一種燃氣表端的新型脈沖計量裝置及計量方法與流程

本發明涉及燃氣計量裝置技術領域，尤其是涉及一種燃氣表端的新型脈沖計量裝置及計量方法。

背景技術：

近年來智能燃氣表行業發展迅速，形勢還不斷向好的方向發展，業內對表端計量安全性、準確性方面的要求越來越高，尤其是如何做到抗干擾、降低功耗、降低故障率、提高可靠性、節省制造成本這五個方面的要求更是如此。

如今智能燃氣表的脈沖計量方式包括下面三種方式：

1.干簧管磁控計量方式：采用干簧管傳感器、磁鐵以及計數齒輪的組合，實現計量功能；

2.霍爾磁控計量方式：采用霍爾傳感器、磁鐵以及計數齒輪組合，實現計量功能；

上述兩種計量方式，計數過程均利用磁場信號進行開關控制，并檢測計數齒輪的運動狀態，來實現計量功能。

3.光電直讀計量方式：采用光電傳感器、計數齒輪以及信號處理電路組合實現；計數過程利用在計數齒輪上的小孔來觸發光電傳感器進行采樣，并讀取當前計數齒輪的狀態，來實現計量功能。

上述三種方案存在如下問題：

1.干簧管磁控計量方式：首先，由于干簧管傳感器存在不耐高溫、易損的特點，所以在生產的過程中只能采用人工焊接，并且生產、安裝過程都需要考慮干簧管傳感器的保護問題；第二，由于干簧管傳感器采用磁控計量的方式，所以電磁干擾問題無法避免。

2.霍爾磁控計量方式：由于霍爾傳感器采用采用磁控計量的方式，所以電磁干擾問題同樣無法避免。

3.光電直讀計量方式：由于光電傳感器取樣位置位于計數齒輪上，所以強光對光電傳感器極易產生干擾，并且由于光電直讀計量方式需要基于一組特定的計數齒輪，在采樣后端還需要添加相應的檢測電路，成本高、功耗大，抗光干擾能力差。

技術實現要素：

本發明的發明目的是為了克服現有技術中的燃氣表計量方案效率、抗干擾、壽命以及成本互相無法兼得的問題，提供了一種計量精準、抗光能力強、功耗低、成本低、工藝簡單、生產效率高且抗干擾能力強的能實現光電反射脈沖采樣的燃氣表端的新型脈沖計量裝置及計量方法。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種燃氣表端的新型脈沖計量裝置，包括計數器組件、傳動齒輪組件、計數齒輪、光電傳感器和MCU；所述傳動齒輪組件分別與計數器組件和計數齒輪嚙合；所述光電傳感器與計數齒輪的計數面對應設置；所述MCU與光電傳感器電連接；所述計數齒輪的計數面上設有至少兩個反射計數區域。

本發明主要由光電傳感器包括光電發射管、光電接收管、MCU、計數齒輪以及傳動齒輪組成。其中光電傳感器作為計量開關，MCU進行開關控制以及信號處理。設計在計數齒輪上添加反射介質黑、白兩種顏色的介質并將其作為光電傳感器的開關媒介，當光電傳感器識別白色介質時，傳感器會輸出一個電壓至MCU，當光電傳感器識別黑色介質時，傳感器又會輸出一個電壓至MCU，MCU通過區分不同電壓的信號以實現計量功能。

作為優選，還包括紅外發射管供電電源、紅外接收管供電電源、光電發射電路和光電接收電路；所述光電傳感器包括紅外發射管D1和紅外接收管Q1；所述光電發射電路包括紅外發射管D1；所述光電接收電路包括紅外接收管Q1；所述光電發射電路的一端與紅外發射管供電電源的供電端Ctrl_IR接口電連接，光電發射電路的另一端接地；所述光電接收電路的一端與紅外接收管供電電源的供電端Ctrl_PT接口電連接，光電接收電路的另一端接地；所述MCU分別與紅外發射管供電電源的供電端Ctrl_IR接口、紅外接收管供電電源的供電端Ctrl_PT接口和紅外接收管Q1的信號輸出端PLUSE接口電連接。

