燃气表阀门参数自动检测系统研究

余盛锋，毛谦敏

（中国计量学院 计量测试工程学院，杭州310018）

燃气表是一种能源计量仪表，是向燃气用户结算收费的依据，其性能好坏，涉及到千家万户，关系到供气部门的经济效益和社会效益，不但体现了供气企业的管理水平，还体现了国民经济和科技实力[1]。多年前，大部分地区使用传统的容积式燃气表，它的缺点是需人工抄表和人工收费。随着信息化的飞速发展，智能IC卡燃气表应运而生，它成功解决了抄表难、收费难等难题，获得了飞速发展。

根据智能IC卡燃气表的结构和性能可知，电机阀是其中最关键的部件。一般阀门要求开关迅速、敏捷，并能一次开关到位[2]，而电机阀存在漏气、阀门不关闭、关闭后不开启和关阀不到位等问题，而且大多数阀门故障来源于电机[3-4]。如果IC卡燃气表阀门质量不佳，就可能引发漏气等事故，轻则影响客户的正常使用，重则给国家、人民生命财产带来重大损失。因此，对其阀门的检测十分必要。本文提出了一种针对燃气表阀门参数的全自动检测系统，实现对智能IC卡燃气表电机阀的动态电流、内阻和阀瓣运动行程的测量。目前，本系统已于2013年正式投入使用。

1 检测系统设计框架

检测系统主要以工控机为核心，结合NI的数据采集卡和各功能电路模块，自动控制电机阀的开启和关闭，检测不同状态下电机阀的电参数和行程。用户通过键盘和鼠标进行操作，可选择不同检测电压进行设定次数的重复检测，结果由显示器显示，数据自动保存。系统整体框架如图1所示。

图1 系统框架Fig.1 System framework

在系统中，通过按钮来启动装置，装置将阀门的内阻、电流量经功能电路模块转换成电压量，由数据采集卡进行采集并将采得的数据输送给工控机；阀门的运动行程通过摄像头拍摄阀门不同状态下的图片进行分析处理得到。

2 电参数测量

电参数测量是本系统中的核心部分，完成燃气表电机阀的内阻、动态电流的检测任务。通过采用图2中串接在电机阀负载回路的标准采样电阻R，将电流转换成与之成正比的电压信号，由于采样电阻为纯阻性器件，不会带来电流波形畸变，保证了测量精度。为了不影响电路整体特性，选择的采样电阻阻值一般较小，所以需要对其电压值进行差分放大再由采集卡进行测量。系统采用的是目前使用比较广泛的低功耗、高精度通用仪表放大器INA128U芯片，它只需单个外部电阻就可以实现从1到10000的任一增益选择。系统选用的采集卡是NI公司生产的PCI-6220，起到数据采集及控制器作用，主要参数为16位分辨率，250 kS/s采样率，16个模拟输入通道，24个自定义数字输入/输出通道，2个计数器/定时器通道。数据采集卡通过SHC68-68-EPM屏蔽电缆与接线盒连接，方便访问板卡的输入输出。

图2 电参数测量框图Fig.2 Measurement of electric parameter’s framework

3 阀瓣运动行程测量

检测系统的一个重要功能是进行电机阀阀瓣的运动行程测量。常用的非接触式测距方法，如激光测距等都可以完成对电机阀阀瓣的行程测量。但因为检测系统有体积小、成本低、检测速度快等要求，故未采用上述方法。在系统设计初期，选择的是反射型光电传感器，该传感器应用在系统中可行，其优点是：体积小、成本低、有光调制系统，不易受外部干扰。缺点是：只能确定开关阀有无到位，无法准确地测得行程。为了进一步改进系统，决定采用基于单目视觉的测距方法进行行程测量。

摄像机采集图像的过程是从三维欧拉空间到二维欧拉空间的几何变换过程[5]。而测距过程可以被视为这一过程的逆过程，如图3所示，阀距测量可以认为是利用图像空间{M=u，v}中的数据，在一定的条件下计算实际空间{I=x，y，z}中的一个平面{（L=x，y，0∈I）}上的数据过程。

