CN102494729A - 一种智能燃气表计量装置及信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于表具计量装置领域，具体涉及一种智能燃气表计量装置及信号处理系统。其特征在于计量装置由控制电路、线性霍尔元件、机械数轮和永久磁钢等组成，控制电路包括主控制器、线性霍尔元件供电控制模块、信号采集模块、信号处理模块及报警模块，该系统通过线性霍尔元件测量粘贴在智能燃气表机械数轮上永久磁钢在线性霍尔元件周围产生磁场的变化来计量燃气流量，并能在有外界磁场干扰的情况下完整、正确的计量所有流过燃气表的燃气流量，保障用户的正常用气，同时，记录外界磁场干扰信息，供燃气公司判断是人为破坏还是环境因素，对企业管理中防止用户的恶意窃气行为有着突出的意义。

Description

一种智能燃气表计量装置及信号处理系统

技术领域

本发明属于表具计量装置领域，特别涉及一种智能燃气表计量装置及信号处理系统。

背景技术

目前，通用的膜式智能燃气表是在机械式膜式燃气表的机械数轮上装永久磁钢，并且在数轮的上下方装有两个开关型磁敏元件，当磁钢没到达开关型磁敏元件位置时，磁敏元件断开；当磁铁转到其中一个磁敏元件位置时，磁敏元件吸合。磁敏元件一般选择干簧管或开关型霍尔。通过磁敏元件的断开、吸合脉冲，检测机械数轮转动过的圈数，计量燃气流量。当计量装置受到外部磁场干扰时，表具关闭阀门，防止窃气行为。该方案虽然能够有效的控制用户主动窃气行为，但同时也不可避免由于客观环境因素变化而造成的表具误关阀动作，给正常用气客户造成巨大的损失，也给燃气公司企业管理带来麻烦，对于没有安装阀门智能燃气表，电子计量装置则无法正常计数，给燃气公司带来损失。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种智能燃气表计量装置及信号处理系统的技术方案，在受到外部磁场干扰的情况下，仍能完整的计量燃气表的燃气流量，而不会因为外部磁干扰导致不计量或少计量，同时可以直接判断出磁干扰信息上报报警信息。

所述的一种智能燃气表计量装置，其特征在于该计量装置主要由控制电路、线性霍尔元件、机械数轮和永久磁钢组成，控制电路包括主控制器、线性霍尔元件供电控制模块、信号采集模块、信号处理模块及报警模块。

所述的一种智能燃气表计量装置，其特征在于所述的主控制器分别与线性霍尔元件供电控制模块、信号采集器模块、信号处理模块及报警模块相连，且主控制器控制各个功能模块协调工作；

线性霍尔元件供电控制模块给线性霍尔元件提供供电工作时序；

信号采集模块由滤波电路、信号调理电路、A/D转换器组成，信号采集模块将线性霍尔元件输出的模拟电压信号转换为数字量后传递给信号处理模块；

信号处理模块对信号采集模块采集的数据进行分析、处理，获取燃气的流量信息及外部磁场干扰信息；

报警模块实时上报外部磁场干扰信息及智能燃气表的异常工作信息。

所述的一种智能燃气表计量装置，其特征在于所述的永久磁钢粘贴在机械数轮上，并随机械数轮同步转动，永久磁钢把机械数轮的转动信息转化为线性霍尔元件可测量的其周围空间磁感应强度变化信息；

