祝為民

(1.同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，上海 200092；2.寧波水表股份有限公司， 寧波 315032)

0　引言

水表出廠檢定是比較費時的工作，遵照水表國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 778—2007[1]的要求對水表進行示值誤差測試。通常每個水表需測試三個流量點：低區(qū)的最小流量Q1、低區(qū)與高區(qū)轉(zhuǎn)換的分界流量Q2、高區(qū)的額定流量Q3，保證低區(qū)流量示值誤差不超過±5%及高區(qū)流量示值誤差不超過±2%的要求。為了提高工作效率，水表誤差檢測采用了多個水表的串聯(lián)校驗方式。

通常水表測試采用靜態(tài)同步時鐘法，即水表檢測時在同一時間內(nèi)水流量流入水表和標(biāo)準(zhǔn)器，在關(guān)閉閥門后讀取水表讀數(shù)的指示體積Vi和標(biāo)準(zhǔn)器的實際體積Va，然后計算出相對示值誤差。受水表檢定標(biāo)度分格讀數(shù)分辨率的限制，水表同步時鐘靜態(tài)法的測試時間較長。如口徑15mm的水表最小標(biāo)度分格為0.00005m3,按GB/T 778.1中的6.6.3.2.3節(jié)要求，為了達(dá)到檢定標(biāo)度分格的不確定度小于0.5%，因此測試體積大于0.01m3(0.00005/0.5%)。如果測試的最小流量Q1=0.03m3/h，則需要20min工作時間。

水表異步時鐘測試法采用了時間片比值計算的方法，即在測試流量下當(dāng)流過水表的示值體積和流入標(biāo)準(zhǔn)器的實際體積數(shù)值相同時，動態(tài)記錄定量水體積流過水表的所需時間ti和流入標(biāo)準(zhǔn)器的所需時間ta，然后根據(jù)ti、ta值計算相對示值誤差，此方法可縮短工作時間。

1　異步時鐘測試法的工作原理

水表檢定規(guī)程要求水表必須通過流量示值誤差測試，即指定的流量點下校正每個水表準(zhǔn)確度，使其相對誤差不超過規(guī)定值，根據(jù)GB/T 778—2007規(guī)定相對誤差以百分?jǐn)?shù)表示：

(1)

式中：Vi為指示體積，測試時水表所顯示的水體積；Va為實際體積，表示流入標(biāo)準(zhǔn)器的水體積。

(2)

式中：Qi為指示流量，水表指示的水流量；Qa為實際流量，表示流入標(biāo)準(zhǔn)器的水流量。

而式中Qi、Qa可以用流過水表、標(biāo)準(zhǔn)器各自確定的體積所占用時間的比值來表示，當(dāng)測試時確定流過水表指示體積與標(biāo)準(zhǔn)器的體積相同時，式(2)可演變成：

(3)

式中：ti為指示時間，水表流過顯示體積所需時間；ta為實際時間，流過標(biāo)準(zhǔn)器體積所需時間；V為用水量的表示體積。

水表異步時鐘測試是在動態(tài)工作方式下進行，即開始或結(jié)束檢測時水表始終運行在測試流量上。從式(3)中可以推測，水表測試過程中只要流過水表的水流量穩(wěn)定，相對示值誤差可用異步時鐘ti、ta的差異值計算確定。

在異步時鐘的測試過程中水表、標(biāo)準(zhǔn)器的計時使用多路時鐘計數(shù)器，用光電傳感器發(fā)訊來啟、停時鐘計數(shù)器，具有很好的邊沿觸發(fā)再現(xiàn)性，消除了水表檢定標(biāo)度分格的不確定度，因此可減少測試的用水量，縮短了水表的校驗時間。

2　水表異步時鐘測試法的硬件原理

水表異步時鐘測試法的硬件組成見圖1，主要用于分界流量Q2、小流量Q1示值誤差的快速測試。

圖1異步時鐘測試的硬件示意圖

異步時鐘測試法的控制回路主要由上位機、電子秤、開關(guān)量輸出板、多路時鐘計數(shù)器、溫度傳感器、放水電動閥等組成，均帶有RS485總線接口的串行通訊電路，見圖2。開關(guān)量輸出板用于氣動球閥、氣缸執(zhí)行器；多路時鐘計數(shù)器用于記錄水表、換向器工作時鐘計數(shù)值；傳感器定位擺桿(圖1中沒表達(dá))能產(chǎn)生90°的擺幅，用于光電傳感器的水表定位檢測。RS485總線采用主、從機的通訊模式，設(shè)定上位機為通訊主機，其余接口均為從機模式。上位機發(fā)送工作流指令，從機完成命令應(yīng)答、數(shù)據(jù)傳送、執(zhí)行相關(guān)動作。

圖2　RS485總線的組成結(jié)構(gòu)

水表安裝定位后，打開進水手動球閥，按啟動按鈕后進入水表自動檢測工作，在上位機的協(xié)動下，打開前、后端閥引入穩(wěn)壓水源；執(zhí)行排氣閥排盡管路中的空氣；運行傳感器定位擺桿，使水表光電傳感器進入工作位置；關(guān)閉放水電動閥，按順序進入Q2、Q1流量的示值誤差測試；收傳感器定位擺桿，水箱放水，顯示、打印測試結(jié)果。

