家用气雾剂商品量计量检验装置*

赵 炜 / 上海市计量器具强制检定中心

家用气雾剂商品量计量检验装置*

赵 炜 / 上海市计量器具强制检定中心

在检测技术和计算机控制技术的基础上，研制家用气雾剂商品量计量检验装置，通过可编程逻辑控制器实现了气雾剂内容物的自动转移，并通过系统的检测程序，自动判断检验结果，提高了检测准确度、自动化程度和检定效率，同时也减轻了检测人员的工作量，具有较强的实用性和可靠性。

气雾剂；净含量；计量检验

0 引言

近年来空气清新气雾剂、杀虫气雾剂等家用气雾罐产品销量逐年增加，已成为人们日常生活中不可缺少的商品。消费者在购买这些事先罐装好的气雾剂商品时无法直接观察和了解商品实际净含量。

目前我国行业内对气雾剂标准制定主要还是以卫生、安全及其功效为主，对气雾剂商品的净含量要求仅说明要符合国家质量监督检验检疫总局令第75号中表三允许短缺量相应规定，没有抽样方案、判定依据。生产企业对支撑国家质检总局令第75号的JJF 1070-2005《定量包装商品净含量检验规则》不了解，检测仅仅停留在单件核验，不能形成批的控制，检测的手段也主要用手工的方法核查。

在此背景下，运用自动化检测技术，通过可编程逻辑控制器实现气雾剂内容物的自动转移，经系统的检测程序，对检测的各项数据进行准确计算，快速得出检测结果，实现自动检测。

1 检验装置

1.1 原理与组成

为了尽量保持与现行气雾剂相关标准规定的检测原理并和JJF 1070-2005规定的检测方法相一致，检验装置是基于相对密度法，这里指的是被测气雾剂样品内容物的密度与被转移出来的内容物的密度相一致的原理设计。

式中：m— 被测气雾剂内容物的质量；

V— 被测气雾剂内容物的体积；

mm— 从被测气雾剂转移出的内容物的质量；

Vm— 从被测气雾剂转移出的内容物的体积要使式（1）确定的检测方法具可操作性，必须解决盛装被转移出内容物的容器，这里称它为密度瓶。气雾剂内容物如何转移到密度瓶、转移过程的可靠密封、转移量的可控及检测结果的处理等问题是研究的关键点。此外，整个检测过程还需要自动化，确保效率和可靠也是必须考虑的问题。所以采用一套执行机构来实现，包括阀门、接口、管道、机械机构、步进电机等元器件，通过计算机控制软件来实现自动化检测。检验装置的示意图如图1、控制框图如图2所示。

1.2 系统的硬件

1.2.1 推进系统

本装置有两个容器，一是密度瓶，二是气雾剂样品。密度瓶选用透明材质，外加护套的专用容器，密度瓶的外形尺寸相对固定，通过设计工作平台、机械微调机构和压紧装置确保密度瓶与接口的对中安装和固定。而被测气雾剂样品的外形尺寸不一，且只有当密度瓶内形成负压后,才能推进打开阀门。这里存在接口的对中、推进过程的直线性等问题。

为了解决这个问题，设计了由步进电机、滑动导轨、安装平台等部件组成的推进系统。根据步进电机运行的可控性和可调整性等特点，通过设置步进电机的步长控制直线距离，从而实现快速运行、准确对中和精确定位的要求。同时，通过步进电机的转矩限制参数，控制推进力。当电机推动扭矩超过保护值，电机停机报警，防止过载，保护装置。

图1 检验装置

图2 系统的控制框图

1.2.2 减压、注射系统

液体的流动受位势、外力、压差影响，在气雾剂内容物转移至密度瓶的过程中这些外因都不起作用。因为，按规定在（25±3）℃条件下，气雾剂罐内的压力不得大于1 MPa，一般在0.5～0.8 MPa之间。而密度瓶是一个充满空气、封闭的容器，空气本身形成阻力，当两者对接，液体不可能按要求流出，而且也不可能对气雾剂罐施以外力，强制排出内容物。常见做法是，先将密度瓶罐装约10 mL石油气，打开密度瓶阀门排空，带出空气，然后人工对接气雾剂罐。但这种做法至少有两个问题：其一，手工操作不易掌控，有一定的不确定性，且不适合计量检测机构按抽样方案的批量检测；其二，不利于节约资源和环境保护。

为了解决这个问题，利用压差原理，设计了一个减压、注射系统。该系统由真空泵、抽气阀、注射阀和管路等部件组成。真空泵与抽气阀控制密度瓶的负压，注射阀控制气雾剂样品的内容物释放。抽气阀和注射阀均采用电磁阀，整个转移过程可由系统自动控制。

1.3 系统的软件

本装置的软件控制系统由下位机PLC控制软件和上位机人机控制软件两部分组成。通过计算机上的人机界面下达操作指令到PLC核心控制器，PLC作为主控单元控制滑动导轨前进、后退，实现对真空泵、抽气阀、注射阀的开关等。检验人员只需输入相关的检测信息后，系统自动计算出被测气雾剂样本的净含量，根据内置程序给出评判结果，并自动生成检测记录。

1.3.1 上位机的软件

上位机软件采用Microsoft公司VB 6.0和Access数据库进行上位机监控程序开发。系统通过RS232串口协议与下位机PLC进行实时通信，实现对阀门和气泵进行开关控制以及对移动导轨运行进行操作，同时对PLC反馈上来的各种数字量和模拟量信息进行显示并进行相关的处理。

