一种燃气表端的新型脉冲计量装置及计量方法与流程

本发明涉及燃气计量装置技术领域，尤其是涉及一种燃气表端的新型脉冲计量装置及计量方法。

背景技术：

近年来智能燃气表行业发展迅速，形势还不断向好的方向发展，业内对表端计量安全性、准确性方面的要求越来越高，尤其是如何做到抗干扰、降低功耗、降低故障率、提高可靠性、节省制造成本这五个方面的要求更是如此。

如今智能燃气表的脉冲计量方式包括下面三种方式：

1.干簧管磁控计量方式：采用干簧管传感器、磁铁以及计数齿轮的组合，实现计量功能；

2.霍尔磁控计量方式：采用霍尔传感器、磁铁以及计数齿轮组合，实现计量功能；

上述两种计量方式，计数过程均利用磁场信号进行开关控制，并检测计数齿轮的运动状态，来实现计量功能。

3.光电直读计量方式：采用光电传感器、计数齿轮以及信号处理电路组合实现；计数过程利用在计数齿轮上的小孔来触发光电传感器进行采样，并读取当前计数齿轮的状态，来实现计量功能。

上述三种方案存在如下问题：

1.干簧管磁控计量方式：首先，由于干簧管传感器存在不耐高温、易损的特点，所以在生产的过程中只能采用人工焊接，并且生产、安装过程都需要考虑干簧管传感器的保护问题；第二，由于干簧管传感器采用磁控计量的方式，所以电磁干扰问题无法避免。

2.霍尔磁控计量方式：由于霍尔传感器采用采用磁控计量的方式，所以电磁干扰问题同样无法避免。

3.光电直读计量方式：由于光电传感器取样位置位于计数齿轮上，所以强光对光电传感器极易产生干扰，并且由于光电直读计量方式需要基于一组特定的计数齿轮，在采样后端还需要添加相应的检测电路，成本高、功耗大，抗光干扰能力差。

技术实现要素：

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的燃气表计量方案效率、抗干扰、寿命以及成本互相无法兼得的问题，提供了一种计量精准、抗光能力强、功耗低、成本低、工艺简单、生产效率高且抗干扰能力强的能实现光电反射脉冲采样的燃气表端的新型脉冲计量装置及计量方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种燃气表端的新型脉冲计量装置，包括计数器组件、传动齿轮组件、计数齿轮、光电传感器和MCU；所述传动齿轮组件分别与计数器组件和计数齿轮啮合；所述光电传感器与计数齿轮的计数面对应设置；所述MCU与光电传感器电连接；所述计数齿轮的计数面上设有至少两个反射计数区域。

本发明主要由光电传感器包括光电发射管、光电接收管、MCU、计数齿轮以及传动齿轮组成。其中光电传感器作为计量开关，MCU进行开关控制以及信号处理。设计在计数齿轮上添加反射介质黑、白两种颜色的介质并将其作为光电传感器的开关媒介，当光电传感器识别白色介质时，传感器会输出一个电压至MCU，当光电传感器识别黑色介质时，传感器又会输出一个电压至MCU，MCU通过区分不同电压的信号以实现计量功能。

作为优选，还包括红外发射管供电电源、红外接收管供电电源、光电发射电路和光电接收电路；所述光电传感器包括红外发射管D1和红外接收管Q1；所述光电发射电路包括红外发射管D1；所述光电接收电路包括红外接收管Q1；所述光电发射电路的一端与红外发射管供电电源的供电端Ctrl_IR接口电连接，光电发射电路的另一端接地；所述光电接收电路的一端与红外接收管供电电源的供电端Ctrl_PT接口电连接，光电接收电路的另一端接地；所述MCU分别与红外发射管供电电源的供电端Ctrl_IR接口、红外接收管供电电源的供电端Ctrl_PT接口和红外接收管Q1的信号输出端PLUSE接口电连接。

作为优选，所述光电发射电路还包括限流电阻R1；所述光电接收电路还包括上拉电阻R2；所述限流电阻R1的一端与红外发射管供电电源的供电端Ctrl_IR接口电连接，限流电阻R1的另一端与红外发射管D1的正级电连接；所述红外发射管D1的负极接地；所述上拉电阻R2的一端与红外接收管供电电源的供电端Ctrl_PT接口电连接，上拉电阻R2的另一端分别与红外接收管Q1的C级和红外接收管Q1的信号输出端PLUSE接口电连接；所述红外接收管Q1的E级接地。

作为优选，所述计数齿轮采用黑、白双色介质制成或者计数齿轮的计数面上设有黑、白双色涂层，形成黑、白双色两个反射计数区域；所述黑、白双色反射计数区域分别占计数齿轮的计数面的一半面积。

