燃?xì)庥?jì)量?jī)x表電子計(jì)數(shù)器質(zhì)量檢測(cè)儀的研發(fā)

2016-04-12 06:52Developmentofelectroniccounterqualitydetectorofgasmeasuringinstrument

制造業(yè)自動(dòng)化 2016年3期

Development of electronic counter quality detector of gas measuring instrument

侯勇毅，樊靜波

（寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，銀川 750021）

HOU Yong-yi,　FAN Jing-bo

燃?xì)庥?jì)量?jī)x表電子計(jì)數(shù)器質(zhì)量檢測(cè)儀的研發(fā)

Development of electronic counter quality detector of gas measuring instrument

侯勇毅，樊靜波

（寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，銀川 750021）

HOU Yong-yi,FAN Jing-bo

摘要：燃?xì)庥?jì)量?jī)x表是工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中廣泛使用的計(jì)量?jī)x表之一。針對(duì)寧夏某企業(yè)在生產(chǎn)燃?xì)庥?jì)量?jī)x表過(guò)程中，須對(duì)其電子計(jì)數(shù)器進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一臺(tái)燃?xì)庥?jì)量?jī)x表電子計(jì)數(shù)器質(zhì)量檢測(cè)儀，可在11秒內(nèi)檢測(cè)一個(gè)計(jì)數(shù)器，并且還留有擴(kuò)充接口，能夠滿足企業(yè)目前及擴(kuò)大生產(chǎn)的需求。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量檢測(cè)儀；電子計(jì)數(shù)器；燃?xì)庥?jì)量?jī)x表

0　引言

計(jì)量?jī)x器儀表是獲取各類計(jì)量信息的重要工具，廣泛應(yīng)用于氣、液等流體的壓力、流量、溫度等物理量的測(cè)量[1]。隨著國(guó)家西氣東輸工程的實(shí)施，天然氣的使用日趨廣泛，有力地推進(jìn)了燃?xì)庥?jì)量?jī)x表的發(fā)展。寧夏某企業(yè)在生產(chǎn)智能燃?xì)鈨x表的過(guò)程中，須對(duì)電子計(jì)數(shù)器的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，應(yīng)企業(yè)的請(qǐng)求，在校企合作模式下，設(shè)計(jì)開發(fā)了款燃?xì)庥?jì)量?jī)x表電子計(jì)數(shù)器質(zhì)量檢測(cè)儀。

1　電子計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)與工作原理

機(jī)械計(jì)數(shù)器是利用被測(cè)氣體在表體內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的壓力差作為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)組滾輪實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的，下級(jí)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈通過(guò)不完全齒輪帶動(dòng)上級(jí)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)格，以此類推。電子計(jì)數(shù)器是在機(jī)械計(jì)數(shù)器的基礎(chǔ)上進(jìn)而來(lái)的，其結(jié)構(gòu)與機(jī)械式燃?xì)庥?jì)量器相似，主要區(qū)別是在傳統(tǒng)的機(jī)械燃?xì)庥?jì)量器第二級(jí)滾輪上鑲嵌有塊永久磁鐵，同時(shí)在靠近滾輪的上下位置各安裝有干簧管，即磁感應(yīng)電子開關(guān)。圖1為燃?xì)庥?jì)量表電子計(jì)數(shù)器的外觀圖。當(dāng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁鐵與電子開關(guān)的距離發(fā)生變化，作用到電子開關(guān)的磁場(chǎng)強(qiáng)度也隨之發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電子開關(guān)的開閉，進(jìn)而輸出脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)燃?xì)饬康挠?jì)量。在磁鐵磁場(chǎng)的作用下，同時(shí)刻只有個(gè)電子開關(guān)能夠有效觸發(fā)。當(dāng)滾輪轉(zhuǎn)過(guò)周，分別觸發(fā)上下兩個(gè)電子開關(guān)開閉，輸出組脈沖信號(hào)，對(duì)應(yīng)定的燃?xì)庥?jì)量[2]。圖2為燃?xì)庥?jì)量表電子計(jì)數(shù)器的工作原理圖。

