文/張圓明 盧其倫 司徒琛 王志偉 黃闊

0 引言

水表是水資源計量的主要儀表之一，是在測量條件下用于連續(xù)測量、記錄和顯示流經(jīng)測量傳感器的水體積的儀表，它分為機械式水表、帶電子裝置的機械式水表和電子式水表。水表被國家列入強制計量檢定器具目錄，計量準確度是衡量其質(zhì)量優(yōu)劣的關鍵指標，需要法定計量檢定機構開展檢定工作來保障其計量準確，維護供水用水雙方的合法權益。

目前，國內(nèi)法定計量檢定機構的水表檢定裝置尚未實現(xiàn)全自動化，主要以手動方式或半自動方式開展檢定，檢定過程中被檢水表讀數(shù)大多無法自動采集、識別，需人工讀數(shù)、記錄、計算，因此存在原始記錄、證書易出錯，檢定過程耗時長，人力成本高，效率低等問題。隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，水表送檢量越來越多、檢定要求越來越高，檢定裝置檢定能力不足的問題越來越突出。

國內(nèi)外現(xiàn)有機械式水表檢定裝置的自動讀數(shù)方式主要有兩種，一是圖像識別水表機械字輪讀數(shù)和/或指針位置并轉化為水表示值，二是利用傳感器對表盤梅花輪或指針轉動速度（圈數(shù)）進行檢測，得到反饋脈沖并轉換得到水表示值。機械式水表讀數(shù)圖像識別技術尚不成熟，跳表時字符不完整將會造成讀數(shù)困難、表盤指針難以區(qū)分等問題，該技術對相關攝像設備要求高，設備價格昂貴且易受光線變化、表盤水泡、灰塵、震動等因素的干擾。傳感器脈沖反饋自動讀數(shù)應用更為成熟，對環(huán)境要求較低，裝置相對簡單，價格低廉且易于加裝改造，因此，本文提出一種基于激光傳感器的機械式水表自動檢定方法，并對其檢定裝置進行設計。

1 自動檢定研究現(xiàn)狀

目前，對機械式水表自動檢定的研究還處于初步階段，實際應用中還存在著許多不足之處。對應用傳感器進行水表讀數(shù)自動檢測的研究集中在梅花齒輪或指針轉速（或圈數(shù)、齒數(shù)）等方面。很多研究者利用霍爾傳感器、色溫傳感器或電磁傳感器檢測機械式水表中心梅花輪轉速，間接獲得水表示值。該方法結構簡單、計算量小并能實現(xiàn)動態(tài)檢測，檢測時間可縮短到圖像識別檢測系統(tǒng)的十分之一，勞動強度大為下降，由人為因素引起的測量誤差也可減小，提高了檢測精度；但該方法的檢定裝置閥門開關、換向器換向等部件的震動，易導致傳感器信號源與水表梅花輪相對位置的變化，若傳感器偏離檢測點會導致傳感器接收信號的丟失，造成檢定結果不準確。近年來，通過對水表檢定裝置的改進，尤其是穩(wěn)定水源裝置，逐步解決了傳感器定位瞄準的問題，進而利用該方法對水表進行誤差檢定?？酌鞯热嗽O計了一種針對水表始動元件（梅花輪）轉速測量的激光傳感器檢測系統(tǒng)進行水表示值誤差檢定，在傳感器光學結構中加入半透半反鏡，使光路同軸回歸，實現(xiàn)對目標準確瞄準定位，由現(xiàn)場可編程門陣列和數(shù)字信號處理器組合系統(tǒng)進行激光回波信號數(shù)字化處理，實現(xiàn)水表示值誤差的實時快速、準確檢測，與傳統(tǒng)檢定方法的差值在0.3%以內(nèi)。朱宏良等人發(fā)明了一種水表流量激光檢定用自動搜尋梅花轉針裝置及其方法，能實現(xiàn)激光傳感器的光點自動搜尋水表上的梅花轉針，對梅花轉針每一針轉動產(chǎn)生的脈沖數(shù)計數(shù)來進行水表流量監(jiān)測，避免人為主觀因素對激光傳感器對焦造成的影響，從而快速對焦，提高水表檢定效率。

