CN102169001A - 集成于水泵主体上的泵流量检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成于水泵主体上的泵流量检测装置。传统的检测装置计量准确度不高。本发明包括电压采集电路、电流采集电路、功率合成电路和流量数据转换系统。电流采集电路和电压采集电路对水泵电机消耗的电流和电压进行采样输入功率合成电路进行处理，处理得到的功率数据提供给流量数据转换系统转换成流量数据进行显示、存储并传输给计算机。本发明采用测量水泵电机功率的方法检测水泵的水流量，结构简单、安装时不必考虑管道因素，可以实现在无法安装普通流量计的情况下对水泵流量进行计量。
Description
技术领域
本发明涉及流量检测装置，尤其是涉及一种安装在水泵主体上的流量检测装置。
背景技术
水泵是常用的水力机械，在工业生产以及人民生活中都占有重要的地位，对流经水泵的液体流量进行精确计量具有广泛的应用前景以及实用价值。浙江省是国内外水泵的主要制造基地，提高水泵的功能对改造传统产业、细分水利机械市场、延伸产业链同样具有重要意义。为响应党在十七大上提出的关于加强贯彻落实节能减排工作的号召，希望能在水泵这一级较精确地解决流量的计量问题，这样就可节约安装流量计的成本。
传统的水泵流量检测方法主要是在水泵前端或后端采用涡轮式流量计等液体流量计量仪器。这类仪器为保证计量特性而对安装场所有特殊的要求，即要求有充分长的直管段。通常，建在水库坝上或山坡上的泵房都不大，附近的地形也往往不够平坦，因此，设置符合要求的直管段往往成为一个难以实现的问题。目前我省的工农业用的取水水泵上尚未加装流量计，但是已经出现通过安装附加的时间测量装置的水泵流量计量方法。比如由杭州质检院起草制订的浙江省地方计量校准规范《配备水量计时器取水装置》，这种装置就是采用了通过对时间的计量获得流量的数据的方法。该方法的优点为：解决了很多场合中直管段长度不足而无法安装流量计的问题；但其缺点也十分显著：即计量准确度不高，存在用水波动性无法计量的问题。目前在国内大部分的大型成套水泵设备中都集成了水泵控制器以及水量计数器，以此对水泵工作状态进行控制并且监测抽水流量。由于其应用广泛，我国研究人员对于水泵流量检测的研究主要集中在开发新型水量计时器中。这是一种通过对水泵电动机工作的准确计时，再乘以水泵标称的出口流量，由此得出水泵抽取的累计水量的检测装置。目前我国自主研发的最新型水量计时器，主要由电流互感器、稳压单元、石英晶振计时器连接组成。水泵电动机工作时，电流互感器感应出电流，通过稳压单元，成为互感电源，供石英晶振计器工作，计数由其字轮部件显示、保留。当电动机停转时，电流互感器电流即为零，计时器因无电源供应而停止工作，从而得到水泵电机工作时间，经过转换便可计算出流经水泵的累积流量。但是在实际应用中，基于计算电机工作时间统计流量的设备往往存在很大的误差。这是由于水泵上游管道的不确定性，使水体在管道传输过程中产生涡流、间隙、断流等现象，混入大量的空气。这种状态的水体流经水泵，导致水泵电机工作效率降低，增加一定程度的无功功率。在此时根据电机工作时间所计算出流量与实际值之间就会产生偏差，所得到的数据精确度也无法保证。
由于这些问题的存在影响了我国水泵设备的发展，国内众多的专家学者都在围绕这些问题进行研究和探索，针对水量计时器出台了一系列的改进方案，希望能够提高水泵流量的测量精度，但是始终没有根本性的突破。若想进一步提高计量准确度且尽可能不增加设备成本，就急需研制一种能集成于水泵上的流量计量装置，可以使水利部门、用水单位、水泵生产厂家三方受益。
发明内容
本发明的目的是提供一种水泵流量检测装置，通过高精度功率采集系统检测水泵在取水过程中消耗的功率，由此得到水泵电机抽取的水流量。在对流量数据进行采集的同时，实现流量数据的显示、存储和远传。提高监测数据的准确度。