作為優選，所述光電發射電路還包括限流電阻R1；所述光電接收電路還包括上拉電阻R2；所述限流電阻R1的一端與紅外發射管供電電源的供電端Ctrl_IR接口電連接，限流電阻R1的另一端與紅外發射管D1的正級電連接；所述紅外發射管D1的負極接地；所述上拉電阻R2的一端與紅外接收管供電電源的供電端Ctrl_PT接口電連接，上拉電阻R2的另一端分別與紅外接收管Q1的C級和紅外接收管Q1的信號輸出端PLUSE接口電連接；所述紅外接收管Q1的E級接地。

作為優選，所述計數齒輪采用黑、白雙色介質制成或者計數齒輪的計數面上設有黑、白雙色涂層，形成黑、白雙色兩個反射計數區域；所述黑、白雙色反射計數區域分別占計數齒輪的計數面的一半面積。

采樣的位置是在避開光線透入的計數齒輪上，且計數齒輪采用黑、白雙色，白色面用于反射光，黑色面用于吸收光，通過兩個狀態的區別以實現計量功能。

作為優選，所述計數齒輪的計數面上的設有光保護環。

計數齒輪周圍添加了光保護環，從而做到了極強的抗電磁干擾以及抗強光干擾的能力，可靠性也相對更高。

作為優選，所述光電傳感器與計數齒輪的間距為3±0.5mm。

光電傳感器面向計數齒輪，從根本上避開光的射入，并做到光電傳感器與齒輪保持在4mm左右的距離，使外界光線進入光電開關管的入射量減少，從而減小光電開關管發射電流，提高智能燃氣表的可靠性。

作為優選，所述紅外接收管Q1的信號輸出端設有濾波電容C1；所述濾波電容C1的一端與紅外接收管Q1的信號輸出端PLUSE接口電連接，濾波電容C1的另一端接地；所述濾波電容C1為COG電容；所述COG電容的內部采用疊層獨石結構。

在光電傳感器的輸出端采用COG電容進行脈沖毛刺的濾波，COG電容具有優良的焊接性和耐焊性的特點，適用于回流焊和波峰焊；其內部采用疊層獨石結構，其容量非常穩定不會隨溫度、電壓和時間的變化而變化，具有高可靠性的特點，將其作為濾波電容來使用可有效的做到后級濾波的效果，使得送入MCU的電平更加平穩可靠。

一種適用于燃氣表端的新型脈沖計量裝置的計量方法，包括如下步驟：

(8-1)程序設定初始化：

設置紅外發射管D1的供電端Ctrl_IR接口為輸出并設置為低；紅外接收管Q1的供電端Ctrl_PT接口為輸出并設置為低；紅外接收管Q1的信號輸出端PLUSE接口為輸入；

(8-2)初始化環境光檢定：

將紅外接收管Q1的供電端Ctrl_PT接口設置為高，判斷紅外接收管Q1的信號輸出端PLUSE接口的電壓值VP；

(8-3)環境光判斷：

根據對紅外接收管Q1的信號輸出端PLUSE接口的電壓值VP的判斷，如果VP小于所設定的最低允許電壓VL，則進行光保護處理；如果VP大于所設定的最低允許電壓VL，則記錄VP電壓值；

(8-4)紅外接收管Q1的信號輸出端PLUSE接口的電壓值VP處理：

將紅外接收管Q1的信號輸出端PLUSE接口的電壓VP除以2作為脈沖計數判斷電壓V；

(8-5)計數檢定：

將紅外發射管D1的供電端Ctrl_IR接口設置為高，判斷紅外接收管Q1的信號輸出端PLUSE接口的電壓值VP；

(8-6)計數判斷并處理：

根據對紅外接收管Q1的信號輸出端PLUSE接口的電壓值VP的判斷，如果VP小于計數判斷電壓V，則認為此時狀態為低；如果VP大于計數判斷電壓V，則認為此時狀態為高；最后記錄判斷結果RX1；

