基于激光傳感器的機(jī)械式水表自動(dòng)檢定裝置設(shè)計(jì)＊

文/張圓明 盧其倫 司徒琛 王志偉 黃闊

0 引言

水表是水資源計(jì)量的主要儀表之一，是在測(cè)量條件下用于連續(xù)測(cè)量、記錄和顯示流經(jīng)測(cè)量傳感器的水體積的儀表，它分為機(jī)械式水表、帶電子裝置的機(jī)械式水表和電子式水表。水表被國(guó)家列入強(qiáng)制計(jì)量檢定器具目錄，計(jì)量準(zhǔn)確度是衡量其質(zhì)量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)，需要法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)開展檢定工作來保障其計(jì)量準(zhǔn)確，維護(hù)供水用水雙方的合法權(quán)益。

目前，國(guó)內(nèi)法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)的水表檢定裝置尚未實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，主要以手動(dòng)方式或半自動(dòng)方式開展檢定，檢定過程中被檢水表讀數(shù)大多無法自動(dòng)采集、識(shí)別，需人工讀數(shù)、記錄、計(jì)算，因此存在原始記錄、證書易出錯(cuò)，檢定過程耗時(shí)長(zhǎng)，人力成本高，效率低等問題。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，水表送檢量越來越多、檢定要求越來越高，檢定裝置檢定能力不足的問題越來越突出。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有機(jī)械式水表檢定裝置的自動(dòng)讀數(shù)方式主要有兩種，一是圖像識(shí)別水表機(jī)械字輪讀數(shù)和/或指針位置并轉(zhuǎn)化為水表示值，二是利用傳感器對(duì)表盤梅花輪或指針轉(zhuǎn)動(dòng)速度（圈數(shù)）進(jìn)行檢測(cè)，得到反饋脈沖并轉(zhuǎn)換得到水表示值。機(jī)械式水表讀數(shù)圖像識(shí)別技術(shù)尚不成熟，跳表時(shí)字符不完整將會(huì)造成讀數(shù)困難、表盤指針難以區(qū)分等問題，該技術(shù)對(duì)相關(guān)攝像設(shè)備要求高，設(shè)備價(jià)格昂貴且易受光線變化、表盤水泡、灰塵、震動(dòng)等因素的干擾。傳感器脈沖反饋?zhàn)詣?dòng)讀數(shù)應(yīng)用更為成熟，對(duì)環(huán)境要求較低，裝置相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉且易于加裝改造，因此，本文提出一種基于激光傳感器的機(jī)械式水表自動(dòng)檢定方法，并對(duì)其檢定裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 自動(dòng)檢定研究現(xiàn)狀

目前，對(duì)機(jī)械式水表自動(dòng)檢定的研究還處于初步階段，實(shí)際應(yīng)用中還存在著許多不足之處。對(duì)應(yīng)用傳感器進(jìn)行水表讀數(shù)自動(dòng)檢測(cè)的研究集中在梅花齒輪或指針轉(zhuǎn)速（或圈數(shù)、齒數(shù)）等方面。很多研究者利用霍爾傳感器、色溫傳感器或電磁傳感器檢測(cè)機(jī)械式水表中心梅花輪轉(zhuǎn)速，間接獲得水表示值。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)算量小并能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間可縮短到圖像識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)的十分之一，勞動(dòng)強(qiáng)度大為下降，由人為因素引起的測(cè)量誤差也可減小，提高了檢測(cè)精度；但該方法的檢定裝置閥門開關(guān)、換向器換向等部件的震動(dòng)，易導(dǎo)致傳感器信號(hào)源與水表梅花輪相對(duì)位置的變化，若傳感器偏離檢測(cè)點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致傳感器接收信號(hào)的丟失，造成檢定結(jié)果不準(zhǔn)確。近年來，通過對(duì)水表檢定裝置的改進(jìn)，尤其是穩(wěn)定水源裝置，逐步解決了傳感器定位瞄準(zhǔn)的問題，進(jìn)而利用該方法對(duì)水表進(jìn)行誤差檢定?？酌鞯热嗽O(shè)計(jì)了一種針對(duì)水表始動(dòng)元件（梅花輪）轉(zhuǎn)速測(cè)量的激光傳感器檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行水表示值誤差檢定，在傳感器光學(xué)結(jié)構(gòu)中加入半透半反鏡，使光路同軸回歸，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)定位，由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列和數(shù)字信號(hào)處理器組合系統(tǒng)進(jìn)行激光回波信號(hào)數(shù)字化處理，實(shí)現(xiàn)水表示值誤差的實(shí)時(shí)快速、準(zhǔn)確檢測(cè)，與傳統(tǒng)檢定方法的差值在0.3%以內(nèi)。朱宏良等人發(fā)明了一種水表流量激光檢定用自動(dòng)搜尋梅花轉(zhuǎn)針裝置及其方法，能實(shí)現(xiàn)激光傳感器的光點(diǎn)自動(dòng)搜尋水表上的梅花轉(zhuǎn)針，對(duì)梅花轉(zhuǎn)針每一針轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的脈沖數(shù)計(jì)數(shù)來進(jìn)行水表流量監(jiān)測(cè)，避免人為主觀因素對(duì)激光傳感器對(duì)焦造成的影響，從而快速對(duì)焦，提高水表檢定效率。