线性霍尔元件与控制电路中的线性霍尔元件供电控制模块和信号采集模块相连，并固定安装在机械数轮架上，线性霍尔元件将其周围磁感应强度变化信息转换为模拟电压信号输出。

所述的一种智能燃气表计量装置的信号处理系统，其特征在于：机械数轮带动永久磁钢转动时，用线性霍尔元件周围空间产生磁场的变化来表征燃气流量信息，其大小用磁感应强度                                                

表征，外部干扰磁场大小用磁感应强度

表征，两者在空间上矢量叠加，该叠加磁场大小用磁感应强度

表征；

线性霍尔元件的输出电压

与成正比关系，即：

，故也可以表征为

= 

 +

，其中

为表征燃气流量信息的模拟电压信号,

为表征磁干扰信息的模拟电压信号；信号处理系统就是通过对

进行采集、分析、计算，分解出用于表具计量的燃气流量信息和用于判断、记录外部磁场干扰的异常信息；

信号处理系统的工作流程如下：

1）系统上电初始化完后，根据智能燃气表标称流量指标给定时器预设采样周期，然后，启动定时器，系统进入休眠状态；

2）定时器的采样周期中断发生后，系统自动唤醒，由休眠状态进入工作状态；

3）主控制器开启线性霍尔元件供电控制模块，给线性霍尔元件提供供电时序，线性霍尔元件开始检测其周围磁感应强度

的大小，转化输出模拟电压信号

；

4）信号采集模块通过对霍尔元件输出模拟电压信号进行滤波、调理、A/D采集，将线性霍尔元件输出的模拟电压信号转化为数字量，传送至信号处理模块；

5）信号处理模块对获取的数字量进行分析、处理后，提取燃气流量信息和外部磁场干扰信息；

6）上述工作流程完成后，系统保存相关信息，再次进入休眠状态，等待下一个定时采样周期中断到来，重复执行步骤1至5的操作流程。

所述的一种智能燃气表计量装置的信号处理系统，其特征在于所述的步骤5)中信号处理模块对获取的数字量进行分析、处理的具体算法流程如下：

1）每个定时采样周期，信号处理模块对信号采集模块采集的信息做计算补偿后存储；

2）信号处理模块对当前采集、补偿后的信息及前两个周期采集、补偿后的信息进行比较，判断线性霍尔元件输出的电压信号是否进入新的稳态，即线性霍尔元件所敏感的磁场强度是否保持稳定，其中，新的稳态记为，前一个旧的稳态记为

；

3）若新的稳态建立，信号处理模块就对新、旧两个稳态进行比较、处理，判断是否有新增用气量需计量；

4）信号处理模块通过对当前存储的采样、补偿后的信息做阈值比较，判断智能燃气表是否存在外部磁干扰，若存在，记录该外部磁干扰信息。

所述的一种智能燃气表计量装置的信号处理系统，其特征在于所述的步骤1)中，信号处理模块对信号采集模块采集的信息做计算补偿的方法是：对当前霍尔元件的供电电压进行实时采样，根据供电电压的采样结果对线性霍尔元件输出电压信号

的采样值进行线性加权补偿，消除控制电流I对的影响；

所述的步骤2)中，判断线性霍尔元件输出的电压信号是否进入新的稳态，需要三个比较阈值：稳态允许电压变化最大阈值ΔU1、无外部磁干扰时允许电压变化最大阈值ΔU2、新旧稳态迭代时允许电压变化最小阈值Δ

,这三个阈值根据系统硬件电路及机械结构特性实时计算得出；

当前采样周期对

进行实时采样、补偿后以U[t]表示，前两个周期的

分别以U[t-2]、U[t-1]表示，每次循环周期执行迭代公式：

U[t-2]  =  U [t-1]  式（1-3）

U[t-1]  =  U [t]    式（1-4）

执行完式（1-3）和式（1-4）的迭代运算后得到新的U[t-2]、U[t-1]、U[t]；

若满足|U[t]– U[t-1]| ≤ΔU1 且 |U[t-1]–U[t-2]| ≤ΔU1 ，则认为

进入一个稳态，即线性霍尔元件所敏感的磁感应强度无变化，确认新的稳态建立，令

 =  U[t]；

所述的步骤3)中，在新的稳态建立后，对比两个稳态的差值，若 |

–

| ≥ Δ

，则记录

–

之值的正负符号，且更新前一个稳态

，执行迭代算法 

 =

；

若 | – 

| ≥ 

 且 

–

 之值的正负符号与上次记录值发生变化，则说明机械数轮已经转过线性霍尔元件表面，即产生了新的燃气用量，否则，未发生新增燃气用量；

所述的步骤4)中，若外部有磁干扰，霍尔元件的输出电压U[t]的输出范围就会超出没有外界磁干扰时电压变化最大阈值ΔU2，即U[t] >ΔU2，记录外界磁干扰事件。

本发明的优点：在外部磁干扰存在的情况下仍可以正确、完整的计量所有流过燃气表的燃气流量，保证用户的正常用气的同时记录外部磁干扰信息供燃气公司参考、管理。本发明设计合理、结构简单、成本低，尤其在没有控制阀门的智能燃气表中，可以有效防止用户通过外部磁场干扰进行窃气的行为。