本发明所采用的技术方案是：本发明包括电压采集电路、电流采集电路、功率合成电路和流量数据转换系统。电流采集电路和电压采集电路对水泵电机消耗的电流和电压进行采样输入功率合成电路进行处理，处理得到的功率数据提供给流量数据转换系统转换成流量数据进行显示、存储并传输给计算机。
所述的电流采集电路和电压采集电路对水泵电机消耗的电流和电压进行采样输入所述的功率合成电路进行处理，处理得到的功率数据提供给所述的流量数据转换系统转换成流量数据进行显示和存储；
所述的电流采集电路包括锰铜片(U1)、第一磁珠(L1)、第二磁珠(L2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第一电容(C1)第二电容(C2)、第一接线端子(U3)；
锰铜片(U1)作为采样分流器，安装在水泵电机火线裸线上，锰铜片(U1)的第一输出端与第一磁珠(L1)的一端连接，锰铜片(U1)的第二输出端与第二磁珠(L2)的一端连接，第一磁珠(L1)的另一端与第一电阻(R1)的一端连接，第二磁珠(L2)的另一端与第二电阻(R2)的一端连接，第一电阻(R1)的另一端分别与第一电容(C1)的一端、第一接线端子(U3)的1脚相连；第二电阻(R2)的另一端分别与第二电容(C2)的一端、第一接线端子(U3)的2脚相连；第一电容(C1)的另一端和第二电容(C2)的另一端均接地；
所述的电压采集电路包括接触器(U2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R5)、电位器(R4)、第三电容(C3)和第四电容(C4)；接触器(U2)串接在水泵电机零线裸线上，第三电阻(R3)的一端与接触器(U2)的输出端连接，第三电阻(R3)的另一端分别与第三电容(C3)的一端、电位器(R4)的一端连接；电位器(R4)的另一端与第四电阻(R5)的一端连接，电位器(R4)的可调端与第一接线端子(U3)的3脚相连，第四电阻(R5)的另一端、第四电容(C4)的一端均与第一接线端子(U3)的4脚相连；第三电容(C3)的另一端、第四电阻(R5)的另一端和第四电容(C4)的另一端均接地；
所述的功率合成电路包括功率合成芯片(U5)、第五电阻(R6)、第六电阻(R7)、第七电阻(R8)、第八电阻(R9)、第五电容(C5)、第六电容(C6)、第七电容(C7)、第八电容(C8)、第九电容(C9)、第十电容(C10)、第十一电容(C11)、第十二电容(C12)、第十三电容(C13)、第十四电容(C14)、晶振(X1)、光耦隔离器(D1)、第二接线端子(U4)和第三接线端子(U6)；功率合成芯片(U5)的1脚、2脚接5V电源，3脚通过第五电阻(R6)与5V电源连接，为芯片供电，5脚至8脚分别与第二接线端子(U4)的1脚至4脚连接，9脚通过第六电阻(R7)与5V电源相连；第五电容(C5)一端和第六电容(C6)一端均与5V电源连接，第五电容(C5)另一端和第六电容(C6)另一端均接地，第七电容(C7)一端和第八电容(C8)一端均与功率合成芯片(U5)的10脚连接，第七电容(C7)另一端和第八电容(C8)另一端均接地；功率合成芯片(U5)的11脚、21脚接地，12脚分别与第九电容(C9)的一端、第七电阻(R8)的一端连接，13脚分别与第十电容(C10)的一端、第七电阻(R8)的一端连接，14脚分别与第十一电容(C11)的一端、第七电阻(R8)的一端连接，第七电阻(R8)的另一端接5V电源；功率合成芯片(U5)的17脚分别与晶振(X1)的一端、第十二电容(C12)的一端连接，18脚分别与晶振(X1)的另一端、第十三电容(C13)的一端连接，第十二电容(C12)的另一端和第十三电容(C13)的另一端均接地；功率合成芯片(U5)的20脚通过第八电阻(R9)接地，21脚与光耦隔离器(D1)输入端正极连接，光耦隔离器(D1)输入端负极接地，光耦隔离器输出端正极分别与第十四电容(C14)的一端、第三接线端子(U6)的1脚连接，光耦隔离器输出端负极分别与第十四电容(C14)的另一端、第三接线端子(U6)的2脚连接；第二接线端子(U4)的1至4脚分别与第一接线端子(U3)的1至4脚对应连接；功率合成芯片(U5)其它脚悬空，所述的功率合成芯片(U5)型号为ADE7755；
