基于Peck 模型的智能燃气表可靠性试验分析

梁红宇

（广东省茂名市质量计量监督检测所，广东茂名 525000）

燃气表是国家第一批重点管理的计量器具，并且列入《中华人民共和国依法管理的计量器具目录》中，在燃气的供需双方的贸易结算中发挥关键的作用。按照普通家庭的日燃气使用量推算，一个智能燃气表可以使用25a（a 表示年）以上，明显超出了当前技术法规定的10a 的使用年限。对目前普遍应用的智能燃气表，通过Peck 模型并综合抽样统计的方式，对样品数量进行科学抽取，通过合理试验安全性能和计量性能，从而对智能燃气表的实际使用寿命有所掌握。通过对民用燃气表可靠性的研究，适当延长燃气表的使用年限，是国家、民众和企业都受益的创新举措。

1 Peck 试验模型概况

针对智能燃气表可靠性的试验，加速寿命试验是最有效的试验方式。该试验的关键作用在于推进试验进程的加快，将关键的可靠度依据提供给预测系统和相关装置。基于Peck 加速寿命试验模型可靠性的试验手段和规模要根据试验对象和相关要求确定。在具体试验方面，设备、系统和元器件的方式是不一样的，在整机试验上，主要是剔除某些不可靠的元器件；在机械零部件的试验上，主要是检测疲劳寿命；而对于电子元器件的试验主要是针对寿命。针对智能燃气表的可靠度有必要根据最终的使用条件评价。因此，寿命的试验主要是遵循实际的环境条件和实际的使用条件开展。

加速寿命试验不同于产品例行试验。例行试验通常是一般变形性能和强度的试验，其主要目的就是确保产品进出厂验收前，各类性能参数是不是与标准相符，并没有对被测产品规定时间内的失效率进行测定，所以难以保证产品的可靠性。而加速寿命试验的宗旨就是对产品在规定的使用时间内提供可靠性的依据。同时，加速寿命试验也是产品的检验和可靠性预测的前提基础。从试验时间上看，加速寿命试验要长于产品例行试验。因为在很短的时间内不能获得显示可靠度水平的依据。在试验数据的处理层面，例行试验因为只是性能通过的试验，数据处理相对简单，而加速寿命试验用来推断一批产品可靠性，因此，数据统计的方式必须严格，让最终的结论更可靠[1]。

2 模型选择

通过高应力下的寿命去推算正常应用应力下的寿命，是加速寿命试验的基本手段。实现该试验思路的重要节点是进行应力与寿命特征之间关系的构建，而加速模型就是这种关系的表现，主要分为以下几个类型。

2.1 Arrhenius 模型

Arrhenius 模型加速应力试验的载体是温度，过程是对寿命特征依赖温度的关系的描述，表达公式如下：

式（1）中，t代表寿命特征；ΔE表示激活能，单位eV；A 代表常数；而玻尔兹曼常数设定为k，eV/K，取8.617×10-5eV/K；T代表热力学温度，单位K。

2.2 Eyring 模型

此模型通过电压、温度作为载体进行加速应力试验，其过程是对寿命特征对电压和温度依赖关系的描述，表达公式如下：

式（2）中，G、C、D分别代表常数；U表示电压，单位V。

2.3 Peck 模型

Peck 模型加速应力试验的载体是温度、相对湿度的反应，其过程是对寿命特征依赖相对湿度、温度的描述，其表达公式如下：

式（3）中，B、n分别代表常数；相对湿度设定为φ。

温度、相对湿度影响智能燃气表的表现如下：温度过高会导致焊点熔化、改变表内电子元器件的结构、结构失效、元器件性能降低、电特性改变、增大机械应力、绝缘失效等；相对湿度过大会导致金属氧化或者电化学腐蚀，降低介电强度和绝缘，电性能参数漂移，电子元器件、印制板、接插件产生电泄漏路径，形成短路和开路。本试验的表具加速寿命的试验采用Peck 模型[2]。