采集梅花輪轉(zhuǎn)速的檢測(cè)方法已初步應(yīng)用于一些法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)，但該方法易受噪聲干擾導(dǎo)致信號(hào)丟失，降低了檢定可靠性和穩(wěn)定性；梅花輪體型小，存在檢定過程中傳感器光源易對(duì)焦偏離感應(yīng)區(qū)域的可能性；不同規(guī)格型號(hào)的水表，其梅花輪行程齒數(shù)、圈數(shù)或轉(zhuǎn)動(dòng)速率與水表讀數(shù)之間的轉(zhuǎn)換比值可能不同，需相應(yīng)生產(chǎn)廠家提供數(shù)據(jù)，給檢定帶來了不便，降低了檢定效率。因而，該方法還在試驗(yàn)階段，尚未廣泛推廣使用，甚至有些檢定機(jī)構(gòu)因使用效果不理想而棄用。

此外，因機(jī)械式水表指針長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于梅花輪齒，采用光電傳感器對(duì)水表指針轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)（轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)或轉(zhuǎn)速）進(jìn)行讀取、轉(zhuǎn)化成水表讀數(shù)，可提高檢定自動(dòng)化水平和檢定準(zhǔn)確度，傳感器信號(hào)抗干擾能力大大增強(qiáng)，避免檢定人員主觀因素造成的誤差，為采用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)水表讀數(shù)自動(dòng)采集提供了新的方向。

2 自動(dòng)檢定設(shè)計(jì)思路與方法

為解決傳統(tǒng)水表檢定方法的不準(zhǔn)確和抗干擾能力弱等問題，本文提出一種基于激光傳感器的機(jī)械式水表自動(dòng)檢定方法，利用激光傳感器對(duì)機(jī)械式水表末位指針轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)進(jìn)行記錄，使用高精度電子秤或/和標(biāo)準(zhǔn)表作為主標(biāo)準(zhǔn)器，實(shí)現(xiàn)水表體積讀數(shù)自動(dòng)采集和示值誤差自動(dòng)檢定，有效減少差錯(cuò)率，解放檢定人員。激光傳感器具有高指向性、高單色性、高亮度的特點(diǎn)，在檢測(cè)時(shí)不易受外界噪聲干擾、光束發(fā)散角較小、與被測(cè)對(duì)象的距離容忍度高、易于安裝和對(duì)焦等優(yōu)勢(shì)，較好地滿足了機(jī)械式水表的檢定要求。激光傳感器只需感應(yīng)機(jī)械式水表末位指針的轉(zhuǎn)動(dòng)，將傳感器光源發(fā)射到末位指針轉(zhuǎn)動(dòng)一圈掃過的圓形區(qū)域任一固定點(diǎn)即可，脈沖與水表讀數(shù)之間的轉(zhuǎn)換比值為表盤上末位指針轉(zhuǎn)一圈的體積量，因指針長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于梅花輪輪齒，大大增強(qiáng)了抗光線變化、表盤水泡、灰塵和振動(dòng)等噪聲干擾的能力，信號(hào)丟失概率較低，同時(shí)方便在已有檢定裝置上加裝改造。

3 自動(dòng)檢定裝置設(shè)計(jì)

