摘 要：針對(duì)智能燃?xì)獗砥毡椴捎酶苫晒芾^電器作為計(jì)量信息采集器件，生產(chǎn)存在易損不易加工等情況，介紹了一種新計(jì)量信息采集器件。該器件能將電磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)再經(jīng)過整形處理，作為計(jì)量脈沖，用于用戶燃?xì)庥?jì)量信息的采集和計(jì)數(shù)。同時(shí)，在防抖動(dòng)、抗震方面具有較強(qiáng)的抗干擾能力，有一定參考應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：磁敏器件； 干簧管繼電器； 韋根德器件； 電磁感應(yīng)

中圖分類號(hào)：TN91134 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004373X（2012）22012203

據(jù)燃?xì)獠块T統(tǒng)計(jì)，隨著我國城市、農(nóng)村生活水平的不斷提高，天燃?xì)獗辉絹碓蕉嗟挠脩羰褂?。智能燃?xì)獗碜鳛槿細(xì)庥?jì)量器具，正逐步取代普通燃?xì)獗?，然而，目前多?shù)智能燃?xì)獗砣圆捎酶苫晒芾^電器做計(jì)量信息采集器件，這種繼電元件具有體積小、速度快、機(jī)電壽命長等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。但使用過程中存在以下問題，在生產(chǎn)加工時(shí)，器件的引線腳剪切或彎曲施加不適當(dāng)應(yīng)力、焊接高溫時(shí)間過長，均會(huì)造成干簧管繼電器的玻璃與金屬密封處受到損壞破裂，導(dǎo)致保護(hù)性氣體泄漏影響壽命；干簧管與磁鋼之間最佳距離為1～3 mm，安裝時(shí)不易操作；當(dāng)其從30 cm以上高度跌落或燃?xì)獗碓谶\(yùn)輸中遇到震動(dòng)時(shí)，其電氣特性包括啟動(dòng)以及釋放值皆會(huì)發(fā)生改變，造成計(jì)量信息采集不可靠等。

為解決上述問題，采用新型磁敏器件［1］——韋根德器件作為計(jì)量［2］信息采集器件。該器件屬無源零功耗器件，工作時(shí)不需外加工作電源；與永磁體之間的工作距離較大，可以達(dá)到15 mm，輸出電壓不低于3 V；具有無觸點(diǎn)，耐腐蝕，防潮濕，壽命長，大于20億次特點(diǎn)；應(yīng)用中沒有不穩(wěn)定臨界狀態(tài)，具有較好的使用價(jià)值。

1 韋根德器件工作原理

韋根德器件［3］是一種新型磁敏器件，1965年，由美國科學(xué)家韋根德發(fā)明，利用電磁感應(yīng)原理，將磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，信號(hào)不經(jīng)放大即可實(shí)現(xiàn)檢測，工作時(shí)無需外加工作電源，因而，又被稱之為零功耗磁敏器件，在儀器儀表等微功耗領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用前景。

韋根德器件主要用來檢測外界磁場變化，它由一根磁敏感功能合金絲和纏繞在其外的感應(yīng)線圈組成。其核心是使用直徑0.3 mm的坡莫合金（50Fe50Ni）和維卡合金（10V52Co38Fe）經(jīng)過熱處理和機(jī)械處理制成的細(xì)導(dǎo)線合金絲［4］。處理后的合金絲內(nèi)芯變軟，外側(cè)變硬，并分別存有剩磁。為去除內(nèi)、外剩磁需施加一個(gè)反向磁場，該反向磁場稱之為矯頑力磁場，分別記為Hi，Ho，其中，Ho>Hi。

合金絲中在外界磁場（H）變化的過程中，狀態(tài)變化如下：

狀態(tài)1：當(dāng)外界磁場場強(qiáng)較大對(duì)合金絲磁化時(shí)（H>Ho>Hi），合金絲內(nèi)、外層的磁場方向相同，內(nèi)、外磁場方向如圖1所示。

狀態(tài)2：當(dāng)外界磁場場強(qiáng)減弱到H=0時(shí)，由于外側(cè)磁場大于內(nèi)芯磁場，使內(nèi)芯磁場方向發(fā)生變化，內(nèi)、外磁場方向如圖2所示。

圖2 合金絲內(nèi)、外層的磁場方向 過程3：當(dāng)外界磁場場強(qiáng)介于二者之間時(shí)（Ho>H>Hi），內(nèi)、外芯磁場方向再次發(fā)生變化，內(nèi)、外磁場方向如圖1所示。

在上述外界磁場變化過程中，穿過外層感應(yīng)線圈的磁通量發(fā)生急劇變化，在線圈上產(chǎn)生尖銳的電脈沖信號(hào)，以此可以檢測出外部磁場的變化。

