燃氣計量儀表電子計數(shù)器質(zhì)量檢測儀的研發(fā)

Development of electronic counter quality detector of gas measuring instrument

侯勇毅，樊靜波

（寧夏大學(xué) 機械工程學(xué)院，銀川 750021）

HOU Yong-yi,　FAN Jing-bo

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燃氣計量儀表電子計數(shù)器質(zhì)量檢測儀的研發(fā)

Development of electronic counter quality detector of gas measuring instrument

侯勇毅，樊靜波

（寧夏大學(xué) 機械工程學(xué)院，銀川 750021）

HOU Yong-yi,FAN Jing-bo

摘要：燃氣計量儀表是工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中廣泛使用的計量儀表之一。針對寧夏某企業(yè)在生產(chǎn)燃氣計量儀表過程中，須對其電子計數(shù)器進行質(zhì)量檢測的實際需求，設(shè)計開發(fā)了一臺燃氣計量儀表電子計數(shù)器質(zhì)量檢測儀，可在11秒內(nèi)檢測一個計數(shù)器，并且還留有擴充接口，能夠滿足企業(yè)目前及擴大生產(chǎn)的需求。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量檢測儀；電子計數(shù)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(yīng)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(fā)展。寧夏某企業(yè)在生產(chǎn)智能燃氣儀表的過程中，須對電子計數(shù)器的質(zhì)量進行檢驗，應(yīng)企業(yè)的請求，在校企合作模式下，設(shè)計開發(fā)了款燃氣計量儀表電子計數(shù)器質(zhì)量檢測儀。

1　電子計數(shù)器的結(jié)構(gòu)與工作原理

機械計數(shù)器是利用被測氣體在表體內(nèi)流動過程中產(chǎn)生的壓力差作為動力，驅(qū)動齒輪帶動組滾輪實現(xiàn)計數(shù)的，下級滾輪轉(zhuǎn)動圈通過不完全齒輪帶動上級滾輪轉(zhuǎn)動格，以此類推。電子計數(shù)器是在機械計數(shù)器的基礎(chǔ)上進而來的，其結(jié)構(gòu)與機械式燃氣計量器相似，主要區(qū)別是在傳統(tǒng)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(yīng)電子開關(guān)。圖1為燃氣計量表電子計數(shù)器的外觀圖。當(dāng)滾輪轉(zhuǎn)動時，磁鐵與電子開關(guān)的距離發(fā)生變化，作用到電子開關(guān)的磁場強度也隨之發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電子開關(guān)的開閉，進而輸出脈沖信號來實現(xiàn)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(guān)能夠有效觸發(fā)。當(dāng)滾輪轉(zhuǎn)過周，分別觸發(fā)上下兩個電子開關(guān)開閉，輸出組脈沖信號，對應(yīng)定的燃氣計量[2]。圖2為燃氣計量表電子計數(shù)器的工作原理圖。

圖1　燃氣計量表電子計數(shù)器的外觀圖

圖2　燃氣計量表電子計數(shù)器的工作原理

2　質(zhì)量檢測儀的設(shè)計方案

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

首先運用推送機構(gòu)把計數(shù)器推送到翻板上的檢測位置，通過夾持機構(gòu)把計數(shù)器夾緊，同時用導(dǎo)電橡膠實現(xiàn)與干簧管觸點柔性連接與導(dǎo)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(qū)動計數(shù)器上的齒輪，帶動計數(shù)器滾輪轉(zhuǎn)動，而滾輪上的磁鐵會使干簧管開閉，從而產(chǎn)生脈沖信號，通過分析脈沖信號，判斷計數(shù)器合格與否。最后夾持裝置把計數(shù)器松開，根據(jù)判斷結(jié)果，通過翻板機構(gòu)將合格與不合格的計數(shù)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(zhì)量檢測儀的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)與檢測判據(jù)

3.1干簧管的觸發(fā)時間

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

圖4　干簧管的導(dǎo)通角

可用如圖5所示的測量電路對該型號干簧管的觸發(fā)特性進行檢測，檢測結(jié)果如圖6所示。可以看出：當(dāng)給線圈通電形成磁場時，干簧管大概會在0.5ms時反應(yīng)，其反應(yīng)后產(chǎn)生約100us的動態(tài)噪聲，當(dāng)動態(tài)噪聲結(jié)束后，開關(guān)會經(jīng)過個“波動期”。在此期間簧片間有電流流過，旦振蕩停止，開關(guān)即呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。般而言，當(dāng)線圈接收到信號時，干簧開關(guān)穩(wěn)定的時間應(yīng)在1.5ms左右[3]。取干簧管的吸合時間為2ms，即磁鐵在導(dǎo)通角內(nèi)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(zhuǎn)速為500n/s，即第級滾輪的轉(zhuǎn)速小于500n/s都能滿足要求。

圖5　用于測量干簧開關(guān)的電路

圖6　干簧管動態(tài)接觸電阻波型圖

3.2儀表計數(shù)器的檢測判據(jù)

將干簧管的導(dǎo)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(zhuǎn)周內(nèi)相鄰時刻的位置。

1）當(dāng)導(dǎo)通角小于36°，即導(dǎo)通角小于滾輪每次轉(zhuǎn)過的角度時存在以下種情況：

（1）磁鐵在導(dǎo)通角內(nèi)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(xiàn)吸合；

