李銀華 張萬(wàn)偉

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

0 引言

城市燃?xì)馐钱?dāng)代最主要的能源之一，膜式燃?xì)獗響{借其計(jì)量準(zhǔn)確、價(jià)格低廉、經(jīng)久耐用等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于普通家庭用戶的用氣計(jì)量中［1］。因?yàn)槿細(xì)饩哂幸兹肌⒁妆忍攸c(diǎn)，所以燃?xì)庥?jì)量?jī)x表在生產(chǎn)過程和出廠前要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)，保證用戶的人身財(cái)產(chǎn)安全。目前，家用膜式燃?xì)獗頇z定工作基本由檢定人員手工完成。密封性和準(zhǔn)確度的檢測(cè)分離進(jìn)行，密封性檢測(cè)采用肥皂泡法，示值誤差檢測(cè)多采用鐘罩標(biāo)準(zhǔn)器。這種檢測(cè)手段無(wú)法進(jìn)行定量檢測(cè)和在線檢測(cè)，自動(dòng)化程度和鑒定效率低。為從根本上解決燃?xì)獗硎讬z工作的效率和質(zhì)量問題，滿足燃?xì)獗硎袌?chǎng)發(fā)展的需要［2］，依據(jù)《JJG 577-2005膜式燃?xì)獗韲?guó)家計(jì)量檢定規(guī)程》［3］，設(shè)計(jì)了一套全自動(dòng)燃?xì)獗頇z定裝置。

1 設(shè)計(jì)原則與主要功能

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《膜式燃?xì)獗怼分幸?guī)定了膜式燃?xì)獗淼募夹g(shù)要求以及質(zhì)量檢測(cè)的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)內(nèi)容，簡(jiǎn)要說(shuō)明如下。

①燃?xì)獗淼臋z定環(huán)境條件:檢定溫度，對(duì)于最大流量Qmax≤10 m2/h的燃?xì)獗頌?20±2)℃，對(duì)于最大流量Qmax＞10 m2/h的燃?xì)獗頌?20±5)℃;檢定大氣壓力為86～106 kPa;相對(duì)濕度為45% ～75%;檢定過程中，標(biāo)準(zhǔn)器處的溫度和燃?xì)獗硖幍臏囟炔顟?yīng)不超過1 K。

②檢定項(xiàng)目包括外觀、密封性、總壓力損失、示值誤差和附加裝置功能檢測(cè)。

③燃?xì)獗頇z定方法，包括鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)表法。

系統(tǒng)在遵循安全性、先進(jìn)性、易操作性、易維護(hù)性、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性、抗干擾性的原則下，依據(jù)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程完成膜式燃?xì)獗淼挠?jì)量檢測(cè)和密封性能檢測(cè)。

家用膜式燃?xì)獗頇z定裝置主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

①溫度、濕度、氣體壓力的自動(dòng)檢測(cè);

② 被檢表的密封性、壓力損失、示值誤差檢測(cè)功能;

③快速自動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(夾緊裝置);

④檢測(cè)和控制過程自動(dòng)化與自動(dòng)報(bào)警功能;

⑤性能優(yōu)良的HMI，大屏幕LCD觸摸屏顯示，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、示值、誤差曲線的顯示;

⑥數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)自動(dòng)化，以及數(shù)據(jù)的查詢、打印、網(wǎng)路共享和檢測(cè)報(bào)表自動(dòng)生成等功能。

2 設(shè)計(jì)原理與方案

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用差壓法密封性檢測(cè)原理和標(biāo)準(zhǔn)表法示值誤差檢測(cè)原理，實(shí)現(xiàn)膜式燃?xì)獗淼拿芊庑阅軝z測(cè)和計(jì)量檢測(cè)。

2.1.1 差壓法密封性檢測(cè)原理

密封性檢測(cè)原理圖如圖1所示。

圖1 密封性檢測(cè)原理圖Fig.1 Principle of tightness detection

將標(biāo)準(zhǔn)表與被檢基表分別布置在差壓傳感器的兩側(cè)，同時(shí)充入相同壓力的空氣，使兩端壓力達(dá)到平衡。

在規(guī)定的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，如果標(biāo)準(zhǔn)表和被檢基表都沒有泄漏(忽略環(huán)境變量的影響)，則差壓傳感器的兩側(cè)仍保持平衡狀態(tài);如果被檢基表有泄漏，即使是微小泄漏，也會(huì)導(dǎo)致被檢基表內(nèi)的空氣質(zhì)量減少，壓力下降。差壓法即根據(jù)差壓傳感器檢測(cè)出的壓差值計(jì)算泄漏量，然后判斷被測(cè)容器的密封性是否合格［4］。

2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)表法示值誤差檢測(cè)原理

標(biāo)準(zhǔn)表法的檢測(cè)原理是:使氣體在相同時(shí)間內(nèi)連續(xù)通過標(biāo)準(zhǔn)表和被檢基表，采用比較的方法計(jì)算兩表的差值，根據(jù)誤差大小判斷被檢基表各項(xiàng)計(jì)量參數(shù)是否合格［5］。