所述的数据流量数据转换系统为32位ARM微处理器嵌入式系统，包括32位S3C44B0X微处理器和显示模块；32位微处理器S3C44B0X的I/O口PE4与第三接线端子(U6)的1脚相连，第三接线端子(U6)的2脚接地，S3C44B0X微处理器将接收到的功率数据按照比例换算为流量数据，显示模块显示流量数据。
本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：
1.采用测量水泵电机功率的方法检测水泵的水流量，可直接安装在水泵上面。结构简单、安装时不必考虑管道因素，可以实现在某些无法安装普通流量计的情况下对水泵流量进行计量。
2.采用了高精度电能计量芯片和32位微处理器，测量准确度高，实现数据的实时显示、存储、远传。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为电流采集电路和电压采集电路图；
图3为功率合成电路图；
图4为数据采集软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1所示，集成于水泵主体上的泵流量检测装置包括电压采集电路2、电流采集电路3、功率合成电路4、流量数据转换系统。电流采集电路3和电压采集电路4对水泵电机1消耗的电流和电压进行采样输入功率合成电路4进行处理，处理得到的功率数据提供给流量数据转换系统转换成流量数据进行显示、存储并传输给计算机；流量数据转换系统包括微处理器5-1、显示模块5-2、RS232模块5-3。
如图2所示，电流采集电路包括：锰铜片U1、第一磁珠L1、第二磁珠L2、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2、第一接线端子U3。锰铜片U1作为采样分流器，安装在水泵电机火线裸线上。两个端子分别连接第一磁珠L1和第二磁珠L2的前端吸收高频静电脉冲。第一磁珠L1后端和第二磁珠L2后端分别连接第一电阻R1前端和第二电阻R2前端进行进一步分流。第一电阻R1后端与第一接线端子U3的1脚相连，第二电阻R2后端与第一接线端子U3的2脚相连。第一电阻R1和第二电阻R2后端分别通过第一电容C1和第二电容C2接地滤波。当水泵电机工作，电流流过锰铜片U1，在EXINT1-1和EXINT1-2间产生差动电压，输入功率合成电路通道1。
电压采集电路包括接触器U2、第三电阻R3、第四电阻R5、电位器R4、第三电容C3和第四电容C4。第三电阻R3前端连接接触器U2进行采样分压，第三电阻R3后端与电位器R4前端相连调整差动电压。电位器R4前端通过第三电容C3接地滤波，电位器R4调整端与第一接线端子U3的3脚相连，电位器R4后端接地。第四电阻R5前端接地，后端与第一接线端子U3的4脚相连，并通过第五电容C5接地滤波。接触器U2与水泵电机零线连接。电压检测电路以水泵电机零线为基准，对输入电压采用电位器R4分压采样，通过调整电位器R4实现增益调节，在EXINT2-1和EXINT2-2间产生和水泵电压成正比的电压信号，输入功率合成电路的通道2。