（3）磁鐵在兩側(cè)干簧管的導(dǎo)通角內(nèi)均停留1/10個周期（如圖7(c)所示），實現(xiàn)吸合。

圖7　當(dāng)導(dǎo)通角都小于36度時，干簧管導(dǎo)通情況

2）當(dāng)導(dǎo)通角大于36°，即導(dǎo)通角大于滾輪每次轉(zhuǎn)過的角度時，那么磁鐵在旋轉(zhuǎn)的過程中至少在兩側(cè)的導(dǎo)通角內(nèi)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(dǎo)致兩側(cè)干簧管的導(dǎo)通角可能不完全致，故存在側(cè)的導(dǎo)通角大于36°，而另側(cè)的導(dǎo)通角小于36°的情況，此時，存在八種情況。

圖8　當(dāng)導(dǎo)通角都大于36度時，干簧管導(dǎo)通情況

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

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

圖9　當(dāng)一側(cè)的導(dǎo)通角大于36度，另一側(cè)的導(dǎo)通角小于36度時，干簧管的導(dǎo)通情況

干簧管的導(dǎo)通情況匯總?cè)绫?所示。

表1　干簧管導(dǎo)通情況表

通過對干簧管導(dǎo)通情況的分析可知干簧管導(dǎo)通的極限狀態(tài)有兩種：1）當(dāng)兩側(cè)干簧管的導(dǎo)通角均小于36°時，磁鐵掃過干簧管的導(dǎo)通角，干簧管剛好被磁化而吸合，此極限狀態(tài)為判據(jù)下限；2）當(dāng)兩側(cè)干簧管的導(dǎo)通角均大于36°時，磁鐵在干簧管的導(dǎo)通角內(nèi)停留時間最長，且干簧管的通斷正常時，此極限狀態(tài)為判據(jù)上限。由計數(shù)滾輪的構(gòu)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(dāng)?shù)诩墲L輪通過不完全齒輪帶動第二級滾輪轉(zhuǎn)動時，即帶動第二級滾輪上的磁鐵掃過時，第級滾輪的轉(zhuǎn)速和第二級滾輪的轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)此時間大于干簧管的反應(yīng)時間2ms，在掃過的過程中，因為每個干簧管導(dǎo)通角的具體數(shù)值不能確定，故不能測量出在此導(dǎo)通角下具體的導(dǎo)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(dǎo)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(jù)下限。

為了方便檢測，可引入占空比的概念：干簧管在導(dǎo)通角的范圍內(nèi)導(dǎo)通的時間設(shè)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(dǎo)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(nèi)，總共轉(zhuǎn)動10次，磁鐵在兩側(cè)干簧管的導(dǎo)通角內(nèi)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(qū)間內(nèi)，超出8/10個周期的部分因為導(dǎo)通角的未知而無法測量，故取磁鐵在干簧管導(dǎo)通角內(nèi)停留8/10個周期的時間為判定干簧管是否合格的判據(jù)上限，占空比為80%。

綜上所述，判斷計數(shù)器合格的判據(jù)范圍為2%～80%，即檢測儀檢測到計數(shù)器內(nèi)的干簧管占空比在此范圍內(nèi)，此計數(shù)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(shè)計的程序?qū)崿F(xiàn)。

4　檢測儀驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

考慮到該機構(gòu)動作較多，若用純機械傳動來實現(xiàn)則需要設(shè)計復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，且并不能保證使用最少的動力源。采用液壓傳動有以下優(yōu)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(gòu)的布局更為合理。

所設(shè)計的液壓回路如圖10所示。使用電磁換向閥所實現(xiàn)的順序動作如表2所示。

5　動作控制及檢測程序的設(shè)計

本文所設(shè)計的程序主要用于控制電磁換向閥和行程開關(guān)，即按照表2電磁換向閥的順序動作回路動作循環(huán)表進行編程。需要注意的是當(dāng)橡膠輪驅(qū)動計數(shù)器齒輪旋轉(zhuǎn)時，齒輪從啟動到轉(zhuǎn)速穩(wěn)定需要定的時間，故計算機在分析、記錄干簧管導(dǎo)通的時間時，應(yīng)把齒輪從開始轉(zhuǎn)動到穩(wěn)定的這段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)舍去，因為轉(zhuǎn)速足夠快，設(shè)這個舍去的時間為1s，只記錄齒輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后干簧管吸合的時間，設(shè)這個時間為6s，在6s內(nèi)，干簧管可導(dǎo)通9次，若干簧管在6s內(nèi)導(dǎo)通9次時，證明干簧管能穩(wěn)定吸合，若在6s內(nèi)干簧管吸合的次數(shù)少于9次，則此計數(shù)器直接判定為不合格。當(dāng)干簧管在6s內(nèi)吸合9次時，S7-200內(nèi)的定時器已經(jīng)記錄下干簧管的導(dǎo)通時間，即干簧管吸合的占空比，再與設(shè)定的數(shù)據(jù)2%～80%進行比較，從而判定計數(shù)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(huán)所需的時間如表3所示。

6　結(jié)論

圖10　液壓回路圖

表2　使用電磁換向閥的順序動作回路動作循環(huán)表

表3　檢測儀每個順序動作所需的時間表

圖11　燃氣計量儀表電子計數(shù)器質(zhì)量檢測儀裝配圖

參考文獻：

[1] 朱立秋.我國計量事業(yè)現(xiàn)今發(fā)展的狀況淺析[J].黑龍江科技信息,2009.1.

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[3] Standex-Meder電子公司.干簧管使用說明[EB/OL].http://www. meder-ghl.cn/technical-documents1.html.

加工與制造

作者簡介：侯勇毅（1990 -），男，湖南人，碩士研究生，主要從事先進制造技術(shù)研究。

收稿日期：2015-10-21

中圖分類號：TH89

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)03-0001-06