附图说明

图1是本发明机械结构原理示意图；

图2是本发明控制电路原理示意图；

图3是本发明信号采集模块示意图；

图4是本发明信号处理系统流程图；

图5是本发明信号处理算法流程图。

具体实施方式

    现结合说明书附图，对本发明实例进行详细的描述：

一种智能燃气表计量装置，其中机械结构部分原理如图1所示，各部件的功能如下：

根据膜式燃气表的机械工作原理，燃气流动时会推动机械数轮3转动，机械数轮3的机械转动计数表征了燃气的流量信息。

永久磁钢4粘贴在机械数轮3上，并随机械数轮3同步转动，永久磁钢4把机械数轮的转动信息转化为线性霍尔元件2可检测的磁感应强度变化信息。

线性霍尔元件2与控制电路1中的线性霍尔元件供电控制模块6及信号采集器模块7相连接，固定安装在机械数轮3架上，通过检测其周围磁感应强度的变化，输出线性变化的模拟电压信号供控制电路1采集、处理。

控制电路1的原理如图2所示，包括主控制器5、线性霍尔元件供电控制模块6、信号采集模块7、信号处理模块8、报警模块9；各个模块的功能介绍如下：

主控制器5分别与线性霍尔元件供电控制模块6、信号采集模块7、信号处理模块8及报警模块9相连接，完成各个模块的协调工作，主控制器5采用MSP430单片机，燃气流量检测及外部磁干扰检测传感器为线性霍尔元件2。

线性霍尔元件供电控制模块6给线性霍尔元件2提供供电工作时序，保证线性霍尔元件2在正常工作的前提下其功耗达到最低。

信号采集模块7原理如图3虚线框内所示：由滤波电路10、信号调理电路11、A/D转换器12组成，其功能是将线性霍尔元件输出的电压信号经过滤波、信号调理及A/D采样后，转换成数字量供信号处理模块8分析、处理。

信号处理模块8获取信号采集模块7采集的电压数字量，进行计算、分解后，获取燃气的流量信息及外部磁场干扰信息。

报警模块9用于上报外部磁场干扰信息及表具的一些异常工作信息。

下面详细介绍信号处理系统的工作原理：当用户打开阀门使用燃气时，燃气经燃气表推动机械数轮3转动；机械数轮3通过转动计数完成燃气流量信息的计量，同时，固定粘帖在机械数轮3上的永久磁钢4也随机械数轮3同步转动，永久磁钢4在线性霍尔元件2周围空间产生磁场的变化可以表征燃气流量信息，该磁场强度变化量可由线性霍尔元件2检测，其大小可以用磁感应强度表征；当存在外部干扰磁场时，干扰磁场的大小可用

表征；干扰磁场与永久磁钢4产生的磁场在空间矢量叠加，产生二者的合成磁场，该磁场可用磁感应强度的大小

来表征，即

。由于线性霍尔元件2的输出电压

与

成正比关系，即：

，故也可以表征为：=  +

，其中

表征燃气流量信息的模拟电压信号；

 表征磁干扰信息的模拟电压信号。当机械数轮3转动时，

在实时变化，通过线性霍尔元件2检测

，输出实时变化的电压信号

，经控制电路1采样、分析、处理，分解出用于表具计量的燃气流量信息；同时分解出用于判断、记录外部磁场干扰的异常信息。信号处理系统的具体实施流程如图4所示，介绍如下：

