轮式计量仪表的激光计数系统设计

段争光，张学亮

(芜湖职业技术学院 电气工程学院，安徽 芜湖241006)

0 引言

轮式计量仪表在出厂前必须进行误差校验，以确保出厂的合格仪表计量误差在允许范围内。目前采用的校验方法主要有人工校验和摄像式校验两种方式，以水表为例进行说明校验方式，如图1 所示为水表校验原理示意图。将多只待校验水表和一只标准水表串联接在一起，水平放置并安装在试验台上，测量前先排掉水管和水表中的空气，为此使用标准的公称流量使水表指针平稳转动一段时间后再停止，待水流静止后记录水表指针对准的某一刻度或是零线;再操控调节阀使水按规定流量通过各水表，当标准水表指针到达预先规定的分度时切断水源，待水流静止后进行读数，然后将水表所记录的水量与标准水表中的实际水量比较，记录数据以判断是否存在误差。然而在上述水表校验的过程中，人工校验方式由校验人员读取测量开始和结束时的水表刻度，然后比较出水流量与标准水表流量，并根据误差值判断水表是否合格。由于同时校验数十只水表，采用人工校验方式具有操作繁琐、劳动强度大的缺陷，在校验过程中存在主观误差，且校验效率低等缺点［1－2］。为了提高校验的效率，目前少数使用的摄像式水表校验设备，需要安装摄像设备对待校验的水表读数进行拍摄，经过图像处理技术读出水表读数，通过软件技术进行比较得出校验结果［3］。摄像式采用图像处理技术，设备系统传输要求较高、图像转换和识别软件复杂、且价格昂贵、拍摄图像易受干扰、容易引起误差等不足。

在轮式计量仪表的远程抄表操作中，通常采用干簧管和磁铁、光电转换技术进行抄表，需要改变水表的结构，其制造复杂。通过拍摄式抄表过程中，同样存在上述技术缺陷。可见，在轮式计量仪表的误差校验、远程抄表等操作过程中，如何提供一种轮式计量仪表的计数技术，在不改变原有仪表结构的基础上，避免在计数操作中出现人为主观误差、计数效率低、成本高的缺陷，以提高计数的准确性，并降低操作成本，已经成为本领域技术人员继续解决的技术问题。本文提出的激光计数系统恰能解决现有技术存在的问题。可对水表、天燃气表、煤气表、电表以及其他类似工作原理的轮式计量仪表进行计数，以满足误差校验、远程抄表等操作的需要。

1 激光计数原理

图1 水表校验原理示意图

以水表为例说明激光计数系统的测量原理，在不改变原有仪表结构的基础上，测量装置安装在轮式计量仪表正面透明介质(如玻璃)表面适当位置，用于接收仪表转轮的齿表面反射的激光脉冲，如图2 所示。激光发射器发射出的激光束照射在齿轮的齿槽处。当激光束照射在齿上时，激光接收器接收到反射的激光，转换为高电平信号输出。随着齿轮的转动，随后激光束照射在齿轮的齿间槽内，激光接收器接收不到反射的激光束，故转换为低电平信号输出，如图3 所示。随着齿轮的转动，便可接收到脉冲信号，脉冲信号的周期代表齿轮的转速，脉冲的个数代表齿轮转动的角度，也就是水表的流量数值。这是利用激光的单向性、抗干扰强的特点和光的反射定律来对轮式计量仪表计数。计数测量的准确性得到提高，操作成本降低，满足了轮式计量仪表的误差校验、远程抄表等需要。激光接收装置也可接收齿轮齿间槽内的激光进行计数，只需改变激光接收装置的位置来实现。

