磁敏器件在燃氣表中的應用與設計

摘 要：針對智能燃氣表普遍采用干簧管繼電器作為計量信息采集器件，生產存在易損不易加工等情況，介紹了一種新計量信息采集器件。該器件能將電磁信號轉化為電脈沖信號，脈沖信號再經過整形處理，作為計量脈沖，用于用戶燃氣計量信息的采集和計數。同時，在防抖動、抗震方面具有較強的抗干擾能力，有一定參考應用價值。

關鍵詞：磁敏器件； 干簧管繼電器； 韋根德器件； 電磁感應

中圖分類號：TN91134 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X（2012）22012203

據燃氣部門統計，隨著我國城市、農村生活水平的不斷提高，天燃氣被越來越多的用戶使用。智能燃氣表作為燃氣計量器具，正逐步取代普通燃氣表，然而，目前多數智能燃氣表仍采用干簧管繼電器做計量信息采集器件，這種繼電元件具有體積小、速度快、機電壽命長等特點而得到廣泛應用。但使用過程中存在以下問題，在生產加工時，器件的引線腳剪切或彎曲施加不適當應力、焊接高溫時間過長，均會造成干簧管繼電器的玻璃與金屬密封處受到損壞破裂，導致保護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，安裝時不易操作；當其從30 cm以上高度跌落或燃氣表在運輸中遇到震動時，其電氣特性包括啟動以及釋放值皆會發生改變，造成計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］——韋根德器件作為計量［2］信息采集器件。該器件屬無源零功耗器件，工作時不需外加工作電源；與永磁體之間的工作距離較大，可以達到15 mm，輸出電壓不低于3 V；具有無觸點，耐腐蝕，防潮濕，壽命長，大于20億次特點；應用中沒有不穩定臨界狀態，具有較好的使用價值。

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，由美國科學家韋根德發明，利用電磁感應原理，將磁信號轉化為電信號，信號不經放大即可實現檢測，工作時無需外加工作電源，因而，又被稱之為零功耗磁敏器件，在儀器儀表等微功耗領域中有著廣泛應用前景。

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）經過熱處理和機械處理制成的細導線合金絲［4］。處理后的合金絲內芯變軟，外側變硬，并分別存有剩磁。為去除內、外剩磁需施加一個反向磁場，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，狀態變化如下：

狀態1：當外界磁場場強較大對合金絲磁化時（H>Ho>Hi），合金絲內、外層的磁場方向相同，內、外磁場方向如圖1所示。

狀態2：當外界磁場場強減弱到H=0時，由于外側磁場大于內芯磁場，使內芯磁場方向發生變化，內、外磁場方向如圖2所示。

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

在上述外界磁場變化過程中，穿過外層感應線圈的磁通量發生急劇變化，在線圈上產生尖銳的電脈沖信號，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律變化，外層線圈的感應電壓與磁場變化率之間的對關系如圖3所示。

圖3 感應電壓與磁場變化率之間的關系當外部磁場變化率有正變負時，合金絲內、外磁場變化有狀態1到狀態2，外層線圈感應［5］輸出負脈沖；相反；當外部磁場變化率有負變正時，合金絲內、外磁場變化有狀態2到狀態1，外層線圈感應輸出正脈沖。

2 計量信息采集與電路

燃氣計量信息［6］的采集由磁鋼、韋根德器件以及其他電子器件組成。磁鋼鑲嵌在計度器的最后一個轉動輪上，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轉動輪周圍適宜位置。用戶用氣時，當磁鋼轉到韋根德器件感應的有效距離范圍內時，韋根德器件根據周圍磁場變化產生電磁感應，輸出電信號脈沖，此脈沖再經過電子電路整型處理，最終輸出可供單片機檢測的高低電平信號。

計量信息采集電路［7］如圖4所示，整個電路包括脈沖發生和脈沖整型兩部分。

BL、R5為脈沖發生電路，BL為韋根德器件，外界磁場變化時，感應出正、負電脈沖信號，R5為感應電壓提供續流回路。

電容C1，C2，電阻R1～R4，三極管Q1，Q2組成脈沖整型電路。

韋根德器件感應出正脈沖時，Vo點出現高電平，通過電容C1耦合，Q1三極管導通，Vo1點電平為高電平，正脈沖結束時，Q1三極管截止，Vo1點電平為低電平。

韋根德器件感應出負脈沖時，Vo點出現低電平，通過電容C2耦合，Q2三極管導通，Vo2點電平為高電平，負脈沖結束時，Q2三極管截止，Vo2點電平為低電平。

圖4 計量信息采集電路Vo1，Vo2兩點依次輸出一對高低電平方波，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雜波以及信號干擾［8］，便于單片機的信號采集識別。為保證計量信息的準確采集，采集到一對正、負脈沖記做一次有效計數單位。用戶用氣均勻時，計度器轉動平穩，此時，韋根德器件周圍的磁場變化、兩端感應電壓Vo、信號輸出端Vo1，Vo2點的波形如圖5所示。

圖5 外界磁場與輸出電壓之間的關系3 程序流程

由于信號脈沖寬度只有20 μs左右，為保證計量信息可靠采集，采用中斷［9］方式且為最高優先級。在中斷服務程序中，為盡量減少中斷程序執行時間，對計量脈沖信號設置有效標志，在主程序［10］中，根據脈沖有效標志進行累加計算。具體程序流程如圖6所示。

4 結 語

采用此方案做為計量信息采集的智能燃氣表，進行了實際掛網運行，通過對計度器讀數與電子計量讀數比較，不存在脈沖漏計或多計現象，二者最大差值為0.01 m3，符合設計初衷，具體實驗結果如表1所示。

參 考 文 獻

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

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［3］ 李科杰.新編傳感器技術手冊［M］.北京：國防工業出版社，2002.

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［11］ 張寧，林春生，龐學亮.基于低功耗器件的固態矢量地磁探測器＼[J＼].探測與控制學報，2009（3）：2830.

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作者簡介： 張長江 男，1962年出生，河南許昌人，高級工程師。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，機械工程及自動化專業。從事電力電子、儀器儀表研究工作。