余盛鋒，毛謙敏

（中國計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測試工程學(xué)院，杭州310018）

燃?xì)獗硎且环N能源計(jì)量儀表，是向燃?xì)庥脩艚Y(jié)算收費(fèi)的依據(jù)，其性能好壞，涉及到千家萬戶，關(guān)系到供氣部門的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，不但體現(xiàn)了供氣企業(yè)的管理水平，還體現(xiàn)了國民經(jīng)濟(jì)和科技實(shí)力[1]。多年前，大部分地區(qū)使用傳統(tǒng)的容積式燃?xì)獗?，它的缺點(diǎn)是需人工抄表和人工收費(fèi)。隨著信息化的飛速發(fā)展，智能IC卡燃?xì)獗響?yīng)運(yùn)而生，它成功解決了抄表難、收費(fèi)難等難題，獲得了飛速發(fā)展。

根據(jù)智能IC卡燃?xì)獗淼慕Y(jié)構(gòu)和性能可知，電機(jī)閥是其中最關(guān)鍵的部件。一般閥門要求開關(guān)迅速、敏捷，并能一次開關(guān)到位[2]，而電機(jī)閥存在漏氣、閥門不關(guān)閉、關(guān)閉后不開啟和關(guān)閥不到位等問題，而且大多數(shù)閥門故障來源于電機(jī)[3-4]。如果IC卡燃?xì)獗黹y門質(zhì)量不佳，就可能引發(fā)漏氣等事故，輕則影響客戶的正常使用，重則給國家、人民生命財產(chǎn)帶來重大損失。因此，對其閥門的檢測十分必要。本文提出了一種針對燃?xì)獗黹y門參數(shù)的全自動檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對智能IC卡燃?xì)獗黼姍C(jī)閥的動態(tài)電流、內(nèi)阻和閥瓣運(yùn)動行程的測量。目前，本系統(tǒng)已于2013年正式投入使用。

1 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

檢測系統(tǒng)主要以工控機(jī)為核心，結(jié)合NI的數(shù)據(jù)采集卡和各功能電路模塊，自動控制電機(jī)閥的開啟和關(guān)閉，檢測不同狀態(tài)下電機(jī)閥的電參數(shù)和行程。用戶通過鍵盤和鼠標(biāo)進(jìn)行操作，可選擇不同檢測電壓進(jìn)行設(shè)定次數(shù)的重復(fù)檢測，結(jié)果由顯示器顯示，數(shù)據(jù)自動保存。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 System framework

在系統(tǒng)中，通過按鈕來啟動裝置，裝置將閥門的內(nèi)阻、電流量經(jīng)功能電路模塊轉(zhuǎn)換成電壓量，由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集并將采得的數(shù)據(jù)輸送給工控機(jī)；閥門的運(yùn)動行程通過攝像頭拍攝閥門不同狀態(tài)下的圖片進(jìn)行分析處理得到。

2 電參數(shù)測量

電參數(shù)測量是本系統(tǒng)中的核心部分，完成燃?xì)獗黼姍C(jī)閥的內(nèi)阻、動態(tài)電流的檢測任務(wù)。通過采用圖2中串接在電機(jī)閥負(fù)載回路的標(biāo)準(zhǔn)采樣電阻R，將電流轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號，由于采樣電阻為純阻性器件，不會帶來電流波形畸變，保證了測量精度。為了不影響電路整體特性，選擇的采樣電阻阻值一般較小，所以需要對其電壓值進(jìn)行差分放大再由采集卡進(jìn)行測量。系統(tǒng)采用的是目前使用比較廣泛的低功耗、高精度通用儀表放大器INA128U芯片，它只需單個外部電阻就可以實(shí)現(xiàn)從1到10000的任一增益選擇。系統(tǒng)選用的采集卡是NI公司生產(chǎn)的PCI-6220，起到數(shù)據(jù)采集及控制器作用，主要參數(shù)為16位分辨率，250 kS/s采樣率，16個模擬輸入通道，24個自定義數(shù)字輸入/輸出通道，2個計(jì)數(shù)器/定時器通道。數(shù)據(jù)采集卡通過SHC68-68-EPM屏蔽電纜與接線盒連接，方便訪問板卡的輸入輸出。

圖2 電參數(shù)測量框圖Fig.2 Measurement of electric parameter’s framework

3 閥瓣運(yùn)動行程測量

檢測系統(tǒng)的一個重要功能是進(jìn)行電機(jī)閥閥瓣的運(yùn)動行程測量。常用的非接觸式測距方法，如激光測距等都可以完成對電機(jī)閥閥瓣的行程測量。但因?yàn)闄z測系統(tǒng)有體積小、成本低、檢測速度快等要求，故未采用上述方法。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，選擇的是反射型光電傳感器，該傳感器應(yīng)用在系統(tǒng)中可行，其優(yōu)點(diǎn)是：體積小、成本低、有光調(diào)制系統(tǒng)，不易受外部干擾。缺點(diǎn)是：只能確定開關(guān)閥有無到位，無法準(zhǔn)確地測得行程。為了進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)，決定采用基于單目視覺的測距方法進(jìn)行行程測量。

