輪式計量儀表的激光計數系統設計

段爭光，張學亮

(蕪湖職業技術學院 電氣工程學院，安徽 蕪湖241006)

0 引言

輪式計量儀表在出廠前必須進行誤差校驗，以確保出廠的合格儀表計量誤差在允許范圍內。目前采用的校驗方法主要有人工校驗和攝像式校驗兩種方式，以水表為例進行說明校驗方式，如圖1 所示為水表校驗原理示意圖。將多只待校驗水表和一只標準水表串聯接在一起，水平放置并安裝在試驗臺上，測量前先排掉水管和水表中的空氣，為此使用標準的公稱流量使水表指針平穩轉動一段時間后再停止，待水流靜止后記錄水表指針對準的某一刻度或是零線;再操控調節閥使水按規定流量通過各水表，當標準水表指針到達預先規定的分度時切斷水源，待水流靜止后進行讀數，然后將水表所記錄的水量與標準水表中的實際水量比較，記錄數據以判斷是否存在誤差。然而在上述水表校驗的過程中，人工校驗方式由校驗人員讀取測量開始和結束時的水表刻度，然后比較出水流量與標準水表流量，并根據誤差值判斷水表是否合格。由于同時校驗數十只水表，采用人工校驗方式具有操作繁瑣、勞動強度大的缺陷，在校驗過程中存在主觀誤差，且校驗效率低等缺點［1－2］。為了提高校驗的效率，目前少數使用的攝像式水表校驗設備，需要安裝攝像設備對待校驗的水表讀數進行拍攝，經過圖像處理技術讀出水表讀數，通過軟件技術進行比較得出校驗結果［3］。攝像式采用圖像處理技術，設備系統傳輸要求較高、圖像轉換和識別軟件復雜、且價格昂貴、拍攝圖像易受干擾、容易引起誤差等不足。

在輪式計量儀表的遠程抄表操作中，通常采用干簧管和磁鐵、光電轉換技術進行抄表，需要改變水表的結構，其制造復雜。通過拍攝式抄表過程中，同樣存在上述技術缺陷。可見，在輪式計量儀表的誤差校驗、遠程抄表等操作過程中，如何提供一種輪式計量儀表的計數技術，在不改變原有儀表結構的基礎上，避免在計數操作中出現人為主觀誤差、計數效率低、成本高的缺陷，以提高計數的準確性，并降低操作成本，已經成為本領域技術人員繼續解決的技術問題。本文提出的激光計數系統恰能解決現有技術存在的問題。可對水表、天燃氣表、煤氣表、電表以及其他類似工作原理的輪式計量儀表進行計數，以滿足誤差校驗、遠程抄表等操作的需要。

1 激光計數原理

圖1 水表校驗原理示意圖

以水表為例說明激光計數系統的測量原理，在不改變原有儀表結構的基礎上，測量裝置安裝在輪式計量儀表正面透明介質(如玻璃)表面適當位置，用于接收儀表轉輪的齒表面反射的激光脈沖，如圖2 所示。激光發射器發射出的激光束照射在齒輪的齒槽處。當激光束照射在齒上時，激光接收器接收到反射的激光，轉換為高電平信號輸出。隨著齒輪的轉動，隨后激光束照射在齒輪的齒間槽內，激光接收器接收不到反射的激光束，故轉換為低電平信號輸出，如圖3 所示。隨著齒輪的轉動，便可接收到脈沖信號，脈沖信號的周期代表齒輪的轉速，脈沖的個數代表齒輪轉動的角度，也就是水表的流量數值。這是利用激光的單向性、抗干擾強的特點和光的反射定律來對輪式計量儀表計數。計數測量的準確性得到提高，操作成本降低，滿足了輪式計量儀表的誤差校驗、遠程抄表等需要。激光接收裝置也可接收齒輪齒間槽內的激光進行計數，只需改變激光接收裝置的位置來實現。