在步骤401中，系统上电初始化完后，根据智能燃气表标称流量指标设定定时器采样周期，然后，启动定时器，系统进入步骤402；

在步骤402中，系统运行在休眠状态，若定时器的采样周期中断发生，系统自动唤醒，由休眠状态切换到工作状态，系统进入步骤403；否则，系统继续运行在休眠状态。

在步骤403中，主控制器5开启线性霍尔元件供电控制模块6，给线性霍尔元件2提供供电时序，线性霍尔元件2开始检测磁感应强度

的大小，转化输出模拟电压信号

，系统进入步骤404。

在步骤404中，信号采集模块7通过对霍尔元件2输出模拟电压信号进行滤波、调理、A/D采集，将线性霍尔元件2输出的模拟电压信号转化为数字量，传送至信号处理模块8，系统进入步骤405。

在步骤405中，信号处理模块8对获取的数字量进行分析、处理后，若有燃气流量信息计量，进入步骤406，如有外部磁干扰信息记录，进入步骤407。

在步骤406中，系统获取燃气流量信息后，燃气表具计量，然后进入步骤408。

在步骤407中，系统获取外部磁干扰信息后，记录磁干扰事件，然后进入步骤408。

在步骤408中，系统保存相关信息，再次进入步骤402。

在上述步骤405中，信号处理模块8对获取的数字量进行分析、处理，其详细的信号处理算法流程如图5所示，具体介绍如下：

在步骤501中，设定定时器采样周期，信号采集模块7采集当前线性霍尔元件2的供电电压和线性霍尔元件输出电压信息，进入步骤502。

在步骤502中，线性霍尔元件2输出电压

经补偿后得到U[t]，该补偿原理如下：线性霍尔元件输出电压

满足：

      式（1-1）

其中：

 —— 霍尔系数

I  —— 控制电流

 —— 垂直于I的磁感应强度

d  —— 导体的厚度

式（1-1）中导体的厚度d和霍尔系数在器件的工作环境条件下基本保持常量，所以只与控制电流I和磁感应强度有关。通过对当前的线性霍尔元件2的供电电压实时采样，根据供电电压的采样结果对线性霍尔元件2的输出电压

采样值进行线性加权补偿，可以消除控制电流I对

的影响。那么，

的变化归结为磁感应强度

的变化。最终，式（1-1）可表示为：

                    

  式（1-2）

其中：

= 

经过上述补偿后，工程上认为

为常量，即

只与

的变化有关。然后进入步骤503。

在步骤503中，根据系统所选用的线性霍尔元件2、供电电压、A/D转换器件、线性霍尔元件2与永久磁钢4之间的极限距离、磁钢磁感应强度的大小等硬件及机械结构特性因素，综合前几个周期采集到的线性霍尔元件2的输出结果，计算得出算法中需要的几个比较阈值：稳态允许电压变化最大阈值ΔU1、无外部磁干扰时允许电压变化最大阈值ΔU2、新旧稳态更迭允许电压变化最小阈值Δ

，进入步骤504。

在步骤504中，信号处理模块8对本次采集、补偿后信息及前两个周期采集、补偿后的信息进行比较，判断线性霍尔元件2输出电压信号是否进入新的稳态，即线性霍尔元件2所敏感的磁场强度是否稳定，其中，新的稳态记为

，前一个旧的稳态记为

；

进入一个稳态的判定及处理原理如下：当前周期对

进行实时采样、补偿后以U[t]表示，前两个周期的

经补偿后分别以U[t-2]、U[t-1]表示，每次循环周期执行迭代公式：

U[t-2]  =  U [t-1]  式（1-3）

U[t-1]  =  U [t]    式（1-4）

执行式（1-3）和式（1-4）迭代运算获得新的U[t-2]、U[t-1]、U[t]；若|U[t]–U[t-1]| ≤ΔU1 且 |U[t-1] – U[t-2]| ≤ΔU1 ，则认为线性霍尔元件2所敏感的磁感应强度无变化，即

