CN103148903A - 具有防盗气装置的电子燃气表及其防盗气装置和防盗气方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电子燃气表的防盗气装置和防盗气方法，以及具有这种防盗气装置的电子燃气表。所述防盗气装置连接在电子燃气表的模数转换器的输入端和微控制器的中断管脚之间，其包括：阻容网络(101)，由电阻和电容构成的微分电路，用于将快速变化的电压信号转换成尖峰信号；放大器(102)，用于放大阻容网络(101)输出的尖峰信号的幅度以输出脉冲信号；二极管(103)，用于对放大器(102)输出的脉冲信号进行整流，以输出单向正脉冲信号到微控制器的中断管脚，从而触发微控制器的中断事件。根据本发明，可以弥补现有的电子燃气表的计量漏洞，准确、有效的感知不正常气流的发生，防止盗气行为。

Description

具有防盗气装置的电子燃气表及其防盗气装置和防盗气方法

技术领域

本发明涉及到电子燃气表的防盗气装置和防盗气方法，以及具备这种防盗气装置电子燃气表，该装置能有效弥补电子燃气表的计量漏洞，防止非法盗气。

背景技术

目前的家用燃气表通常是采用机械传动计量的机械膜式燃气表，这种膜式燃气表基于燃气的体积流量进行计量。这种膜式燃气表的零部件较多、机械结构复杂、易老化且体积大、不轻便。特别是，膜式燃气表是基于气体体积测量，气体的体积受环境温度和管道压力波动影响变化较大，导致计量体积与实际使用的质量存在较大差异，因而计量精度低。

作为膜式燃气表的改进，目前出现了采用全电子化技术的燃气表，例如超声波燃气表、热式电子燃气表等。

超声波燃气表是利用超声波的传播原理对燃气流量进行计量的燃气表。超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石、杀菌消毒等。但是，超声波燃气表存在诸多缺陷，例如直管段要求严格，容易导致离散性大，测量精度差；安装的不确定性较大，容易给流量测量带来较大误差；测量管道结垢会严重影响测量准确度；使用寿命短，精度一般只能保持一年。另外，超声波收发器成本较贵，不利于大范围普及应用。

电子燃气表又称为热式质量流量燃气表，是利用流体的热传播原理，采用电子元件实现对燃气质量流量进行计量的燃气表。在流体的热传播中，流体的质量与热源(流体中加热的物体)之间的热量交换存在固有的内在关系，利用这种流体的传热传质关系，可以通过测量热源上被流体带走的热量而得到流过流体的质量，或者可以直接测量流体的质量流量。这样，即使流体的体积受环境温度和管道压力波动影响而变化，对于测量结果也不会产生影响，即进入输气管道的气流体积与实际使用的质量流量不存在差异，从而可以大大提高燃气表的计量精度。中国专利申请CN200810197367.1和CN200720187845.1披露这样的热式流量测量燃气表。

热式电子燃气表的计量部分需要用到ADC采样器件，ADC将气体流速传感器感应出来的模拟电信号转化为数字信号，以便于在微控制器上进行各种数字化处理。出于节省功耗的目的，且ADC器件本身也存在采样速度的限制，ADC器件对传感器感应信号的采样是不连续的。具体来说，在两次采样过程中间存在空档期，这个空档期是计量上的一个漏洞，不良使用者可以通过某些技术手段利用这个空档期实现各种方式的盗气。

目前，电子燃气表还没有在社会上大范围应用，产品中的盗气漏洞和盗气行为还没有引起业界的注意，还缺乏相应的防盗气装置和防盗气方法，因而很容易被燃气用户盗用燃气。

虽然现有技术中存在很多种适用于机械膜式燃气表的防盗气装置(例如参见中国专利申请：CN200720078649.0、CN200410019106.2)，但是由于机械膜式燃气表与电子燃气表的原理和机构差异很大，因为不能用于电子燃气表的防盗。

发明内容

本发明的目的是提供一种电子燃气表的防盗气装置和防盗气方法，以及具有防盗气装置的电子燃气表，用于提高电子燃气表的计量安全性和可靠性，从而弥补现有的电子燃气表的缺陷。