韋根德器件置于外部磁場中，假定外部磁場按照正弦規(guī)律變化，外層線圈的感應(yīng)電壓與磁場變化率之間的對(duì)關(guān)系如圖3所示。

圖3 感應(yīng)電壓與磁場變化率之間的關(guān)系當(dāng)外部磁場變化率有正變負(fù)時(shí)，合金絲內(nèi)、外磁場變化有狀態(tài)1到狀態(tài)2，外層線圈感應(yīng)［5］輸出負(fù)脈沖；相反；當(dāng)外部磁場變化率有負(fù)變正時(shí)，合金絲內(nèi)、外磁場變化有狀態(tài)2到狀態(tài)1，外層線圈感應(yīng)輸出正脈沖。

2 計(jì)量信息采集與電路

燃?xì)庥?jì)量信息［6］的采集由磁鋼、韋根德器件以及其他電子器件組成。磁鋼鑲嵌在計(jì)度器的最后一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輪上，韋根德器件以及其他電子器件焊接在PCB印制板上，PCB印制板再安裝到最后一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輪周圍適宜位置。用戶用氣時(shí)，當(dāng)磁鋼轉(zhuǎn)到韋根德器件感應(yīng)的有效距離范圍內(nèi)時(shí)，韋根德器件根據(jù)周圍磁場變化產(chǎn)生電磁感應(yīng)，輸出電信號(hào)脈沖，此脈沖再經(jīng)過電子電路整型處理，最終輸出可供單片機(jī)檢測的高低電平信號(hào)。

計(jì)量信息采集電路［7］如圖4所示，整個(gè)電路包括脈沖發(fā)生和脈沖整型兩部分。

BL、R5為脈沖發(fā)生電路，BL為韋根德器件，外界磁場變化時(shí)，感應(yīng)出正、負(fù)電脈沖信號(hào)，R5為感應(yīng)電壓提供續(xù)流回路。

電容C1，C2，電阻R1～R4，三極管Q1，Q2組成脈沖整型電路。

韋根德器件感應(yīng)出正脈沖時(shí)，Vo點(diǎn)出現(xiàn)高電平，通過電容C1耦合，Q1三極管導(dǎo)通，Vo1點(diǎn)電平為高電平，正脈沖結(jié)束時(shí)，Q1三極管截止，Vo1點(diǎn)電平為低電平。

韋根德器件感應(yīng)出負(fù)脈沖時(shí)，Vo點(diǎn)出現(xiàn)低電平，通過電容C2耦合，Q2三極管導(dǎo)通，Vo2點(diǎn)電平為高電平，負(fù)脈沖結(jié)束時(shí)，Q2三極管截止，Vo2點(diǎn)電平為低電平。

圖4 計(jì)量信息采集電路Vo1，Vo2兩點(diǎn)依次輸出一對(duì)高低電平方波，幅值為電源電壓，寬度約20～50 μs，周期依用戶用氣量的大小而定。電路整形的目是有效消除信號(hào)雜波以及信號(hào)干擾［8］，便于單片機(jī)的信號(hào)采集識(shí)別。為保證計(jì)量信息的準(zhǔn)確采集，采集到一對(duì)正、負(fù)脈沖記做一次有效計(jì)數(shù)單位。用戶用氣均勻時(shí)，計(jì)度器轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，此時(shí)，韋根德器件周圍的磁場變化、兩端感應(yīng)電壓Vo、信號(hào)輸出端Vo1，Vo2點(diǎn)的波形如圖5所示。

圖5 外界磁場與輸出電壓之間的關(guān)系3 程序流程

由于信號(hào)脈沖寬度只有20 μs左右，為保證計(jì)量信息可靠采集，采用中斷［9］方式且為最高優(yōu)先級(jí)。在中斷服務(wù)程序中，為盡量減少中斷程序執(zhí)行時(shí)間，對(duì)計(jì)量脈沖信號(hào)設(shè)置有效標(biāo)志，在主程序［10］中，根據(jù)脈沖有效標(biāo)志進(jìn)行累加計(jì)算。具體程序流程如圖6所示。

4 結(jié) 語

采用此方案做為計(jì)量信息采集的智能燃?xì)獗?，進(jìn)行了實(shí)際掛網(wǎng)運(yùn)行，通過對(duì)計(jì)度器讀數(shù)與電子計(jì)量讀數(shù)比較，不存在脈沖漏計(jì)或多計(jì)現(xiàn)象，二者最大差值為0.01 m3，符合設(shè)計(jì)初衷，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 王俊杰，曹麗.傳感器與檢測技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［2］ 王宏寶.電子測量［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

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作者簡介： 張長江 男，1962年出生，河南許昌人，高級(jí)工程師。主要從事電力電子、儀器儀表研究工作。

方明義 男，1974年出生，河南許昌人，助理工程師。從事電力電子、儀器儀表研究工作。

馮靜濤 男，1980年出生，河南許昌人，助理工程師。從事電力電子、儀器儀表研究工作。

劉靜然 男，1967年出生，河南許昌人，工程師。從事電力電子、儀器儀表研究工作。

王升升 男，1985年出生，河南許昌人，助理工程師。從事電力電子、儀器儀表研究工作。

朱光磊 男，1991年出生，河南許昌人，機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)。從事電力電子、儀器儀表研究工作。