图3 现实坐标与图像坐标Fig.3 Reality and image coordinates

约束条件①阀瓣运动轨迹基本为水平直线；②摄像机位置固定并且光轴与阀瓣圆心的运动轨迹近似重合，其拍摄角度不变。当满足以上2点时，由这3个坐标系之间的三角形相似关系可以导出：当摄像头焦距f一定时，实际空间中阀瓣到摄像头的距离与图像中阀瓣的直径乘积为一常数[6]。距离远近的不同，阀瓣的成像大小也不一样，距离越远，成像越小，距离越近，成像越大，任意2次的距离值与成像大小成反比关系，即：

式中：L1和L2分别为阀瓣到摄像机的距离 （单位：mm）；D1和 D2为图像中阀瓣的直径（单位：像素）。从式中可知，L1×D1=L2×D2是个常量，记为测量系数q。该值可以通过多次测量时记录的Di和Li求出。

式中，n为测量次序。

测量系数q值确定如图4所示，在实际应用中，摄像头与工装之间的距离L固定，d为开阀距离。

图4 测量示意图Fig.4 Measurement diagrammatic sketch

由式（1）可知：

式中，D1和 D2为2次测量图像中的阀瓣直径（单位：像素）。根据式（3）中的d可以通过在阀门和工装间加标准量块来确定，则相应的q值确定。由前面的推论可得出：

式中：Δd为某次测量电机阀的运动行程；D关、D开为某次测量开关阀时阀瓣的图像直径（单位：像素）。

4 软件设计

本系统软件模块采用NI公司研发的LabView软件开发，主要由显示界面、参数设置、数据统计3个部分组成。用户可以根据自身需要设置不同参数，完成个性化检测。软件模块主要完成以下功能：①控制程控电源，使其按照设置输出不同电压、电流值；②实现与板卡的实时通信，实时显示板卡采集的数据和曲线，并根据所设置参数判断当前检测阀门合格与否，不良原因等；③进行产品编号管理和所有检测参数设置，并具有自动记忆功能；④记录并保存每次测量的数据，建立相应的数据库，方便用户查询。

5 系统调试及试验结果

在实际的检测中，燃气表阀门电流分为2个类型：开阀电流、关阀电流，其电流变化曲线如图5所示。

图5 电机阀电流曲线Fig.5 Variation curves of the currents of motor valve

传统的电流检测方法是在电机阀开阀或者关阀电路中接入一只电流表，通过观察该表指针来判断瞬间电流是否过大。这种检测方法缺点是：①效率不高，每次一人对一阀；②合格判断受个人因素影响较大；③电机阀运动行程未进行检测。

本系统不仅能得到电机堵转电流，还可以检测到电机阀的开启电流和中间的工作电流，根据电机阀的开启瞬间电流是否过大来判断其产品合格与否。阀门距离测量数据如表1所示。

表1 阀门距离测量数据Tab.1 The data of distance measurement

系统设计调试完成后，在专业燃气表生产厂家的流水线上进行了测试检验，检验结果表明该系统操作简单，检测快速、安全、可靠，大大提高了检测效率。目前已经正式投入生产使用。

6 结语

燃气表阀门参数自动检测系统实现了电机阀的电参数和运动行程的精密、高效率自动检测，提高了检测质量和效率，适合生产线大规模检测，为产品的优化设计提供可靠的依据，为出厂产品进行质量把关，对燃气表的整机质量和可靠运行具有重要意义。通过人机界面的操作，可以在多个个性化检测方案之间切换，检测多种型号燃气表阀门的参数。

[1] 杨张利.IC卡燃气表智能控制及检测系统研究[D].重庆：重庆大学，2007.

[2] 于秀丽.智能IC卡燃气表控制装置的研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2003.

[3] 崔学智.膜式燃气表设计及生产技术研究[D].上海：上海理工大学，2005.

[4] 嵇鹏，周婷，刘哲纬.城市燃气企业SCADA系统功能分布初探[J].自动化仪表，2006，27（2）：35-38，42.

[5] 王展青，陈顺云.基于单目视觉的车距测量方法综述[J].科技资讯，2010（27）：33-38.

[6] 刘燕，刘浩学.基于计算机视觉的单目摄像纵向车距测量系统研究[J].公路交通科技，2004，21（9）：103-106. ■