根据本发明的第一方面，提供了一种电子燃气表的防盗气装置，所述防盗气装置接收燃气管道中与气体质量流速对应的电压信号，该装置包括：阻容网络101，由电阻和电容构成的微分电路，用于将所述电压信号转换成尖峰信号；放大器102，用于放大阻容网络101输出的尖峰信号的幅度以输出脉冲信号；二极管103，用于对放大器102输出的脉冲信号进行整流以输出单向正脉冲信号，该防盗气装置将燃气管道中气体流速信号的快速变化转换成用于中断燃气供应的中断信号。

可选的，在所述二极管103和微控制器的中断管脚之间设置有比较器104，该比较器104将二极管103输出的正向正脉冲信号与基准电压进行比较，以输出上升沿信号或下降沿信号给微控制器的中断管脚。

所述比较器104的基准电压是独立的基准电压源，或者是与电子燃气表的模数转换器共用基准电压源。

所述阻容网络101是由单个电阻和单个电容构成的一阶微分电路，或者是由多个电阻和电容的串并联构成的多阶微分电路。

根据本发明的第二方面，提供了一种具有防盗气装置的电子燃气表，所述电子燃气表包括：质量流量传感器1，用于检测气体的质量流速并输出对应的模拟电压信号；模数转换器3，用于对经调理的模拟信号进行数字采样以转换为数字信号；微控制器4，用于将所述数字信号转换为气体的质量流速值，计算并记录一段时间内的气体质量流量；阀门6，用于响应于所述微控制器4的指令而控制气体管道的开闭；其特征在于还包括根据前述第一方面的防盗气装置，所述防盗气装置连接在所述模数转换器3的输入端和所述微控制器4的中断管脚之间，当存在气体流速变化时，防盗气装置向所述中断管脚发出中断信号，触发微控制器4的中断事件。

其中，当所述微控制器4的中断事件在预定时间段内连续触发的次数超过预定值时，判断为存在盗气行为，微控制器4发出指令控制阀门6关闭管道。

根据本发明的第三方面，提供了一种电子燃气表的防盗气方法，所述方法包括：步骤S101，采集气体质量流速；步骤S102，进行信号放大和数字采样处理；步骤S103，检测是否存在流速变化，如果未检测到流速变化，则转到下面的步骤S104；步骤S104，记录当前采样值，计算气体流量；步骤S105，如果检测到流速变化，则判断在预定时间段内连续检测到流速变化的次数是否超过预定值；步骤S106，如果在预定时间段内连续检测到流速变化的次数超过预定值，则关闭阀门并告警；步骤S107，如果连续检测到流速变化的次数未超过预定值，则转到步骤S104。

根据本发明提供的用于电子燃气表的防盗气装置和防盗气方法，以及具有防盗气装置的电子燃气表，可以准确感知不正常气流的发生，防止燃气用户盗窃燃气提供商的燃气。这种装置运行过程消耗电流少，为电子燃气表节省了用电。另外，防盗气装置体积小、成本低，便于批量制造。

附图说明

图1显示了现有技术的电子燃气表的工作原理图；

图2显示了电子燃气表的ADC器件的采样原理；

图3显示了电子燃气表的盗气漏洞示意图；

图4显示了具有本发明的防盗气装置的电子燃气表；

图5显示了本发明优选实施例的电子燃气表的防盗气装置的结构示意图；

图6显示了本发明可选实施例的防盗气装置的阻容网络；

图7显示了本发明优选实施例的防盗气装置的工作时序图；

图8显示了本发明优选实施例的电子燃气表的防盗气方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1显示了现有技术的电子燃气表的工作原理图。

如图1所示，现有技术的电子燃气表包括：质量流量传感器1、ADC转换器3(模拟数字转换器)、微控制器4(Micro-Controller Unit，MCU，优选的采用单片机实现)和阀门6。

