梁紅宇
(廣東省茂名市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所,廣東茂名 525000)
燃氣表是國家第一批重點管理的計量器具,并且列入《中華人民共和國依法管理的計量器具目錄》中,在燃氣的供需雙方的貿(mào)易結算中發(fā)揮關鍵的作用。按照普通家庭的日燃氣使用量推算,一個智能燃氣表可以使用25a(a 表示年)以上,明顯超出了當前技術法規(guī)定的10a 的使用年限。對目前普遍應用的智能燃氣表,通過Peck 模型并綜合抽樣統(tǒng)計的方式,對樣品數(shù)量進行科學抽取,通過合理試驗安全性能和計量性能,從而對智能燃氣表的實際使用壽命有所掌握。通過對民用燃氣表可靠性的研究,適當延長燃氣表的使用年限,是國家、民眾和企業(yè)都受益的創(chuàng)新舉措。
針對智能燃氣表可靠性的試驗,加速壽命試驗是最有效的試驗方式。該試驗的關鍵作用在于推進試驗進程的加快,將關鍵的可靠度依據(jù)提供給預測系統(tǒng)和相關裝置?;赑eck 加速壽命試驗模型可靠性的試驗手段和規(guī)模要根據(jù)試驗對象和相關要求確定。在具體試驗方面,設備、系統(tǒng)和元器件的方式是不一樣的,在整機試驗上,主要是剔除某些不可靠的元器件;在機械零部件的試驗上,主要是檢測疲勞壽命;而對于電子元器件的試驗主要是針對壽命。針對智能燃氣表的可靠度有必要根據(jù)最終的使用條件評價。因此,壽命的試驗主要是遵循實際的環(huán)境條件和實際的使用條件開展。
加速壽命試驗不同于產(chǎn)品例行試驗。例行試驗通常是一般變形性能和強度的試驗,其主要目的就是確保產(chǎn)品進出廠驗收前,各類性能參數(shù)是不是與標準相符,并沒有對被測產(chǎn)品規(guī)定時間內(nèi)的失效率進行測定,所以難以保證產(chǎn)品的可靠性。而加速壽命試驗的宗旨就是對產(chǎn)品在規(guī)定的使用時間內(nèi)提供可靠性的依據(jù)。同時,加速壽命試驗也是產(chǎn)品的檢驗和可靠性預測的前提基礎。從試驗時間上看,加速壽命試驗要長于產(chǎn)品例行試驗。因為在很短的時間內(nèi)不能獲得顯示可靠度水平的依據(jù)。在試驗數(shù)據(jù)的處理層面,例行試驗因為只是性能通過的試驗,數(shù)據(jù)處理相對簡單,而加速壽命試驗用來推斷一批產(chǎn)品可靠性,因此,數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方式必須嚴格,讓最終的結論更可靠[1]。
通過高應力下的壽命去推算正常應用應力下的壽命,是加速壽命試驗的基本手段。實現(xiàn)該試驗思路的重要節(jié)點是進行應力與壽命特征之間關系的構建,而加速模型就是這種關系的表現(xiàn),主要分為以下幾個類型。
Arrhenius 模型加速應力試驗的載體是溫度,過程是對壽命特征依賴溫度的關系的描述,表達公式如下:
式(1)中,t代表壽命特征;ΔE表示激活能,單位eV;A 代表常數(shù);而玻爾茲曼常數(shù)設定為k,eV/K,取8.617×10-5eV/K;T代表熱力學溫度,單位K。
此模型通過電壓、溫度作為載體進行加速應力試驗,其過程是對壽命特征對電壓和溫度依賴關系的描述,表達公式如下:
式(2)中,G、C、D分別代表常數(shù);U表示電壓,單位V。
Peck 模型加速應力試驗的載體是溫度、相對濕度的反應,其過程是對壽命特征依賴相對濕度、溫度的描述,其表達公式如下:
式(3)中,B、n分別代表常數(shù);相對濕度設定為φ。
溫度、相對濕度影響智能燃氣表的表現(xiàn)如下:溫度過高會導致焊點熔化、改變表內(nèi)電子元器件的結構、結構失效、元器件性能降低、電特性改變、增大機械應力、絕緣失效等;相對濕度過大會導致金屬氧化或者電化學腐蝕,降低介電強度和絕緣,電性能參數(shù)漂移,電子元器件、印制板、接插件產(chǎn)生電泄漏路徑,形成短路和開路。本試驗的表具加速壽命的試驗采用Peck 模型[2]。
本研究試驗表具的抽樣對象都是某地區(qū)居民普遍應用的各類燃氣表,經(jīng)過嚴格論證篩選,一共收集35 臺智能燃氣表進行試驗。制定本抽樣方案的主要影響因素分為5 個方面:
(1)本次智能燃氣表產(chǎn)品抽樣的廠家,基本實現(xiàn)了對燃氣表供應商的有效覆蓋。
(2)本次試驗抽取的表型主要為G2.5 燃氣表,主要為該區(qū)居民廣泛使用的燃氣表。
(3)本試驗抽取樣表基本都是安裝8a 以上的燃氣表。
(4)本試驗抽取的樣表的燃氣量都已經(jīng)計量,為100 m3~4 000 m3不等。
(5)本試驗抽取的樣表皆為居民用戶室內(nèi)的掛表,不包括企業(yè)和商鋪使用的燃氣表。
3.2.1 測試方式
