IC卡智能煤气表的技术难点及对策

    1 概述
 
    随着我国国民经济的全面腾飞，城市燃气事业得到了飞速发展， 以天然气为主要气源，以管道输送为主要方式的城市供气，正极大地改变着城市面貌和人民的生活质量。伴随着城市供气规模的扩大，燃气销售企业的产销及用户管理中进户难、抄表难、收费难等管理矛盾日益突出，城市燃气瞥理部门和燃气销售企业都在积极寻找一条妥善解决或有效缓解上述矛盾的途径。家用IC卡预付费煤气表(以下简称IC卡表)正是在这种市场需求的背景下应运而生的。目前，国内IC卡表的生产企业已选三四十家，形成了一股不小的IC卡煤气表应用热。
 
    由于IC卡煤气表是一种徽电子技术与机械式气体流量仪表相结合的、机电一体的、新型燃气计量表，开发应用的时间还不长。在技术上尚有不少问题有待研究和解决，本文拟对IC卡表研制过程中的一些重要技术难点及其可采取的技术方案作一个分析与阐述。
 
    2 压损问题
 
    由于IC卡表是在普通煤气表上增加了一套计费结算控制装置及相应的控制阀门，因而作为一个完整的产品， 其压力损失必然大于同流量翘格普通煤气表。压力损失对燃具{蕻烧工况、用气安全的影响以人工煤气为最大。这是因为人工煤气的供气压力较低，一般为lO00Pa。当IC 卡表压力损失为300Pa时，燃具的实际功率将下降16．4％。因此IC卡表用于人工煤气计量时，尤其应控制总压力损失。
 
    目前市场上IC卡表普通采取进气口安装电控阀的方式， 电控阀典型流道见下圈;按照理论计算，阀门开启高度达到1／4管道直径时， 阀门有效面积与管道截面积相等。家用煤气表接头管道内径一般小于DN25，园而阀门最大开启高度为6mm，这一高度采用电磁阀或电机阀均能达到。
 
    但由于气体在流经阀门时需经过多个弯头，存在较大的局部压力损失，从而使IC卡表的总压力损失有较 幅度的上升。笔者曾对上述结构阀门的压力损失作了一些测试， 当阀门流通面积与管道截面积相同，通过煤气表最大流量时，图(a)、图(b)、图(c)三种结构阀门的实澜压力损失， 分别为130Pa、240Pa、70Pa。由此， 可近似地认为， 阀门局部损失与90~弯头的个数成正比。同时试验也表明， 当阀门面积大于管道截面积时，进一步增加阀门开度对降低压损的作用己很小。
 
    绝大部分Ic卡控制装置的生产企业为降低IC卡表的成本和Ic 卡表替代普通煤气表的需要， 阀门流道多选用图(a)、图(h)的形式， 这样就必须选择压损很小的煤气表，以控制Ic卡表总压损。同时，要满足较低的压力损失和rc卡表和煤气表外观、安装上的一致性和互换性， 另一个较有效的办法是采取图(c)的阀门结构形式，将阀门安装在表壳内，这就需要 卡控制装置的生产单位与煤气表的生产企业建立一种紧密的、稳固的台作关系， 以市场上最信赖的IC卡装置和需求量最大的煤气表表型完成这种组合， 虽然目前市场上这种组合的产品为数极少，但这是一个发展方向。

    3 IC卡控制装置能耗及电源形式
 
    IC 卡的能耗由三部分构成：一是控制器中单片机(CPU)，液晶正常运行时的持续性能耗是最主要的功耗，也是IC卡控制装置技术含量的一个标志性指标。如果是按IC卡功能设计的专用芯片，平均工作电流在30 A 以下，采用标准芯片时平均工作电流在100 A 以下。第二部分是IC 卡表执行机构(电控阀)动作时的瞬时能耗。目前IC卡执行机构有二种，电磁阀和电机阀。电磁阀起动电流约为4OO一500mA， 电机阀的启动电流在200mA 左右。第三部分是IC卡表一些辅助功能如声光报警等的能耗，电流一般在10mA以下。
 
    上述IC卡表能耗的第一、二部分占了总能耗的95％以上。由于这两部分能耗从特征上来说是完全不同的类型，给选择合适的电源增加了难度。为求得较低的成本，目前市场上IC卡绝大部分采用普通或高能干电池。这一供电方式，虽然绕过了控制器功耗及电源寿命问蹶，用户可以通过定期更换电池维持IC卡表正常运行，但同时也给Ic卡留下了技术安全的二大隐患。第一大隐患是严重的，让用户自行更换电池，意味着控制器将有更多机会遭受劣质电池的侵袭，造成元器件损坏、控制器失效和大量的维修损失。第二大隐患是致命的，更换电池为技术性窃气提供了可能。我们知道电控阀依靠电池执行开关阀动作。

