电磁流量计是一个无源的计量设备,即其在正常计量时并没有外部电源给其供电,因此对电磁流量计要实现电子化和网络化只能依赖电池供电,而这对目前低功耗集成电路设计和电池制造来说,均是非常大的挑战。
 
              其次,电磁流量计的计量方式一直以来是依靠机械结构完成,简要地说是通过在密闭的机械腔体中加装叶轮,当液体通过时,由于水流的冲量对叶轮冲击,带动叶轮旋转,并通过一定的齿轮和字轮配比,来实现最基本的计量功能,这是一种价格低廉且经过长期验证,并得到广泛结算认同的计量技术,因此目前很多电子化的技术,均是在不改变这种计量技术的基础上而完成的。
 
1. 1 以干簧管为代表加装传磁感应元件的电子化技术
              以图 1 为例,干簧管式电磁流量计就是对传统机械电磁流量计的改装,图 1 为一个双干簧管脉冲发讯式电磁流量计的俯视示意图。红圈内的电磁流量计示数区域“×0. 1 位”的红色小指针被加装了小磁铁,两个白色棒状物体内,被加装了干簧管。其原理是表内的指针表的转动带动磁铁转动,当小磁铁靠近干簧管时,干簧管闭合,当小磁铁远离干簧管的时,干簧管开启,而电磁流量计 MCU 将这些累加开关量存储在电子存储器中,抄读时只需读取存储器的数据即可得到累计电磁流量计的用量。图 1 中这只电磁流量计的双干簧管加装在“× 0. 1 位”,干簧管每顺序的吸合 1次,则计量 0. 1 吨水,顺序的吸合 10 次,则计量为 1 吨水。
 
但是这种设计的缺点在于,由于磁铁和干簧管都是磁感应元件,其对磁场非常敏感,因此抵御蓄意磁干扰的能力相对较弱,并且干簧管本身是靠金属片的吸合产生信号的,而在长期使用中,由于金属的应力疲劳,在某些情况下会丢失信号,这样会造成 MCU 中的计数值和机械部分的计数值不同,通过上文的介绍可以看出,其电子值又是在机械值的基础上二次测量出来的,在电子化结算时常因机械值与电子值的不同而发生矛盾,因此由于“二次计量”所引发的机电不同步,是这种设计常为人诟病之处。
 
1. 2 光电直读电磁流量计
              如图 2 所示的是目前被广泛使用的光电直读电磁流量计为透射式光电直读电磁流量计,其计量的方式与传统机械式电磁流量计无异,读数区每一位字轮均是由 0 ~ 9 这 10个数字组成的。光电直读电磁流量计的特殊性在于电磁流量计显示读数的字轮两侧加装了 4 ~ 7 对发光的红外发射管和红外接收管,字轮上也又密布了一些可透光的小孔。当需要抄读数据时,发光二极管开始发光,由于字轮随机所停的位置的不同,那么在抄读的瞬间,有的红外光会透过字轮上小孔,有的红外光无法穿过小孔,而在发射管的对面同样加装着红外接收装置,那么穿过小孔的接收管可以接收到信号,而未穿过小孔的位置,接收管无法收到信号,因此通过信号的有无的逻辑关系,即可确定出字轮旋转的位置,便可正确的读数反馈。所以只要开孔位置得当,光电管位置合理,那么通过一定算法的逻辑排列就可以得到和字轮显示完全一致的读数。
 
              这种设计的好处在于解决了干簧管式电磁流量计中的“二次计量”问题,通过光电编码使得计量数据可以直接反应出来。但是这种设计由于在字轮上加装了大量的光电管(通常每一位加装 5 ~ 7 个,一般识别 4 ~ 5位,所以每一个电磁流量计上需要加装 20 ~35 个左右的光电管),并且每个光电管的位置都要十分的精确,若有 1个光电管发生异常,则整个电子计数全部混乱;其次,由于水中难免还混有少量杂质或者气泡,这些物质一旦附着在光电管或者接收器上,也会造成计数的异常,因此在大量的推广使用中,光电直读电磁流量计总是存在一定比例的识别故障。
 
2 摄像直读电磁流量计
              针对以上两款最大规模使用的电磁流量计存在的问题,如何设计一款既依靠原有机械结构进行计量,又可直观反映计量数据,数据还可以电子化使用的电磁流量计,成为目前电磁流量计设计一个难题。基于此最直接的方式,莫过于将摄像头直接加装在电磁流量计的字轮上,用摄像头代替人的肉眼,这样既保证了机械计量本身的精确性,又真正地实现了所见即所计。
 
              但是由于摄像技术本身的特点,在实际设计时又会遇到如下的问题:(1)由于摄像头本身的功耗较大,在拍照时需要 100 mA 左右的电流,普通的电磁流量计电池无法长期提供如此大的电流输出;(2)摄像头拍照为图片,往往一张图片的尺寸在十几千字节,这对现有的抄表通信技和目前抄表所用的通信带宽,无法支撑数量庞大的表计进行数据传输。因此,如何设计一款切实可用的摄像直读电磁流量计,就必须解决好上述两个问题。
 
2. 1 针对摄像头需要大电流的设计
              在电池无法满足摄像电磁流量计的需求时,就必须采用有源的设计来解决功耗问题,但是由于电磁流量计的局限,通过市电给电磁流量计供电是不现实的。因此就必须采用一种既能解决供电问题,又能解决信号问题的方式,综上需求,无疑 M-BUS 总线抄表技术是最好地选择。如图 3 所示,在实际设计中,选取 M-BUS 芯片为上海 贝 岭 的 BL15721A 型 芯 片,其 特 点 是 符 合EN1434-3 的国际标准。但是在设计中,同时也发现目前市场上的标准 M-BUS 芯片,不论是 TI 的 TSS721A还是安森美的 NCN51550 均无法从芯片直接供出 100mA 以上的电流,因此依靠 M-BUS 芯片直接驱动摄像头的方式是不可行的。
 
              针对这一问题,在设计中通过从 M-BUS 总线直接取电的方式去解决,通过一组全桥电路将总线上的电流整形为直流,为了保证总线的取电效率,又选取了 1枚上海贝岭的 DC-DC 芯片 BL9342 作为摄像头 5 V 的电压输入。
 
              摄像头从总线取电的好处在于,规避了 M-BUS芯片供电不足的问题,直接通过集中器的系统电源给摄像头供电;并且由于抄读命令往往是由集中器发出的,因此在非抄读时间,总线其实可以不供电,仅在抄读时逐只 表 进 行 抄 读。即 使 摄 像 头 电 流100 mA左右,对 5 V 的摄像头,功耗实际只有不到0. 5 W,而对总线 24 V 或者 36 V 的供电电压而言,实际消耗的总线电流只有十几到二十几个毫安,对集中的电源的带载能力而言,这些功率是几乎可以忽略不计的。因此按照这种设计,几乎完美地解决了摄像头需要大电流供电的问题。