1.3.2 下位机的软件

PLC控制程序采用C语言开发，主要包括主程序、模拟量采集子程序、数字量控制子程序、运动控制子程序、通信子程序。PLC主程序周期性查询程序运行方式，根据上位机发出的控制指令调用相应控制子程序运行，其PLC控制程序流程见图3。

2 测量结果的不确定度评定

气雾剂样本的净含量偏差按下式计算：

式中：q— 样本实际含量，mL；

Qn— 样本标注净含量，mL

由于Qn是标注净含量，所以讨论主要针对测量不确定度在获取样本实际含量q的过程中的来源。根据式（1）得到

式中：Vm— 密度瓶内容物容量，mL；

mz— 样本的总量，g；

mp— 样本的皮重，g；

mmp— 密度瓶的质量，g；

图3 PLC控制程序流程

mmz— 含有样本内容物的密度瓶总量，g

从式（2）可以知道，不确定度来源主要有两方面，一是在称量过程中；二是在密度瓶测量过程中。

以空气清新气雾剂（规格：320 mL）为例分析如下：

1）称重过程中的不确定度来源

（1）称量样本总量引入的不确定度分量，320 mL空气清新气雾剂总量为350 g，选用Max：4 100 g，d=10 mg电子天平称量，所选电子天平在称量范围的误差限为±0.05 g,按均匀分布，u1（mz） = 0.029 g；电子天平的最小分辨力为0.01 g，u2（mz） = 0.029 g；则u（mz）的相对不确定度为8.3×10-5。

（2）称量样本皮重引入的不确定度分量，320 mL空气清新气雾剂皮重为80 g，选用Max：1 210 g，d=1 mg电子天平称量，所选电子天平在称量范围的误差限为±0.005 g,按均匀分布，u1（mp） = 0.029 g；电子天平的最小分辨力为0.001 g，u2（mp） = 0.029 g；则u（mp）的相对不确定度为3.6×10-5。

（3）称量密度瓶总量引入的不确定度分量，密度瓶总量为550 g，同（1）方法得到u（mmz）的相对不确定度为 5.3×10-5。

（4）称量密度瓶皮重引入的不确定度分量，密度瓶皮重为500 g，同（2）方法得到u（mmp）的相对不确定度为5.8×10-5。

以上不确定度分量互不相关，所以称重过程中引入的标准不确定度u（m）为1.2×10-4。

2）密度瓶测量过程中的不确定度来源

（1）密度瓶示值引入的不确定度分量，经校准，密度瓶的不确定度为0.15 mL （k= 2），则u1（Vm）的相对不确定度为8.3×10-4。

（2）密度瓶读数分辨力引入的不确定度分量，密度瓶最小分辨力为1 mL，估读的最小分辨力1/5，最小分度为0.2 mL，按均匀分布，采用B类评定，则u2（Vm）的相对不确定度为1.6×10-3。

（3）密度瓶因温度变化引入的不确定度分量，按照检验时环境条件要求，温度变化为±2 ℃。又有密度瓶的材质为纳钙玻璃，经查表后得其体膨胀系数是2.6×10-5℃-1，则u3（Vm）的相对不确定度为3.0×10-5。

（4）液化气因温度变化引入的不确定度分量，液化气的体膨胀系数约为2.5×10-3℃-1，所以受温度影响液化气体膨胀量为0.18 mL，则u4（Vm）的相对不确定度为1.4×10-3。

以上不确定度分量互不相关，所以密度瓶测量过程中引入的标准不确定度u（Vm）为2.3×10-3。

由于认为称重过程中引入的标准不确定度u(m)与密度瓶测量过程中引入的标准不确定度u（Vm）相互独立，则相对合成标准不确定度uc= 2.3×10-3。

扩展不确定度

U= 2×2.3×10-3×320 mL = 1.5 mL（k= 2）。

规格为320 mL的气雾剂样本允许短缺量为9.6 mL，0.2×9.6=1.9 mL，因为1.5 mL ＜ 1.9 mL，测量结果符合JJF 1070-2005要求。

3 结语

开发的家用气雾剂商品量计量检验装置，有效地将检测技术和计算机控制技术相结合，首次在气雾剂净含量检测中通过测控技术实现全过程自动检测，大大提高了检测的准确度和自动化程度，填补了国内在该项检测技术上的空白。此外，由于该装置自动化程度较高，仅需将气雾剂样品放置在工作平台上就可自动进行检测，不仅提高检测效率和减轻检验人员的工作量，而且避免了人工操作带来的误差。因此，该装置的研制成功对气雾剂净含量的检测技术提高具有一定的推进作用，将会产生较好的社会、经济效益。

[1] 黄耀文. JJF 1070-2005《定量包装商品净含量计量检验规则》实施指南[M]. 北京: 中国计量出版社, 2005.

[2] 徐国林. PLC应用技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007.

[3] 刘宝廷. 步进电动机及其驱动控制系统[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2003.

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[5] 孙恒，陈作模. 机械原理[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001.

[6] 仲维俊. Visual Basic 6.0完全自学手册[M]. 北京: 机械工业出版, 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

上海市质量技术监督局科技计划项目（2010-J09）