本機(jī)械式水表自動(dòng)檢定裝置由水箱1、穩(wěn)壓容器2、水泵3、進(jìn)水閥10、夾表器5、檢測(cè)臺(tái)6、待檢定串聯(lián)水表7、流量調(diào)節(jié)閥8、瞬時(shí)流量指示器92、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器91、換向閥93、出水閥4組成（見圖1）。水箱1的上端開口通過輸水管與出水閥4連接，下端開口通過輸水管與水泵3的進(jìn)水端連接，水泵3的輸出水端通過水管與穩(wěn)壓容器的進(jìn)水端連接，穩(wěn)壓容器的出水端通過輸水管與進(jìn)水閥10的一端連接，進(jìn)水閥10的另一端與夾表器5連接，夾表器5上安裝若干個(gè)串聯(lián)的待檢定水表（圖1中是4個(gè)待檢定水表串聯(lián)），待檢定串聯(lián)水表另一端通過輸水管與流量調(diào)節(jié)閥8的一端連接，流量調(diào)節(jié)閥8的另一端與瞬時(shí)流量指示器92連接（兩者共同監(jiān)測(cè)控制檢定點(diǎn)水流量），計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器為工作量器及稱重系統(tǒng)91和換向閥93，換向閥93有1個(gè)進(jìn)水端和2個(gè)出水端，進(jìn)水端通過輸水管與瞬時(shí)流量指示器92連接，一個(gè)出水端通過輸水管與出水閥4連接，另一個(gè)出水端與工作量器及稱重系統(tǒng)91的進(jìn)水端連接。

圖1 基于激光傳感器的機(jī)械式水表自動(dòng)檢定裝置

采用可編程控制器（單片機(jī)或PLC控制系統(tǒng)）對(duì)帶電控制的水泵3、出水閥4、進(jìn)水閥10、流量調(diào)節(jié)閥8及計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行有序控制，使用高精度電子秤作為主標(biāo)準(zhǔn)器自動(dòng)采集流經(jīng)水表的實(shí)際體積；將激光傳感器光源發(fā)射到機(jī)械式水表末位指針轉(zhuǎn)動(dòng)一圈掃過的圓形區(qū)域任一固定點(diǎn)并返回漫反射光信號(hào)、再將漫反射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在指針轉(zhuǎn)動(dòng)過程中因指針顏色和所在區(qū)域底色不同導(dǎo)致光電元件檢測(cè)到的電信號(hào)也不同，因此可在指針轉(zhuǎn)到激光光源所在點(diǎn)時(shí)發(fā)送一個(gè)脈沖，即指針每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈（一圈代表一個(gè)固定的流量值）發(fā)送一個(gè)脈沖，根據(jù)記錄的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成該表的累積流量示值，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)得的實(shí)際體積計(jì)算出被檢水表的示值誤差，實(shí)現(xiàn)檢定全過程自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制。

檢測(cè)臺(tái)6由基座61、垂直于基座61的支桿62、與支桿62頂端固定連接的橫臂63以及若干個(gè)設(shè)置在橫臂63下端的流量采集裝置64（包括激光發(fā)射器和接收器等光電元件）組成（見圖2）。橫臂63的上端有槽口，槽口上有固定流量采集裝置64的螺釘；橫臂63的下端設(shè)置滑動(dòng)槽，流量采集裝置64與滑動(dòng)槽滑動(dòng)連接。流量采集裝置64由與滑動(dòng)槽滑動(dòng)連接的滑塊641、與滑塊641垂直連接的連接桿642、與連接桿642底端固定連接的底盤643以及與底盤643轉(zhuǎn)動(dòng)連接的轉(zhuǎn)動(dòng)盤644組成（見圖3）。轉(zhuǎn)動(dòng)盤644內(nèi)嵌有激光傳感器組646，激光傳感器組646由主激光傳感器以及輔激光傳感器組成，兩者光源各自發(fā)射到水表末位指針轉(zhuǎn)動(dòng)一圈掃過的圓形區(qū)域任一固定點(diǎn)。圖2中流量采集裝置64有4個(gè)，當(dāng)流量采集裝置64調(diào)節(jié)至待檢定水表正上方時(shí)，激光傳感器光源發(fā)射到待檢定水表末位指針轉(zhuǎn)動(dòng)一圈掃過的圓形區(qū)域任一固定點(diǎn)并返回漫反射光信號(hào)，再將漫反射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。指針轉(zhuǎn)動(dòng)過程中因指針顏色（紅色）和所在區(qū)域底色（白色）不同導(dǎo)致光電元件檢測(cè)到的電信號(hào)也不同，因此，可在指針轉(zhuǎn)到激光光源所在點(diǎn)時(shí)發(fā)送一個(gè)脈沖，即指針每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈（一圈代表一個(gè)固定的流量值）發(fā)送一個(gè)脈沖，在實(shí)際計(jì)算脈沖信息時(shí)，為防止信號(hào)丟失，取主激光傳感器和輔激光傳感器采集的最大脈沖數(shù)作為最終脈沖數(shù)。

