燃氣計量儀表電子計數器質量檢測儀的研發

2016-04-12 06:52:38Developmentofelectroniccounterqualitydetectorofgasmeasuringinstrument

制造業自動化 2016年3期

Development of electronic counter quality detector of gas measuring instrument

侯勇毅，樊靜波

（寧夏大學機械工程學院，銀川 750021）

HOU Yong-yi,　FAN Jing-bo

燃氣計量儀表電子計數器質量檢測儀的研發

Development of electronic counter quality detector of gas measuring instrument

侯勇毅，樊靜波

（寧夏大學機械工程學院，銀川 750021）

HOU Yong-yi,FAN Jing-bo

摘要：燃氣計量儀表是工業生產和日常生活中廣泛使用的計量儀表之一。針對寧夏某企業在生產燃氣計量儀表過程中，須對其電子計數器進行質量檢測的實際需求，設計開發了一臺燃氣計量儀表電子計數器質量檢測儀，可在11秒內檢測一個計數器，并且還留有擴充接口，能夠滿足企業目前及擴大生產的需求。

關鍵詞：質量檢測儀；電子計數器；燃氣計量儀表

0　引言

計量儀器儀表是獲取各類計量信息的重要工具，廣泛應用于氣、液等流體的壓力、流量、溫度等物理量的測量[1]。隨著國家西氣東輸工程的實施，天然氣的使用日趨廣泛，有力地推進了燃氣計量儀表的發展。寧夏某企業在生產智能燃氣儀表的過程中，須對電子計數器的質量進行檢驗，應企業的請求，在校企合作模式下，設計開發了款燃氣計量儀表電子計數器質量檢測儀。

1　電子計數器的結構與工作原理

機械計數器是利用被測氣體在表體內流動過程中產生的壓力差作為動力，驅動齒輪帶動組滾輪實現計數的，下級滾輪轉動圈通過不完全齒輪帶動上級滾輪轉動格，以此類推。電子計數器是在機械計數器的基礎上進而來的，其結構與機械式燃氣計量器相似，主要區別是在傳統的機械燃氣計量器第二級滾輪上鑲嵌有塊永久磁鐵，同時在靠近滾輪的上下位置各安裝有干簧管，即磁感應電子開關。圖1為燃氣計量表電子計數器的外觀圖。當滾輪轉動時，磁鐵與電子開關的距離發生變化，作用到電子開關的磁場強度也隨之發生變化，從而導致電子開關的開閉，進而輸出脈沖信號來實現燃氣量的計量。在磁鐵磁場的作用下，同時刻只有個電子開關能夠有效觸發。當滾輪轉過周，分別觸發上下兩個電子開關開閉，輸出組脈沖信號，對應定的燃氣計量[2]。圖2為燃氣計量表電子計數器的工作原理圖。

圖1　燃氣計量表電子計數器的外觀圖

圖2　燃氣計量表電子計數器的工作原理

2　質量檢測儀的設計方案

總體設計方案的思路是模仿燃氣計量儀表的實際工作狀態，即通過外力驅動滾輪轉動，檢測干簧管的開閉狀態，從而根據干簧管的輸出信號判斷計數器是否合格。分步動作包括計數器推送，夾持，驅動，檢測、分離等動作。

首先運用推送機構把計數器推送到翻板上的檢測位置，通過夾持機構把計數器夾緊，同時用導電橡膠實現與干簧管觸點柔性連接與導通，以有效降低對定位精度的要求，并保證可靠連接形成檢測回路。然后利用比齒輪嚙合簡單可靠的橡膠輪驅動計數器上的齒輪，帶動計數器滾輪轉動，而滾輪上的磁鐵會使干簧管開閉，從而產生脈沖信號，通過分析脈沖信號，判斷計數器合格與否。最后夾持裝置把計數器松開，根據判斷結果，通過翻板機構將合格與不合格的計數器予以分離。檢測儀的順序動作流程圖如圖3所示。

圖3　檢測儀的順序動作流程圖

3　質量檢測儀的關鍵設計參數與檢測判據

3.1干簧管的觸發時間

隨著滾輪的轉動，鑲嵌在滾輪上的磁鐵形成的磁場對干簧管的作用發生變化，在定轉角范圍內可觸發干簧管導通，導通范圍所對應的角度稱為導通角，用θ表示，如圖4所示。導通角除與磁鐵磁場強度，安裝距離，干簧管敏感度等參數有關外（在計數器結構、干簧管選型定的條件下，這些參數可視為常數），還與磁場作用于干簧管的時間有關，即與滾輪的轉速有關，而滾輪轉速是檢測儀的關鍵設計參數之。滾輪轉速的選擇既須保證在磁鐵掃過干簧管時將其穩定觸發，保證可靠計數，又要盡可能采用較高的轉速，以提高檢測效率。

圖4　干簧管的導通角

可用如圖5所示的測量電路對該型號干簧管的觸發特性進行檢測，檢測結果如圖6所示。可以看出：當給線圈通電形成磁場時，干簧管大概會在0.5ms時反應，其反應后產生約100us的動態噪聲，當動態噪聲結束后，開關會經過個“波動期”。在此期間簧片間有電流流過，旦振蕩停止，開關即呈現穩定狀態。般而言，當線圈接收到信號時，干簧開關穩定的時間應在1.5ms左右[3]。取干簧管的吸合時間為2ms，即磁鐵在導通角內停2ms干簧管定能夠吸合。那么第二級滾輪運行的周期為20ms，干簧管從這次吸合到下次吸合的過程中，中間的時間間隔為18ms。第級滾輪運行的周期為2ms，那么可得最大轉速為500n/s，即第級滾輪的轉速小于500n/s都能滿足要求。