圖1　燃?xì)庥?jì)量表電子計(jì)數(shù)器的外觀圖

圖2　燃?xì)庥?jì)量表電子計(jì)數(shù)器的工作原理

2　質(zhì)量檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案

總體設(shè)計(jì)方案的思路是模仿燃?xì)庥?jì)量?jī)x表的實(shí)際工作狀態(tài)，即通過(guò)外力驅(qū)動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，檢測(cè)干簧管的開閉狀態(tài)，從而根據(jù)干簧管的輸出信號(hào)判斷計(jì)數(shù)器是否合格。分步動(dòng)作包括計(jì)數(shù)器推送，夾持，驅(qū)動(dòng)，檢測(cè)、分離等動(dòng)作。

首先運(yùn)用推送機(jī)構(gòu)把計(jì)數(shù)器推送到翻板上的檢測(cè)位置，通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)把計(jì)數(shù)器夾緊，同時(shí)用導(dǎo)電橡膠實(shí)現(xiàn)與干簧管觸點(diǎn)柔性連接與導(dǎo)通，以有效降低對(duì)定位精度的要求，并保證可靠連接形成檢測(cè)回路。然后利用比齒輪嚙合簡(jiǎn)單可靠的橡膠輪驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器上的齒輪，帶動(dòng)計(jì)數(shù)器滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而滾輪上的磁鐵會(huì)使干簧管開閉，從而產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過(guò)分析脈沖信號(hào)，判斷計(jì)數(shù)器合格與否。最后夾持裝置把計(jì)數(shù)器松開，根據(jù)判斷結(jié)果，通過(guò)翻板機(jī)構(gòu)將合格與不合格的計(jì)數(shù)器予以分離。檢測(cè)儀的順序動(dòng)作流程圖如圖3所示。

圖3　檢測(cè)儀的順序動(dòng)作流程圖

3　質(zhì)量檢測(cè)儀的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)與檢測(cè)判據(jù)

3.1干簧管的觸發(fā)時(shí)間

隨著滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，鑲嵌在滾輪上的磁鐵形成的磁場(chǎng)對(duì)干簧管的作用發(fā)生變化，在定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)可觸發(fā)干簧管導(dǎo)通，導(dǎo)通范圍所對(duì)應(yīng)的角度稱為導(dǎo)通角，用θ表示，如圖4所示。導(dǎo)通角除與磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度，安裝距離，干簧管敏感度等參數(shù)有關(guān)外（在計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)、干簧管選型定的條件下，這些參數(shù)可視為常數(shù)），還與磁場(chǎng)作用于干簧管的時(shí)間有關(guān)，即與滾輪的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而滾輪轉(zhuǎn)速是檢測(cè)儀的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)之。滾輪轉(zhuǎn)速的選擇既須保證在磁鐵掃過(guò)干簧管時(shí)將其穩(wěn)定觸發(fā)，保證可靠計(jì)數(shù)，又要盡可能采用較高的轉(zhuǎn)速，以提高檢測(cè)效率。

圖4　干簧管的導(dǎo)通角

可用如圖5所示的測(cè)量電路對(duì)該型號(hào)干簧管的觸發(fā)特性進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯寒?dāng)給線圈通電形成磁場(chǎng)時(shí)，干簧管大概會(huì)在0.5ms時(shí)反應(yīng)，其反應(yīng)后產(chǎn)生約100us的動(dòng)態(tài)噪聲，當(dāng)動(dòng)態(tài)噪聲結(jié)束后，開關(guān)會(huì)經(jīng)過(guò)個(gè)“波動(dòng)期”。在此期間簧片間有電流流過(guò)，旦振蕩停止，開關(guān)即呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。般而言，當(dāng)線圈接收到信號(hào)時(shí)，干簧開關(guān)穩(wěn)定的時(shí)間應(yīng)在1.5ms左右[3]。取干簧管的吸合時(shí)間為2ms，即磁鐵在導(dǎo)通角內(nèi)停2ms干簧管定能夠吸合。那么第二級(jí)滾輪運(yùn)行的周期為20ms，干簧管從這次吸合到下次吸合的過(guò)程中，中間的時(shí)間間隔為18ms。第級(jí)滾輪運(yùn)行的周期為2ms，那么可得最大轉(zhuǎn)速為500n/s，即第級(jí)滾輪的轉(zhuǎn)速小于500n/s都能滿足要求。

圖5　用于測(cè)量干簧開關(guān)的電路

圖6　干簧管動(dòng)態(tài)接觸電阻波型圖

3.2儀表計(jì)數(shù)器的檢測(cè)判據(jù)