    通常设计者在电路中都采取了断电自动关阀的技术保护措施，其基本原理就是通过大容量电容，限流电阻和三极管开关组成一个储能电路， 电压正常时， 电池向储能电容充电，一经检测到电压不正常， 电容放电使阀门关闭。假设充电to时间电容获得可以满足阀门动作一次所需的能量， 则更换电池时，把电池供电时间t控制在to~<t ≤2 to范围内，阀门开启后控制电路虽发出低电信号，但储能电容已无法提供关闭阀所需的能量， 阀门就此处于永久开启的状态。不少使用干电池的Ic卡表，按上述方法试验三四次后均能将阀门打开。
 
    园此， 笔者以为用普通或高能干池电作为Ic卡表的电源不是一个可取的方法。较好的解决普通干电池的技术安全隐患问题是采用内置式锂电池，使锂电池寿命与煤气表法定寿命相一致。锂电池的配置总容量，则要根据IC卡表的功耗水平来确定。这样，既能有效地避免劣质电池损坏元件，杜绝了从电池上技术窃气的可能，又保障了产品在整个产品适用周期中的可靠性，极大地减少检修服务
 
    4 IC卡表锂电池适用寿命的验证
 
    IC卡表内置锂电池的使用寿命，是IC卡表的一个重要技术指标。一般情况下，它是按等寿命原则设计的．即煤气表法定一次使用周期为六年，锂电池的寿命应大于7年(考虑一年的产品仓储时间)。
 
    根据锂电池的放电特性，锂电池可分为二种类型， 即能量型和功率型．前者适宜于长时间小电流(1ama 级)工作，后者则具鲁短期或脉冲释放大电流(安倍级)的能力。按Ic卡表控制器的功能和功耗，—般选用能量型电池， 由于不同功耗下电池的实际容量与额定容量有根大差异，因此对IC卡表控制器电池寿命的准确验证，必须在实际使用条件或模拟使用条件下来做，但事实上都不允许这样做。医此对电池寿命的验证， 只能通过定性定量分析进行理论计算验证。
 
    笔者在编制本公司IC卡煤气表标准时，对Ic卡表锂电池寿命的指数及理论验证提出计算公式如下：
    l，T=noa6ooE【n1毛【A1t1十A )+ A南
    + ? ? (1)
    式中：T ： 电池寿命指数，应≥7；
    E ： 锂电池额定容量，mAh；
    n 锂电池能量损坏安全系数；
    其取值与使用环境、时间有关
    A 、 ： 电控开、闭一次充电电流，
    mA ；
    h 、t2： 电控开、闭一次充电时间，s；
    nl：锂电池功率损耗系数，与电池放电负载有关；
    ￡：电控阀年开、闭频次；
    ： 控制器声、光(蜂鸣、
    报警时工作电流，mA；
    ‘3： 控制器声、光(蜂鸣、
    报警时持续时问，s；
    指示灯等)
    指示灯等)
    ￡： 声光报警年发生频次；
    丸：控制器正常工作平均电流．mA；
    控制器年工作时间，s。
 
    根据IC卡表使用条件，各系数可取：nn：考虑到锂电池防止在一般大气环境非密闭容器中存在一定量的自放电与漏电， 取no-2．0nl： 锂电池对储能电容充电流一般为100．200mA，此时对电池容量损耗为3倍，放取n =3￡：以屯控阀平均每月发生控制中断或安全中断4次计，全年约50次，取 =50if；：声光报警以平均每月发生l0次计，全年为120欢，取 =120；控制器一年工作时间，取3．2×l07(s)将上述各系数取值代入公式(1)为l，T = n ~1800 E 【150 ￡(Alh+120A3t~+3．2×107A4] ?? (2)把测量出来的IC卡控制暑各工况下的电流、时间参数代八式中，就能定量地算出电池的寿命， 即可以借助公式(2)-进行电池容量选择或诸参数综合平衡的分析。
 
    5 结束语
 
    IC卡燃气表在我国的应用时间还不长，本文所论及的问题是我公司在研制IC卡煤气表过程中重点突破的几个关键问题。随着应用面的扩大和燃气管理模式的改革，我们又将面临许多新的技术难点，因此，技术的改进和完善仍将是一次长期的工作。