【经验】高灵敏度微型干簧管在燃气表中如何实现计数采样功能

时间： 2018-04-13 来源：世强

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计量传感器（采样部分）承担数据转换的作用，是将基表的计量体积量转化为单片机可处理的脉冲量，对燃气表的计量准确性有着举足轻重的作用。由于燃气表安装位置一般处于厨房等温差较大的高湿环境中，传感器必须保证采样的可靠性和准确性。在实际应用中由于计量传感器出现问题会引发如基表与控制器气量不符、控制器不计量、不过气等故障现象。会严重影响燃气表的正常使用。

在燃气表上常用的计量传感器主要有机械簧片式，霍尔传感器，光电传感器，干簧管传感器等。

机械触点采样在最早期的智能燃气表中有过采用，具有结构简单、成本低、抗电磁干扰的特点，但也存在抗腐蚀性差，采样可靠性低，故障率高，且需对触点部位采取防爆隔离处理等缺点，已被淘汰。

霍尔传感器需要额外的电源电路对其供电，其输出信号弱，需要加放大电路。同时静电放电（ESD）可能损坏霍尔传感器，对电磁干扰和温度较敏感。

光电传感器成本相对较高，采样部分要求不间断供电，工作时对环境条件要求较高，强光对其易产生干扰等。

干簧管传感器采样属于电磁采样技术，具有体积小，结构简单，采样可靠性高，成本低，无磨损元件，对环境要求低，其最大的特点是不工作时不耗电。目前燃气表除有特殊要求外，均选用干簧管传感器进行采样。

在燃气表的采样原理中，一个永磁铁镶嵌在字轮中，干簧管安装在字轮架上，字轮每转一圈，磁铁吸干簧管一次。

设计应用

干簧管是燃气表采样计数模块的核心部件，笔者在设计中选择LITTELFUSE的MDSR-10，该干簧管可靠性好，灵敏度高，尺寸小。

为了防止磁铁在干簧管处抖动产生误计数的情况，在设计中采用双干簧管计数的方案，两个干簧管交替吸合一次，产生一个正常的计数周期。计数方式有中断计数和扫描计数两种。

中断计数和扫描计数两者程序流程如下：

1.中断计数：

1)开启两个干簧管对应引脚的中断模式；

2)当磁铁吸合干簧管A，进入中断，置“干簧管A吸合”标志；

3)当磁铁吸合干簧管B，进入中断，判断是否已经有“干簧管A吸合”标识，如果有置“正常计数周期”标志，如果没有退出中断。

2.扫描计数：

1)程序以扫描的方式，每轮询一次查看是否有计数脉冲；

2)每一次轮询中打开扫描计数电源；

3)查看是否有计数脉冲A或者B；

4)当磁铁吸合干簧管A，置“干簧管A吸合”标志；当磁铁吸合干簧管B，判断是否已经有“干簧管A吸合”标识，如果有置“正常计数周期”标志，没有退出。

上述两种计数方式，各有其优缺点。中断方式实时性高，不占用单片机时间资源，有利于降低功耗。但是在一些环境湿度比较大的场合，线路板如果防潮措施没做好，检测IO口对地会产生一个电阻，电阻值根据环境湿度不同在100K欧姆至几百K欧姆之间，这会造成单片机检测口出现1V多的电压，单片机误认为干簧管吸合，产生错误计数。因此中断方式潮湿环境中不适用。

扫描方式因为是固定时间周期扫描。因此分压电阻可以选择的小一些，笔者在项目中选择的是680欧姆，这样即使因为环境问题检测口产生100K欧姆至几百K欧姆，也不会使检测口的电压出现错误判断。在扫描方式方式中扫描频率是需要计算的重要参数。笔者在项目中的计算过程如下：

干簧管闭合时间t计算公式如下：

公式（1）为根据采用几方表的最大流量值算出的1s走过的体积升数；例如4方表，qmax为6m³/h。

公式（2）为走过1L用的时间秒；

公式（3）根据磁钢镶在10L的刻度字轮上，所以干簧管闭合时间为10t1；

采样的最大时间T为：

公式（4）采样频率为计算的2倍。

例如4方的表：流量 0.04~6.0 （m³/h）

根据上述计算采样频率大于2.5s是安全的，不会丢失计数脉冲。如果磁钢镶在1L的刻度字轮上，采样时间应为上述计算的1/10。

干簧管传感器体积小，结构简单，采样可靠性高，成本低，无磨损元件，对环境要求低，寿命长，可靠吸合次数远远大于燃气表10年的使用寿命。不工作时不耗电，特别适合燃气表这种用电池供电的低功耗产品。干簧管传感器是燃气表计量传感器的理想选择。

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