圖5　用于測量干簧開關的電路

圖6　干簧管動態接觸電阻波型圖

3.2儀表計數器的檢測判據

將干簧管的導通角分為大于36°和小于36°等幾種情況。如圖7～圖9所示，小黑點代表磁鐵在旋轉周內相鄰時刻的位置。

1）當導通角小于36°，即導通角小于滾輪每次轉過的角度時存在以下種情況：

（1）磁鐵在導通角內不停留（如圖7(a)所示），此時干簧管吸合的時間最短，但只要掃過的時間大于2ms，就能實現吸合；

（3）磁鐵在兩側干簧管的導通角內均停留1/10個周期（如圖7(c)所示），實現吸合。

圖7　當導通角都小于36度時，干簧管導通情況

2）當導通角大于36°，即導通角大于滾輪每次轉過的角度時，那么磁鐵在旋轉的過程中至少在兩側的導通角內都停留1/10個周期，存在七種情況。

3）由于制造、安裝等誤差，導致兩側干簧管的導通角可能不完全致，故存在側的導通角大于36°，而另側的導通角小于36°的情況，此時，存在八種情況。

圖8　當導通角都大于36度時，干簧管導通情況

（1）磁鐵在小于36°的導通角內停留1/10個周期，在大于36°的導通角內停留1/10～4/10個周期（如圖9(a)～圖9(d)所示），實現吸合；

（2）磁鐵掃過小于36°的導通角，在大于36°的導通角內停留1/10～4/10個周期（如圖9(e)～圖9(h)所示），實現吸合。

圖9　當一側的導通角大于36度，另一側的導通角小于36度時，干簧管的導通情況

干簧管的導通情況匯總如表1所示。

表1　干簧管導通情況表

通過對干簧管導通情況的分析可知干簧管導通的極限狀態有兩種：1）當兩側干簧管的導通角均小于36°時，磁鐵掃過干簧管的導通角，干簧管剛好被磁化而吸合，此極限狀態為判據下限；2）當兩側干簧管的導通角均大于36°時，磁鐵在干簧管的導通角內停留時間最長，且干簧管的通斷正常時，此極限狀態為判據上限。由計數滾輪的構造可知第二級滾輪每停留次的時間與掃過的時間之和為1/10個周期，當第級滾輪通過不完全齒輪帶動第二級滾輪轉動時，即帶動第二級滾輪上的磁鐵掃過時，第級滾輪的轉速和第二級滾輪的轉速相等，且運行的時間相同，都為第級滾輪周期的1/10。對于第種情況，設第級滾輪周期的1/10為Ts，那么第二級滾輪掃過的時間也為Ts，且設此時間大于干簧管的反應時間2ms，在掃過的過程中，因為每個干簧管導通角的具體數值不能確定，故不能測量出在此導通角下具體的導通時間，但是此不能測量出的時間必定比磁鐵掃過36°所用的時間少，而只要磁鐵掃過36°，干簧管必定導通，且掃過36°的具體時間已知，因此取磁鐵掃過36°的時間為判定干簧管是否合格的判據下限。

為了方便檢測，可引入占空比的概念：干簧管在導通角的范圍內導通的時間設為τ，其與周期T的比值稱為占空比，用η表示。即：

因為有兩個干簧管，兩干簧管導通的時間之和為2Ts，而第二級滾輪的周期為100Ts，故占空比的下限為2%。對于第二種情況，第二級滾輪在個周期內，總共轉動10次，磁鐵在兩側干簧管的導通角內停留的最長時間范圍在大于8/10個周期而小于9/10個周期的區間內，超出8/10個周期的部分因為導通角的未知而無法測量，故取磁鐵在干簧管導通角內停留8/10個周期的時間為判定干簧管是否合格的判據上限，占空比為80%。

綜上所述，判斷計數器合格的判據范圍為2%～80%，即檢測儀檢測到計數器內的干簧管占空比在此范圍內，此計數器就被確定為合格，否則確定為不合格。而此判定工作由所設計的程序實現。

4　檢測儀驅動系統的設計

考慮到該機構動作較多，若用純機械傳動來實現則需要設計復雜的機械結構，且并不能保證使用最少的動力源。采用液壓傳動有以下優點：

3）液壓傳動是通過油管連接，且這種連接方式可以使傳動機構的布局更為合理。

所設計的液壓回路如圖10所示。使用電磁換向閥所實現的順序動作如表2所示。

5　動作控制及檢測程序的設計

本文所設計的程序主要用于控制電磁換向閥和行程開關，即按照表2電磁換向閥的順序動作回路動作循環表進行編程。需要注意的是當橡膠輪驅動計數器齒輪旋轉時，齒輪從啟動到轉速穩定需要定的時間，故計算機在分析、記錄干簧管導通的時間時，應把齒輪從開始轉動到穩定的這段時間內的數據舍去，因為轉速足夠快，設這個舍去的時間為1s，只記錄齒輪轉速穩定后干簧管吸合的時間，設這個時間為6s，在6s內，干簧管可導通9次，若干簧管在6s內導通9次時，證明干簧管能穩定吸合，若在6s內干簧管吸合的次數少于9次，則此計數器直接判定為不合格。當干簧管在6s內吸合9次時，S7-200內的定時器已經記錄下干簧管的導通時間，即干簧管吸合的占空比，再與設定的數據2%～80%進行比較，從而判定計數器是否合格。檢測儀的主要控制程序略。

檢測儀每個工作循環所需的時間如表3所示。