趙 煒 / 上海市計(jì)量器具強(qiáng)制檢定中心

家用氣霧劑商品量計(jì)量檢驗(yàn)裝置*

趙 煒 / 上海市計(jì)量器具強(qiáng)制檢定中心

在檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制家用氣霧劑商品量計(jì)量檢驗(yàn)裝置，通過(guò)可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)了氣霧劑內(nèi)容物的自動(dòng)轉(zhuǎn)移，并通過(guò)系統(tǒng)的檢測(cè)程序，自動(dòng)判斷檢驗(yàn)結(jié)果，提高了檢測(cè)準(zhǔn)確度、自動(dòng)化程度和檢定效率，同時(shí)也減輕了檢測(cè)人員的工作量，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可靠性。

氣霧劑；凈含量；計(jì)量檢驗(yàn)

0 引言

近年來(lái)空氣清新氣霧劑、殺蟲氣霧劑等家用氣霧罐產(chǎn)品銷量逐年增加，已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚纳唐贰ＯM(fèi)者在購(gòu)買這些事先罐裝好的氣霧劑商品時(shí)無(wú)法直接觀察和了解商品實(shí)際凈含量。

目前我國(guó)行業(yè)內(nèi)對(duì)氣霧劑標(biāo)準(zhǔn)制定主要還是以衛(wèi)生、安全及其功效為主，對(duì)氣霧劑商品的凈含量要求僅說(shuō)明要符合國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局令第75號(hào)中表三允許短缺量相應(yīng)規(guī)定，沒有抽樣方案、判定依據(jù)。生產(chǎn)企業(yè)對(duì)支撐國(guó)家質(zhì)檢總局令第75號(hào)的JJF 1070-2005《定量包裝商品凈含量檢驗(yàn)規(guī)則》不了解，檢測(cè)僅僅停留在單件核驗(yàn)，不能形成批的控制，檢測(cè)的手段也主要用手工的方法核查。

在此背景下，運(yùn)用自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)氣霧劑內(nèi)容物的自動(dòng)轉(zhuǎn)移，經(jīng)系統(tǒng)的檢測(cè)程序，對(duì)檢測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，快速得出檢測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。

1 檢驗(yàn)裝置

1.1 原理與組成

為了盡量保持與現(xiàn)行氣霧劑相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測(cè)原理并和JJF 1070-2005規(guī)定的檢測(cè)方法相一致，檢驗(yàn)裝置是基于相對(duì)密度法，這里指的是被測(cè)氣霧劑樣品內(nèi)容物的密度與被轉(zhuǎn)移出來(lái)的內(nèi)容物的密度相一致的原理設(shè)計(jì)。

式中：m— 被測(cè)氣霧劑內(nèi)容物的質(zhì)量；

V— 被測(cè)氣霧劑內(nèi)容物的體積；

mm— 從被測(cè)氣霧劑轉(zhuǎn)移出的內(nèi)容物的質(zhì)量；

Vm— 從被測(cè)氣霧劑轉(zhuǎn)移出的內(nèi)容物的體積要使式（1）確定的檢測(cè)方法具可操作性，必須解決盛裝被轉(zhuǎn)移出內(nèi)容物的容器，這里稱它為密度瓶。氣霧劑內(nèi)容物如何轉(zhuǎn)移到密度瓶、轉(zhuǎn)移過(guò)程的可靠密封、轉(zhuǎn)移量的可控及檢測(cè)結(jié)果的處理等問(wèn)題是研究的關(guān)鍵點(diǎn)。此外，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程還需要自動(dòng)化，確保效率和可靠也是必須考慮的問(wèn)題。所以采用一套執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括閥門、接口、管道、機(jī)械機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)等元器件，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。檢驗(yàn)裝置的示意圖如圖1、控制框圖如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)的硬件

1.2.1 推進(jìn)系統(tǒng)

本裝置有兩個(gè)容器，一是密度瓶，二是氣霧劑樣品。密度瓶選用透明材質(zhì)，外加護(hù)套的專用容器，密度瓶的外形尺寸相對(duì)固定，通過(guò)設(shè)計(jì)工作平臺(tái)、機(jī)械微調(diào)機(jī)構(gòu)和壓緊裝置確保密度瓶與接口的對(duì)中安裝和固定。而被測(cè)氣霧劑樣品的外形尺寸不一，且只有當(dāng)密度瓶?jī)?nèi)形成負(fù)壓后,才能推進(jìn)打開閥門。這里存在接口的對(duì)中、推進(jìn)過(guò)程的直線性等問(wèn)題。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了由步進(jìn)電機(jī)、滑動(dòng)導(dǎo)軌、安裝平臺(tái)等部件組成的推進(jìn)系統(tǒng)。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的可控性和可調(diào)整性等特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的步長(zhǎng)控制直線距離，從而實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)行、準(zhǔn)確對(duì)中和精確定位的要求。同時(shí)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩限制參數(shù)，控制推進(jìn)力。當(dāng)電機(jī)推動(dòng)扭矩超過(guò)保護(hù)值，電機(jī)停機(jī)報(bào)警，防止過(guò)載，保護(hù)裝置。