(8-7)MCU進入待機休眠狀態：

MCU待機休眠時間定位T2；

(8-8)MCU喚醒并工作：

MCU喚醒后返回步驟(8-1)再一次開始執行步驟(8-1)至步驟(8-6)的工作，直到判斷到的結果與RX1相反，則MCU進行采樣。

作為優選，所述光保護處理的具體步驟如下：

將紅外發射管D1的供電端Ctrl_IR接口、紅外接收管Q1的供電端Ctrl_PT接口都設置為低，關閉紅外發射管D1和紅外接收管Q1，并關閉燃氣表的閥門；直到有按鍵觸發則再開啟計數。

作為優選，所述步驟(8-1)至步驟(8-6)的時間為T1，步驟(8-7)的時間為T2，步驟(8-1)至步驟(8-8)的時間為T，時間滿足以下關系：

T2＝1000T1，且T2<1/2*3600*N/Q；

其中，N為發射齒輪運行一圈的所對應字輪的位數；Q為燃氣表最大流量單位m³/h。

因此，本發明具有如下有益效果：

1.采用光電反射計量方案，該方案可完全解決磁干擾的問題；通過在采樣齒輪上識別不同的反射計數區域，從根源上減小外界光線的入射角度、減小光電開關的入射電流，從而提高燃氣表的可靠性。

2.可靠性高、抗干擾能力強，所述實例采用光控計量方式，且采樣位置放在傳動齒輪上，并在計數齒輪周圍添加了光保護環，從而做到了極強的抗電磁干擾以及抗強光干擾的能力，可靠性也相對更高。

3.低功耗、低故障率，所述實例中光電傳感器采用周期間歇供電的方式，故而功耗可以變得很低；并且所述實例電路的實現形式簡單，從潛在失效模式分析上來看，元件少的電路比元件多的電路，在電路構成模型類似的前提下，故障率更低，可靠性更強。

4.低制造成本和制造工藝，所述實例各器件屬于貼片器件，在生產過程中可以進行SMT工藝操作，無需人工焊接以及額外的保護措施，所以制造成本以及制造工藝都可以做的相對簡單、方便。

附圖說明

圖1是本發明的一種結構示意圖；

圖2是本發明的一種電路原理圖；

圖3是本發明的一種采樣示意圖。

圖中：計數器組件1、傳動齒輪組件2、計數齒輪3、光電傳感器4、MCU 5、反射計數區域31、光保護環32、紅外發射管D1 41、紅外接收管Q1 42、紅外發射管供電電源61、紅外接收管供電電源62、光電發射電路63、光電接收電路64。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步的描述。

如圖1、圖2、圖3所示的實施例是一種燃氣表端的新型脈沖計量裝置，包括計數器組件1、傳動齒輪組件2、計數齒輪3、光電傳感器4和MCU 5；所述傳動齒輪組件2分別與計數器組件1和計數齒輪嚙合3；所述光電傳感器4與計數齒輪3的計數面對應設置；所述MCU 5與光電傳感器4電連接；所述計數齒輪3的計數面上設有至少兩個反射計數區域31；還包括紅外發射管供電電源61、紅外接收管供電電源62、光電發射電路63和光電接收電路64；所述光電傳感器4包括紅外發射管D1 41和紅外接收管Q1 42；所述光電發射電路63包括紅外發射管D1 41；所述光電接收電路64包括紅外接收管Q1 42；所述光電發射電路63的一端與紅外發射管供電電源61的供電端Ctrl_IR接口電連接，光電發射電路63的另一端接地；所述光電接收電路64的一端與紅外接收管供電電源62的供電端Ctrl_PT接口電連接，光電接收電路64的另一端接地；所述MCU 5分別與紅外發射管供電電源61的供電端Ctrl_IR接口、紅外接收管供電電源62的供電端Ctrl_PT接口和紅外接收管Q1 42的信號輸出端PLUSE接口電連接；

