輪式計量儀表的激光計數(shù)系統(tǒng)設(shè)計

段爭光，張學(xué)亮

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)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(nèi)。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(biāo)準(zhǔn)水表串聯(lián)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(biāo)準(zhǔn)的公稱流量使水表指針平穩(wěn)轉(zhuǎn)動一段時間后再停止，待水流靜止后記錄水表指針對準(zhǔn)的某一刻度或是零線;再操控調(diào)節(jié)閥使水按規(guī)定流量通過各水表，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)水表指針到達預(yù)先規(guī)定的分度時切斷水源，待水流靜止后進行讀數(shù)，然后將水表所記錄的水量與標(biāo)準(zhǔn)水表中的實際水量比較，記錄數(shù)據(jù)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(jié)束時的水表刻度，然后比較出水流量與標(biāo)準(zhǔn)水表流量，并根據(jù)誤差值判斷水表是否合格。由于同時校驗數(shù)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(shù)使用的攝像式水表校驗設(shè)備，需要安裝攝像設(shè)備對待校驗的水表讀數(shù)進行拍攝，經(jīng)過圖像處理技術(shù)讀出水表讀數(shù)，通過軟件技術(shù)進行比較得出校驗結(jié)果［3］。攝像式采用圖像處理技術(shù)，設(shè)備系統(tǒng)傳輸要求較高、圖像轉(zhuǎn)換和識別軟件復(fù)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(zhuǎn)換技術(shù)進行抄表，需要改變水表的結(jié)構(gòu)，其制造復(fù)雜。通過拍攝式抄表過程中，同樣存在上述技術(shù)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(shù)技術(shù)，在不改變原有儀表結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，避免在計數(shù)操作中出現(xiàn)人為主觀誤差、計數(shù)效率低、成本高的缺陷，以提高計數(shù)的準(zhǔn)確性，并降低操作成本，已經(jīng)成為本領(lǐng)域技術(shù)人員繼續(xù)解決的技術(shù)問題。本文提出的激光計數(shù)系統(tǒng)恰能解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題?？蓪λ?、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(shù)，以滿足誤差校驗、遠程抄表等操作的需要。

1 激光計數(shù)原理

圖1 水表校驗原理示意圖

以水表為例說明激光計數(shù)系統(tǒng)的測量原理，在不改變原有儀表結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，測量裝置安裝在輪式計量儀表正面透明介質(zhì)(如玻璃)表面適當(dāng)位置，用于接收儀表轉(zhuǎn)輪的齒表面反射的激光脈沖，如圖2 所示。激光發(fā)射器發(fā)射出的激光束照射在齒輪的齒槽處。當(dāng)激光束照射在齒上時，激光接收器接收到反射的激光，轉(zhuǎn)換為高電平信號輸出。隨著齒輪的轉(zhuǎn)動，隨后激光束照射在齒輪的齒間槽內(nèi)，激光接收器接收不到反射的激光束，故轉(zhuǎn)換為低電平信號輸出，如圖3 所示。隨著齒輪的轉(zhuǎn)動，便可接收到脈沖信號，脈沖信號的周期代表齒輪的轉(zhuǎn)速，脈沖的個數(shù)代表齒輪轉(zhuǎn)動的角度，也就是水表的流量數(shù)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(shù)。計數(shù)測量的準(zhǔn)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(nèi)的激光進行計數(shù)，只需改變激光接收裝置的位置來實現(xiàn)。

圖2 齒輪反射激光接收圖

圖3 齒輪齒間槽內(nèi)反射激光圖

2 軟硬件設(shè)計

2.1 硬件電路

輪式計量儀表的電路包括激光計數(shù)和控制檢測報警兩部分。激光計數(shù)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(shù)據(jù)進行記錄、處理和判斷?？刂茩z測電路包括按鍵部分和顯示報警部分。按鍵包括可設(shè)置的數(shù)字0－9，“設(shè)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(shù)碼管顯示數(shù)值。校驗后采用聲光報警，即蜂鳴器和發(fā)光二極管同時報警。

激光發(fā)射電路如圖4 所示，激光調(diào)制管接100Ω 下拉電阻，產(chǎn)生200kHz 左右的方波信號驅(qū)動激光管發(fā)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(fā)光二極管指示接收狀態(tài)和輪式計量儀表的旋轉(zhuǎn)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(fā)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(shù)據(jù)。按“設(shè)置上/下限”鍵可設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)流量數(shù)據(jù)對應(yīng)的上限和下限值，若已設(shè)置好可不更改。按“開始”鍵即可進入校驗計數(shù)狀態(tài)。在校驗過程中，計數(shù)至標(biāo)準(zhǔn)流量時會自動保存各表測量數(shù)據(jù)，也可按“確認”鍵保存測量數(shù)據(jù)。校驗過程為:操縱調(diào)節(jié)閥使水按規(guī)定流量通過水表，按“開始”鍵開始計數(shù)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)水表流量(指針)到預(yù)先設(shè)定的數(shù)值(分度)時自動保存所有待校驗水表的數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)。在保存數(shù)據(jù)后設(shè)備會將各水表所記錄的水量與標(biāo)準(zhǔn)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(qū)間進行相應(yīng)的聲光報警，對不合格的水表根據(jù)測量誤差進行調(diào)節(jié)，以待下次再次校驗。

2.2 軟件設(shè)計

軟件的設(shè)計主要包括按鍵判斷、脈沖計數(shù)、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)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(shù)，軟件設(shè)計難度不大。本文針對上、下限設(shè)置子程序進行說明，如圖6 所示為上/下限設(shè)置子程序流程圖。由于上、下限設(shè)置為同一個按鍵，因此采用標(biāo)志位來判斷上限和下限設(shè)置。當(dāng)標(biāo)志位為0 時進行上限設(shè)置，標(biāo)志位為1 時進行下限設(shè)置，并采用LED 指示燈進行指示。設(shè)置過程中，可按“清除”鍵對數(shù)值清除，也可直接設(shè)置，設(shè)定值為四位十進制有效數(shù)字，在設(shè)置上、下限子程序中，當(dāng)前數(shù)字鍵顯示在個位，原設(shè)定數(shù)值左移，高位丟掉。按“確認”鍵保存設(shè)定值后返回，否則繼續(xù)等待設(shè)置。在啟動“開始”按鍵后，如外部中斷0 發(fā)生中斷，即保存當(dāng)前計數(shù)值，并判斷計數(shù)值是否落在設(shè)置的上限和下限數(shù)值之間，若在此區(qū)間則顯示合格。若小于下限設(shè)定值時，下限不合格聲光報警;大于上限設(shè)定值時，上限不合格聲光報警。外部中斷0 信號來自標(biāo)準(zhǔn)計量儀表，標(biāo)準(zhǔn)計量儀表的計數(shù)值等于設(shè)定數(shù)值時，說明標(biāo)準(zhǔn)流量已到達，發(fā)出中斷信號控制其它各檢測儀表，保存各計數(shù)值，根據(jù)計數(shù)值判斷各表是否合格。

圖6 上/下限設(shè)置子程序流程圖

3 結(jié)語

本文設(shè)計的輪式計量儀表的激光計數(shù)系統(tǒng)，避免了現(xiàn)有技術(shù)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(xiàn)有技術(shù)中攝像式校驗存在的設(shè)備性能要求高、圖像轉(zhuǎn)換和識別軟件復(fù)雜、價格昂貴、受干擾等不足。在合理安裝后測量結(jié)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(dāng)調(diào)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(wǎng)絡(luò)水表抄表系統(tǒng)應(yīng)用研究［J］.測控技術(shù)，2014，33(1):99－103.

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

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