圖1 檢驗(yàn)裝置

圖2 系統(tǒng)的控制框圖

1.2.2 減壓、注射系統(tǒng)

液體的流動(dòng)受位勢(shì)、外力、壓差影響，在氣霧劑內(nèi)容物轉(zhuǎn)移至密度瓶的過(guò)程中這些外因都不起作用。因?yàn)?，按?guī)定在（25±3）℃條件下，氣霧劑罐內(nèi)的壓力不得大于1 MPa，一般在0.5～0.8 MPa之間。而密度瓶是一個(gè)充滿空氣、封閉的容器，空氣本身形成阻力，當(dāng)兩者對(duì)接，液體不可能按要求流出，而且也不可能對(duì)氣霧劑罐施以外力，強(qiáng)制排出內(nèi)容物。常見做法是，先將密度瓶罐裝約10 mL石油氣，打開密度瓶閥門排空，帶出空氣，然后人工對(duì)接氣霧劑罐。但這種做法至少有兩個(gè)問(wèn)題：其一，手工操作不易掌控，有一定的不確定性，且不適合計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)按抽樣方案的批量檢測(cè)；其二，不利于節(jié)約資源和環(huán)境保護(hù)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，利用壓差原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)減壓、注射系統(tǒng)。該系統(tǒng)由真空泵、抽氣閥、注射閥和管路等部件組成。真空泵與抽氣閥控制密度瓶的負(fù)壓，注射閥控制氣霧劑樣品的內(nèi)容物釋放。抽氣閥和注射閥均采用電磁閥，整個(gè)轉(zhuǎn)移過(guò)程可由系統(tǒng)自動(dòng)控制。

1.3 系統(tǒng)的軟件

本裝置的軟件控制系統(tǒng)由下位機(jī)PLC控制軟件和上位機(jī)人機(jī)控制軟件兩部分組成。通過(guò)計(jì)算機(jī)上的人機(jī)界面下達(dá)操作指令到PLC核心控制器，PLC作為主控單元控制滑動(dòng)導(dǎo)軌前進(jìn)、后退，實(shí)現(xiàn)對(duì)真空泵、抽氣閥、注射閥的開關(guān)等。檢驗(yàn)人員只需輸入相關(guān)的檢測(cè)信息后，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出被測(cè)氣霧劑樣本的凈含量，根據(jù)內(nèi)置程序給出評(píng)判結(jié)果，并自動(dòng)生成檢測(cè)記錄。

1.3.1 上位機(jī)的軟件

上位機(jī)軟件采用Microsoft公司VB 6.0和Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控程序開發(fā)。系統(tǒng)通過(guò)RS232串口協(xié)議與下位機(jī)PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門和氣泵進(jìn)行開關(guān)控制以及對(duì)移動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)行進(jìn)行操作，同時(shí)對(duì)PLC反饋上來(lái)的各種數(shù)字量和模擬量信息進(jìn)行顯示并進(jìn)行相關(guān)的處理。

1.3.2 下位機(jī)的軟件

PLC控制程序采用C語(yǔ)言開發(fā)，主要包括主程序、模擬量采集子程序、數(shù)字量控制子程序、運(yùn)動(dòng)控制子程序、通信子程序。PLC主程序周期性查詢程序運(yùn)行方式，根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的控制指令調(diào)用相應(yīng)控制子程序運(yùn)行，其PLC控制程序流程見圖3。

2 測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定

氣霧劑樣本的凈含量偏差按下式計(jì)算：

式中：q— 樣本實(shí)際含量，mL；

Qn— 樣本標(biāo)注凈含量，mL

由于Qn是標(biāo)注凈含量，所以討論主要針對(duì)測(cè)量不確定度在獲取樣本實(shí)際含量q的過(guò)程中的來(lái)源。根據(jù)式（1）得到

式中：Vm— 密度瓶?jī)?nèi)容物容量，mL；

mz— 樣本的總量，g；

mp— 樣本的皮重，g；

mmp— 密度瓶的質(zhì)量，g；

圖3 PLC控制程序流程

mmz— 含有樣本內(nèi)容物的密度瓶總量，g

從式（2）可以知道，不確定度來(lái)源主要有兩方面，一是在稱量過(guò)程中；二是在密度瓶測(cè)量過(guò)程中。

以空氣清新氣霧劑（規(guī)格：320 mL）為例分析如下：

1）稱重過(guò)程中的不確定度來(lái)源

（1）稱量樣本總量引入的不確定度分量，320 mL空氣清新氣霧劑總量為350 g，選用Max：4 100 g，d=10 mg電子天平稱量，所選電子天平在稱量范圍的誤差限為±0.05 g,按均勻分布，u1（mz） = 0.029 g；電子天平的最小分辨力為0.01 g，u2（mz） = 0.029 g；則u（mz）的相對(duì)不確定度為8.3×10-5。