將所有試驗的表具,均勻地放置在相對濕度0.8、溫度為65℃的高低溫濕熱試驗箱內(nèi)。試驗箱外導線連接的電池可以持續(xù)供電給試驗箱內(nèi)試驗表具,表具之間利用軟管串聯(lián),風機在試驗箱外向試驗表具輸送空氣,確保其運轉。在試驗箱外的固定位置安裝集中器和手持抄表器。首次燃氣表性能測試后打開試驗箱,試驗箱根據(jù)設置的條件運行385 h 后暫時停止。燃氣表的第二次性能測試必須等表具完全冷卻后。第二次燃氣表完成測試后將試驗箱打開,在設定的條件下再運行193 h 后暫停試驗箱。等到試驗箱內(nèi)的表具完全冷卻后,開始第三次性能測試,第三次測試完成后再打開試驗箱,按照設定的程序進行192 h 的運行,累計達到770 h 后將試驗箱關閉。第四次性能試驗必須等到箱內(nèi)的燃氣表完全冷卻后進行。在全部試驗過程中,被測燃氣表每隔24 h 被抄表4 次,主動報備進行1 次。
3.2.2 測試項目
(1)檢查外觀
觀察智能燃氣表外觀是否有變化,按鍵的靈敏度需要利用手動進行。
(2)測試靜態(tài)電流
第一次測試試驗燃氣表,通電必須超過12 h,穩(wěn)定后方可測試,燃氣表靜態(tài)電流的測試,可以利用直流電源分析儀進行,每臺燃氣表的測試時間必須超過5 min,記錄平均值。
(3)抄表性能測試
通過試驗箱外的手持機和集中器進行抄表,每臺燃氣表為5 s 抄收,每次抄收間隔1 min,同時出記錄抄表情況。
(4)閥門性能測試
測試采用手持機和抄控系統(tǒng)測試燃氣表,進行5 次的閥門開關指令的發(fā)布,每隔1 min 發(fā)布一次,同時對控制閥進行記錄。
(5)顯示功能測試
仔細檢查燃氣表顯示屏,有無缺碼和信息不全等情況,并進行詳細記錄。
(6)機電轉換功能測試
將抄取讀數(shù)和基表讀數(shù)進行對比,如果超出1 個最小轉換分度值,則表示為不合格。
(7)機電閥到位檢測
①到位檢測裝置
在打開機電閥的狀態(tài)下,表現(xiàn)為閥瓣開啟狀,通過閥門進氣口燃氣到達機電閥內(nèi)部,通過閥門口機電閥在開啟情況下,閥瓣呈現(xiàn)打開狀,燃氣從閥門進氣口進入機電閥內(nèi)部后,通過閥門出氣口流出。在非接觸傳感器凹槽處遮擋部件發(fā)揮作用。在機電閥門關閉的情況下,閥瓣為關閉狀,燃氣從閥門進氣口進入機電閥后不能從閥門出氣口流出,切斷燃氣有困難。開閥狀態(tài)下的物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表機電閥如圖1 所示。
圖1 開閥狀態(tài)下的物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表機電閥
②到位檢測電路
通過信號接收端主控芯片反饋信號的接收,有效判斷機電閥正確與否。通過主控芯片閥瓣驅(qū)動電路進行信號接收,進行燃氣表機電閥是否正常的判斷。閥瓣驅(qū)動電路通過對主控芯片閥信號的接收,有效控制包括機電閥開與關的電動機工作。三極管的Q1 和電阻R1 構成到位檢測電路的組件。主芯片信號輸出端與三極管Q1 的基極進行連接。通過3 V 的外接電源,與發(fā)光二極管連接,負極與電阻R1 連接。受光三極管的集電極連接上拉電阻R2,接地的為發(fā)射極。主控芯片信號接收端連接R2,電阻R2 與外接電源相連,主控芯片的信號輸出端有效連接三極管Q1 的基極與電阻R3 進行連接,檢測穩(wěn)壓效果[3]。
智能燃氣表在試驗385 h 后,有a、b 兩個廠家的表具出現(xiàn)兩種失效現(xiàn)象,產(chǎn)生電池蓋變形的有5 臺表具,表鍵按鍵不靈的有4 臺。
在本文的試驗進行之前,不同生產(chǎn)廠家產(chǎn)品靜態(tài)電流完全可以符合超過50 μA 的加速壽命,都能滿足電流低于50 μA 的標準要求,但不同廠家靜態(tài)電流的標準呈現(xiàn)很大的差異性,為(25~45)μA。一臺燃氣表在770 h 后明顯增大靜態(tài)電流,從27.503 μA 增大到49.902 μA。
在本試驗進行的四次性能測試和每日抄表測試中,燃氣表具表現(xiàn)穩(wěn)定的抄表性能,具備抄表準確性。抄表信號強度下降的只有個別表具。
在本研究進行四次試驗前后性能測試,控閥性極其穩(wěn)定。
本試驗進行后,c 廠家的兩臺燃氣表在579 h 后有霧狀在液晶屏發(fā)生,d 廠家的9 臺燃氣表在579 h 后液晶屏的對比度有所下降。
在四次的智能燃氣表性能試驗中,基表的讀數(shù)與測試數(shù)值相同,機電轉換功率完全滿足要求[4]。
綜上所述,民用智能燃氣表Peck 模型的構建,通過對試驗時間和試驗應力條件的確定,形成一套周期短、費用低的可靠的測試模式;本研究對燃氣行業(yè)內(nèi)的4 個廠家的35 臺產(chǎn)品進行可靠性測試,進行表具的試驗后,對比分析其性能,針對可靠性研究,智能燃氣表能夠達到10a 以上的使用壽命;而如果該智能燃氣表在使用15a~20a 后,某些性能會嚴重退化,表現(xiàn)出不同廠家的產(chǎn)品性能指標的薄弱性。