基于精密壓力傳感器氣密性檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

崔保健，畢文輝

(中國(guó)人民解放軍92493 部隊(duì)89 分隊(duì)，遼寧葫蘆島125000)

0 引言

泄漏檢測(cè)也稱為氣密性、密封性檢測(cè)，是為了保證容器、零部件等裝配后無泄漏，防止設(shè)備故障，確保人員和設(shè)備安全，保證產(chǎn)品滿足泄漏要求的工藝過程。泄漏檢測(cè)的方法多種多樣，有傳統(tǒng)的濕式氣泡法、靜壓法/直壓法、流量法、微差壓法、氦氣泄漏檢測(cè)法等［1-3］。這些方法對(duì)密封性測(cè)試都很有效，各具優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，需要針對(duì)被測(cè)設(shè)備測(cè)試容積、泄漏率、測(cè)試壓力、測(cè)試節(jié)拍以及工藝上的要求選擇合適的氣密性測(cè)試方法。直壓法是對(duì)被測(cè)設(shè)備密封并以空氣(或氮?dú)?加壓，用精密壓力表測(cè)量壓力變化，根據(jù)壓力損失自動(dòng)確認(rèn)泄漏率，這種方法雖然不能確定具體漏點(diǎn)，但是能夠自動(dòng)運(yùn)行，無需操作工主觀判斷，具有速度快、重復(fù)性好、潔凈的特點(diǎn)。某型裝備需要對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)和助推器的密封性進(jìn)行快速、自動(dòng)檢測(cè)，并能夠自動(dòng)處理泄漏率，根據(jù)允許泄漏值可編程設(shè)置合格/不合格，判斷是否通過密封性檢測(cè)。本文介紹了一種采用DPS8000 精密壓力傳感器、內(nèi)置式無油氣壓泵和微處理器的直壓式密封性自動(dòng)檢測(cè)裝置，具有智能化程度高、體積小、便攜式和多量程的特點(diǎn)。

1 泄漏率測(cè)試的工作原理

直壓法密封性檢測(cè)的工作原理是:根據(jù)檢測(cè)工藝規(guī)程要求，對(duì)被測(cè)系統(tǒng)充氣，使其達(dá)到一定的壓力范圍，關(guān)閉充氣閥門，等待容器內(nèi)部的壓力和溫度穩(wěn)定后，采集容器內(nèi)的起始?jí)毫χ祊1，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，到達(dá)檢測(cè)工藝規(guī)程要求的時(shí)間Δt 時(shí)，采集容器內(nèi)的終止壓力值p2，依據(jù)公式(1)計(jì)算容器的泄漏率［4-5］:

實(shí)際測(cè)試中，由于測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，又沒有標(biāo)準(zhǔn)件參考，環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，必須考慮壓力測(cè)量結(jié)果的溫度補(bǔ)償。干燥空氣和氮?dú)饪梢砸暈槔硐霘怏w，對(duì)被測(cè)容器的溫度進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)平均，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT(其中，p 為壓強(qiáng)，V 為體積，T 為溫度，n 為氣體物質(zhì)的量，R=8.314 J/mol)，測(cè)量開始時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)實(shí)測(cè)壓力p1，溫度為T1，測(cè)量結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)壓力實(shí)測(cè)p2，溫度為T2，實(shí)際系統(tǒng)容積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于容器內(nèi)氣體泄漏量，忽略泄漏量影響，容器體積和容器內(nèi)氣體摩爾數(shù)不變，系統(tǒng)內(nèi)氣體的量:，檢測(cè)結(jié)束時(shí)，溫度補(bǔ)償后壓力:，實(shí)際泄漏率計(jì)算如公式(2):

2 技術(shù)要求和設(shè)計(jì)方案

2.1 技術(shù)要求

1)助推器檢測(cè)要求

對(duì)助推器施加壓力(0.04±0.005)MPa 干燥壓縮空氣，壓力設(shè)定控制誤差2%，壓力測(cè)量誤差0.02%FS，保壓30 min，壓力泄漏率小于5 kPa 為合格。

2)燃油系統(tǒng)氣密檢測(cè)要求

對(duì)燃油系統(tǒng)施加壓力(1.0±0.1)MPa 氮?dú)?，壓力設(shè)定控制誤差1%，壓力測(cè)量誤差0.02%FS，保壓30 min，壓力泄漏率小于15kPa 為合格。

3)潤(rùn)滑系統(tǒng)檢測(cè)要求

對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)施加壓力0.02 ～0.03 MPa 的氮?dú)?，壓力設(shè)定控制誤差3%，壓力測(cè)量誤差0.02%FS，保壓30 min，壓力泄漏率小于2 kPa 為合格。