所述光電發射電路63還包括限流電阻R1；所述光電接收電路64還包括上拉電阻R2；所述限流電阻R1的一端與紅外發射管供電電源61的供電端Ctrl_IR接口電連接，限流電阻R1的另一端與紅外發射管D1 41的正級電連接；所述紅外發射管D1 41的負極接地；所述上拉電阻R2的一端與紅外接收管供電電源62的供電端Ctrl_PT接口電連接，上拉電阻R2的另一端分別與紅外接收管Q1 42的C級和紅外接收管Q1 42的信號輸出端PLUSE接口電連接；所述紅外接收管Q1 42的E級接地；

所述計數齒輪3采用黑、白雙色介質制成或者計數齒輪3的計數面上設有黑、白雙色涂層，形成黑、白雙色兩個反射計數區域31；所述黑、白雙色反射計數區域31分別占計數齒輪3的計數面的一半面積；

所述計數齒輪3的計數面上的設有光保護環32；

所述光電傳感器4與計數齒輪3的間距為3±0.5mm；

所述紅外接收管Q1 42的信號輸出端設有濾波電容C1；所述濾波電容C1的一端與紅外接收管Q1 42的信號輸出端PLUSE接口電連接，濾波電容C1的另一端接地；所述濾波電容C1為COG電容；所述COG電容的內部采用疊層獨石結構。

一種適用于燃氣表端的新型脈沖計量裝置的計量方法，包括如下步驟：

(8-1)程序設定初始化：

設置紅外發射管D1 41的供電端Ctrl_IR接口為輸出并設置為低；紅外接收管Q1 42的供電端Ctrl_PT接口為輸出并設置為低；紅外接收管Q1 42的信號輸出端PLUSE接口為輸入；

(8-2)初始化環境光檢定：

將紅外接收管Q1 42的供電端Ctrl_PT接口設置為高，判斷紅外接收管Q1 42的信號輸出端PLUSE接口的電壓值VP；

(8-3)環境光判斷：

根據對紅外接收管Q1 42的信號輸出端PLUSE接口的電壓值VP的判斷，如果VP小于所設定的最低允許電壓VL，則進行光保護處理；如果VP大于所設定的最低允許電壓VL，則記錄VP電壓值；

(8-4)紅外接收管Q1的信號輸出端PLUSE接口的電壓值VP處理：

將紅外接收管Q1 42的信號輸出端PLUSE接口的電壓VP除以2作為脈沖計數判斷電壓V；(8-5)計數檢定：

將紅外發射管D1 41的供電端Ctrl_IR接口設置為高，判斷紅外接收管Q1 42的信號輸出端PLUSE接口的電壓值VP；

(8-6)計數判斷并處理：

根據對紅外接收管Q1 42的信號輸出端PLUSE接口的電壓值VP的判斷，如果VP小于計數判斷電壓V，則認為此時狀態為低；如果VP大于計數判斷電壓V，則認為此時狀態為高；最后記錄判斷結果RX1；

(8-7)MCU進入待機休眠狀態：

MCU 5待機休眠時間定位T2；

(8-8)MCU喚醒并工作：

MCU 5喚醒后返回步驟(8-1)再一次開始執行步驟(8-1)至步驟(8-6)的工作，直到判斷到的結果與RX1相反，則MCU 5進行采樣。

作為優選，所述光保護處理的具體步驟如下：

將紅外發射管D1 41的供電端Ctrl_IR接口、紅外接收管Q1 42的供電端Ctrl_PT接口都設置為低，關閉紅外發射管D1 41和紅外接收管Q1 42，并關閉燃氣表的閥門；直到有按鍵觸發則再開啟計數。

