燃气计量仪表电子计数器质量检测仪的研发

2016-04-12 06:52Developmentofelectroniccounterqualitydetectorofgasmeasuringinstrument

制造业自动化 2016年3期

Development of electronic counter quality detector of gas measuring instrument

侯勇毅，樊静波

（宁夏大学机械工程学院，银川 750021）

HOU Yong-yi,　FAN Jing-bo

燃气计量仪表电子计数器质量检测仪的研发

Development of electronic counter quality detector of gas measuring instrument

侯勇毅，樊静波

（宁夏大学机械工程学院，银川 750021）

HOU Yong-yi,FAN Jing-bo

摘要：燃气计量仪表是工业生产和日常生活中广泛使用的计量仪表之一。针对宁夏某企业在生产燃气计量仪表过程中，须对其电子计数器进行质量检测的实际需求，设计开发了一台燃气计量仪表电子计数器质量检测仪，可在11秒内检测一个计数器，并且还留有扩充接口，能够满足企业目前及扩大生产的需求。

关键词：质量检测仪；电子计数器；燃气计量仪表

0　引言

计量仪器仪表是获取各类计量信息的重要工具，广泛应用于气、液等流体的压力、流量、温度等物理量的测量[1]。随着国家西气东输工程的实施，天然气的使用日趋广泛，有力地推进了燃气计量仪表的发展。宁夏某企业在生产智能燃气仪表的过程中，须对电子计数器的质量进行检验，应企业的请求，在校企合作模式下，设计开发了款燃气计量仪表电子计数器质量检测仪。

1　电子计数器的结构与工作原理

机械计数器是利用被测气体在表体内流动过程中产生的压力差作为动力，驱动齿轮带动组滚轮实现计数的，下级滚轮转动圈通过不完全齿轮带动上级滚轮转动格，以此类推。电子计数器是在机械计数器的基础上进而来的，其结构与机械式燃气计量器相似，主要区别是在传统的机械燃气计量器第二级滚轮上镶嵌有块永久磁铁，同时在靠近滚轮的上下位置各安装有干簧管，即磁感应电子开关。图1为燃气计量表电子计数器的外观图。当滚轮转动时，磁铁与电子开关的距离发生变化，作用到电子开关的磁场强度也随之发生变化，从而导致电子开关的开闭，进而输出脉冲信号来实现燃气量的计量。在磁铁磁场的作用下，同时刻只有个电子开关能够有效触发。当滚轮转过周，分别触发上下两个电子开关开闭，输出组脉冲信号，对应定的燃气计量[2]。图2为燃气计量表电子计数器的工作原理图。

图1　燃气计量表电子计数器的外观图

图2　燃气计量表电子计数器的工作原理

2　质量检测仪的设计方案

总体设计方案的思路是模仿燃气计量仪表的实际工作状态，即通过外力驱动滚轮转动，检测干簧管的开闭状态，从而根据干簧管的输出信号判断计数器是否合格。分步动作包括计数器推送，夹持，驱动，检测、分离等动作。

首先运用推送机构把计数器推送到翻板上的检测位置，通过夹持机构把计数器夹紧，同时用导电橡胶实现与干簧管触点柔性连接与导通，以有效降低对定位精度的要求，并保证可靠连接形成检测回路。然后利用比齿轮啮合简单可靠的橡胶轮驱动计数器上的齿轮，带动计数器滚轮转动，而滚轮上的磁铁会使干簧管开闭，从而产生脉冲信号，通过分析脉冲信号，判断计数器合格与否。最后夹持装置把计数器松开，根据判断结果，通过翻板机构将合格与不合格的计数器予以分离。检测仪的顺序动作流程图如图3所示。

图3　检测仪的顺序动作流程图

3　质量检测仪的关键设计参数与检测判据

3.1干簧管的触发时间

随着滚轮的转动，镶嵌在滚轮上的磁铁形成的磁场对干簧管的作用发生变化，在定转角范围内可触发干簧管导通，导通范围所对应的角度称为导通角，用θ表示，如图4所示。导通角除与磁铁磁场强度，安装距离，干簧管敏感度等参数有关外（在计数器结构、干簧管选型定的条件下，这些参数可视为常数），还与磁场作用于干簧管的时间有关，即与滚轮的转速有关，而滚轮转速是检测仪的关键设计参数之。滚轮转速的选择既须保证在磁铁扫过干簧管时将其稳定触发，保证可靠计数，又要尽可能采用较高的转速，以提高检测效率。

图4　干簧管的导通角

可用如图5所示的测量电路对该型号干簧管的触发特性进行检测，检测结果如图6所示。可以看出：当给线圈通电形成磁场时，干簧管大概会在0.5ms时反应，其反应后产生约100us的动态噪声，当动态噪声结束后，开关会经过个“波动期”。在此期间簧片间有电流流过，旦振荡停止，开关即呈现稳定状态。般而言，当线圈接收到信号时，干簧开关稳定的时间应在1.5ms左右[3]。取干簧管的吸合时间为2ms，即磁铁在导通角内停2ms干簧管定能够吸合。那么第二级滚轮运行的周期为20ms，干簧管从这次吸合到下次吸合的过程中，中间的时间间隔为18ms。第级滚轮运行的周期为2ms，那么可得最大转速为500n/s，即第级滚轮的转速小于500n/s都能满足要求。