將干簧管的導(dǎo)通角分為大于36°和小于36°等幾種情況。如圖7～圖9所示，小黑點(diǎn)代表磁鐵在旋轉(zhuǎn)周內(nèi)相鄰時(shí)刻的位置。

1）當(dāng)導(dǎo)通角小于36°，即導(dǎo)通角小于滾輪每次轉(zhuǎn)過(guò)的角度時(shí)存在以下種情況：

（1）磁鐵在導(dǎo)通角內(nèi)不停留（如圖7(a)所示），此時(shí)干簧管吸合的時(shí)間最短，但只要掃過(guò)的時(shí)間大于2ms，就能實(shí)現(xiàn)吸合；

（3）磁鐵在兩側(cè)干簧管的導(dǎo)通角內(nèi)均停留1/10個(gè)周期（如圖7(c)所示），實(shí)現(xiàn)吸合。

圖7　當(dāng)導(dǎo)通角都小于36度時(shí)，干簧管導(dǎo)通情況

2）當(dāng)導(dǎo)通角大于36°，即導(dǎo)通角大于滾輪每次轉(zhuǎn)過(guò)的角度時(shí)，那么磁鐵在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中至少在兩側(cè)的導(dǎo)通角內(nèi)都停留1/10個(gè)周期，存在七種情況。

3）由于制造、安裝等誤差，導(dǎo)致兩側(cè)干簧管的導(dǎo)通角可能不完全致，故存在側(cè)的導(dǎo)通角大于36°，而另側(cè)的導(dǎo)通角小于36°的情況，此時(shí)，存在八種情況。

圖8　當(dāng)導(dǎo)通角都大于36度時(shí)，干簧管導(dǎo)通情況

（1）磁鐵在小于36°的導(dǎo)通角內(nèi)停留1/10個(gè)周期，在大于36°的導(dǎo)通角內(nèi)停留1/10～4/10個(gè)周期（如圖9(a)～圖9(d)所示），實(shí)現(xiàn)吸合；

（2）磁鐵掃過(guò)小于36°的導(dǎo)通角，在大于36°的導(dǎo)通角內(nèi)停留1/10～4/10個(gè)周期（如圖9(e)～圖9(h)所示），實(shí)現(xiàn)吸合。

圖9　當(dāng)一側(cè)的導(dǎo)通角大于36度，另一側(cè)的導(dǎo)通角小于36度時(shí)，干簧管的導(dǎo)通情況

干簧管的導(dǎo)通情況匯總?cè)绫?所示。

表1　干簧管導(dǎo)通情況表

通過(guò)對(duì)干簧管導(dǎo)通情況的分析可知干簧管導(dǎo)通的極限狀態(tài)有兩種：1）當(dāng)兩側(cè)干簧管的導(dǎo)通角均小于36°時(shí)，磁鐵掃過(guò)干簧管的導(dǎo)通角，干簧管剛好被磁化而吸合，此極限狀態(tài)為判據(jù)下限；2）當(dāng)兩側(cè)干簧管的導(dǎo)通角均大于36°時(shí)，磁鐵在干簧管的導(dǎo)通角內(nèi)停留時(shí)間最長(zhǎng)，且干簧管的通斷正常時(shí)，此極限狀態(tài)為判據(jù)上限。由計(jì)數(shù)滾輪的構(gòu)造可知第二級(jí)滾輪每停留次的時(shí)間與掃過(guò)的時(shí)間之和為1/10個(gè)周期，當(dāng)?shù)诩?jí)滾輪通過(guò)不完全齒輪帶動(dòng)第二級(jí)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，即帶動(dòng)第二級(jí)滾輪上的磁鐵掃過(guò)時(shí)，第級(jí)滾輪的轉(zhuǎn)速和第二級(jí)滾輪的轉(zhuǎn)速相等，且運(yùn)行的時(shí)間相同，都為第級(jí)滾輪周期的1/10。對(duì)于第種情況，設(shè)第級(jí)滾輪周期的1/10為Ts，那么第二級(jí)滾輪掃過(guò)的時(shí)間也為Ts，且設(shè)此時(shí)間大于干簧管的反應(yīng)時(shí)間2ms，在掃過(guò)的過(guò)程中，因?yàn)槊總€(gè)干簧管導(dǎo)通角的具體數(shù)值不能確定，故不能測(cè)量出在此導(dǎo)通角下具體的導(dǎo)通時(shí)間，但是此不能測(cè)量出的時(shí)間必定比磁鐵掃過(guò)36°所用的時(shí)間少，而只要磁鐵掃過(guò)36°，干簧管必定導(dǎo)通，且掃過(guò)36°的具體時(shí)間已知，因此取磁鐵掃過(guò)36°的時(shí)間為判定干簧管是否合格的判據(jù)下限。