作為優選，所述步驟(8-1)至步驟(8-6)的時間為T1，步驟(8-7)的時間為T2，步驟(8-1)至步驟(8-8)的時間為T，時間滿足以下關系：

T2＝1000T1，且T2<1/2*3600*N/Q；

其中，N為發射齒輪運行一圈的所對應字輪的位數；Q為燃氣表最大流量單位m³/h。

在本發明中，燃氣表從左到右一共設置八個采樣字輪，這八個采樣字輪中，五個表示整數位，三個表示小數位，八個采樣字輪能夠表示的最大數字是99999.999。方案中，采樣齒輪為最后一個齒輪，齒輪轉動一圈，剛好跑氣0.01m³，則N＝0.01³，Q為最大流量，如今民用燃氣表最大氣量為6m³，那么走0.01m³的氣最少時間為6S，方案將計數齒輪分成了一半黑色一半白色，那么我采樣周期T2必須小于3S，而方案中T2時間設定為1S，所以足以保證計數的精準。

如今智能式家用膜式燃氣表的流量類型一般只有三種1.6方、2.5方與4方，在這幾種不同流量電下滿足如下關系：

根據上述數據并結合設計方案，可以知道在最大跑氣流量下，一個周期需要最少需要5S，為了保證一個周期內一定會有兩次有效的電平，那么一個周期最少需要觸發四次；根據結論分析，設計具體實施方案如下：

在結構設計上將光電反射開關的反光面設計在表端其中一個傳動齒輪稱為計數齒輪上，將作為反光面的計數齒輪設計成黑白雙色齒輪并與光電反射開關保持3±0.5mm的距離；作為反射面的計數齒輪還需要與數碼輪0.001方字輪同步，當0.001方字輪轉動一圈的時候恰好該計數齒輪也轉動一圈。

在軟件設計上它包括間歇供電、AD采樣以及數字電平比較三個步驟，間歇供電與程序喚醒同步，假設表每間隔1S喚醒一次，那么無論在跑氣或者靜態都只要在單片機MCU喚醒的時候進行檢測即可，由于一個周期需要最少需要5S的時間，所以不需要額外再打開計量電路電源去操作該模塊電路。當每一次程序被喚醒的時候進行一次脈沖采樣，首先將CTRL置高，給電路供電，延時一段時間，等待電平穩定后再進行AD采樣，讀取當前PULSE端的電壓值，將讀取到的電壓值與被設定的電壓值進行比較，判斷當前齒輪所在位置；

在硬件電路設計上它包括電信號轉換成光信號，光信號采集，光信號轉換為電信號，輸出端電信號濾波處理這幾個步驟，當CTRL打開后開始進行如下操作：1)電信號轉換成光信號：通電后電流通過電阻R1流過光電傳感器D40的1、2號引腳，形成回路，此時發射端點亮；2)光信號采集：光電傳感器D40的發射端發射出的紅外光遇到齒輪的反射面，反射回光電傳感器D40的接收端；3)光信號轉換為電信號：當紅外光反射回接收端時會遇到如下兩種情況，如果遇到的是黑色面，則大部分光都會反射面被吸收，僅留下殘留的余光回到接收端，接收管此時處于不導通或微導通狀態，PULSE端輸出一個高電平；如果遇到的是白色面，則大部分光都會被反射面反射，然后回到接收端，此時接收管處于導通狀態，PULSE端輸出一個低電平；4)電信號濾波處理：由于輸出的波形會出現一定的毛刺或者波動，在PULSE輸出端加上一個0.1nF的COG電容，在不造成輸出延時的情況下濾掉不該存在的毛刺，避免接收到的結果不準確。

因此，本發明具有如下有益效果：計量精準、抗光能力強、功耗低、成本低、工藝簡單、生產效率高且抗干擾能力強的能實現光電反射脈沖采樣。

應理解，本實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。