探討傳感器在水計量表具中的應用與防護

姜龍明 舒莉丹

三川智慧科技股份有限公司 江西 鷹潭 335200

引言

在互聯網時代中，智能化手段不斷深入到大眾生活中，傳感器在智能水表中的應用具有一定代表性，不僅能夠保證人們用水安全，而且能夠提供多樣的支付手段、快捷的繳費方式，對提高水利部門工作效率具有重要意義。

1 水計量表具中傳感器的應用

1.1 傳感器選型

水計量表具傳感器的配套商、智能儀表生產廠家一直在尋找能耗更低、體積更小的傳感器應用方案，促使磁阻式傳感器成為智能儀表領域廣泛應用的傳感器?？紤]到水計量表具的特殊性，磁阻式傳感器選型標準如下：①動作電流的峰值應小于600μA，以此滿足水表的功耗使用需求。②響應速度應小于3μS，以此保證傳感器能夠安裝在水表葉輪上。③磁場靈敏度應小于1.5mT。

1.2 低功耗設計

依據智能水表運行原理，磁阻式傳感器在使用過程中必須具有持續供電的能力，有必要通過低功耗設計來明確儀表的使用時間，以此達到適當延長傳感器運作時長的目的。由于磁阻式傳感器依照MCU進行定時，通過計量轉動信號的檢測便可明確測量水表字輪轉動的方式，在儀表正常周期內給傳感器上電，檢測時運用到有關周期的數據，可用如下公式進行計算。

其中，T為儀表正常周期；t1為開啟檢測時間；t2為非開啟檢測時間。

根據這種測量方式進行計算，可在水表精度不變的基礎上，提高傳感器使用時間達一倍以上，最低滿足八年以上智能水表設計需求[1]。

1.3 電磁閥門電路設計

針對用戶供水操作以及停水，應充分發揮出智能水表對用水狀態的控制作用，可采用電磁球閥驅動電路進行設計，根據用水系統傳感器采集到的狀態信息，一旦達到欠費紅線數字，電磁閥門便會關閉，直到用戶完成繳納，電磁閥門又會在傳感器的作用下自動開啟，以此運行供水模式。為避免傳感器長久使用之后不靈敏，還應對傳感器的運行狀態進行定期檢查，以免出現計費不準、計費不科學等問題。

2 傳感器的防護

2.1 磁簧開關的防護

磁簧開關是由非常薄的低磁阻簧片組成，當開關靠近外磁路時，在尾端會產生磁極相吸的現象，能夠對水計量表具的流量信息進行全面采集，不同的安裝位置產生的脈沖當量存在一定差異，并且磁簧開關價格低廉、安裝便捷、使用簡便。在對磁簧開關進行防護時，首先，解決機械觸點開關處存在的問題，主要是對波形采用有效的濾波、整形、延時查詢等措施，在保證磁簧開關無同時導通的前提下，由兩個磁簧開關對一個采集周期內的信息進行收集，再除去單個磁簧開關的毛刺。其次，解決管腳封裝操作不當的問題。若操作過程中的焊接溫度較高，則會影響傳感器自身的靈敏度，因此在焊接時，應保證折彎處距管腳3mm以上，并且由生產廠家制做開關的防護裝備，以此減少磁簧開關運輸過程中出現損壞的問題。最后，解決臨界工作狀態觸點異常抖動問題，主要是利用磁簧開關特有的品質來解決特殊工作狀態時出現的抖動問題，以此提升傳感器整體靈敏度。

2.2 霍爾元件的防護

在智能水表領域中，霍爾元件作為低功耗開關型設備使用，具有使用壽命長、體積小、無抖動等特點，能夠將磁場的周期性變化看作是元件的轉動。一般情況下，水計量表具的定時周期為傳感器工作時間、休眠時間的綜合，當裝有霍爾元件的傳感器工作一段時間之后，需要利用低功耗設計來保證定式電路的有效運行。以功耗為15μW的傳感器為例，在45ms定時周期內會有短暫的喚醒時間，沿著脈沖數據下降方向測量轉動頻率，明確智能水表中霍爾傳感器的應用范圍。與磁簧開關相比，霍爾元件輸出的脈沖波形強、不易抖動、壽命長、抗振動能力強，并且為霍爾元件應用的防護手段與磁簧開關相似，具有增強霍爾傳感器應用效果的作用。

2.3 韋根傳感器的防護

基于韋根效應制作出的韋根傳感器，能夠在無外加電源和一定磁場作用下輸出較為恒定的電脈沖信號，一般維持在1V以上，將其應用于智能水表中，可有效解決水計量表具的功耗問題。韋根傳感器主要是由外殼、內芯、信號引出線三大部分組成，其中使用到的韋根特絲線是一種直徑為0.3mm的新功能合金線[2]。在韋根傳感器工作過程中，其磁場方向會呈現周期性變化，當內芯與外殼按照相同方向滲透為根特絲線之后，然后再切換到第二塊磁鐵，內芯與外殼相反的極性能夠促使韋根傳感器輸出正負交替的脈沖信號。由于傳感器的觸發信號在1～10KH范圍變化，工作時溫度變化在-196℃到+300℃之間，需要采用多層磁屏蔽罩的主動防護方式，考慮到水表葉輪磁鋼的整體環形結構，應盡量選擇磁場強度大一些的傳感器，以此避免長時間使用后出現磁鐵老化、吸附強度衰減的問題，同時對傳感器的脈沖后續放大、整形等進行有效處理，以此實現各種流量范圍內的全面采集，助力智能電表的發展。

3 結束語

綜上所述，智能水表領域中，傳感器因其體積小、能耗低等特點得到廣泛應用，通過對傳感器進行有效的防護，能夠進一步突出設備的實用價值，同時結合科學設計，對解決傳感器應用面臨的突出問題具有重要推動作用。