檢定時(shí)可以采用1臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表與1臺(tái)被檢基表進(jìn)行比較，也可以用兩臺(tái)以上并聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)表與1臺(tái)被檢基表進(jìn)行比較。采用1臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表的示值誤差檢測(cè)原理圖如圖2所示。

這里標(biāo)準(zhǔn)表為濕式氣體流量計(jì)。與鐘罩式標(biāo)準(zhǔn)裝置相比較，該檢定裝置雖然屬于次級(jí)裝置，但它使用方便、檢定效率高，準(zhǔn)確度等級(jí)能達(dá)到0.5級(jí)，適合燃?xì)獗碇圃炱髽I(yè)生產(chǎn)使用。

圖2 示值誤差檢測(cè)原理圖Fig.2 Principle of measurement accuracy detection

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

結(jié)合檢定原理，采用“閥島”技術(shù)，設(shè)計(jì)了涵蓋密封性、壓力損失和示值誤差的四表位獨(dú)特檢定氣路。

檢定氣路以電磁閥組的開閉實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)表與被檢基表的串并聯(lián)連接，以氣缸實(shí)現(xiàn)夾表動(dòng)作的自動(dòng)化。同時(shí)，采用溫度傳感器和壓力傳感器實(shí)現(xiàn)各表位間的溫壓差補(bǔ)償，采用差壓傳感器實(shí)現(xiàn)密封性和壓損的檢測(cè)功能。

系統(tǒng)檢測(cè)工作流程如下。

①壓縮空氣經(jīng)過干燥過濾、初步減壓后供給四夾緊氣缸，通過調(diào)節(jié)電磁閥(9、10、11、12)的開閉實(shí)現(xiàn)夾表動(dòng)作的自動(dòng)化。

②當(dāng)進(jìn)行檢定時(shí)，壓縮空氣經(jīng)過次級(jí)減壓供給檢測(cè)系統(tǒng)，通過電磁閥組(13、14、15、16、17)實(shí)現(xiàn)氣路的串并聯(lián)。

當(dāng)進(jìn)行密封性檢測(cè)時(shí)，電磁閥組右側(cè)閥(包括17號(hào)上側(cè)閥)關(guān)閉，其他閥打開，系統(tǒng)進(jìn)行充氣;一段時(shí)間后，關(guān)閉電磁閥組左側(cè)閥，同時(shí)打開電磁閥(34、35、36、37)進(jìn)行平衡，完畢后關(guān)閉平衡閥。3 min后系統(tǒng)讀取差壓傳感器(38、39、40、41)的壓差值。密封性檢測(cè)完畢。

③密封性檢測(cè)完畢后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉電磁閥組上側(cè)閥。打開電磁閥組左右側(cè)閥，將標(biāo)準(zhǔn)表與被檢基表串聯(lián)在氣路上，通過調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)燃?xì)獗砀鱾€(gè)流量點(diǎn)的檢定。

④在最大流量檢定點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)讀取差壓傳感器(29、30、31、32)的壓差值，再根據(jù)溫壓補(bǔ)償計(jì)算出各表的總壓力損失值。

檢定裝置的電路控制系統(tǒng)按照模塊化的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。溫度、壓力、濕度、壓差等傳感器感應(yīng)環(huán)境參數(shù)，產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路和A/D模塊，傳送給ARM9控制器進(jìn)行處理，控制器通過驅(qū)動(dòng)模塊控制電磁閥組和流量調(diào)節(jié)器。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了LCD觸摸屏、存儲(chǔ)模塊、網(wǎng)絡(luò)接口、聲光報(bào)警模塊和打印機(jī)模塊等。

檢測(cè)氣路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，電路控制系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 核心控制器選擇

ARM9控制器模塊是整個(gè)檢定裝置的核心，檢定裝置選用 ARM9核心板 TQ2440。該核心板采用S3C2440A為處理器，并附有64 MB的SDRAM、256 MB的NAND Flash、2 MB的 NOR Flash;最高主頻可達(dá)533 MHz，可以輕松運(yùn)行Linux、WinCE等嵌入式系統(tǒng)，滿足系統(tǒng)要求。

2.3.2 溫度傳感器模塊

溫度在檢定過程中直接影響系統(tǒng)的檢定級(jí)別，對(duì)溫度的檢測(cè)和控制是檢定過程的重要環(huán)節(jié)。針對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選用了6只高質(zhì)量的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，分別用于測(cè)量室內(nèi)溫度、標(biāo)準(zhǔn)表溫度和被檢基表進(jìn)氣口溫度。當(dāng)這6點(diǎn)溫度及其對(duì)應(yīng)關(guān)系超出檢定要求時(shí)，系統(tǒng)聲光報(bào)警并停止運(yùn)行;當(dāng)溫度恢復(fù)正常時(shí)，系統(tǒng)才能正常啟動(dòng)。采用1-wire設(shè)計(jì)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器可以大大簡(jiǎn)化溫度模塊的設(shè)計(jì)，節(jié)約處理器的引腳［6］。

