家用氣霧劑商品量計量檢驗裝置*

趙 煒 / 上海市計量器具強制檢定中心

家用氣霧劑商品量計量檢驗裝置*

趙 煒 / 上海市計量器具強制檢定中心

在檢測技術(shù)和計算機控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制家用氣霧劑商品量計量檢驗裝置，通過可編程邏輯控制器實現(xiàn)了氣霧劑內(nèi)容物的自動轉(zhuǎn)移，并通過系統(tǒng)的檢測程序，自動判斷檢驗結(jié)果，提高了檢測準(zhǔn)確度、自動化程度和檢定效率，同時也減輕了檢測人員的工作量，具有較強的實用性和可靠性。

氣霧劑；凈含量；計量檢驗

0 引言

近年來空氣清新氣霧劑、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者在購買這些事先罐裝好的氣霧劑商品時無法直接觀察和了解商品實際凈含量。

目前我國行業(yè)內(nèi)對氣霧劑標(biāo)準(zhǔn)制定主要還是以衛(wèi)生、安全及其功效為主，對氣霧劑商品的凈含量要求僅說明要符合國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局令第75號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)對支撐國家質(zhì)檢總局令第75號的JJF 1070-2005《定量包裝商品凈含量檢驗規(guī)則》不了解，檢測僅僅停留在單件核驗，不能形成批的控制，檢測的手段也主要用手工的方法核查。

在此背景下，運用自動化檢測技術(shù)，通過可編程邏輯控制器實現(xiàn)氣霧劑內(nèi)容物的自動轉(zhuǎn)移，經(jīng)系統(tǒng)的檢測程序，對檢測的各項數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確計算，快速得出檢測結(jié)果，實現(xiàn)自動檢測。

1 檢驗裝置

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)定的檢測原理并和JJF 1070-2005規(guī)定的檢測方法相一致，檢驗裝置是基于相對密度法，這里指的是被測氣霧劑樣品內(nèi)容物的密度與被轉(zhuǎn)移出來的內(nèi)容物的密度相一致的原理設(shè)計。

式中：m— 被測氣霧劑內(nèi)容物的質(zhì)量；

V— 被測氣霧劑內(nèi)容物的體積；

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

Vm— 從被測氣霧劑轉(zhuǎn)移出的內(nèi)容物的體積要使式（1）確定的檢測方法具可操作性，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)移過程的可靠密封、轉(zhuǎn)移量的可控及檢測結(jié)果的處理等問題是研究的關(guān)鍵點。此外，整個檢測過程還需要自動化，確保效率和可靠也是必須考慮的問題。所以采用一套執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)，包括閥門、接口、管道、機械機構(gòu)、步進電機等元器件，通過計算機控制軟件來實現(xiàn)自動化檢測。檢驗裝置的示意圖如圖1、控制框圖如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)的硬件

1.2.1 推進系統(tǒng)

本裝置有兩個容器，一是密度瓶，二是氣霧劑樣品。密度瓶選用透明材質(zhì)，外加護套的專用容器，密度瓶的外形尺寸相對固定，通過設(shè)計工作平臺、機械微調(diào)機構(gòu)和壓緊裝置確保密度瓶與接口的對中安裝和固定。而被測氣霧劑樣品的外形尺寸不一，且只有當(dāng)密度瓶內(nèi)形成負壓后,才能推進打開閥門。這里存在接口的對中、推進過程的直線性等問題。

為了解決這個問題，設(shè)計了由步進電機、滑動導(dǎo)軌、安裝平臺等部件組成的推進系統(tǒng)。根據(jù)步進電機運行的可控性和可調(diào)整性等特點，通過設(shè)置步進電機的步長控制直線距離，從而實現(xiàn)快速運行、準(zhǔn)確對中和精確定位的要求。同時，通過步進電機的轉(zhuǎn)矩限制參數(shù)，控制推進力。當(dāng)電機推動扭矩超過保護值，電機停機報警，防止過載，保護裝置。

圖1 檢驗裝置

圖2 系統(tǒng)的控制框圖

1.2.2 減壓、注射系統(tǒng)

液體的流動受位勢、外力、壓差影響，在氣霧劑內(nèi)容物轉(zhuǎn)移至密度瓶的過程中這些外因都不起作用。因為，按規(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。而密度瓶是一個充滿空氣、封閉的容器，空氣本身形成阻力，當(dāng)兩者對接，液體不可能按要求流出，而且也不可能對氣霧劑罐施以外力，強制排出內(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，然后人工對接氣霧劑罐。但這種做法至少有兩個問題：其一，手工操作不易掌控，有一定的不確定性，且不適合計量檢測機構(gòu)按抽樣方案的批量檢測；其二，不利于節(jié)約資源和環(huán)境保護。