质量流量传感器1用于检测气体流动过程中的质量流速(即单位时间内流过的气体质量)，并输出与气体质量流速对应的电压信号。

ADC转换器3对上述电压信号进行数字采样以转换为数字信号，然后输出给微控制器。

微控制器MCU4对接收的数字信号进行处理(例如非线性补偿)，将其转换为气体的质量流速值，然后在时域上对流速进行积分运算(或累加和运算)从而获得一段时间内的气体质量流量。在需要时，该质量流量数据也可以转换为体积流量数据。这里，质量流量传感器采集的数据经AD采样后得到的采样值和气体质量流速之间存在一一对应的映射关系。

例如，设定某一时刻的质量流速为y，对应的AD采样值为x，则y与x可以存在如下关系：y＝ax³+bx²+c。MCU可以基于该映射关系将采集得到的数字信号转换为气体的质量流速值。

在有些情况下，电子燃气表还可以包括信号调理电路2(虚线部分)，其连接到质量流量传感器1的输出端和ADC转换器3输入端之间，用于对该感器的输出信号进行调理处理，以转换成数字采集设备能够识别的信号。这里，信号调理是指利用其内部的电路模块(包括滤波器、转换器、放大器等)将输入信号进行放大、滤波等处理，以转换成数字采集设备能够识别的信号，经调理后的信号输出给后面的模拟数字转换器(ADC)。

另外，电子燃气表还可以包括存储器5(例如掉电后可以保存数据的固态存储器)，MCU将获得的质量流量数据存储到存储器5中，或者基于该流量数据控制阀门6的开关动作。

图2显示了电子燃气表的ADC器件的采样原理。

如图2所示，在燃气气体流通过程中，由于受限于ADC器件的自身工作速度，同时也为了节省功耗和维持系统的稳定可靠运行，ADC器件通常以一定的时间间隔对气体质量流速进行离散采样，而不是进行连续采样。当然，根据燃气表的不同计量精度要求和实际运行过程中所处的不同状态，ADC器件采样的时间间隔会发生变化，但通常是周期性或非周期性的离散采样。

图3显示了电子燃气表的盗气漏洞示意图。

如上所述，由于ADC器件是对气体质量流速进行离散采样，因而在两次采样间隔的空档期存在一定时长的盲区。如果是以固定的周期进行离散采样，则非常容易被盗气者利用来盗气。如果是以非周期的方式进行离散采样，虽然提高了盗气难度，但是因为是离散的，两个采样点之间一定存在时间上的间隙，所以无法从根本上解决盗气问题。

另一方面，当前的电子燃气表的计量原理通常设计为，只要在某个数字采样时刻感测到气流流速，燃气表就默认为在紧接的采样间隔期间也具有同样流速的气流流过。这种设计原理存在的一个明显漏洞就是，只要在数字采样时刻没有感测到气体流速或仅感测到较低的气体流速，就默认为在采样间隔期间也没有气体流过，或者流过的气体很少。不良人员可以利用这个盲区，使用各种技术手段进行非法盗气。例如，采用转速和燃气表ADC器件的采样周期一样但起始点不同的旋转叶轮，叶轮在ADC采样时刻附近阻止燃气通过，在ADC采样时刻之间的盲区附近让燃气通过。结果，在相邻的两个ADC采样时刻之间会通过大量非法气流，而燃气表无法感知这些非法气流流过管道，从而无法对这部分燃气进行计量。显然，这会导致大量的燃气盗用，给燃气公司造成损失。

基于上述缺陷，本发明提供了一种用于电子燃气表的防盗气装置和防盗气方法。

图4显示了具有本发明的防盗气装置的电子燃气表。

如图4所示，将本发明的防盗气装置设置在电子燃气表的信号调理电路2和微控制器MCU4之间。具体来说，防盗气装置的输入端连接到电子燃气表的ADC转换器3的输入端，用于接收与气体质量流速对应的电压信号，防盗气装置的输出端连接到MCU 4的中断管脚。如此，防盗气装置形成对ADC转换器3输入端模拟电压信号的监控。