3 智能燃气表加速寿命试验

3.1 抽样方案

本研究试验表具的抽样对象都是某地区居民普遍应用的各类燃气表，经过严格论证筛选，一共收集35 台智能燃气表进行试验。制定本抽样方案的主要影响因素分为5 个方面：

（1）本次智能燃气表产品抽样的厂家，基本实现了对燃气表供应商的有效覆盖。

（2）本次试验抽取的表型主要为G2.5 燃气表，主要为该区居民广泛使用的燃气表。

（3）本试验抽取样表基本都是安装8a 以上的燃气表。

（4）本试验抽取的样表的燃气量都已经计量，为100 m3～4 000 m3不等。

（5）本试验抽取的样表皆为居民用户室内的挂表，不包括企业和商铺使用的燃气表。

3.2 试验内容与方法

3.2.1 测试方式

将所有试验的表具，均匀地放置在相对湿度0.8、温度为65℃的高低温湿热试验箱内。试验箱外导线连接的电池可以持续供电给试验箱内试验表具，表具之间利用软管串联，风机在试验箱外向试验表具输送空气，确保其运转。在试验箱外的固定位置安装集中器和手持抄表器。首次燃气表性能测试后打开试验箱，试验箱根据设置的条件运行385 h 后暂时停止。燃气表的第二次性能测试必须等表具完全冷却后。第二次燃气表完成测试后将试验箱打开，在设定的条件下再运行193 h 后暂停试验箱。等到试验箱内的表具完全冷却后，开始第三次性能测试，第三次测试完成后再打开试验箱，按照设定的程序进行192 h 的运行，累计达到770 h 后将试验箱关闭。第四次性能试验必须等到箱内的燃气表完全冷却后进行。在全部试验过程中，被测燃气表每隔24 h 被抄表4 次，主动报备进行1 次。

3.2.2 测试项目

（1）检查外观

观察智能燃气表外观是否有变化，按键的灵敏度需要利用手动进行。

（2）测试静态电流

第一次测试试验燃气表，通电必须超过12 h，稳定后方可测试，燃气表静态电流的测试，可以利用直流电源分析仪进行，每台燃气表的测试时间必须超过5 min，记录平均值。

（3）抄表性能测试

通过试验箱外的手持机和集中器进行抄表，每台燃气表为5 s 抄收，每次抄收间隔1 min，同时出记录抄表情况。

（4）阀门性能测试

测试采用手持机和抄控系统测试燃气表，进行5 次的阀门开关指令的发布，每隔1 min 发布一次，同时对控制阀进行记录。

（5）显示功能测试

仔细检查燃气表显示屏，有无缺码和信息不全等情况，并进行详细记录。

（6）机电转换功能测试

将抄取读数和基表读数进行对比，如果超出1 个最小转换分度值，则表示为不合格。

（7）机电阀到位检测

①到位检测装置

在打开机电阀的状态下，表现为阀瓣开启状，通过阀门进气口燃气到达机电阀内部，通过阀门口机电阀在开启情况下，阀瓣呈现打开状，燃气从阀门进气口进入机电阀内部后，通过阀门出气口流出。在非接触传感器凹槽处遮挡部件发挥作用。在机电阀门关闭的情况下，阀瓣为关闭状，燃气从阀门进气口进入机电阀后不能从阀门出气口流出，切断燃气有困难。开阀状态下的物联网智能燃气表机电阀如图1 所示。

图1 开阀状态下的物联网智能燃气表机电阀

②到位检测电路

通过信号接收端主控芯片反馈信号的接收，有效判断机电阀正确与否。通过主控芯片阀瓣驱动电路进行信号接收，进行燃气表机电阀是否正常的判断。阀瓣驱动电路通过对主控芯片阀信号的接收，有效控制包括机电阀开与关的电动机工作。三极管的Q1 和电阻R1 构成到位检测电路的组件。主芯片信号输出端与三极管Q1 的基极进行连接。通过3 V 的外接电源，与发光二极管连接，负极与电阻R1 连接。受光三极管的集电极连接上拉电阻R2，接地的为发射极。主控芯片信号接收端连接R2，电阻R2 与外接电源相连，主控芯片的信号输出端有效连接三极管Q1 的基极与电阻R3 进行连接，检测稳压效果[3]。

4 试验结果分析

4.1 外观分析

智能燃气表在试验385 h 后，有a、b 两个厂家的表具出现两种失效现象，产生电池盖变形的有5 台表具，表键按键不灵的有4 台。

4.2 静态电流分析

在本文的试验进行之前，不同生产厂家产品静态电流完全可以符合超过50 μA 的加速寿命，都能满足电流低于50 μA 的标准要求，但不同厂家静态电流的标准呈现很大的差异性，为（25～45）μA。一台燃气表在770 h 后明显增大静态电流，从27.503 μA 增大到49.902 μA。

4.3 抄表性能分析

在本试验进行的四次性能测试和每日抄表测试中，燃气表具表现稳定的抄表性能，具备抄表准确性。抄表信号强度下降的只有个别表具。

4.4 阀门性能分析

在本研究进行四次试验前后性能测试，控阀性极其稳定。

4.5 功能显示

本试验进行后，c 厂家的两台燃气表在579 h 后有雾状在液晶屏发生，d 厂家的9 台燃气表在579 h 后液晶屏的对比度有所下降。

4.6 机电转换功能分析

在四次的智能燃气表性能试验中，基表的读数与测试数值相同，机电转换功率完全满足要求[4]。

5 结束语

综上所述，民用智能燃气表Peck 模型的构建，通过对试验时间和试验应力条件的确定，形成一套周期短、费用低的可靠的测试模式；本研究对燃气行业内的4 个厂家的35 台产品进行可靠性测试，进行表具的试验后，对比分析其性能，针对可靠性研究，智能燃气表能够达到10a 以上的使用寿命；而如果该智能燃气表在使用15a～20a 后，某些性能会严重退化，表现出不同厂家的产品性能指标的薄弱性。