為了解決這個問題，利用壓差原理，設(shè)計了一個減壓、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，整個轉(zhuǎn)移過程可由系統(tǒng)自動控制。

1.3 系統(tǒng)的軟件

本裝置的軟件控制系統(tǒng)由下位機PLC控制軟件和上位機人機控制軟件兩部分組成。通過計算機上的人機界面下達操作指令到PLC核心控制器，PLC作為主控單元控制滑動導(dǎo)軌前進、后退，實現(xiàn)對真空泵、抽氣閥、注射閥的開關(guān)等。檢驗人員只需輸入相關(guān)的檢測信息后，系統(tǒng)自動計算出被測氣霧劑樣本的凈含量，根據(jù)內(nèi)置程序給出評判結(jié)果，并自動生成檢測記錄。

1.3.1 上位機的軟件

上位機軟件采用Microsoft公司VB 6.0和Access數(shù)據(jù)庫進行上位機監(jiān)控程序開發(fā)。系統(tǒng)通過RS232串口協(xié)議與下位機PLC進行實時通信，實現(xiàn)對閥門和氣泵進行開關(guān)控制以及對移動導(dǎo)軌運行進行操作，同時對PLC反饋上來的各種數(shù)字量和模擬量信息進行顯示并進行相關(guān)的處理。

1.3.2 下位機的軟件

PLC控制程序采用C語言開發(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、運動控制子程序、通信子程序。PLC主程序周期性查詢程序運行方式，根據(jù)上位機發(fā)出的控制指令調(diào)用相應(yīng)控制子程序運行，其PLC控制程序流程見圖3。

2 測量結(jié)果的不確定度評定

氣霧劑樣本的凈含量偏差按下式計算：

式中：q— 樣本實際含量，mL；

Qn— 樣本標(biāo)注凈含量，mL

由于Qn是標(biāo)注凈含量，所以討論主要針對測量不確定度在獲取樣本實際含量q的過程中的來源。根據(jù)式（1）得到

式中：Vm— 密度瓶內(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，不確定度來源主要有兩方面，一是在稱量過程中；二是在密度瓶測量過程中。

以空氣清新氣霧劑（規(guī)格：320 mL）為例分析如下：

1）稱重過程中的不確定度來源

（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）密度瓶測量過程中的不確定度來源

（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類評定，則u2（Vm）的相對不確定度為1.6×10-3。

（3）密度瓶因溫度變化引入的不確定度分量，按照檢驗時環(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)，所以密度瓶測量過程中引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Vm）為2.3×10-3。

由于認為稱重過程中引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(m)與密度瓶測量過程中引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Vm）相互獨立，則相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc= 2.3×10-3。

擴展不確定度

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，因為1.5 mL ＜ 1.9 mL，測量結(jié)果符合JJF 1070-2005要求。

3 結(jié)語

開發(fā)的家用氣霧劑商品量計量檢驗裝置，有效地將檢測技術(shù)和計算機控制技術(shù)相結(jié)合，首次在氣霧劑凈含量檢測中通過測控技術(shù)實現(xiàn)全過程自動檢測，大大提高了檢測的準(zhǔn)確度和自動化程度，填補了國內(nèi)在該項檢測技術(shù)上的空白。此外，由于該裝置自動化程度較高，僅需將氣霧劑樣品放置在工作平臺上就可自動進行檢測，不僅提高檢測效率和減輕檢驗人員的工作量，而且避免了人工操作帶來的誤差。因此，該裝置的研制成功對氣霧劑凈含量的檢測技術(shù)提高具有一定的推進作用，將會產(chǎn)生較好的社會、經(jīng)濟效益。

[1] 黃耀文. JJF 1070-2005《定量包裝商品凈含量計量檢驗規(guī)則》實施指南[M]. 北京: 中國計量出版社, 2005.

[2] 徐國林. PLC應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2007.

[3] 劉寶廷. 步進電動機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2003.

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[5] 孫恒，陳作模. 機械原理[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001.

[6] 仲維俊. Visual Basic 6.0完全自學(xué)手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版, 2007.

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)督局科技計劃項目（2010-J09）