家用膜式燃氣表檢定裝置研究

李銀華 張萬偉

(鄭州輕工業學院電氣信息工程學院，河南 鄭州 450002)

0 引言

城市燃氣是當代最主要的能源之一，膜式燃氣表憑借其計量準確、價格低廉、經久耐用等優點被廣泛應用于普通家庭用戶的用氣計量中［1］。因為燃氣具有易燃、易爆等特點，所以燃氣計量儀表在生產過程和出廠前要進行嚴格的質量檢測，保證用戶的人身財產安全。目前，家用膜式燃氣表檢定工作基本由檢定人員手工完成。密封性和準確度的檢測分離進行，密封性檢測采用肥皂泡法，示值誤差檢測多采用鐘罩標準器。這種檢測手段無法進行定量檢測和在線檢測，自動化程度和鑒定效率低。為從根本上解決燃氣表首檢工作的效率和質量問題，滿足燃氣表市場發展的需要［2］，依據《JJG 577-2005膜式燃氣表國家計量檢定規程》［3］，設計了一套全自動燃氣表檢定裝置。

1 設計原則與主要功能

國家標準《膜式燃氣表》中規定了膜式燃氣表的技術要求以及質量檢測的試驗方法和試驗內容，簡要說明如下。

①燃氣表的檢定環境條件:檢定溫度，對于最大流量Qmax≤10 m2/h的燃氣表為(20±2)℃，對于最大流量Qmax＞10 m2/h的燃氣表為(20±5)℃;檢定大氣壓力為86～106 kPa;相對濕度為45% ～75%;檢定過程中，標準器處的溫度和燃氣表處的溫度差應不超過1 K。

②檢定項目包括外觀、密封性、總壓力損失、示值誤差和附加裝置功能檢測。

③燃氣表檢定方法，包括鐘罩式氣體流量標準裝置和標準表法。

系統在遵循安全性、先進性、易操作性、易維護性、標準性、經濟性、抗干擾性的原則下，依據國家計量檢定規程完成膜式燃氣表的計量檢測和密封性能檢測。

家用膜式燃氣表檢定裝置主要實現以下功能。

①溫度、濕度、氣體壓力的自動檢測;

② 被檢表的密封性、壓力損失、示值誤差檢測功能;

③快速自動執行機構(夾緊裝置);

④檢測和控制過程自動化與自動報警功能;

⑤性能優良的HMI，大屏幕LCD觸摸屏顯示，實現溫度、壓力、示值、誤差曲線的顯示;

⑥數據的采集、處理、存儲自動化，以及數據的查詢、打印、網路共享和檢測報表自動生成等功能。

2 設計原理與方案

2.1 系統設計原理

系統設計中，采用差壓法密封性檢測原理和標準表法示值誤差檢測原理，實現膜式燃氣表的密封性能檢測和計量檢測。

2.1.1 差壓法密封性檢測原理

密封性檢測原理圖如圖1所示。

圖1 密封性檢測原理圖Fig.1 Principle of tightness detection

將標準表與被檢基表分別布置在差壓傳感器的兩側，同時充入相同壓力的空氣，使兩端壓力達到平衡。

在規定的檢測時間內，如果標準表和被檢基表都沒有泄漏(忽略環境變量的影響)，則差壓傳感器的兩側仍保持平衡狀態;如果被檢基表有泄漏，即使是微小泄漏，也會導致被檢基表內的空氣質量減少，壓力下降。差壓法即根據差壓傳感器檢測出的壓差值計算泄漏量，然后判斷被測容器的密封性是否合格［4］。

2.1.2 標準表法示值誤差檢測原理

標準表法的檢測原理是:使氣體在相同時間內連續通過標準表和被檢基表，采用比較的方法計算兩表的差值，根據誤差大小判斷被檢基表各項計量參數是否合格［5］。

檢定時可以采用1臺標準表與1臺被檢基表進行比較，也可以用兩臺以上并聯的標準表與1臺被檢基表進行比較。采用1臺標準表的示值誤差檢測原理圖如圖2所示。

這里標準表為濕式氣體流量計。與鐘罩式標準裝置相比較，該檢定裝置雖然屬于次級裝置，但它使用方便、檢定效率高，準確度等級能達到0.5級，適合燃氣表制造企業生產使用。

圖2 示值誤差檢測原理圖Fig.2 Principle of measurement accuracy detection

2.2 系統設計方案

結合檢定原理，采用“閥島”技術，設計了涵蓋密封性、壓力損失和示值誤差的四表位獨特檢定氣路。

檢定氣路以電磁閥組的開閉實現標準表與被檢基表的串并聯連接，以氣缸實現夾表動作的自動化。同時，采用溫度傳感器和壓力傳感器實現各表位間的溫壓差補償，采用差壓傳感器實現密封性和壓損的檢測功能。

系統檢測工作流程如下。

①壓縮空氣經過干燥過濾、初步減壓后供給四夾緊氣缸，通過調節電磁閥(9、10、11、12)的開閉實現夾表動作的自動化。

②當進行檢定時，壓縮空氣經過次級減壓供給檢測系統，通過電磁閥組(13、14、15、16、17)實現氣路的串并聯。

當進行密封性檢測時，電磁閥組右側閥(包括17號上側閥)關閉，其他閥打開，系統進行充氣;一段時間后，關閉電磁閥組左側閥，同時打開電磁閥(34、35、36、37)進行平衡，完畢后關閉平衡閥。3 min后系統讀取差壓傳感器(38、39、40、41)的壓差值。密封性檢測完畢。

