家用膜式燃气表检定装置研究

李银华 张万伟

(郑州轻工业学院电气信息工程学院，河南 郑州 450002)

0 引言

城市燃气是当代最主要的能源之一，膜式燃气表凭借其计量准确、价格低廉、经久耐用等优点被广泛应用于普通家庭用户的用气计量中［1］。因为燃气具有易燃、易爆等特点，所以燃气计量仪表在生产过程和出厂前要进行严格的质量检测，保证用户的人身财产安全。目前，家用膜式燃气表检定工作基本由检定人员手工完成。密封性和准确度的检测分离进行，密封性检测采用肥皂泡法，示值误差检测多采用钟罩标准器。这种检测手段无法进行定量检测和在线检测，自动化程度和鉴定效率低。为从根本上解决燃气表首检工作的效率和质量问题，满足燃气表市场发展的需要［2］，依据《JJG 577-2005膜式燃气表国家计量检定规程》［3］，设计了一套全自动燃气表检定装置。

1 设计原则与主要功能

国家标准《膜式燃气表》中规定了膜式燃气表的技术要求以及质量检测的试验方法和试验内容，简要说明如下。

①燃气表的检定环境条件:检定温度，对于最大流量Qmax≤10 m2/h的燃气表为(20±2)℃，对于最大流量Qmax＞10 m2/h的燃气表为(20±5)℃;检定大气压力为86～106 kPa;相对湿度为45% ～75%;检定过程中，标准器处的温度和燃气表处的温度差应不超过1 K。

②检定项目包括外观、密封性、总压力损失、示值误差和附加装置功能检测。

③燃气表检定方法，包括钟罩式气体流量标准装置和标准表法。

系统在遵循安全性、先进性、易操作性、易维护性、标准性、经济性、抗干扰性的原则下，依据国家计量检定规程完成膜式燃气表的计量检测和密封性能检测。

家用膜式燃气表检定装置主要实现以下功能。

①温度、湿度、气体压力的自动检测;

② 被检表的密封性、压力损失、示值误差检测功能;

③快速自动执行机构(夹紧装置);

④检测和控制过程自动化与自动报警功能;

⑤性能优良的HMI，大屏幕LCD触摸屏显示，实现温度、压力、示值、误差曲线的显示;

⑥数据的采集、处理、存储自动化，以及数据的查询、打印、网路共享和检测报表自动生成等功能。

2 设计原理与方案

2.1 系统设计原理

系统设计中，采用差压法密封性检测原理和标准表法示值误差检测原理，实现膜式燃气表的密封性能检测和计量检测。

2.1.1 差压法密封性检测原理

密封性检测原理图如图1所示。

图1 密封性检测原理图Fig.1 Principle of tightness detection

将标准表与被检基表分别布置在差压传感器的两侧，同时充入相同压力的空气，使两端压力达到平衡。

在规定的检测时间内，如果标准表和被检基表都没有泄漏(忽略环境变量的影响)，则差压传感器的两侧仍保持平衡状态;如果被检基表有泄漏，即使是微小泄漏，也会导致被检基表内的空气质量减少，压力下降。差压法即根据差压传感器检测出的压差值计算泄漏量，然后判断被测容器的密封性是否合格［4］。

2.1.2 标准表法示值误差检测原理

标准表法的检测原理是:使气体在相同时间内连续通过标准表和被检基表，采用比较的方法计算两表的差值，根据误差大小判断被检基表各项计量参数是否合格［5］。

检定时可以采用1台标准表与1台被检基表进行比较，也可以用两台以上并联的标准表与1台被检基表进行比较。采用1台标准表的示值误差检测原理图如图2所示。

这里标准表为湿式气体流量计。与钟罩式标准装置相比较，该检定装置虽然属于次级装置，但它使用方便、检定效率高，准确度等级能达到0.5级，适合燃气表制造企业生产使用。

图2 示值误差检测原理图Fig.2 Principle of measurement accuracy detection

2.2 系统设计方案

结合检定原理，采用“阀岛”技术，设计了涵盖密封性、压力损失和示值误差的四表位独特检定气路。

检定气路以电磁阀组的开闭实现标准表与被检基表的串并联连接，以气缸实现夹表动作的自动化。同时，采用温度传感器和压力传感器实现各表位间的温压差补偿，采用差压传感器实现密封性和压损的检测功能。