（2）稱量樣本皮重引入的不確定度分量，320 mL空氣清新氣霧劑皮重為80 g，選用Max：1 210 g，d=1 mg電子天平稱量，所選電子天平在稱量范圍的誤差限為±0.005 g,按均勻分布，u1（mp） = 0.029 g；電子天平的最小分辨力為0.001 g，u2（mp） = 0.029 g；則u（mp）的相對(duì)不確定度為3.6×10-5。

（3）稱量密度瓶總量引入的不確定度分量，密度瓶總量為550 g，同（1）方法得到u（mmz）的相對(duì)不確定度為 5.3×10-5。

（4）稱量密度瓶皮重引入的不確定度分量，密度瓶皮重為500 g，同（2）方法得到u（mmp）的相對(duì)不確定度為5.8×10-5。

以上不確定度分量互不相關(guān)，所以稱重過(guò)程中引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（m）為1.2×10-4。

2）密度瓶測(cè)量過(guò)程中的不確定度來(lái)源

（1）密度瓶示值引入的不確定度分量，經(jīng)校準(zhǔn)，密度瓶的不確定度為0.15 mL （k= 2），則u1（Vm）的相對(duì)不確定度為8.3×10-4。

（2）密度瓶讀數(shù)分辨力引入的不確定度分量，密度瓶最小分辨力為1 mL，估讀的最小分辨力1/5，最小分度為0.2 mL，按均勻分布，采用B類評(píng)定，則u2（Vm）的相對(duì)不確定度為1.6×10-3。

（3）密度瓶因溫度變化引入的不確定度分量，按照檢驗(yàn)時(shí)環(huán)境條件要求，溫度變化為±2 ℃。又有密度瓶的材質(zhì)為納鈣玻璃，經(jīng)查表后得其體膨脹系數(shù)是2.6×10-5℃-1，則u3（Vm）的相對(duì)不確定度為3.0×10-5。

（4）液化氣因溫度變化引入的不確定度分量，液化氣的體膨脹系數(shù)約為2.5×10-3℃-1，所以受溫度影響液化氣體膨脹量為0.18 mL，則u4（Vm）的相對(duì)不確定度為1.4×10-3。

以上不確定度分量互不相關(guān)，所以密度瓶測(cè)量過(guò)程中引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Vm）為2.3×10-3。

由于認(rèn)為稱重過(guò)程中引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(m)與密度瓶測(cè)量過(guò)程中引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Vm）相互獨(dú)立，則相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc= 2.3×10-3。

擴(kuò)展不確定度

U= 2×2.3×10-3×320 mL = 1.5 mL（k= 2）。

規(guī)格為320 mL的氣霧劑樣本允許短缺量為9.6 mL，0.2×9.6=1.9 mL，因?yàn)?.5 mL ＜ 1.9 mL，測(cè)量結(jié)果符合JJF 1070-2005要求。

3 結(jié)語(yǔ)

開發(fā)的家用氣霧劑商品量計(jì)量檢驗(yàn)裝置，有效地將檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，首次在氣霧劑凈含量檢測(cè)中通過(guò)測(cè)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)，大大提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確度和自動(dòng)化程度，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)上的空白。此外，由于該裝置自動(dòng)化程度較高，僅需將氣霧劑樣品放置在工作平臺(tái)上就可自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，不僅提高檢測(cè)效率和減輕檢驗(yàn)人員的工作量，而且避免了人工操作帶來(lái)的誤差。因此，該裝置的研制成功對(duì)氣霧劑凈含量的檢測(cè)技術(shù)提高具有一定的推進(jìn)作用，將會(huì)產(chǎn)生較好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 黃耀文. JJF 1070-2005《定量包裝商品凈含量計(jì)量檢驗(yàn)規(guī)則》實(shí)施指南[M]. 北京: 中國(guó)計(jì)量出版社, 2005.

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Study on metrological testing device for net quantity of aerosol product

Zhao Wei
（Shanghai center of enforcement veri fi cation for measuring instrument）

A device of aerosol for metrological inspection has developed based on detection technology and the computer control technology. Through PLC, the content of aerosol can be transferred automatic. According to soft program,system can obtain the inspection result. It can not only improve the detection accuracy, automation degree and verification efficiency, but also reduce the workload of inspection personnel. It has the stronger practicability and reliability.

aerosol; net quantity; metrological inspection

上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2010-J09）