民用IC卡智能燃气表基本原理及计量传感器简介_工程实践

摘要

民用智能燃气表是一种利用现代微电子技术、现代传感器技术、及控制技术对用气量进行计量并进行用气控制、数据传递及结算交易的新型燃气表。具有计量准确，性能可靠，使用安全方

民用智能燃气表是一种利用现代微电子技术、现代传感器技术、及控制技术对用气量进行计量并进行用气控制、数据传递及结算交易的新型燃气表。具有计量准确，性能可靠，使用安全方便等特点，作为民用燃气终端计量设备，可降低燃气企业经营管理成本，有效提高供气企业的信息化和科学化管理水平。

民用智能燃气表按气量输入方式有接触式和非接触式，按显示方式有单显表、双显表，按控制阀门安装位置分一体式和分体式，按数据传输方式有无线远传式和有线集抄式，按数据卡分有逻辑加密卡和CPU卡等，其计量工作原理大致相同，均由基表、采样部件（传感器）、信息载体（如IC卡、CPU卡、无线等）、计量电路、主电路控制系统以及气路通断控制电机阀、显示提示装置及电源（电池）等组成。下面以IC卡智能燃气表为例介绍其基本工作原理：

一、IC卡燃气表的硬件部分及作用：

1、基表：燃气流量的原始计量器，智能燃气表的计量精度主要由基表来保证，民用智能燃气表一般选用符合GB/T6968-1997《膜式煤气表》规定的B级皮膜表作为基准计量器。

2、控制器：控制器一般由计量传感器电路、微功耗单片机、微功耗阀门、电压测试电路、防窃气电路等部分组成(如图所示)。具有精确记数功能、功能卡传输媒介功能、阀门自动处理功能、非法操作处理功能、欠压处理功能、掉电处理功能、数据下载功能、数据显示与声音提示功能等。采用单片机对传感器的脉冲进行计量、分析处理，并驱动相应的部件进行控制。主要包括CPU、读写卡接口、显示、计数等辅助部件，是IC卡燃气表的核心设备。

3、控制阀：在控制电路的驱动下控制燃气的通断。主要分电磁阀和电机阀：电磁阀主要在早期分体式产品上采用，由电磁线圈产生的磁力来控制阀门的开启或闭合，存在抗干扰能力差，阀门动作瞬间电流大，阀门动作不到位，体积较大，易人为破坏等问题。电机阀由直流电机来控制阀门的开启或闭合，具有抗干扰能力强，阀门动作到位好，体积小，易内置。现在民用智能燃气表主要采用电机阀为主。

4、IC卡卡片：记录购气量，传递燃气表数据信息。

5、电源部分：为智能燃气表整机提供能源，主要有碱性电池或锂电池。

二、IC卡智能燃气表工作原理：

以IC卡作为信息载体，用户购气时，所购气量数据被写入IC卡中，用户将IC卡插入燃气表上的控制器内，气量数据转入控制器中，卡即可取出；当基表运行时，由计量传感器将燃气表运行时的单位体积量转化为计量脉冲当量，通过计量电路对数据进行计量并从预购气量中自动扣减；当表内剩余气量小于预先设定的报警气量时，给出显示提示和声音报警，提示用户及时购气；当剩余气量为零时，关闭阀门，用户重新购气插卡打开阀门用气。当有外部电磁干扰、电池电量不足或超出流量设定值时，通过主电路控制系统关闭电机阀。在排除外部影响因素后，电机阀打开，用户正常用气。

三、常用计量传感器简介：

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IC卡智能燃气表的计量准确性有着举足轻重的作用。由于IC卡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IC卡智能燃气表上常用的计量传感器主要有机械簧片式，干簧管传感器，霍尔传感器，光电传感器等。

机械触点采样在最早期的智能燃气表中有过采用，由设置在基表计量数轮上的凸块触动弹性簧片接触产生脉冲，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。

霍尔传感器是一种磁传感器，以霍尔效应为其工作基础。当粘贴在基表运动齿轮或计数齿轮上的磁体经过霍尔传感器时产生计量脉冲。霍尔传感器具有无触点、无磨损、结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。输出波形清晰、无抖动、无回跳等特点。但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。主要应用在单显示表及采样频率要求较高的燃气表中。