③密封性檢測完畢后，系統會自動關閉電磁閥組上側閥。打開電磁閥組左右側閥，將標準表與被檢基表串聯在氣路上，通過調節流量調節器，實現燃氣表各個流量點的檢定。

④在最大流量檢定點時，系統讀取差壓傳感器(29、30、31、32)的壓差值，再根據溫壓補償計算出各表的總壓力損失值。

檢定裝置的電路控制系統按照模塊化的設計思路進行設計。溫度、壓力、濕度、壓差等傳感器感應環境參數，產生的信號經過信號調理電路和A/D模塊，傳送給ARM9控制器進行處理，控制器通過驅動模塊控制電磁閥組和流量調節器。同時系統設計了LCD觸摸屏、存儲模塊、網絡接口、聲光報警模塊和打印機模塊等。

檢測氣路系統結構框圖如圖3所示，電路控制系 統結構如圖4所示。

2.3 系統硬件設計

2.3.1 核心控制器選擇

ARM9控制器模塊是整個檢定裝置的核心，檢定裝置選用 ARM9核心板 TQ2440。該核心板采用S3C2440A為處理器，并附有64 MB的SDRAM、256 MB的NAND Flash、2 MB的 NOR Flash;最高主頻可達533 MHz，可以輕松運行Linux、WinCE等嵌入式系統，滿足系統要求。

2.3.2 溫度傳感器模塊

溫度在檢定過程中直接影響系統的檢定級別，對溫度的檢測和控制是檢定過程的重要環節。針對系統的設計要求，選用了6只高質量的DS18B20數字溫度傳感器，分別用于測量室內溫度、標準表溫度和被檢基表進氣口溫度。當這6點溫度及其對應關系超出檢定要求時，系統聲光報警并停止運行;當溫度恢復正常時，系統才能正常啟動。采用1-wire設計的DS18B20數字溫度傳感器可以大大簡化溫度模塊的設計，節約處理器的引腳［6］。

2.3.3 差壓傳感器模塊

差壓信號的采集是整個系統的關鍵，壓差變送器的精度是影響系統精度的主要因素。由于整個裝置為四表位，因此選用8只微差壓傳感器對每只燃氣表的密封性和壓損進行檢測，并通過軟件對每個表位進行溫壓誤差補償。裝置要求微壓傳感器具有一定的過載承受能力，因此，選用美國阿爾法(Alpha)公司生產的166-P-0250B-A-4-Y-B型差壓變送器。該變送器具有溫度補償和誤接線全保護功能［7］。

2.3.4 電磁閥驅動模塊

系統采用電磁閥組，每個電磁閥都為密封性較好的直動式電磁閥。電磁閥驅動電路采用74LS244、TL521-4GB、MC1413(ULN2003A)驅動GPIO引腳的輸出信號。

2.3.5 流量調節器驅動電路

流量調節器主要用來控制流量大小，實現各個流量點的示數檢測。系統采用兩項式步進電機。步進電機驅動電路選擇SGS公司的L297單片步進電機控制集成電路，與兩片H橋式驅動芯片L298組合，組成步進電機固定斬波頻率的PWM恒流斬波驅動器［8］。

3 軟件平臺構建

燃氣表檢定裝置中傳感器眾多，控制功能復雜，為了使系統具有可維護性、擴展性和多任務處理功能，系統采用Linux系統作為軟件運行平臺。系統軟件功能主要包括u-boot的移植、內核的移植、文件系統的編譯和移植［9］。

這里簡要介紹QT圖形界面的設計。QT/Embedded是一個跨平臺應用程序和UI開發框架，支持豐富的圖形控件，并提供美觀的界面開發［10］。QT/Embedded實現結構框圖如圖5所示。

圖5 QT/Embedded的實現結構框圖Fig.5 The structural block diagram of implementation of QT/Embedded

QT應用程序由C++語言進行開發，它的API分為控件、框架和工具3個部分，其高效的工作性能與其信號和槽的機制是密不可分的。QT/Embedded開發流程如下。

①安裝QT/E開發環境和交叉編譯庫。

②在宿主機上開發QT/E應用程序，如系統初始化模塊、數據顯示控制單元模塊、數據庫模塊、密封性檢定模塊、示值誤差檢定模塊、網絡共享和打印模塊等。

③交叉編譯應用程序。

④在嵌入式系統上調試運行應用程序。

其中，系統初始化模塊用于檢定前環境參量和傳感器校準調整。數據顯示控制單元模塊將采集、控制的數據都存儲在數據庫中。該模塊通過調用數據庫的數據，可以實時顯示各個通道的運行情況、控制方法和數據變化等;同時可以查看歷史數據，方便用戶對現場的分析。數據庫模塊用于數據的管理。密封性檢定和示值誤差模塊完成檢定裝置的檢定任務。網絡共享模塊將處理后的數據或歷史記錄發送至上位機或者服務器，可以實現用戶的遠程在線實時訪問。

在控制界面，有相應的功能按鈕供用戶選擇。同時，用戶可以對模塊進行參數設置，實現檢定裝置的簡易操作。

4 結束語

本文針對《JJG 577-2005膜式燃氣表國家計量檢定規程》和國內企業現有檢驗方法存在的問題，結合生產實際，給出了以ARM9為核心處理器的“多合一”燃氣表檢定裝置設計方案。該裝置具有人機界面優良、可靠性高、擴展靈活、性價比高等特點，可實現一機多檢，節省設備購買量;利用嵌入式系統的高性能和穩定性，提高了生產廠家的鑒定效率，為家用膜式燃氣表檢定提供了新的途徑。

［1］鄭宏偉.淺談家用燃氣表的計量檢測及其技術要求［J］.企業技術開發，2010，29(23):30 －31.

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