图2 齿轮反射激光接收图

图3 齿轮齿间槽内反射激光图

2 软硬件设计

2.1 硬件电路

轮式计量仪表的电路包括激光计数和控制检测报警两部分。激光计数电路在接收到激光脉冲信号后，送入单片机组成的处理控制单元，对数据进行记录、处理和判断。控制检测电路包括按键部分和显示报警部分。按键包括可设置的数字0－9，“设置上/下限”、“清除”、“确认”和“开始”共14 个按键，采用4×4 矩阵键盘，LED 数码管显示数值。校验后采用声光报警，即蜂鸣器和发光二极管同时报警。

激光发射电路如图4 所示，激光调制管接100Ω 下拉电阻，产生200kHz 左右的方波信号驱动激光管发出激光束。激光接收电路如图5 所示，在没有接收到激光信号时，接收管输出为低电平，有接收时，输出为高电平。并采用发光二极管指示接收状态和轮式计量仪表的旋转情况，接收到反射的激光信号时LED 灯灭，否则灯亮。

图4 激光发射电路

图5 激光接收电路

在非校验中，按“清除”键可清除水表记录的数据。按“设置上/下限”键可设置标准流量数据对应的上限和下限值，若已设置好可不更改。按“开始”键即可进入校验计数状态。在校验过程中，计数至标准流量时会自动保存各表测量数据，也可按“确认”键保存测量数据。校验过程为:操纵调节阀使水按规定流量通过水表，按“开始”键开始计数，当标准水表流量(指针)到预先设定的数值(分度)时自动保存所有待校验水表的数据。这时可切断水源，也可在切断水源后，待工作量器中的水位静止后，按“确认”键保存各表数据。在保存数据后设备会将各水表所记录的水量与标准水表中的实际水量比较，用其误差来判断各表是否合格。超出误差区间进行相应的声光报警，对不合格的水表根据测量误差进行调节，以待下次再次校验。

2.2 软件设计

软件的设计主要包括按键判断、脉冲计数、参数设置、数据处理、显示和报警等部分。按键和显示子程序较为成熟，激光脉冲信号采用中断方式计数，软件设计难度不大。本文针对上、下限设置子程序进行说明，如图6 所示为上/下限设置子程序流程图。由于上、下限设置为同一个按键，因此采用标志位来判断上限和下限设置。当标志位为0 时进行上限设置，标志位为1 时进行下限设置，并采用LED 指示灯进行指示。设置过程中，可按“清除”键对数值清除，也可直接设置，设定值为四位十进制有效数字，在设置上、下限子程序中，当前数字键显示在个位，原设定数值左移，高位丢掉。按“确认”键保存设定值后返回，否则继续等待设置。在启动“开始”按键后，如外部中断0 发生中断，即保存当前计数值，并判断计数值是否落在设置的上限和下限数值之间，若在此区间则显示合格。若小于下限设定值时，下限不合格声光报警;大于上限设定值时，上限不合格声光报警。外部中断0 信号来自标准计量仪表，标准计量仪表的计数值等于设定数值时，说明标准流量已到达，发出中断信号控制其它各检测仪表，保存各计数值，根据计数值判断各表是否合格。

图6 上/下限设置子程序流程图

3 结语

本文设计的轮式计量仪表的激光计数系统，避免了现有技术中人工校验方式存在的操作繁琐、劳动强度大的缺陷和校验过程中存在主观误差。也避免了现有技术中摄像式校验存在的设备性能要求高、图像转换和识别软件复杂、价格昂贵、受干扰等不足。在合理安装后测量结果无误差，可满足轮式计量仪表的误差校验、远程抄表等需要。唯一的不足在于安装不够方便，需要适当调整以使激光照射在齿轮的齿槽处。

［1］ 杨继东;朱瑞龙;苗淼.基于多Agent 的无线网络水表抄表系统应用研究［J］.测控技术，2014，33(1):99－103.

［2］ 姚灵.电子水表传感与信号处理技术［J］.自动化仪表，2009，30(3):1－5.

［3］ 高元元.图像处理技术在自动水表校验装置中的应用研究［D］.南京:南京航空航天大学，2010.