表盤上始動指針的梅花型葉片通常用于光電傳感器的脈沖輸入計數(shù)(圖3)，當(dāng)水表轉(zhuǎn)動時光電傳感器的輸入脈沖數(shù)即能表示流過水表的示值體積Vi。為了消除機械傳動的制造誤差，要求水表測試體積的脈沖值為始動指針一圈脈沖數(shù)的整數(shù)倍。

圖3　光電傳感器的讀取位置

3　軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要由兩部分組成，嵌入式軟件和上位機應(yīng)用軟件。嵌入式軟件用于RS485總線的各從機系統(tǒng)，是微處理器實時工作軟件，主要建立與上位機的通訊；接受、應(yīng)答上位機命令；上傳數(shù)據(jù)；接收參數(shù)設(shè)置；開關(guān)量輸出；時鐘計數(shù)等。

上位機應(yīng)用軟件用VB6.0[3]編寫，采用模塊化編程方式，軟件構(gòu)成見圖4。

3.1　水表流量示值誤差測試

運行窗體響應(yīng)控件對象發(fā)生的事件按順序運行，事件的對象主要為Comm and Button按鈕控件和Timer定時控件，按鈕控件主要控制程序的運行、停止、中斷處理。定時控件在調(diào)用定時參數(shù)后按順序自動執(zhí)行程序的流程。在主窗體加載時調(diào)入設(shè)置參數(shù)，初始化有關(guān)變量。在程序運行過程中通過與從機的應(yīng)答通訊執(zhí)行相關(guān)動作，完成壓力測試，完成Q2、Q1流量點的誤差測試，在窗體上顯示測試數(shù)據(jù)，打印測試結(jié)果、條形碼編號，把有關(guān)數(shù)據(jù)字段記錄數(shù)據(jù)庫中。

圖4　上位機系統(tǒng)軟件構(gòu)成

3.2　參數(shù)設(shè)置

有四個參數(shù)設(shè)置窗體，主要有通訊參數(shù)、流量測試參數(shù)、定時參數(shù)及打印參數(shù)設(shè)置。設(shè)置后的參數(shù)以記錄條的形式保存在文本文件中，每個窗體均有Combo Box控件作多項下拉選擇，方便多類型水表的測試參數(shù)選擇。應(yīng)用程序開始運行時，設(shè)置窗體調(diào)入最近使用過的參數(shù)值，寫入各個Text Box控件中，用于誤差測試程序的參數(shù)調(diào)用。通訊參數(shù)：設(shè)置上位機串行通訊口；通訊波特率。流量參數(shù)：設(shè)置水表的型號；水表始動指針每轉(zhuǎn)的水體積；Q2、Q1測試點的流量值；測試的水體積量。定時參數(shù)：設(shè)置水表誤差測試時各個動作時序的定時時間，參數(shù)單位為ms。打印參數(shù)：設(shè)置打印方式，可選擇熱敏或熱轉(zhuǎn)印的打?。淮蛴舛?；打印速度。

3.3　數(shù)據(jù)庫管理

為了水表產(chǎn)品管理信息網(wǎng)絡(luò)化，建立質(zhì)量檔案，程序建立了Access數(shù)據(jù)庫文件。系統(tǒng)采用ADO與數(shù)據(jù)庫連接，ADO具有強大的功能和靈活性，使用方便，高速度。在創(chuàng)建ADO數(shù)據(jù)控件后連接的數(shù)據(jù)提供者選用Microsoft Jet，在程序中用簡單的語言直接用ADO數(shù)據(jù)控件的Connection對象與數(shù)據(jù)庫文件相連。在窗體中放置DataGrid控件并綁定到ADO中，顯示記錄數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)庫的查詢使用SQL語句，按時間或水表編號查找水表測試的歷史記錄。對查詢的結(jié)果可以選擇數(shù)據(jù)備份。為了數(shù)據(jù)文件的安全，系統(tǒng)工作時自動生成每日的歷史數(shù)據(jù)文件。

3.4　通訊接口

系統(tǒng)選用MSComm控件來實現(xiàn)串行通訊，讀取通訊參數(shù)文件后設(shè)置串行通訊口、波特率的屬性。通訊規(guī)約設(shè)定一字節(jié)的幀起始符68H；一字節(jié)從機類型；一字節(jié)地址碼；二字節(jié)控制碼；一字節(jié)數(shù)據(jù)長度；多字節(jié)數(shù)據(jù)域；一字節(jié)校驗和(從幀開始計算為FFH的模值)；最后16H結(jié)束符。上位機根據(jù)下位機類型、地址發(fā)送命令，符合要求的下位機應(yīng)答命令，執(zhí)行相關(guān)操作。根據(jù)從機有否應(yīng)答及應(yīng)答字，上位機檢測從機的工作狀態(tài)，做出窗體的狀態(tài)響應(yīng)。

4　結(jié)束語

異步時鐘法的水表動態(tài)檢測已成功地應(yīng)用于寧波水表股份有限公司的水表出廠測試系統(tǒng)中。光電傳感器讀取水表始動指針的脈沖信號，讀數(shù)分辨率高，用水量僅為靜態(tài)法的十分之一即能滿足誤差測試要求，減少水表測試時間，提高了生產(chǎn)效率。系統(tǒng)應(yīng)用程序采用事件驅(qū)動方式，人機界面好，操作簡便，自動化程度高，排除了人工的讀數(shù)誤差，測試精度高。使用了數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，便于水表質(zhì)量分析、跟蹤、提高。

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