基于Peck 模型的智能燃氣表可靠性試驗分析

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。

1 Peck 試驗模型概況

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]。

2 模型選擇

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。

2.1 Arrhenius 模型

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。

2.2 Eyring 模型

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。

2.3 Peck 模型

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]。

3 智能燃氣表加速壽命試驗

3.1 抽樣方案

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 試驗內(nèi)容與方法

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]。

4 試驗結果分析

4.1 外觀分析

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。

4.2 靜態(tài)電流分析

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。

4.3 抄表性能分析

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。

4.4 閥門性能分析

在本研究進行四次試驗前后性能測試，控閥性極其穩(wěn)定。

4.5 功能顯示

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。

4.6 機電轉換功能分析

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]。

5 結束語

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。