圖2 齒輪反射激光接收圖

圖3 齒輪齒間槽內反射激光圖

2 軟硬件設計

2.1 硬件電路

輪式計量儀表的電路包括激光計數和控制檢測報警兩部分。激光計數電路在接收到激光脈沖信號后，送入單片機組成的處理控制單元，對數據進行記錄、處理和判斷。控制檢測電路包括按鍵部分和顯示報警部分。按鍵包括可設置的數字0－9，“設置上/下限”、“清除”、“確認”和“開始”共14 個按鍵，采用4×4 矩陣鍵盤，LED 數碼管顯示數值。校驗后采用聲光報警，即蜂鳴器和發光二極管同時報警。

激光發射電路如圖4 所示，激光調制管接100Ω 下拉電阻，產生200kHz 左右的方波信號驅動激光管發出激光束。激光接收電路如圖5 所示，在沒有接收到激光信號時，接收管輸出為低電平，有接收時，輸出為高電平。并采用發光二極管指示接收狀態和輪式計量儀表的旋轉情況，接收到反射的激光信號時LED 燈滅，否則燈亮。

圖4 激光發射電路

圖5 激光接收電路

在非校驗中，按“清除”鍵可清除水表記錄的數據。按“設置上/下限”鍵可設置標準流量數據對應的上限和下限值，若已設置好可不更改。按“開始”鍵即可進入校驗計數狀態。在校驗過程中，計數至標準流量時會自動保存各表測量數據，也可按“確認”鍵保存測量數據。校驗過程為:操縱調節閥使水按規定流量通過水表，按“開始”鍵開始計數，當標準水表流量(指針)到預先設定的數值(分度)時自動保存所有待校驗水表的數據。這時可切斷水源，也可在切斷水源后，待工作量器中的水位靜止后，按“確認”鍵保存各表數據。在保存數據后設備會將各水表所記錄的水量與標準水表中的實際水量比較，用其誤差來判斷各表是否合格。超出誤差區間進行相應的聲光報警，對不合格的水表根據測量誤差進行調節，以待下次再次校驗。

2.2 軟件設計

軟件的設計主要包括按鍵判斷、脈沖計數、參數設置、數據處理、顯示和報警等部分。按鍵和顯示子程序較為成熟，激光脈沖信號采用中斷方式計數，軟件設計難度不大。本文針對上、下限設置子程序進行說明，如圖6 所示為上/下限設置子程序流程圖。由于上、下限設置為同一個按鍵，因此采用標志位來判斷上限和下限設置。當標志位為0 時進行上限設置，標志位為1 時進行下限設置，并采用LED 指示燈進行指示。設置過程中，可按“清除”鍵對數值清除，也可直接設置，設定值為四位十進制有效數字，在設置上、下限子程序中，當前數字鍵顯示在個位，原設定數值左移，高位丟掉。按“確認”鍵保存設定值后返回，否則繼續等待設置。在啟動“開始”按鍵后，如外部中斷0 發生中斷，即保存當前計數值，并判斷計數值是否落在設置的上限和下限數值之間，若在此區間則顯示合格。若小于下限設定值時，下限不合格聲光報警;大于上限設定值時，上限不合格聲光報警。外部中斷0 信號來自標準計量儀表，標準計量儀表的計數值等于設定數值時，說明標準流量已到達，發出中斷信號控制其它各檢測儀表，保存各計數值，根據計數值判斷各表是否合格。

圖6 上/下限設置子程序流程圖

3 結語

本文設計的輪式計量儀表的激光計數系統，避免了現有技術中人工校驗方式存在的操作繁瑣、勞動強度大的缺陷和校驗過程中存在主觀誤差。也避免了現有技術中攝像式校驗存在的設備性能要求高、圖像轉換和識別軟件復雜、價格昂貴、受干擾等不足。在合理安裝后測量結果無誤差，可滿足輪式計量儀表的誤差校驗、遠程抄表等需要。唯一的不足在于安裝不夠方便，需要適當調整以使激光照射在齒輪的齒槽處。

［1］ 楊繼東;朱瑞龍;苗淼.基于多Agent 的無線網絡水表抄表系統應用研究［J］.測控技術，2014，33(1):99－103.

［2］ 姚靈.電子水表傳感與信號處理技術［J］.自動化儀表，2009，30(3):1－5.

［3］ 高元元.圖像處理技術在自動水表校驗裝置中的應用研究［D］.南京:南京航空航天大學，2010.