系统检测工作流程如下。

①压缩空气经过干燥过滤、初步减压后供给四夹紧气缸，通过调节电磁阀(9、10、11、12)的开闭实现夹表动作的自动化。

②当进行检定时，压缩空气经过次级减压供给检测系统，通过电磁阀组(13、14、15、16、17)实现气路的串并联。

当进行密封性检测时，电磁阀组右侧阀(包括17号上侧阀)关闭，其他阀打开，系统进行充气;一段时间后，关闭电磁阀组左侧阀，同时打开电磁阀(34、35、36、37)进行平衡，完毕后关闭平衡阀。3 min后系统读取差压传感器(38、39、40、41)的压差值。密封性检测完毕。

③密封性检测完毕后，系统会自动关闭电磁阀组上侧阀。打开电磁阀组左右侧阀，将标准表与被检基表串联在气路上，通过调节流量调节器，实现燃气表各个流量点的检定。

④在最大流量检定点时，系统读取差压传感器(29、30、31、32)的压差值，再根据温压补偿计算出各表的总压力损失值。

检定装置的电路控制系统按照模块化的设计思路进行设计。温度、压力、湿度、压差等传感器感应环境参数，产生的信号经过信号调理电路和A/D模块，传送给ARM9控制器进行处理，控制器通过驱动模块控制电磁阀组和流量调节器。同时系统设计了LCD触摸屏、存储模块、网络接口、声光报警模块和打印机模块等。

检测气路系统结构框图如图3所示，电路控制系 统结构如图4所示。

2.3 系统硬件设计

2.3.1 核心控制器选择

ARM9控制器模块是整个检定装置的核心，检定装置选用 ARM9核心板 TQ2440。该核心板采用S3C2440A为处理器，并附有64 MB的SDRAM、256 MB的NAND Flash、2 MB的 NOR Flash;最高主频可达533 MHz，可以轻松运行Linux、WinCE等嵌入式系统，满足系统要求。

2.3.2 温度传感器模块

温度在检定过程中直接影响系统的检定级别，对温度的检测和控制是检定过程的重要环节。针对系统的设计要求，选用了6只高质量的DS18B20数字温度传感器，分别用于测量室内温度、标准表温度和被检基表进气口温度。当这6点温度及其对应关系超出检定要求时，系统声光报警并停止运行;当温度恢复正常时，系统才能正常启动。采用1-wire设计的DS18B20数字温度传感器可以大大简化温度模块的设计，节约处理器的引脚［6］。

2.3.3 差压传感器模块

差压信号的采集是整个系统的关键，压差变送器的精度是影响系统精度的主要因素。由于整个装置为四表位，因此选用8只微差压传感器对每只燃气表的密封性和压损进行检测，并通过软件对每个表位进行温压误差补偿。装置要求微压传感器具有一定的过载承受能力，因此，选用美国阿尔法(Alpha)公司生产的166-P-0250B-A-4-Y-B型差压变送器。该变送器具有温度补偿和误接线全保护功能［7］。

2.3.4 电磁阀驱动模块

系统采用电磁阀组，每个电磁阀都为密封性较好的直动式电磁阀。电磁阀驱动电路采用74LS244、TL521-4GB、MC1413(ULN2003A)驱动GPIO引脚的输出信号。

