基于异步时钟法的水表动态检测

祝为民

(1.同济大学机械与能源工程学院，上海 200092；2.宁波水表股份有限公司， 宁波 315032)

0　引言

水表出厂检定是比较费时的工作，遵照水表国家标准GB/T 778—2007[1]的要求对水表进行示值误差测试。通常每个水表需测试三个流量点：低区的最小流量Q1、低区与高区转换的分界流量Q2、高区的额定流量Q3，保证低区流量示值误差不超过±5%及高区流量示值误差不超过±2%的要求。为了提高工作效率，水表误差检测采用了多个水表的串联校验方式。

通常水表测试采用静态同步时钟法，即水表检测时在同一时间内水流量流入水表和标准器，在关闭阀门后读取水表读数的指示体积Vi和标准器的实际体积Va，然后计算出相对示值误差。受水表检定标度分格读数分辨率的限制，水表同步时钟静态法的测试时间较长。如口径15mm的水表最小标度分格为0.00005m3,按GB/T 778.1中的6.6.3.2.3节要求，为了达到检定标度分格的不确定度小于0.5%，因此测试体积大于0.01m3(0.00005/0.5%)。如果测试的最小流量Q1=0.03m3/h，则需要20min工作时间。

水表异步时钟测试法采用了时间片比值计算的方法，即在测试流量下当流过水表的示值体积和流入标准器的实际体积数值相同时，动态记录定量水体积流过水表的所需时间ti和流入标准器的所需时间ta，然后根据ti、ta值计算相对示值误差，此方法可缩短工作时间。

1　异步时钟测试法的工作原理

水表检定规程要求水表必须通过流量示值误差测试，即指定的流量点下校正每个水表准确度，使其相对误差不超过规定值，根据GB/T 778—2007规定相对误差以百分数表示：

(1)

式中：Vi为指示体积，测试时水表所显示的水体积；Va为实际体积，表示流入标准器的水体积。

(2)

式中：Qi为指示流量，水表指示的水流量；Qa为实际流量，表示流入标准器的水流量。

而式中Qi、Qa可以用流过水表、标准器各自确定的体积所占用时间的比值来表示，当测试时确定流过水表指示体积与标准器的体积相同时，式(2)可演变成：

(3)

式中：ti为指示时间，水表流过显示体积所需时间；ta为实际时间，流过标准器体积所需时间；V为用水量的表示体积。

水表异步时钟测试是在动态工作方式下进行，即开始或结束检测时水表始终运行在测试流量上。从式(3)中可以推测，水表测试过程中只要流过水表的水流量稳定，相对示值误差可用异步时钟ti、ta的差异值计算确定。

在异步时钟的测试过程中水表、标准器的计时使用多路时钟计数器，用光电传感器发讯来启、停时钟计数器，具有很好的边沿触发再现性，消除了水表检定标度分格的不确定度，因此可减少测试的用水量，缩短了水表的校验时间。

2　水表异步时钟测试法的硬件原理

水表异步时钟测试法的硬件组成见图1，主要用于分界流量Q2、小流量Q1示值误差的快速测试。

图1异步时钟测试的硬件示意图

异步时钟测试法的控制回路主要由上位机、电子秤、开关量输出板、多路时钟计数器、温度传感器、放水电动阀等组成，均带有RS485总线接口的串行通讯电路，见图2。开关量输出板用于气动球阀、气缸执行器；多路时钟计数器用于记录水表、换向器工作时钟计数值；传感器定位摆杆(图1中没表达)能产生90°的摆幅，用于光电传感器的水表定位检测。RS485总线采用主、从机的通讯模式，设定上位机为通讯主机，其余接口均为从机模式。上位机发送工作流指令，从机完成命令应答、数据传送、执行相关动作。

图2　RS485总线的组成结构

水表安装定位后，打开进水手动球阀，按启动按钮后进入水表自动检测工作，在上位机的协动下，打开前、后端阀引入稳压水源；执行排气阀排尽管路中的空气；运行传感器定位摆杆，使水表光电传感器进入工作位置；关闭放水电动阀，按顺序进入Q2、Q1流量的示值误差测试；收传感器定位摆杆，水箱放水，显示、打印测试结果。