已进入一个新的稳态，进入步骤505，否则进入步骤510。

在步骤505中，确认新的稳态已经建立，令 =  U[t] ，进入步骤506。

在步骤506中，信号处理模块8对新、旧两个稳态进行比较、处理；若|

–

| ≥Δ

，则记录

–

 之值的正负符号，进入步骤507；否则，进入步骤510。

在步骤507中，更新前一个稳态

，执行迭代算法 

 =

，进入步骤508中。

在步骤508中，在新的稳态建立后，对比两个稳态的差值，判断是否发生了新增用气量变化；当

|

 –

| ≥ 

 且 

 – 

 之值的正负符号发生变化，说明数轮已经转过线性霍尔元件2表面，即产生了新的燃气用量，进入步骤509，否则，未发生新增燃气用量，进入步骤510。

在步骤509中，置新增气量标志，更新

 – 

的符号信息，进入步骤510。

在步骤510中，执行式（1-3）和式（1-4）迭代运算获得新的U[t-2]、U[t-1]、U[t]，进入步骤511。

在步骤511中，信号处理模块(8)通过对当前存储的采样、补偿后的信息做阈值比较，判断智能燃气表是否存在外部磁干扰，若有外部有磁干扰，霍尔元件2的输出电压U[t]的输出范围就会超出没有外界磁干扰时电压变化最大阈值ΔU2，即U[t] >ΔU2，记录外部磁干扰事件，进入步骤512，否则，进入步骤513。

在步骤512中，若存在外部磁干扰事件，则上报外部磁干扰信息，进入步骤513。

在步骤513中，统计所有流过燃气表的燃气流量，并做计量，最后退出。

Claims (6)

1.一种智能燃气表计量装置，其特征在于该计量装置主要由控制电路(1)、线性霍尔元件(2)、机械数轮(3)和永久磁钢(4)组成，控制电路(1)包括主控制器(5)、线性霍尔元件供电控制模块(6)、信号采集模块(7)、信号处理模块(8)及报警模块(9)。

2.根据权利要求1所述的一种智能燃气表计量装置，其特征在于所述的主控制器(5)分别与线性霍尔元件供电控制模块(6)、信号采集器模块(7)、信号处理模块(8)及报警模块(9)相连，且主控制器(5)控制各个功能模块协调工作；

线性霍尔元件供电控制模块(6)给线性霍尔元件(2)提供供电工作时序；

信号采集模块(7)由滤波电路(10)、信号调理电路(11)、A/D转换器(12)组成，信号采集模块(7)将线性霍尔元件(2)输出的模拟电压信号转换为数字量后传递给信号处理模块(8)；

信号处理模块(8)对信号采集模块(7)采集的数据进行分析、处理，获取燃气的流量信息及外部磁场干扰信息；

报警模块(9)实时上报外部磁场干扰信息及智能燃气表的异常工作信息。

3.根据权利要求1所述的一种智能燃气表计量装置，其特征在于所述的永久磁钢(4)粘贴在机械数轮(3)上，并随机械数轮(3)同步转动，永久磁钢(4)把机械数轮(3)的转动信息转化为线性霍尔元件(2)可测量的其周围空间磁感应强度变化信息；

线性霍尔元件(2)与控制电路(1)中的线性霍尔元件供电控制模块(6)和信号采集模块(7)相连，并固定安装在机械数轮架上，线性霍尔元件(2)将其周围磁感应强度变化信息转换为模拟电压信号输出。

4.根据权利要求1所述的一种智能燃气表计量装置的信号处理系统，其特征在于：机械数轮(3)带动永久磁钢(4)转动时，用线性霍尔元件(2)周围空间产生磁场的变化来表征燃气流量信息，其大小用磁感应强度                                                表征，外部干扰磁场大小用磁感应强度表征，两者在空间上矢量叠加，该叠加磁场大小用磁感应强度