采样的位置是在避开光线透入的计数齿轮上，且计数齿轮采用黑、白双色，白色面用于反射光，黑色面用于吸收光，通过两个状态的区别以实现计量功能。

作为优选，所述计数齿轮的计数面上的设有光保护环。

计数齿轮周围添加了光保护环，从而做到了极强的抗电磁干扰以及抗强光干扰的能力，可靠性也相对更高。

作为优选，所述光电传感器与计数齿轮的间距为3±0.5mm。

光电传感器面向计数齿轮，从根本上避开光的射入，并做到光电传感器与齿轮保持在4mm左右的距离，使外界光线进入光电开关管的入射量减少，从而减小光电开关管发射电流，提高智能燃气表的可靠性。

作为优选，所述红外接收管Q1的信号输出端设有滤波电容C1；所述滤波电容C1的一端与红外接收管Q1的信号输出端PLUSE接口电连接，滤波电容C1的另一端接地；所述滤波电容C1为COG电容；所述COG电容的内部采用叠层独石结构。

在光电传感器的输出端采用COG电容进行脉冲毛刺的滤波，COG电容具有优良的焊接性和耐焊性的特点，适用于回流焊和波峰焊；其内部采用叠层独石结构，其容量非常稳定不会随温度、电压和时间的变化而变化，具有高可靠性的特点，将其作为滤波电容来使用可有效的做到后级滤波的效果，使得送入MCU的电平更加平稳可靠。

一种适用于燃气表端的新型脉冲计量装置的计量方法，包括如下步骤：

(8-1)程序设定初始化：

设置红外发射管D1的供电端Ctrl_IR接口为输出并设置为低；红外接收管Q1的供电端Ctrl_PT接口为输出并设置为低；红外接收管Q1的信号输出端PLUSE接口为输入；

(8-2)初始化环境光检定：

将红外接收管Q1的供电端Ctrl_PT接口设置为高，判断红外接收管Q1的信号输出端PLUSE接口的电压值VP；

(8-3)环境光判断：

根据对红外接收管Q1的信号输出端PLUSE接口的电压值VP的判断，如果VP小于所设定的最低允许电压VL，则进行光保护处理；如果VP大于所设定的最低允许电压VL，则记录VP电压值；

(8-4)红外接收管Q1的信号输出端PLUSE接口的电压值VP处理：

将红外接收管Q1的信号输出端PLUSE接口的电压VP除以2作为脉冲计数判断电压V；

(8-5)计数检定：

将红外发射管D1的供电端Ctrl_IR接口设置为高，判断红外接收管Q1的信号输出端PLUSE接口的电压值VP；

(8-6)计数判断并处理：

根据对红外接收管Q1的信号输出端PLUSE接口的电压值VP的判断，如果VP小于计数判断电压V，则认为此时状态为低；如果VP大于计数判断电压V，则认为此时状态为高；最后记录判断结果RX1；

(8-7)MCU进入待机休眠状态：

MCU待机休眠时间定位T2；

(8-8)MCU唤醒并工作：

MCU唤醒后返回步骤(8-1)再一次开始执行步骤(8-1)至步骤(8-6)的工作，直到判断到的结果与RX1相反，则MCU进行采样。

作为优选，所述光保护处理的具体步骤如下：

将红外发射管D1的供电端Ctrl_IR接口、红外接收管Q1的供电端Ctrl_PT接口都设置为低，关闭红外发射管D1和红外接收管Q1，并关闭燃气表的阀门；直到有按键触发则再开启计数。

作为优选，所述步骤(8-1)至步骤(8-6)的时间为T1，步骤(8-7)的时间为T2，步骤(8-1)至步骤(8-8)的时间为T，时间满足以下关系：

T2＝1000T1，且T2<1/2*3600*N/Q；

其中，N为发射齿轮运行一圈的所对应字轮的位数；Q为燃气表最大流量单位m³/h。

因此，本发明具有如下有益效果：

1.采用光电反射计量方案，该方案可完全解决磁干扰的问题；通过在采样齿轮上识别不同的反射计数区域，从根源上减小外界光线的入射角度、减小光电开关的入射电流，从而提高燃气表的可靠性。

2.可靠性高、抗干扰能力强，所述实例采用光控计量方式，且采样位置放在传动齿轮上，并在计数齿轮周围添加了光保护环，从而做到了极强的抗电磁干扰以及抗强光干扰的能力，可靠性也相对更高。