表盘上始动指针的梅花型叶片通常用于光电传感器的脉冲输入计数(图3)，当水表转动时光电传感器的输入脉冲数即能表示流过水表的示值体积Vi。为了消除机械传动的制造误差，要求水表测试体积的脉冲值为始动指针一圈脉冲数的整数倍。

图3　光电传感器的读取位置

3　软件设计

系统软件主要由两部分组成，嵌入式软件和上位机应用软件。嵌入式软件用于RS485总线的各从机系统，是微处理器实时工作软件，主要建立与上位机的通讯；接受、应答上位机命令；上传数据；接收参数设置；开关量输出；时钟计数等。

上位机应用软件用VB6.0[3]编写，采用模块化编程方式，软件构成见图4。

3.1　水表流量示值误差测试

运行窗体响应控件对象发生的事件按顺序运行，事件的对象主要为Comm and Button按钮控件和Timer定时控件，按钮控件主要控制程序的运行、停止、中断处理。定时控件在调用定时参数后按顺序自动执行程序的流程。在主窗体加载时调入设置参数，初始化有关变量。在程序运行过程中通过与从机的应答通讯执行相关动作，完成压力测试，完成Q2、Q1流量点的误差测试，在窗体上显示测试数据，打印测试结果、条形码编号，把有关数据字段记录数据库中。

图4　上位机系统软件构成

3.2　参数设置

有四个参数设置窗体，主要有通讯参数、流量测试参数、定时参数及打印参数设置。设置后的参数以记录条的形式保存在文本文件中，每个窗体均有Combo Box控件作多项下拉选择，方便多类型水表的测试参数选择。应用程序开始运行时，设置窗体调入最近使用过的参数值，写入各个Text Box控件中，用于误差测试程序的参数调用。通讯参数：设置上位机串行通讯口；通讯波特率。流量参数：设置水表的型号；水表始动指针每转的水体积；Q2、Q1测试点的流量值；测试的水体积量。定时参数：设置水表误差测试时各个动作时序的定时时间，参数单位为ms。打印参数：设置打印方式，可选择热敏或热转印的打印；打印浓度；打印速度。

3.3　数据库管理

为了水表产品管理信息网络化，建立质量档案，程序建立了Access数据库文件。系统采用ADO与数据库连接，ADO具有强大的功能和灵活性，使用方便，高速度。在创建ADO数据控件后连接的数据提供者选用Microsoft Jet，在程序中用简单的语言直接用ADO数据控件的Connection对象与数据库文件相连。在窗体中放置DataGrid控件并绑定到ADO中，显示记录数据。对数据库的查询使用SQL语句，按时间或水表编号查找水表测试的历史记录。对查询的结果可以选择数据备份。为了数据文件的安全，系统工作时自动生成每日的历史数据文件。

3.4　通讯接口

系统选用MSComm控件来实现串行通讯，读取通讯参数文件后设置串行通讯口、波特率的属性。通讯规约设定一字节的帧起始符68H；一字节从机类型；一字节地址码；二字节控制码；一字节数据长度；多字节数据域；一字节校验和(从帧开始计算为FFH的模值)；最后16H结束符。上位机根据下位机类型、地址发送命令，符合要求的下位机应答命令，执行相关操作。根据从机有否应答及应答字，上位机检测从机的工作状态，做出窗体的状态响应。

4　结束语

异步时钟法的水表动态检测已成功地应用于宁波水表股份有限公司的水表出厂测试系统中。光电传感器读取水表始动指针的脉冲信号，读数分辨率高，用水量仅为静态法的十分之一即能满足误差测试要求，减少水表测试时间，提高了生产效率。系统应用程序采用事件驱动方式，人机界面好，操作简便，自动化程度高，排除了人工的读数误差，测试精度高。使用了数据库管理技术，便于水表质量分析、跟踪、提高。

[1]李明华，等.GB/T 778 封闭满管道中水流量的测量 饮用冷水水表和热水水表，2007

[2]胡大可.MSP430系列 FLASH型超低功耗16位单片机.北京:北京航空航天大学出版社，2001

[3](美)Evangelos Petroutsos .Visual Basic 6从入门到精通.邱仲潘，等译.北京:电子工业出版社，1999

[4]高春艳，等.数据库开发关键技术与实例应用.北京:人民邮电出版社，2004

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