攝像機(jī)采集圖像的過程是從三維歐拉空間到二維歐拉空間的幾何變換過程[5]。而測距過程可以被視為這一過程的逆過程，如圖3所示，閥距測量可以認(rèn)為是利用圖像空間{M=u，v}中的數(shù)據(jù)，在一定的條件下計(jì)算實(shí)際空間{I=x，y，z}中的一個平面{（L=x，y，0∈I）}上的數(shù)據(jù)過程。

圖3 現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)Fig.3 Reality and image coordinates

約束條件①閥瓣運(yùn)動軌跡基本為水平直線；②攝像機(jī)位置固定并且光軸與閥瓣圓心的運(yùn)動軌跡近似重合，其拍攝角度不變。當(dāng)滿足以上2點(diǎn)時，由這3個坐標(biāo)系之間的三角形相似關(guān)系可以導(dǎo)出：當(dāng)攝像頭焦距f一定時，實(shí)際空間中閥瓣到攝像頭的距離與圖像中閥瓣的直徑乘積為一常數(shù)[6]。距離遠(yuǎn)近的不同，閥瓣的成像大小也不一樣，距離越遠(yuǎn)，成像越小，距離越近，成像越大，任意2次的距離值與成像大小成反比關(guān)系，即：

式中：L1和L2分別為閥瓣到攝像機(jī)的距離 （單位：mm）；D1和 D2為圖像中閥瓣的直徑（單位：像素）。從式中可知，L1×D1=L2×D2是個常量，記為測量系數(shù)q。該值可以通過多次測量時記錄的Di和Li求出。

式中，n為測量次序。

測量系數(shù)q值確定如圖4所示，在實(shí)際應(yīng)用中，攝像頭與工裝之間的距離L固定，d為開閥距離。

圖4 測量示意圖Fig.4 Measurement diagrammatic sketch

由式（1）可知：

式中，D1和 D2為2次測量圖像中的閥瓣直徑（單位：像素）。根據(jù)式（3）中的d可以通過在閥門和工裝間加標(biāo)準(zhǔn)量塊來確定，則相應(yīng)的q值確定。由前面的推論可得出：

式中：Δd為某次測量電機(jī)閥的運(yùn)動行程；D關(guān)、D開為某次測量開關(guān)閥時閥瓣的圖像直徑（單位：像素）。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件模塊采用NI公司研發(fā)的LabView軟件開發(fā)，主要由顯示界面、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)3個部分組成。用戶可以根據(jù)自身需要設(shè)置不同參數(shù)，完成個性化檢測。軟件模塊主要完成以下功能：①控制程控電源，使其按照設(shè)置輸出不同電壓、電流值；②實(shí)現(xiàn)與板卡的實(shí)時通信，實(shí)時顯示板卡采集的數(shù)據(jù)和曲線，并根據(jù)所設(shè)置參數(shù)判斷當(dāng)前檢測閥門合格與否，不良原因等；③進(jìn)行產(chǎn)品編號管理和所有檢測參數(shù)設(shè)置，并具有自動記憶功能；④記錄并保存每次測量的數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，方便用戶查詢。

5 系統(tǒng)調(diào)試及試驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)際的檢測中，燃?xì)獗黹y門電流分為2個類型：開閥電流、關(guān)閥電流，其電流變化曲線如圖5所示。

圖5 電機(jī)閥電流曲線Fig.5 Variation curves of the currents of motor valve

傳統(tǒng)的電流檢測方法是在電機(jī)閥開閥或者關(guān)閥電路中接入一只電流表，通過觀察該表指針來判斷瞬間電流是否過大。這種檢測方法缺點(diǎn)是：①效率不高，每次一人對一閥；②合格判斷受個人因素影響較大；③電機(jī)閥運(yùn)動行程未進(jìn)行檢測。

本系統(tǒng)不僅能得到電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流，還可以檢測到電機(jī)閥的開啟電流和中間的工作電流，根據(jù)電機(jī)閥的開啟瞬間電流是否過大來判斷其產(chǎn)品合格與否。閥門距離測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 閥門距離測量數(shù)據(jù)Tab.1 The data of distance measurement

系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試完成后，在專業(yè)燃?xì)獗砩a(chǎn)廠家的流水線上進(jìn)行了測試檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)操作簡單，檢測快速、安全、可靠，大大提高了檢測效率。目前已經(jīng)正式投入生產(chǎn)使用。

6 結(jié)語

燃?xì)獗黹y門參數(shù)自動檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)閥的電參數(shù)和運(yùn)動行程的精密、高效率自動檢測，提高了檢測質(zhì)量和效率，適合生產(chǎn)線大規(guī)模檢測，為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)，為出廠產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量把關(guān)，對燃?xì)獗淼恼麢C(jī)質(zhì)量和可靠運(yùn)行具有重要意義。通過人機(jī)界面的操作，可以在多個個性化檢測方案之間切換，檢測多種型號燃?xì)獗黹y門的參數(shù)。

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