2.3.3 差壓傳感器模塊

差壓信號(hào)的采集是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，壓差變送器的精度是影響系統(tǒng)精度的主要因素。由于整個(gè)裝置為四表位，因此選用8只微差壓傳感器對(duì)每只燃?xì)獗淼拿芊庑院蛪簱p進(jìn)行檢測(cè)，并通過軟件對(duì)每個(gè)表位進(jìn)行溫壓誤差補(bǔ)償。裝置要求微壓傳感器具有一定的過載承受能力，因此，選用美國(guó)阿爾法(Alpha)公司生產(chǎn)的166-P-0250B-A-4-Y-B型差壓變送器。該變送器具有溫度補(bǔ)償和誤接線全保護(hù)功能［7］。

2.3.4 電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊

系統(tǒng)采用電磁閥組，每個(gè)電磁閥都為密封性較好的直動(dòng)式電磁閥。電磁閥驅(qū)動(dòng)電路采用74LS244、TL521-4GB、MC1413(ULN2003A)驅(qū)動(dòng)GPIO引腳的輸出信號(hào)。

2.3.5 流量調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)電路

流量調(diào)節(jié)器主要用來(lái)控制流量大小，實(shí)現(xiàn)各個(gè)流量點(diǎn)的示數(shù)檢測(cè)。系統(tǒng)采用兩項(xiàng)式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路選擇SGS公司的L297單片步進(jìn)電機(jī)控制集成電路，與兩片H橋式驅(qū)動(dòng)芯片L298組合，組成步進(jìn)電機(jī)固定斬波頻率的PWM恒流斬波驅(qū)動(dòng)器［8］。

3 軟件平臺(tái)構(gòu)建

燃?xì)獗頇z定裝置中傳感器眾多，控制功能復(fù)雜，為了使系統(tǒng)具有可維護(hù)性、擴(kuò)展性和多任務(wù)處理功能，系統(tǒng)采用Linux系統(tǒng)作為軟件運(yùn)行平臺(tái)。系統(tǒng)軟件功能主要包括u-boot的移植、內(nèi)核的移植、文件系統(tǒng)的編譯和移植［9］。

這里簡(jiǎn)要介紹QT圖形界面的設(shè)計(jì)。QT/Embedded是一個(gè)跨平臺(tái)應(yīng)用程序和UI開發(fā)框架，支持豐富的圖形控件，并提供美觀的界面開發(fā)［10］。QT/Embedded實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 QT/Embedded的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 The structural block diagram of implementation of QT/Embedded

QT應(yīng)用程序由C++語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，它的API分為控件、框架和工具3個(gè)部分，其高效的工作性能與其信號(hào)和槽的機(jī)制是密不可分的。QT/Embedded開發(fā)流程如下。

①安裝QT/E開發(fā)環(huán)境和交叉編譯庫(kù)。

②在宿主機(jī)上開發(fā)QT/E應(yīng)用程序，如系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)顯示控制單元模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、密封性檢定模塊、示值誤差檢定模塊、網(wǎng)絡(luò)共享和打印模塊等。

③交叉編譯應(yīng)用程序。

④在嵌入式系統(tǒng)上調(diào)試運(yùn)行應(yīng)用程序。

其中，系統(tǒng)初始化模塊用于檢定前環(huán)境參量和傳感器校準(zhǔn)調(diào)整。數(shù)據(jù)顯示控制單元模塊將采集、控制的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。該模塊通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)顯示各個(gè)通道的運(yùn)行情況、控制方法和數(shù)據(jù)變化等;同時(shí)可以查看歷史數(shù)據(jù)，方便用戶對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的分析。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊用于數(shù)據(jù)的管理。密封性檢定和示值誤差模塊完成檢定裝置的檢定任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)共享模塊將處理后的數(shù)據(jù)或歷史記錄發(fā)送至上位機(jī)或者服務(wù)器，可以實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)訪問。

在控制界面，有相應(yīng)的功能按鈕供用戶選擇。同時(shí)，用戶可以對(duì)模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)檢定裝置的簡(jiǎn)易操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)《JJG 577-2005膜式燃?xì)獗韲?guó)家計(jì)量檢定規(guī)程》和國(guó)內(nèi)企業(yè)現(xiàn)有檢驗(yàn)方法存在的問題，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，給出了以ARM9為核心處理器的“多合一”燃?xì)獗頇z定裝置設(shè)計(jì)方案。該裝置具有人機(jī)界面優(yōu)良、可靠性高、擴(kuò)展靈活、性價(jià)比高等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多檢，節(jié)省設(shè)備購(gòu)買量;利用嵌入式系統(tǒng)的高性能和穩(wěn)定性，提高了生產(chǎn)廠家的鑒定效率，為家用膜式燃?xì)獗頇z定提供了新的途徑。

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