本发明中，防盗气装置可以检测管道中的气体流速的异常变化，例如如图3所示的气体流速的突变(快速增加或快速减小)。当检测到气体流速变化时，防盗气装置就发出一个信号给MCU 4的中断管脚，触发MCU4中的中断程序。如上所述，当发生盗气现象时，ADC转换器3的输入端的气体流速会频繁变化(时断时开)，从而防盗气装置会频繁的触发MCU的中断，当这种中断次数在预定时间段内超过预定阈值时，MCU就判断为存在盗气现象，进而控制阀门6关闭。

应注意的是，本发明的防盗气装置主要用于检测管道中气体的异常变化，具体说就是如图3所示的气流流速的快速变化。通常，对于不同厂家不同型号的热式电子燃气表采用的不同传感器型号，以及不同放大倍数的ADC前端放大器，气体流速正常变化的波动范围会相应改变，但是，本发明的防盗气装置主要用于检测由于盗气现象导致的流速突变(例如频繁的由零流速突变为正常流速)，对于正常使用中的气体流速的正常波动(即气体流速的缓慢变化)，不在本发明防盗气装置的检测范围内，并且该防盗气装置也不会把这种正常的流速波动误认为是盗气所致。

图5显示了本发明优选实施例的电子燃气表的防盗气装置的结构示意图。

如图5所示，在该优选实施例中，防盗气装置包括阻容网络101、放大器102、二极管103以及比较器104。

阻容网络101是由电阻和电容构成的一阶或多阶微分电路，用于将输入的幅度快速变化的电压信号转换成尖峰信号。如图4所示，阻容网络的输入端a点连接到ADC转换器3的输入端，质量流量传感器1输出的与气体流速对应的电压信号输入到a点。输出端b点在电容和电阻之间，用于响应于a点输入的电压信号，输出急剧变化的尖峰信号。

放大器102连接到b点，用于对其输出的尖峰信号的幅度进行放大，以输出幅度足够高(例如高到能够让后面的比较器识别)的脉冲信号。

二极管103用于对放大器输出的脉冲信号进行整流以输出单向正脉冲信号，例如输出到微控制器的中断管脚。通常来说，二极管只允许正向脉冲信号通过，禁止负向脉冲信号通过。

比较器104具有正输入端(+)、负输入端(-)和输出端。其中正、负输入端分别连接到二极管103输出端和基准电压Vref。根据二极管103输出的脉冲信号电平与基准电压Vref比较的结果，比较器104的输出端输出上升沿信号或下降沿信号给微控制器的中断管脚。例如，在正输入端(+)输入经二极管整流之后输出的正向正脉冲信号，负输入端(-)输入预先设置的基准电压Vref(来自于基准电压源)的情况下，比较器执行正向脉冲信号与基准电压Vref的比较。正常情况下，气体流速变化缓慢，二极管输出的电平接近于0或为0，比较器104的输出端输出低电平信号(逻辑0)；当发生盗气现象时，存在异常的气体流速变化，这时二极管输出正向脉冲信号(已被放大器102放大)，该正向脉冲信号的电压幅度高于基准电压Vref，使得比较器的输出端输出上升沿信号(由低电平信号逻辑0上升到高电平信号逻辑1)，该上升沿信号作为异常气流报警信号输入到MCU的中断管脚以触发MCU中的中断程序。

应注意的是，根据比较器的不同类型以及微控制器的中断响应方式(上升沿触发或下降沿触发)，比较器的两个输入端的连接方式不限定于上文所述，而是可以反向接入。例如，也可以将基准电压Vref连接到比较器104的正输入端(+)，二极管的输出端连接到其负输入端(-)。这种情况下，比较器104在没有发生盗气现象的正常情况下输出高电平信号(逻辑1)，当发生盗气现象时，比较器的输出端输出下降沿信号(由高电平信号逻辑1下降到低电平信号逻辑0)，该下降沿信号也可以作为异常气流报警信号输入到MCU的中断管脚以触发MCU中的中断程序。这种情况下，可以相应的将MCU的中断管脚设置为下降沿出发。