3.低功耗、低故障率，所述实例中光电传感器采用周期间歇供电的方式，故而功耗可以变得很低；并且所述实例电路的实现形式简单，从潜在失效模式分析上来看，元件少的电路比元件多的电路，在电路构成模型类似的前提下，故障率更低，可靠性更强。

4.低制造成本和制造工艺，所述实例各器件属于贴片器件，在生产过程中可以进行SMT工艺操作，无需人工焊接以及额外的保护措施，所以制造成本以及制造工艺都可以做的相对简单、方便。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是本发明的一种电路原理图；

图3是本发明的一种采样示意图。

图中：计数器组件1、传动齿轮组件2、计数齿轮3、光电传感器4、MCU 5、反射计数区域31、光保护环32、红外发射管D1 41、红外接收管Q1 42、红外发射管供电电源61、红外接收管供电电源62、光电发射电路63、光电接收电路64。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1、图2、图3所示的实施例是一种燃气表端的新型脉冲计量装置，包括计数器组件1、传动齿轮组件2、计数齿轮3、光电传感器4和MCU 5；所述传动齿轮组件2分别与计数器组件1和计数齿轮啮合3；所述光电传感器4与计数齿轮3的计数面对应设置；所述MCU 5与光电传感器4电连接；所述计数齿轮3的计数面上设有至少两个反射计数区域31；还包括红外发射管供电电源61、红外接收管供电电源62、光电发射电路63和光电接收电路64；所述光电传感器4包括红外发射管D1 41和红外接收管Q1 42；所述光电发射电路63包括红外发射管D1 41；所述光电接收电路64包括红外接收管Q1 42；所述光电发射电路63的一端与红外发射管供电电源61的供电端Ctrl_IR接口电连接，光电发射电路63的另一端接地；所述光电接收电路64的一端与红外接收管供电电源62的供电端Ctrl_PT接口电连接，光电接收电路64的另一端接地；所述MCU 5分别与红外发射管供电电源61的供电端Ctrl_IR接口、红外接收管供电电源62的供电端Ctrl_PT接口和红外接收管Q1 42的信号输出端PLUSE接口电连接；

所述光电发射电路63还包括限流电阻R1；所述光电接收电路64还包括上拉电阻R2；所述限流电阻R1的一端与红外发射管供电电源61的供电端Ctrl_IR接口电连接，限流电阻R1的另一端与红外发射管D1 41的正级电连接；所述红外发射管D1 41的负极接地；所述上拉电阻R2的一端与红外接收管供电电源62的供电端Ctrl_PT接口电连接，上拉电阻R2的另一端分别与红外接收管Q1 42的C级和红外接收管Q1 42的信号输出端PLUSE接口电连接；所述红外接收管Q1 42的E级接地；

所述计数齿轮3采用黑、白双色介质制成或者计数齿轮3的计数面上设有黑、白双色涂层，形成黑、白双色两个反射计数区域31；所述黑、白双色反射计数区域31分别占计数齿轮3的计数面的一半面积；

所述计数齿轮3的计数面上的设有光保护环32；

所述光电传感器4与计数齿轮3的间距为3±0.5mm；

所述红外接收管Q1 42的信号输出端设有滤波电容C1；所述滤波电容C1的一端与红外接收管Q1 42的信号输出端PLUSE接口电连接，滤波电容C1的另一端接地；所述滤波电容C1为COG电容；所述COG电容的内部采用叠层独石结构。

一种适用于燃气表端的新型脉冲计量装置的计量方法，包括如下步骤：

(8-1)程序设定初始化：

设置红外发射管D1 41的供电端Ctrl_IR接口为输出并设置为低；红外接收管Q1 42的供电端Ctrl_PT接口为输出并设置为低；红外接收管Q1 42的信号输出端PLUSE接口为输入；

(8-2)初始化环境光检定：

将红外接收管Q1 42的供电端Ctrl_PT接口设置为高，判断红外接收管Q1 42的信号输出端PLUSE接口的电压值VP；

(8-3)环境光判断：

根据对红外接收管Q1 42的信号输出端PLUSE接口的电压值VP的判断，如果VP小于所设定的最低允许电压VL，则进行光保护处理；如果VP大于所设定的最低允许电压VL，则记录VP电压值；

(8-4)红外接收管Q1的信号输出端PLUSE接口的电压值VP处理：

将红外接收管Q1 42的信号输出端PLUSE接口的电压VP除以2作为脉冲计数判断电压V；(8-5)计数检定：

将红外发射管D1 41的供电端Ctrl_IR接口设置为高，判断红外接收管Q1 42的信号输出端PLUSE接口的电压值VP；

(8-6)计数判断并处理：

根据对红外接收管Q1 42的信号输出端PLUSE接口的电压值VP的判断，如果VP小于计数判断电压V，则认为此时状态为低；如果VP大于计数判断电压V，则认为此时状态为高；最后记录判断结果RX1；