為了方便檢測(cè)，可引入占空比的概念：干簧管在導(dǎo)通角的范圍內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間設(shè)為τ，其與周期T的比值稱為占空比，用η表示。即：

因?yàn)橛袃蓚€(gè)干簧管，兩干簧管導(dǎo)通的時(shí)間之和為2Ts，而第二級(jí)滾輪的周期為100Ts，故占空比的下限為2%。對(duì)于第二種情況，第二級(jí)滾輪在個(gè)周期內(nèi)，總共轉(zhuǎn)動(dòng)10次，磁鐵在兩側(cè)干簧管的導(dǎo)通角內(nèi)停留的最長(zhǎng)時(shí)間范圍在大于8/10個(gè)周期而小于9/10個(gè)周期的區(qū)間內(nèi)，超出8/10個(gè)周期的部分因?yàn)閷?dǎo)通角的未知而無(wú)法測(cè)量，故取磁鐵在干簧管導(dǎo)通角內(nèi)停留8/10個(gè)周期的時(shí)間為判定干簧管是否合格的判據(jù)上限，占空比為80%。

綜上所述，判斷計(jì)數(shù)器合格的判據(jù)范圍為2%～80%，即檢測(cè)儀檢測(cè)到計(jì)數(shù)器內(nèi)的干簧管占空比在此范圍內(nèi)，此計(jì)數(shù)器就被確定為合格，否則確定為不合格。而此判定工作由所設(shè)計(jì)的程序?qū)崿F(xiàn)。

4　檢測(cè)儀驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

考慮到該機(jī)構(gòu)動(dòng)作較多，若用純機(jī)械傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)則需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，且并不能保證使用最少的動(dòng)力源。采用液壓傳動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

3）液壓傳動(dòng)是通過(guò)油管連接，且這種連接方式可以使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布局更為合理。

所設(shè)計(jì)的液壓回路如圖10所示。使用電磁換向閥所實(shí)現(xiàn)的順序動(dòng)作如表2所示。

5　動(dòng)作控制及檢測(cè)程序的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的程序主要用于控制電磁換向閥和行程開關(guān)，即按照表2電磁換向閥的順序動(dòng)作回路動(dòng)作循環(huán)表進(jìn)行編程。需要注意的是當(dāng)橡膠輪驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪從啟動(dòng)到轉(zhuǎn)速穩(wěn)定需要定的時(shí)間，故計(jì)算機(jī)在分析、記錄干簧管導(dǎo)通的時(shí)間時(shí)，應(yīng)把齒輪從開始轉(zhuǎn)動(dòng)到穩(wěn)定的這段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)舍去，因?yàn)檗D(zhuǎn)速足夠快，設(shè)這個(gè)舍去的時(shí)間為1s，只記錄齒輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后干簧管吸合的時(shí)間，設(shè)這個(gè)時(shí)間為6s，在6s內(nèi)，干簧管可導(dǎo)通9次，若干簧管在6s內(nèi)導(dǎo)通9次時(shí)，證明干簧管能穩(wěn)定吸合，若在6s內(nèi)干簧管吸合的次數(shù)少于9次，則此計(jì)數(shù)器直接判定為不合格。當(dāng)干簧管在6s內(nèi)吸合9次時(shí)，S7-200內(nèi)的定時(shí)器已經(jīng)記錄下干簧管的導(dǎo)通時(shí)間，即干簧管吸合的占空比，再與設(shè)定的數(shù)據(jù)2%～80%進(jìn)行比較，從而判定計(jì)數(shù)器是否合格。檢測(cè)儀的主要控制程序略。

檢測(cè)儀每個(gè)工作循環(huán)所需的時(shí)間如表3所示。