光电采样是利用在基表的运动齿轮或计数齿轮上的小孔（对射型）或粘贴的反光点（反射型）来触发光电传感器进行采样，光电传感器由发射器、接收器和检测电路三部分组成。发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管（LED）和激光二极管。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和输出该信号。光电传感器具有可靠性高，抗干扰能力强，抗腐蚀等特点，但成本相对较高，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，只在对采样精度要求较高或智能表使用环境电磁干扰较强的产品上使用。
在智能燃气表中使用的光电传感器主要为对射型和反射型。受基表内部安装空间所限，一般选用反射型光电传感器。

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。但其抗电磁干扰能力较差，需要采用相应的抗电磁干扰技术。目前IC卡智能燃气表除有特殊要求外，均选用干簧管传感器进行采样。下面对干簧管传感器采样工作原理进行简要介绍：

干簧管由一对由磁性材料制造的弹性磁簧组成，磁簧密封于充有惰性气体的玻璃管中，磁簧端面互叠，但留有一条细间隙。磁簧端面触点镀有一层贵金属，使开关具有稳定的特性和延长使用寿命。

在双显示智能燃气表中，一般采用在基表0.01位计数轮上安装小磁体，当燃气表运转时，磁体运动到干簧管传感器部位时干簧管簧片吸合，磁体离开时，簧片分开，产生计量脉冲，由于0.01位计数轮每转动一周产生一个脉冲，故每个脉冲代表0.1m³燃气体积，这个值称为脉冲体积当量。在单显示智能表中，由于取掉了基表的机械计数部件，一般采用在基表内部传动齿轮上安装小磁体，通过干簧管传感器采集脉冲并将脉冲引出表体。采样部位不同，每个脉冲当量代表的燃气体积也不同。一般来讲，内部采样频率远高于外部采样频率，采样精度可更高，可达到0.0001m³甚至更高。对单显示智能表，可通过调整脉冲体积当量，实现在线校表。

四、干簧管传感器在智能燃气表采样应用中需注意的问题：

1、电磁干扰：由于干簧管属于磁敏感器件，电磁干扰对其采样的可靠性有着很大的影响，故对干簧管传感器应设计防电磁干扰电路（防窃气电路），一般采取加装单独的防电磁干扰干簧管或采用双干簧管采样技术。

2、脉冲当量的选择：对于IC卡智能燃气表来讲，脉冲当量多选择在0.1-0.0001之间，过大则不易在上门寻检时及时发现控制器不减数的故障表，过小则会使采样频率大大增加，降低了干簧管使用寿命。采样频率与采样点的选择位置密切相关，一般带显示字轮的双显示智能燃气表采样点均选择在基表计数轮0.01或0.001轮位，每个脉冲相当于0.1 m³或0.01 m³燃气；对单液晶显示表，由于取消了基表计数轮，为达到燃气表计量检定的要求，采样频率要远高于双显表，每个脉冲相当于0.0001 m³燃气，所以，应选用可靠吸合次数大于10⁸以上的干簧管。

3、干簧管的抖动；当磁体停止运动时位置正好处于干簧管吸合的临界点处，当受外界的震动等因素影响，会使传感器产生非计量脉冲，需要在采样电路中增加消抖动电路或采用双干簧管传感器采样来消除干簧管抖动对计量数据的影响。

五、几种传感器的比较：

传感器类型	优点	缺点	备注
机械触点式	结构简单，抗电磁干扰，成本低	采样可靠性差，抗腐蚀性能差，故障率高，防爆性能差。	已不采用
干簧管传感器	结构简单，成本低，寿命长，不工作时不耗电，采样可靠性高，	需加装防电磁干扰电路和防抖动电路，	现有智能燃气表的主要采样方式
光电传感器	体积小，安装方便，响应速度快，采样可靠性高，无抖动，抗电磁干扰，	需额外供电，成本较高，怕灰尘，对环境要求较高。易受强光干扰，	使用在电磁干扰较大的场合，在智能电表中使用较多
霍尔传感器	结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。无触点、无磨损、无抖动、无回跳。	需额外供电，输出信号需放大，需加装抗电磁干扰电路，	应用于振动较大及灰尘、水汽较大的环境

(本文作者：郭延宏兰州燃气化工集团有限公司)