如图3所示，功率合成电路包括ADE7755芯片U5、第五电阻R6、第六电阻R7、第七电阻R8、第五电容C5至第十四电容C14、晶振X1、光耦隔离器D1、第二接线端子U4、第三接线端子U6。ADE7755芯片U5的1脚、2脚接5V电源，3脚通过第五电阻R6与电源连接，为芯片供电。5脚至8脚分别与第二接线端子U4的1脚至4脚连接。9脚通过第六电阻R7与电源相连。电源通过第五电容C5和第六电容C6并联滤波以此减少纹波。ADE7755芯片U5的10脚通过第七电容C7和第八电容C8并联接地以此减少纹波，11脚、21脚接地，12脚、13脚、14脚通过第七电阻R8连接5V电源，分别由第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11接地滤波，以此选择芯片频率输出为13.6Hz。ADE7755芯片U5的17脚和18脚由晶振X1联接，晶振两端通过第十二电容C12、第十三电容C13接地，20脚通过第八电阻R9接地，21脚与光耦隔离器D1前端正极相连。光耦隔离器D1前端负极与地相连，光耦隔离器D1后端两极与第三接线端子U6两脚相连，第三接线端子U6两脚由第十四电容C14连接。第二接线端子U4的1至4脚分别与第一接线端子U3的1至4脚用线缆连接。电流和电压两个信号送入ADE7755，分别通过两个16位的二阶模数转换器(ADC)进行数字化，采样速率大于900kHz。ADE7755将数字化的电流和电压信号直接相乘，得到瞬时功率信号，然后对瞬时功率信号进行低通滤波就得到有功功率。ADE7755芯片U5的CF脚以高频脉冲输出功率瞬时值通过光电耦合输入32位微处理器S3C44B0X的I/O口。
数据流量数据转换系统为32位ARM微处理器嵌入式系统，包括32位S3C44B0X微处理器、显示模块、RS232模块。32位微处理器S3C44B0X的I/O口PE4与第三接线端子U3的1脚相连，GND与第三接线端子U3的2脚相连。S3C44B0X微处理器将接收到的功率数据按照比例换算为流量数据。32位微处理器S3C44B0X的EXINT2、EXINT3、EXINT4、EXINT5、EXINT6、EXINT7、与显示模块相连。32位微处理器S3C44B0X的串口GPE1、GPE2、PC12、PC13与RS232模块相连。32位微处理器S3C44B0X通过以下公式：电能＝平均功率×积分时间＝(脉冲个数/积分时间)×积分时间＝脉冲个数得到一个积分周期内水泵消耗的电能，并通过预设的水泵流量与电能消耗关系的数学模型转化为水泵工作时间内的水流量。
图4所示为数据采集软件流程图，ADE7755输出脉冲宽度宽度是大于150ms，而小于300ms的。于是通过定时检测，判断连续状态持续次数的办法来实现检测脉冲的宽度，实际中使用每5ms检测一次电量脉冲信号，若为高电平则将计数值加1，若为低电平则清计数值为0，这样，只要计数值即可得到功率值，并转换为流量数据。
Claims (1)
1.集成于水泵主体上的泵流量检测装置，包括电压采集电路、电流采集电路、功率合成电路和流量数据转换系统，其特征在于：
所述的电流采集电路和电压采集电路对水泵电机消耗的电流和电压进行采样输入所述的功率合成电路进行处理，处理得到的功率数据提供给所述的流量数据转换系统转换成流量数据进行显示和存储；
所述的电流采集电路包括锰铜片(U1)、第一磁珠(L1)、第二磁珠(L2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第一电容(C1)第二电容(C2)、第一接线端子(U3)；
锰铜片(U1)作为采样分流器，安装在水泵电机火线裸线上，锰铜片(U1)的第一输出端与第一磁珠(L1)的一端连接，锰铜片(U1)的第二输出端与第二磁珠(L2)的一端连接，第一磁珠(L1)的另一端与第一电阻(R1)的一端连接，第二磁珠(L2)的另一端与第二电阻(R2)的一端连接，第一电阻(R1)的另一端分别与第一电容(C1)的一端、第一接线端子(U3)的1脚相连；第二电阻(R2)的另一端分别与第二电容(C2)的一端、第一接线端子(U3)的2脚相连；第一电容(C1)的另一端和第二电容(C2)的另一端均接地；