表征；

线性霍尔元件(2)的输出电压

与

成正比关系，即：，故

也可以表征为

= 

 +

，其中

为表征燃气流量信息的模拟电压信号,

为表征磁干扰信息的模拟电压信号；信号处理系统就是通过对

进行采集、分析、计算，分解出用于表具计量的燃气流量信息和用于判断、记录外部磁场干扰的异常信息；

信号处理系统的工作流程如下：

1）系统上电初始化完后，根据智能燃气表标称流量指标给定时器预设采样周期，然后，启动定时器，系统进入休眠状态；

2）定时器的采样周期中断发生后，系统自动唤醒，由休眠状态进入工作状态；

3）主控制器(5)开启线性霍尔元件供电控制模块(6)，给线性霍尔元件(2)提供供电时序，线性霍尔元件(2)开始检测其周围磁感应强度的大小，转化输出模拟电压信号

；

4）信号采集模块(7)通过对霍尔元件(2)输出模拟电压信号进行滤波、调理、A/D采集，将线性霍尔元件(2)输出的模拟电压信号转化为数字量，传送至信号处理模块(8)；

5）信号处理模块(8)对获取的数字量进行分析、处理后，提取燃气流量信息和外部磁场干扰信息；

6）上述工作流程完成后，系统保存相关信息，再次进入休眠状态，等待下一个定时采样周期中断到来，重复执行步骤1至5的操作流程。

5.根据权利要求4所述的一种智能燃气表计量装置的信号处理系统，其特征在于所述的步骤5)中信号处理模块(8)对获取的数字量进行分析、处理的具体算法流程如下：

1）每个定时采样周期，信号处理模块(8)对信号采集模块(7)采集的信息做计算补偿后存储；

2）信号处理模块(8)对当前采集、补偿后的信息及前两个周期、补偿后的信息进行比较，判断线性霍尔元件(2)输出的电压信号是否进入新的稳态，即线性霍尔元件(2)所敏感的磁场强度是否保持稳定，其中，新的稳态记为

，前一个旧的稳态记为

；

3）若新的稳态建立，信号处理模块(8)就对新、旧两个稳态进行比较、处理，判断是否有新增用气量需计量；

4）信号处理模块(8)通过对当前存储的采集、补偿后的信息做阈值比较，判断智能燃气表是否存在外部磁干扰，若存在，记录该外部磁干扰信息。

6.根据权利要求5所述的一种智能燃气表计量装置的信号处理系统，其特征在于所述的步骤1)中，信号处理模块(8)对信号采集模块(7)采集的信息做计算补偿的方法是：对当前霍尔元件(2)的供电电压进行实时采样，根据供电电压的采样结果对线性霍尔元件(2)输出电压信号

的采样值进行线性加权补偿，消除控制电流I对

的影响；

所述的步骤2)中，判断线性霍尔元件(2)输出的电压信号是否进入新的稳态，需要三个比较阈值：稳态允许电压变化最大阈值ΔU1、无外部磁干扰时允许电压变化最大阈值ΔU2、新旧稳态迭代时允许电压变化最小阈值Δ

,这三个阈值根据系统硬件电路及机械结构特性实时计算得出；

当前采样周期对

进行实时采样、补偿后以U[t]表示，前两个周期的

分别以U[t-2]、U[t-1]表示，每次循环周期执行迭代公式：

U[t-2]  =  U [t-1]  式（1-3）

U[t-1]  =  U [t]    式（1-4）

执行完式（1-3）和式（1-4）的迭代运算后得到新的U[t-2]、U[t-1]、U[t]；若满足|U[t] – U[t-1]| ≤ΔU1 且 |U[t-1]–U[t-2]| ≤ΔU1 ，则认为

进入一个稳态，即线性霍尔元件(2)所敏感的磁感应强度无变化，确认新的稳态建立，令

= U[t]；

所述的步骤3)中，在新的稳态建立后，对比两个稳态的差值，若 |

–| ≥Δ

，则记录

–

之值的正负符号，且更新前一个稳态

，执行迭代算法 

 =

；

若 |–

| ≥ 

 且 

–

 之值的正负符号与上次记录值发生变化，则说明机械数轮(3)已经转过线性霍尔元件(2)表面，即产生了新的燃气用量，否则，未发生新增燃气用量；

所述的步骤4)中，若外部有磁干扰，霍尔元件(2)的输出电压U[t]的输出范围就会超出没有外界磁干扰时电压变化最大阈值ΔU2，即U[t] >ΔU2，记录外界磁干扰事件。

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