磁敏元件在智能燃氣表上的應(yīng)用方案

馮宏法

杭州先鋒電子技術(shù)股份有限公司 浙江杭州 310052

我在《NB-IoT通信技術(shù)在智能燃氣表上的應(yīng)用》中有提到，燃氣表從1983年日本推出的低功耗控制表開始，到現(xiàn)在無線智能燃氣表，智能燃氣表發(fā)展已經(jīng)有30多年歷史，干簧管計量原理在智能燃氣表中一直得到廣泛應(yīng)用。從簡化質(zhì)量控制、優(yōu)化生產(chǎn)工藝和提高生產(chǎn)效率等方面出發(fā)，干簧管計量方案逐步的被霍爾方案所替代。本文重點從原理和功能方面講解干簧管傳感器與霍爾傳感的優(yōu)缺點。

1 智能燃氣表基本原理

智能燃氣表由膜式燃氣表、計量單元、閥門控制器、微處理器（MCU）、顯示單元、時鐘電池、無線通信模塊和IC卡接口等附加裝置組成，具有燃氣計量、信息存儲及處理、實時監(jiān)測、自動控制、信息遠程交互和安全管理等功能，如圖1、2。

圖2

圖1

智能燃氣表將基表的機械傳動，由數(shù)輪上的磁鋼對計量傳感器（干簧管、霍爾或磁阻磁敏元件等）磁感應(yīng)作用下，計量傳感器產(chǎn)生相應(yīng)觸發(fā)信號，一個觸發(fā)信號循環(huán)產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖，從而形成燃氣表計量循環(huán)過程。一個最小計量循環(huán)過程即為脈沖當量，常規(guī)脈沖當量有0.01m3、0.1m3、和1m3等。

2 干簧管原理

干簧管由兩片可磁化的雙金屬簧片，密封于一玻璃管中，兩簧片分隔的距離約幾個μm，玻璃管體內(nèi)裝填有高純度的惰性氣體，正常狀態(tài)時，兩片簧片并未接觸，如圖3。當外加的磁場作用時，兩片簧片端點位置附近產(chǎn)生不同的極性，當吸引力大于簧片的彈力時，常開接點就會吸合，如圖4；當磁力減小到一定程度時，接點被簧片的彈力打開。采用永久磁鐵的方位和方向?qū)Ω苫晒茏饔?，以實現(xiàn)電路的通斷，從而形成計數(shù)的過程。

圖3

圖4

3 霍爾原理

根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為UH的霍爾電壓，見圖5、6。

4 磁敏元件的設(shè)計應(yīng)用

基于磁場與磁敏元件之間開關(guān)點（吸合與斷開極限點）的三維模型，根據(jù)磁敏元件的靈敏度誤差，再結(jié)合磁鋼的強度衰退率和結(jié)構(gòu)裝配的誤差，在確保磁敏元件處于安全可靠的磁感應(yīng)強度范圍內(nèi)，完成磁敏元件、磁鋼和結(jié)構(gòu)裝配選型設(shè)計。

圖6

霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。

（1）線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。

（2）開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。

圖5

5 計量單元生產(chǎn)加工

由磁敏元器件、PCB板、電阻和連接線等組成計量單元模塊。使用專用成型設(shè)備對干簧管加工，通過手動焊接或SMT自動貼片等加工成計量單元。再對功能進行檢測，最后做相應(yīng)的三防處理，完成計量單元的生產(chǎn)，如圖2。

6 干簧管與霍爾優(yōu)缺點

霍爾它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點。

類型 干簧管 霍爾 備注靈敏度 低 高結(jié)構(gòu)設(shè)計 簡單 復(fù)雜電路設(shè)計 簡單 較復(fù)雜抗振動干擾 差 好應(yīng)用制造過程 高 簡單抗靜電能力 強 弱外形體積 大 小使用壽命（動作次數(shù)）（工作6h/d，30年）以G4膜式燃氣表為例

7 結(jié)語

隨著電子科學(xué)技術(shù)時代的發(fā)展，傳感器技術(shù)更新迭代，新的傳感傳感器技術(shù)越來越成熟，但是在發(fā)展過程中，由于不同應(yīng)用場景和成本因素的需要，干簧管傳感器會在很長一段時間，一定程度上得以應(yīng)用。