圖2 檢測(cè)臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖3 流量采集裝置結(jié)構(gòu)

如圖4所示，底盤643的截面為工形，轉(zhuǎn)動(dòng)盤644內(nèi)設(shè)有容納工形部的槽口，底盤643底端徑向設(shè)置有若干柱形槽，槽內(nèi)均設(shè)置彈性卡件645；彈性卡件645包括彈簧和鋼珠，彈簧的一端與柱形槽底面固定連接，彈簧的另一端與鋼珠連接，所述鋼珠截面直徑的三分之一落入弧形槽內(nèi)；轉(zhuǎn)動(dòng)盤644設(shè)置若干匹配彈性卡件645的弧形槽，轉(zhuǎn)動(dòng)盤644相對(duì)底盤643轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)精度根據(jù)柱形槽的徑向分布個(gè)數(shù)確定，方便調(diào)節(jié)激光器組的初始位置；鋼珠截面直徑的三分之一落入弧形槽內(nèi)便于轉(zhuǎn)動(dòng)和固定，使檢定過程中傳感器組不會(huì)因?yàn)闄C(jī)械振動(dòng)而移位。

圖4 流量采集裝置剖面

4 自動(dòng)檢定流程

基于激光傳感器的機(jī)械式水表自動(dòng)檢定裝置的檢定流程如下：

（1）將待檢定水表依次串連通過夾表器安裝在水表檢測(cè)臺(tái)上，調(diào)節(jié)流量采集裝置，使主激光傳感器和輔激光傳感器的光源發(fā)射到待檢定水表末位指針轉(zhuǎn)動(dòng)一圈掃過的圓形區(qū)域任一固定點(diǎn)并保持穩(wěn)定。

（2）控制器控制水泵、進(jìn)水閥、出水閥、流量調(diào)節(jié)閥同時(shí)工作，瞬時(shí)流量指示器檢測(cè)水流量狀態(tài)，當(dāng)水流量到檢定點(diǎn)流量后，控制器控制主激光傳感器和輔激光傳感器開始工作。

（3）待檢定水表末位指針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)末位指針達(dá)到固定點(diǎn)后主激光傳感器產(chǎn)生第一個(gè)脈沖（計(jì)數(shù)為0），開始記錄起始時(shí)間，同時(shí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器開始記錄流經(jīng)水表的實(shí)際體積。

（4）設(shè)定檢定閾值，包括人工設(shè)定的時(shí)間閾值（1分鐘）和流經(jīng)水表水量閾值。當(dāng)流經(jīng)水表時(shí)間或水量超過設(shè)定閾值，檢定預(yù)結(jié)束；當(dāng)末位指針達(dá)到固定點(diǎn)后，控制器采集結(jié)束時(shí)刻的激光傳感器脈沖數(shù)和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的實(shí)際體積，記錄結(jié)束時(shí)間。

（5）計(jì)算待檢定水表在該檢定點(diǎn)的示值誤差。其中，激光脈沖數(shù)檢測(cè)的是末位指針的轉(zhuǎn)數(shù)，末位指針的轉(zhuǎn)數(shù)可根據(jù)水表分格數(shù)和對(duì)應(yīng)體積，經(jīng)過轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)到檢定水表的體積示值。

（6）重復(fù)（2）～（5）步驟，直至完成全部流量點(diǎn)的檢定。自動(dòng)計(jì)算示值誤差，生成原始記錄、檢定證書，并遠(yuǎn)程上傳、查詢、分析、匯總，實(shí)現(xiàn)檢定全過程自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制。