所述的电压采集电路包括接触器(U2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R5)、电位器(R4)、第三电容(C3)和第四电容(C4)；接触器(U2)串接在水泵电机零线裸线上，第三电阻(R3)的一端与接触器(U2)的输出端连接，第三电阻(R3)的另一端分别与第三电容(C3)的一端、电位器(R4)的一端连接；电位器(R4)的另一端与第四电阻(R5)的一端连接，电位器(R4)的可调端与第一接线端子(U3)的3脚相连，第四电阻(R5)的另一端、第四电容(C4)的一端均与第一接线端子(U3)的4脚相连；第三电容(C3)的另一端、第四电阻(R5)的另一端和第四电容(C4)的另一端均接地；
所述的功率合成电路包括功率合成芯片(U5)、第五电阻(R6)、第六电阻(R7)、第七电阻(R8)、第八电阻(R9)、第五电容(C5)、第六电容(C6)、第七电容(C7)、第八电容(C8)、第九电容(C9)、第十电容(C10)、第十一电容(C11)、第十二电容(C12)、第十三电容(C13)、第十四电容(C14)、晶振(X1)、光耦隔离器(D1)、第二接线端子(U4)和第三接线端子(U6)；功率合成芯片(U5)的1脚、2脚接5V电源，3脚通过第五电阻(R6)与5V电源连接，为芯片供电，5脚至8脚分别与第二接线端子(U4)的1脚至4脚连接，9脚通过第六电阻(R7)与5V电源相连；第五电容(C5)一端和第六电容(C6)一端均与5V电源连接，第五电容(C5)另一端和第六电容(C6)另一端均接地，第七电容(C7)一端和第八电容(C8)一端均与功率合成芯片(U5)的10脚连接，第七电容(C7)另一端和第八电容(C8)另一端均接地；功率合成芯片(U5)的11脚、21脚接地，12脚分别与第九电容(C9)的一端、第七电阻(R8)的一端连接，13脚分别与第十电容(C10)的一端、第七电阻(R8)的一端连接，14脚分别与第十一电容(C11)的一端、第七电阻(R8)的一端连接，第七电阻(R8)的另一端接5V电源；功率合成芯片(U5)的17脚分别与晶振(X1)的一端、第十二电容(C12)的一端连接，18脚分别与晶振(X1)的另一端、第十三电容(C13)的一端连接，第十二电容(C12)的另一端和第十三电容(C13)的另一端均接地；功率合成芯片(U5)的20脚通过第八电阻(R9)接地，21脚与光耦隔离器(D1)输入端正极连接，光耦隔离器(D1)输入端负极接地，光耦隔离器输出端正极分别与第十四电容(C14)的一端、第三接线端子(U6)的1脚连接，光耦隔离器输出端负极分别与第十四电容(C14)的另一端、第三接线端子(U6)的2脚连接；第二接线端子(U4)的1至4脚分别与第一接线端子(U3)的1至4脚对应连接；功率合成芯片(U5)其它脚悬空，所述的功率合成芯片(U5)型号为ADE7755；
所述的数据流量数据转换系统为32位ARM微处理器嵌入式系统，包括32位S3C44B0X微处理器和显示模块；32位S3C44B0X微处理器的I/O口PE4与第三接线端子(U6)的1脚相连，第三接线端子(U6)的2脚接地，S3C44B0X微处理器将接收到的功率数据按照比例换算为流量数据，显示模块显示流量数据。
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- 2010-12-30 CN CN201010620039A patent/CN102169001B/zh not_active Expired - Fee Related
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