图5　用于测量干簧开关的电路

图6　干簧管动态接触电阻波型图

3.2仪表计数器的检测判据

将干簧管的导通角分为大于36°和小于36°等几种情况。如图7～图9所示，小黑点代表磁铁在旋转周内相邻时刻的位置。

1）当导通角小于36°，即导通角小于滚轮每次转过的角度时存在以下种情况：

（1）磁铁在导通角内不停留（如图7(a)所示），此时干簧管吸合的时间最短，但只要扫过的时间大于2ms，就能实现吸合；

（3）磁铁在两侧干簧管的导通角内均停留1/10个周期（如图7(c)所示），实现吸合。

图7　当导通角都小于36度时，干簧管导通情况

2）当导通角大于36°，即导通角大于滚轮每次转过的角度时，那么磁铁在旋转的过程中至少在两侧的导通角内都停留1/10个周期，存在七种情况。

3）由于制造、安装等误差，导致两侧干簧管的导通角可能不完全致，故存在侧的导通角大于36°，而另侧的导通角小于36°的情况，此时，存在八种情况。

图8　当导通角都大于36度时，干簧管导通情况

（1）磁铁在小于36°的导通角内停留1/10个周期，在大于36°的导通角内停留1/10～4/10个周期（如图9(a)～图9(d)所示），实现吸合；

（2）磁铁扫过小于36°的导通角，在大于36°的导通角内停留1/10～4/10个周期（如图9(e)～图9(h)所示），实现吸合。

图9　当一侧的导通角大于36度，另一侧的导通角小于36度时，干簧管的导通情况

干簧管的导通情况汇总如表1所示。

表1　干簧管导通情况表

通过对干簧管导通情况的分析可知干簧管导通的极限状态有两种：1）当两侧干簧管的导通角均小于36°时，磁铁扫过干簧管的导通角，干簧管刚好被磁化而吸合，此极限状态为判据下限；2）当两侧干簧管的导通角均大于36°时，磁铁在干簧管的导通角内停留时间最长，且干簧管的通断正常时，此极限状态为判据上限。由计数滚轮的构造可知第二级滚轮每停留次的时间与扫过的时间之和为1/10个周期，当第级滚轮通过不完全齿轮带动第二级滚轮转动时，即带动第二级滚轮上的磁铁扫过时，第级滚轮的转速和第二级滚轮的转速相等，且运行的时间相同，都为第级滚轮周期的1/10。对于第种情况，设第级滚轮周期的1/10为Ts，那么第二级滚轮扫过的时间也为Ts，且设此时间大于干簧管的反应时间2ms，在扫过的过程中，因为每个干簧管导通角的具体数值不能确定，故不能测量出在此导通角下具体的导通时间，但是此不能测量出的时间必定比磁铁扫过36°所用的时间少，而只要磁铁扫过36°，干簧管必定导通，且扫过36°的具体时间已知，因此取磁铁扫过36°的时间为判定干簧管是否合格的判据下限。

为了方便检测，可引入占空比的概念：干簧管在导通角的范围内导通的时间设为τ，其与周期T的比值称为占空比，用η表示。即：

因为有两个干簧管，两干簧管导通的时间之和为2Ts，而第二级滚轮的周期为100Ts，故占空比的下限为2%。对于第二种情况，第二级滚轮在个周期内，总共转动10次，磁铁在两侧干簧管的导通角内停留的最长时间范围在大于8/10个周期而小于9/10个周期的区间内，超出8/10个周期的部分因为导通角的未知而无法测量，故取磁铁在干簧管导通角内停留8/10个周期的时间为判定干簧管是否合格的判据上限，占空比为80%。

综上所述，判断计数器合格的判据范围为2%～80%，即检测仪检测到计数器内的干簧管占空比在此范围内，此计数器就被确定为合格，否则确定为不合格。而此判定工作由所设计的程序实现。

4　检测仪驱动系统的设计

考虑到该机构动作较多，若用纯机械传动来实现则需要设计复杂的机械结构，且并不能保证使用最少的动力源。采用液压传动有以下优点：

3）液压传动是通过油管连接，且这种连接方式可以使传动机构的布局更为合理。

所设计的液压回路如图10所示。使用电磁换向阀所实现的顺序动作如表2所示。

5　动作控制及检测程序的设计

本文所设计的程序主要用于控制电磁换向阀和行程开关，即按照表2电磁换向阀的顺序动作回路动作循环表进行编程。需要注意的是当橡胶轮驱动计数器齿轮旋转时，齿轮从启动到转速稳定需要定的时间，故计算机在分析、记录干簧管导通的时间时，应把齿轮从开始转动到稳定的这段时间内的数据舍去，因为转速足够快，设这个舍去的时间为1s，只记录齿轮转速稳定后干簧管吸合的时间，设这个时间为6s，在6s内，干簧管可导通9次，若干簧管在6s内导通9次时，证明干簧管能稳定吸合，若在6s内干簧管吸合的次数少于9次，则此计数器直接判定为不合格。当干簧管在6s内吸合9次时，S7-200内的定时器已经记录下干簧管的导通时间，即干簧管吸合的占空比，再与设定的数据2%～80%进行比较，从而判定计数器是否合格。检测仪的主要控制程序略。

检测仪每个工作循环所需的时间如表3所示。