(8-7)MCU进入待机休眠状态：

MCU 5待机休眠时间定位T2；

(8-8)MCU唤醒并工作：

MCU 5唤醒后返回步骤(8-1)再一次开始执行步骤(8-1)至步骤(8-6)的工作，直到判断到的结果与RX1相反，则MCU 5进行采样。

作为优选，所述光保护处理的具体步骤如下：

将红外发射管D1 41的供电端Ctrl_IR接口、红外接收管Q1 42的供电端Ctrl_PT接口都设置为低，关闭红外发射管D1 41和红外接收管Q1 42，并关闭燃气表的阀门；直到有按键触发则再开启计数。

作为优选，所述步骤(8-1)至步骤(8-6)的时间为T1，步骤(8-7)的时间为T2，步骤(8-1)至步骤(8-8)的时间为T，时间满足以下关系：

T2＝1000T1，且T2<1/2*3600*N/Q；

其中，N为发射齿轮运行一圈的所对应字轮的位数；Q为燃气表最大流量单位m³/h。

在本发明中，燃气表从左到右一共设置八个采样字轮，这八个采样字轮中，五个表示整数位，三个表示小数位，八个采样字轮能够表示的最大数字是99999.999。方案中，采样齿轮为最后一个齿轮，齿轮转动一圈，刚好跑气0.01m³，则N＝0.01³，Q为最大流量，如今民用燃气表最大气量为6m³，那么走0.01m³的气最少时间为6S，方案将计数齿轮分成了一半黑色一半白色，那么我采样周期T2必须小于3S，而方案中T2时间设定为1S，所以足以保证计数的精准。

如今智能式家用膜式燃气表的流量类型一般只有三种1.6方、2.5方与4方，在这几种不同流量电下满足如下关系：

根据上述数据并结合设计方案，可以知道在最大跑气流量下，一个周期需要最少需要5S，为了保证一个周期内一定会有两次有效的电平，那么一个周期最少需要触发四次；根据结论分析，设计具体实施方案如下：

在结构设计上将光电反射开关的反光面设计在表端其中一个传动齿轮称为计数齿轮上，将作为反光面的计数齿轮设计成黑白双色齿轮并与光电反射开关保持3±0.5mm的距离；作为反射面的计数齿轮还需要与数码轮0.001方字轮同步，当0.001方字轮转动一圈的时候恰好该计数齿轮也转动一圈。

在软件设计上它包括间歇供电、AD采样以及数字电平比较三个步骤，间歇供电与程序唤醒同步，假设表每间隔1S唤醒一次，那么无论在跑气或者静态都只要在单片机MCU唤醒的时候进行检测即可，由于一个周期需要最少需要5S的时间，所以不需要额外再打开计量电路电源去操作该模块电路。当每一次程序被唤醒的时候进行一次脉冲采样，首先将CTRL置高，给电路供电，延时一段时间，等待电平稳定后再进行AD采样，读取当前PULSE端的电压值，将读取到的电压值与被设定的电压值进行比较，判断当前齿轮所在位置；

在硬件电路设计上它包括电信号转换成光信号，光信号采集，光信号转换为电信号，输出端电信号滤波处理这几个步骤，当CTRL打开后开始进行如下操作：1)电信号转换成光信号：通电后电流通过电阻R1流过光电传感器D40的1、2号引脚，形成回路，此时发射端点亮；2)光信号采集：光电传感器D40的发射端发射出的红外光遇到齿轮的反射面，反射回光电传感器D40的接收端；3)光信号转换为电信号：当红外光反射回接收端时会遇到如下两种情况，如果遇到的是黑色面，则大部分光都会反射面被吸收，仅留下残留的余光回到接收端，接收管此时处于不导通或微导通状态，PULSE端输出一个高电平；如果遇到的是白色面，则大部分光都会被反射面反射，然后回到接收端，此时接收管处于导通状态，PULSE端输出一个低电平；4)电信号滤波处理：由于输出的波形会出现一定的毛刺或者波动，在PULSE输出端加上一个0.1nF的COG电容，在不造成输出延时的情况下滤掉不该存在的毛刺，避免接收到的结果不准确。

因此，本发明具有如下有益效果：计量精准、抗光能力强、功耗低、成本低、工艺简单、生产效率高且抗干扰能力强的能实现光电反射脉冲采样。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。