采集梅花輪轉速的檢測方法已初步應用于一些法定計量檢定機構，但該方法易受噪聲干擾導致信號丟失，降低了檢定可靠性和穩(wěn)定性；梅花輪體型小，存在檢定過程中傳感器光源易對焦偏離感應區(qū)域的可能性；不同規(guī)格型號的水表，其梅花輪行程齒數(shù)、圈數(shù)或轉動速率與水表讀數(shù)之間的轉換比值可能不同，需相應生產(chǎn)廠家提供數(shù)據(jù)，給檢定帶來了不便，降低了檢定效率。因而，該方法還在試驗階段，尚未廣泛推廣使用，甚至有些檢定機構因使用效果不理想而棄用。

此外，因機械式水表指針長度遠大于梅花輪齒，采用光電傳感器對水表指針轉動產(chǎn)生的脈沖信號（轉動圈數(shù)或轉速）進行讀取、轉化成水表讀數(shù)，可提高檢定自動化水平和檢定準確度，傳感器信號抗干擾能力大大增強，避免檢定人員主觀因素造成的誤差，為采用傳感器技術實現(xiàn)水表讀數(shù)自動采集提供了新的方向。

2 自動檢定設計思路與方法

為解決傳統(tǒng)水表檢定方法的不準確和抗干擾能力弱等問題，本文提出一種基于激光傳感器的機械式水表自動檢定方法，利用激光傳感器對機械式水表末位指針轉動圈數(shù)進行記錄，使用高精度電子秤或/和標準表作為主標準器，實現(xiàn)水表體積讀數(shù)自動采集和示值誤差自動檢定，有效減少差錯率，解放檢定人員。激光傳感器具有高指向性、高單色性、高亮度的特點，在檢測時不易受外界噪聲干擾、光束發(fā)散角較小、與被測對象的距離容忍度高、易于安裝和對焦等優(yōu)勢，較好地滿足了機械式水表的檢定要求。激光傳感器只需感應機械式水表末位指針的轉動，將傳感器光源發(fā)射到末位指針轉動一圈掃過的圓形區(qū)域任一固定點即可，脈沖與水表讀數(shù)之間的轉換比值為表盤上末位指針轉一圈的體積量，因指針長度遠大于梅花輪輪齒，大大增強了抗光線變化、表盤水泡、灰塵和振動等噪聲干擾的能力，信號丟失概率較低，同時方便在已有檢定裝置上加裝改造。

3 自動檢定裝置設計

本機械式水表自動檢定裝置由水箱1、穩(wěn)壓容器2、水泵3、進水閥10、夾表器5、檢測臺6、待檢定串聯(lián)水表7、流量調(diào)節(jié)閥8、瞬時流量指示器92、計量標準器91、換向閥93、出水閥4組成（見圖1）。水箱1的上端開口通過輸水管與出水閥4連接，下端開口通過輸水管與水泵3的進水端連接，水泵3的輸出水端通過水管與穩(wěn)壓容器的進水端連接，穩(wěn)壓容器的出水端通過輸水管與進水閥10的一端連接，進水閥10的另一端與夾表器5連接，夾表器5上安裝若干個串聯(lián)的待檢定水表（圖1中是4個待檢定水表串聯(lián)），待檢定串聯(lián)水表另一端通過輸水管與流量調(diào)節(jié)閥8的一端連接，流量調(diào)節(jié)閥8的另一端與瞬時流量指示器92連接（兩者共同監(jiān)測控制檢定點水流量），計量標準器為工作量器及稱重系統(tǒng)91和換向閥93，換向閥93有1個進水端和2個出水端，進水端通過輸水管與瞬時流量指示器92連接，一個出水端通過輸水管與出水閥4連接，另一個出水端與工作量器及稱重系統(tǒng)91的進水端連接。

圖1 基于激光傳感器的機械式水表自動檢定裝置

采用可編程控制器（單片機或PLC控制系統(tǒng)）對帶電控制的水泵3、出水閥4、進水閥10、流量調(diào)節(jié)閥8及計量標準器進行有序控制，使用高精度電子秤作為主標準器自動采集流經(jīng)水表的實際體積；將激光傳感器光源發(fā)射到機械式水表末位指針轉動一圈掃過的圓形區(qū)域任一固定點并返回漫反射光信號、再將漫反射光信號轉換成電信號，在指針轉動過程中因指針顏色和所在區(qū)域底色不同導致光電元件檢測到的電信號也不同，因此可在指針轉到激光光源所在點時發(fā)送一個脈沖，即指針每轉動一圈（一圈代表一個固定的流量值）發(fā)送一個脈沖，根據(jù)記錄的脈沖數(shù)轉換成該表的累積流量示值，結合標準器測得的實際體積計算出被檢水表的示值誤差，實現(xiàn)檢定全過程自動監(jiān)測控制。