本实施例中，如图5所示，阻容网络优选的采用一阶微分电路结构，例如由1uF的电容和10K的电阻构成的一阶微分电路，但本发明不限制于此。实际上，也可以采用多阶微分电路结构，即采用多个电容和电阻的串并联分别替换图5中的单个电容和电阻以构成阻容网络，图6即显示了这样的阻容网络结构。在图6中，采用2个2uF的电容串联，与2个20K的电阻并联支路构成阻容网络。但是，本发明的阻容网络中的电容、电阻取值不限制于此，而是可以根据实际应用情况选择其他值。

在另一可选实施例中，比较器的基准电压可以和电子燃气表的ADC转换器正常工作所需要的基准电压复用。

在另一可选实施例中，防盗气装置也可以不采用比较器。这种情况下，可以用MCU的带中断功能的管脚替代比较器的功能，将防盗气装置的放大器的输出经二极管整流之后接入到MCU带中断功能的管脚。例如采用MCU中带输入功能的GPIO(通用输入输出)管脚，该管脚能够识别数字电路中的逻辑电平1或者0，并具有中断功能。如果将该管脚的中断设置为上升沿触发，当管脚上的电平发生了一个由低到高的变化，MCU就会收到一个中断通知，如果连续多次收到这个中断通知可认为有盗气发生。

图7显示了图5所示优选实施例的防盗气装置的工作时序图。

参见图5和图7，当管道中气体流速发生快速变化(例如突然增大)时，质量流量传感器输出的电压信号的幅度也会相应的快速变化，输入到防盗气装置输入端a点的电压信号会保持这种变化速度，在这个快速变化过程中阻容网络101的输出端b点将有短暂的充放电电压产生，由此在b点输出尖峰信号，放大器102对这个尖峰信号进行放大，在c点输出脉冲信号，该脉冲信号经二极管103整流后，在d点输出正向脉冲信号，比较器104将该正向脉冲信号与基准电压Vref进行比较，当正向脉冲信号的电压幅度超过预设的基准电压时，比较器的输出点e点输出一个高电平信号(平时为低)，这个由低到高的上升沿变化信号输入到MCU上的中断管脚后可以触发中断事件，当发生中断时，MCU可以判断为管道中发生了异常气流变化。当在预定时间段内连续发生这种中断的次数超过预定值(在优选实施例中，可以设定为5次)时，可以认定为管道中发生了人为受控的气流变化，即发生了盗气行为。检测到这种情况以后，燃气表关闭阀门，并通过蜂鸣器告警。

图8显示了本发明优选实施例的电子燃气表的防盗气方法流程图。

如图8所示，所述防盗气方法包括下述步骤：

步骤S101，采集气体质量流速。

启动质量流量传感器，开始气体质量流速的数据采集，并输出与气体质量流速对应的模拟电压信号。

步骤S102，进行信号放大和数字采样处理。

信号调理电路开始工作，对输入的电压信号进行调理、放大处理；ADC转换器对经放大的信号进行数字采样，采样值输出给微控制器MCU。

步骤S103，检测是否存在流速变化，如果未检测到流速变化，则转到下面的步骤S104。

本发明的防盗气装置检测管道中是否存在气体流速异常变化，如果有，则发出异常气流告警信号。

步骤S104，记录当前采样值，计算气体流量。

如果未检测到流速变化，微控制器根据当前采样值计算出对应的流速值，并在时域上计算累计流量。

步骤S105，如果检测到流速变化，则判断在预定时间段内连续检测到流速变化的次数是否超过预定值。

本步骤中，可以通过计算在预定时间段内的中断次数或告警次数来计算连续发生流速变化的次数，并判断该次数是否超过预定值。

步骤S106，如果在预定时间段内连续检测到流速变化的次数超过预定值，则关闭阀门并告警。

如果确定在预定时间段内连续发生多次异常气流告警，则认定为存在盗气行为，微控制器会关闭阀门，发出告警信息。这里，连续发生多次异常气流告警是指在预定时间段内连续发生异常气流告警的次数超过预定值，例如超过3次，即认定为存在人为的盗气行为。在其他情况下，也可以根据实际情况设定为超过4次、5次或更多次就认定为存在盗气行为。此外，这里所述的“预定时间段”可以根据不同类型燃气表的容忍限度灵活设定，不局限于某个具体值。