2.3.5 流量调节器驱动电路

流量调节器主要用来控制流量大小，实现各个流量点的示数检测。系统采用两项式步进电机。步进电机驱动电路选择SGS公司的L297单片步进电机控制集成电路，与两片H桥式驱动芯片L298组合，组成步进电机固定斩波频率的PWM恒流斩波驱动器［8］。

3 软件平台构建

燃气表检定装置中传感器众多，控制功能复杂，为了使系统具有可维护性、扩展性和多任务处理功能，系统采用Linux系统作为软件运行平台。系统软件功能主要包括u-boot的移植、内核的移植、文件系统的编译和移植［9］。

这里简要介绍QT图形界面的设计。QT/Embedded是一个跨平台应用程序和UI开发框架，支持丰富的图形控件，并提供美观的界面开发［10］。QT/Embedded实现结构框图如图5所示。

图5 QT/Embedded的实现结构框图Fig.5 The structural block diagram of implementation of QT/Embedded

QT应用程序由C++语言进行开发，它的API分为控件、框架和工具3个部分，其高效的工作性能与其信号和槽的机制是密不可分的。QT/Embedded开发流程如下。

①安装QT/E开发环境和交叉编译库。

②在宿主机上开发QT/E应用程序，如系统初始化模块、数据显示控制单元模块、数据库模块、密封性检定模块、示值误差检定模块、网络共享和打印模块等。

③交叉编译应用程序。

④在嵌入式系统上调试运行应用程序。

其中，系统初始化模块用于检定前环境参量和传感器校准调整。数据显示控制单元模块将采集、控制的数据都存储在数据库中。该模块通过调用数据库的数据，可以实时显示各个通道的运行情况、控制方法和数据变化等;同时可以查看历史数据，方便用户对现场的分析。数据库模块用于数据的管理。密封性检定和示值误差模块完成检定装置的检定任务。网络共享模块将处理后的数据或历史记录发送至上位机或者服务器，可以实现用户的远程在线实时访问。

在控制界面，有相应的功能按钮供用户选择。同时，用户可以对模块进行参数设置，实现检定装置的简易操作。

4 结束语

本文针对《JJG 577-2005膜式燃气表国家计量检定规程》和国内企业现有检验方法存在的问题，结合生产实际，给出了以ARM9为核心处理器的“多合一”燃气表检定装置设计方案。该装置具有人机界面优良、可靠性高、扩展灵活、性价比高等特点，可实现一机多检，节省设备购买量;利用嵌入式系统的高性能和稳定性，提高了生产厂家的鉴定效率，为家用膜式燃气表检定提供了新的途径。

［1］郑宏伟.浅谈家用燃气表的计量检测及其技术要求［J］.企业技术开发，2010，29(23):30 －31.

［2］丁维光.钟罩式燃气表检定装置自动控制系统［J］.现代计量仪器与技术，2006，5(6):52 －54.

［3］国家质量监督检验检疫总局.JJG 577-2005中华人民共和国国家计量检定规程-膜式燃气表［S］.北京:中国标准出版社，2006.

［4］陈宇，林敏，郭斌.差压气密性检测仪设计与实现［J］.中国计量学院学报，2009(4):311 －314.

［5］齐利晓，孙立军，张涛，等.标准表法气体流量标准装置的研制［J］.化工自动化与仪表，2010，37(2):34－38

［6］丁晓进，史小军，朱为，等.基于DS18B20的多点温度检测［J］.电子工程师，2006，32(7):1 －3.

［7］胡凯伟.基于嵌入式Linux的步进电机远程控制系统研究［D］.杭州:浙江工业大学，2010.

［8］李亚峰，欧文盛.ARM嵌入式Linux系统开发从入门到精通［M］.北京:清华大学出版社，2007:36－106.

［9］倪继利.Qt及Linux操作系统窗口设计［M］.北京:电子工业出版社，2006:85－155.

［10］张亚军，孔帅.基于Qt/Embedded和Qtopia的嵌入式GUI移植开发［J］.天津职业大学学报，2010，19(1):78 －82.