檢測臺6由基座61、垂直于基座61的支桿62、與支桿62頂端固定連接的橫臂63以及若干個設置在橫臂63下端的流量采集裝置64（包括激光發(fā)射器和接收器等光電元件）組成（見圖2）。橫臂63的上端有槽口，槽口上有固定流量采集裝置64的螺釘；橫臂63的下端設置滑動槽，流量采集裝置64與滑動槽滑動連接。流量采集裝置64由與滑動槽滑動連接的滑塊641、與滑塊641垂直連接的連接桿642、與連接桿642底端固定連接的底盤643以及與底盤643轉動連接的轉動盤644組成（見圖3）。轉動盤644內(nèi)嵌有激光傳感器組646，激光傳感器組646由主激光傳感器以及輔激光傳感器組成，兩者光源各自發(fā)射到水表末位指針轉動一圈掃過的圓形區(qū)域任一固定點。圖2中流量采集裝置64有4個，當流量采集裝置64調(diào)節(jié)至待檢定水表正上方時，激光傳感器光源發(fā)射到待檢定水表末位指針轉動一圈掃過的圓形區(qū)域任一固定點并返回漫反射光信號，再將漫反射光信號轉換成電信號。指針轉動過程中因指針顏色（紅色）和所在區(qū)域底色（白色）不同導致光電元件檢測到的電信號也不同，因此，可在指針轉到激光光源所在點時發(fā)送一個脈沖，即指針每轉動一圈（一圈代表一個固定的流量值）發(fā)送一個脈沖，在實際計算脈沖信息時，為防止信號丟失，取主激光傳感器和輔激光傳感器采集的最大脈沖數(shù)作為最終脈沖數(shù)。

圖2 檢測臺結構

圖3 流量采集裝置結構

如圖4所示，底盤643的截面為工形，轉動盤644內(nèi)設有容納工形部的槽口，底盤643底端徑向設置有若干柱形槽，槽內(nèi)均設置彈性卡件645；彈性卡件645包括彈簧和鋼珠，彈簧的一端與柱形槽底面固定連接，彈簧的另一端與鋼珠連接，所述鋼珠截面直徑的三分之一落入弧形槽內(nèi)；轉動盤644設置若干匹配彈性卡件645的弧形槽，轉動盤644相對底盤643轉動，轉動精度根據(jù)柱形槽的徑向分布個數(shù)確定，方便調(diào)節(jié)激光器組的初始位置；鋼珠截面直徑的三分之一落入弧形槽內(nèi)便于轉動和固定，使檢定過程中傳感器組不會因為機械振動而移位。

圖4 流量采集裝置剖面

4 自動檢定流程

基于激光傳感器的機械式水表自動檢定裝置的檢定流程如下：

（1）將待檢定水表依次串連通過夾表器安裝在水表檢測臺上，調(diào)節(jié)流量采集裝置，使主激光傳感器和輔激光傳感器的光源發(fā)射到待檢定水表末位指針轉動一圈掃過的圓形區(qū)域任一固定點并保持穩(wěn)定。

（2）控制器控制水泵、進水閥、出水閥、流量調(diào)節(jié)閥同時工作，瞬時流量指示器檢測水流量狀態(tài)，當水流量到檢定點流量后，控制器控制主激光傳感器和輔激光傳感器開始工作。

（3）待檢定水表末位指針轉動，當末位指針達到固定點后主激光傳感器產(chǎn)生第一個脈沖（計數(shù)為0），開始記錄起始時間，同時計量標準器開始記錄流經(jīng)水表的實際體積。

（4）設定檢定閾值，包括人工設定的時間閾值（1分鐘）和流經(jīng)水表水量閾值。當流經(jīng)水表時間或水量超過設定閾值，檢定預結束；當末位指針達到固定點后，控制器采集結束時刻的激光傳感器脈沖數(shù)和計量標準器的實際體積，記錄結束時間。

（5）計算待檢定水表在該檢定點的示值誤差。其中，激光脈沖數(shù)檢測的是末位指針的轉數(shù)，末位指針的轉數(shù)可根據(jù)水表分格數(shù)和對應體積，經(jīng)過轉換對應到檢定水表的體積示值。

（6）重復（2）～（5）步驟，直至完成全部流量點的檢定。自動計算示值誤差，生成原始記錄、檢定證書，并遠程上傳、查詢、分析、匯總，實現(xiàn)檢定全過程自動監(jiān)測控制。