步骤S107，如果连续检测到流速变化的次数未超过预定值，则转到步骤S104。

如果检测到流速变化的次数没有超过预定值，之后气体流速恢复正常，则认定为正常，例如是正常使用过程中的点火引起的气体流速变化，可以判断为不存在人为盗气现象，进而开始正常的流量记录操作。

综上所述，本发明提供了一种用于电子燃气表的防盗气装置和防盗气方法，以及具有防盗气装置的电子燃气表。根据本发明的装置和方法，可以准确感知不正常气流的发生，防止燃气用户盗窃燃气提供商的燃气。这种装置运行过程消耗电流少，为电子燃气表节省了用电。另外，防盗气装置体积小、成本低，便于批量制造。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种电子燃气表的防盗气装置，所述防盗气装置接收燃气管道中与气体质量流速对应的电压信号，该装置包括：

阻容网络(101)，由电阻和电容构成的微分电路，用于将所述电压信号转换成尖峰信号；

放大器(102)，用于放大阻容网络(101)输出的尖峰信号的幅度以输出脉冲信号；

二极管(103)，用于对放大器(102)输出的脉冲信号进行整流以输出单向正脉冲信号；

其中，所述防盗气装置将燃气管道中气体流速信号的快速变化转换成用于中断燃气供应的中断信号。

2.根据权利要求1所述的防盗气装置，在所述二极管(103)和微控制器的中断管脚之间设置有比较器(104)，该比较器(104)将二极管(103)输出的正向正脉冲信号与所述比较器(104)的基准电压进行比较，以输出上升沿信号或下降沿信号给微控制器的中断管脚。

3.根据权利要求2所述的防盗气装置，所述比较器(104)的基准电压是独立的基准电压源，或者是与电子燃气表的模数转换器共用基准电压源。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的防盗气装置，所述阻容网络(101)是由单个电阻和单个电容构成的一阶微分电路。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的防盗气装置，所述阻容网络(101)是由多个电阻和电容的串并联构成的多阶微分电路。

6.一种具有防盗气装置的电子燃气表，所述电子燃气表包括：

质量流量传感器(1)，用于检测气体的质量流速并输出对应的电压信号；

模数转换器(3)，用于将所述电压信号进行数字采样以转换为数字信号；

微控制器(4)，用于将所述数字信号转换为气体的质量流速值，计算并记录一段时间内的气体质量流量；

阀门(6)，用于响应于所述微控制器(4)的指令而控制气体管道的开闭；

其特征在于：

还包括根据前述权利要求1-5中任一项所述的防盗气装置，所述防盗气装置连接在所述模数转换器(3)的输入端和所述微控制器(4)的中断管脚之间，当存在气体流速的快速变化时，防盗气装置向所述中断管脚发出中断信号，触发微控制器(4)的中断事件。

7.根据权利要求6所述的电子燃气表，当所述微控制器(4)的中断事件在预定时间段内连续触发的次数超过预定值时，判断为存在盗气行为，微控制器(4)发出指令控制阀门(6)关闭管道。

8.一种电子燃气表的防盗气方法，所述方法包括：

步骤S101，采集气体质量流速；

步骤S102，进行信号放大和数字采样处理；

步骤S103，检测是否存在流速变化，如果未检测到流速变化，则转到下面的步骤S104；

步骤S104，记录当前采样值，计算气体流量；

步骤S105，如果检测到流速变化，则判断在预定时间段连续检测到流速变化的次数是否超过预定值；

步骤S106，如果在预定时间段内连续检测到流速变化的次数超过预定值，则关闭阀门并告警；

步骤S107，如果连续检测到流速变化的次数未超过预定值，则转到步骤S104。

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