2.2 氣路結(jié)構(gòu)和工作原理

氣密性檢測(cè)設(shè)備由外置高壓氮?dú)馄?，?nèi)置高壓氣泵、閥件、管路連接單元，和測(cè)量、控制、顯示單元三部分組成，處理器采用基于 ARM 結(jié)構(gòu)的STM32F103VE，顯示輸入控制單元采用藍(lán)海微芯嵌入式一體機(jī)，人機(jī)操控界面采用觸摸屏方式，易于直觀顯示參數(shù)設(shè)置及檢測(cè)結(jié)果;壓力測(cè)量采用GE 公司的DPS8000 系列高精度壓力傳感器。設(shè)備整體設(shè)計(jì)采用箱式結(jié)構(gòu)、模塊化設(shè)計(jì)，操作力求簡(jiǎn)捷，只需通過觸摸屏操作，即可自動(dòng)完成加壓、保壓、氣密性檢測(cè)、疏空放氣等系列操作，并直接顯示測(cè)試結(jié)果，方便現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。設(shè)備內(nèi)部管路設(shè)計(jì)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)化管件，通過合理設(shè)置閥門不同位置和連接方式，使其最大限度地保證高壓氣體測(cè)量的安全性和氣體測(cè)量回路中連接管路的密閉性。壓力控制電路和數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)，采用自研的壓力控制器和數(shù)據(jù)采集單元，即由模擬量和數(shù)字量雙閉環(huán)控制技術(shù)共同完成，以提高壓力控制過程快速響應(yīng)和漏氣量采集的精確性。圖1 是氣密性檢測(cè)裝置的氣路結(jié)構(gòu)圖。

圖1 氣密性檢測(cè)裝置氣路結(jié)構(gòu)

3 氣密性檢測(cè)單元設(shè)計(jì)

3.1 壓力測(cè)量單元設(shè)計(jì)

美國(guó)GE 公司DPS8000 系列傳感器的壓力測(cè)量誤差為0.01%FS，工作溫度范圍為-40 ～+85°C，為方便控制電路設(shè)計(jì)，選擇的型號(hào)具有頻率和溫度信號(hào)輸出，由微處理器測(cè)量輸出信號(hào)頻率和傳感器內(nèi)部溫度傳感器輸出電壓，并計(jì)算溫度補(bǔ)償后的實(shí)際壓力測(cè)量結(jié)果。頻率信號(hào)通過LM331 頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成模擬電壓參與模擬電路的控制。傳感器滿量程輸出頻率范圍為28 ～35 kHz，直接由微處理器計(jì)數(shù)測(cè)頻，刷新速率和測(cè)量精度不能滿足要求，為保證測(cè)量結(jié)果分辨力，必須對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行分頻至微處理器測(cè)量范圍。同時(shí)，還要對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行變頻，適應(yīng)LM331 頻率電壓轉(zhuǎn)換電路要求，提高壓力控制準(zhǔn)確度。分頻和變頻電路采用CPLD 電路設(shè)計(jì)，采用VHDL 硬件描述語言完成。分頻系數(shù)依據(jù)微處理器的計(jì)數(shù)單元字長(zhǎng)和微處理器定時(shí)器工作頻率設(shè)定，系統(tǒng)設(shè)計(jì)分頻系數(shù)為1000 分頻，分頻輸出為300 Hz 左右;變頻設(shè)計(jì)依據(jù)頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路適應(yīng)范圍確定，頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路的適應(yīng)范圍為10 kHz，用微處理器72 MHz 時(shí)鐘分頻出27 kHz，作為分頻參考頻率。變頻與混頻電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，VHDL 硬件描述語言分頻、混頻程序如下。

圖2 分頻、變頻電路結(jié)構(gòu)

3.2 頻率測(cè)量單元設(shè)計(jì)

DPS8000 精密壓力傳感器的滿量程輸出頻率范圍28 ～35 kHz，微處理器STM32F103VE 內(nèi)部具有四個(gè)16位定時(shí)器，無論采用測(cè)頻率模式還是測(cè)周期模式，單計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)范圍為65536，頻率測(cè)量分辨力僅能達(dá)到0.5%左右，不能滿足壓力測(cè)量準(zhǔn)確度需要，微處理器主時(shí)鐘頻率TIMxCLK 為72 MHz，系統(tǒng)顯示刷新頻率5 ～10 Hz，分頻至300 Hz，采用測(cè)周法測(cè)量頻率，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)范圍:2057142 ～2571428，既能滿足測(cè)量準(zhǔn)確度要求，也能適應(yīng)顯示刷新速率需要，對(duì)微處理器內(nèi)部的兩個(gè)16 位計(jì)數(shù)器進(jìn)行級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)32 位分辨力計(jì)數(shù)器功能。圖3 是兩個(gè)16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器TIM2/TIM3級(jí)聯(lián)，成為32 位定時(shí)計(jì)數(shù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，TIM3 頻率測(cè)量中斷服務(wù)程序如下。

圖3 定時(shí)器級(jí)聯(lián)機(jī)構(gòu)32 位定時(shí)計(jì)數(shù)器

3.3 泄漏率檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

通常氣密性檢測(cè)泄漏率計(jì)算方法按公式(1)計(jì)算，對(duì)壓力實(shí)施溫度補(bǔ)償后按公式(2)計(jì)算，兩點(diǎn)法計(jì)算泄漏率只利用了起始和終點(diǎn)壓力。容器內(nèi)由于泄漏引起的氣體質(zhì)量變化忽略不計(jì)，氣體泄漏率可以近似是一個(gè)常量，對(duì)氣密性檢測(cè)過程中的壓力和溫度實(shí)時(shí)采樣，形成采樣數(shù)據(jù)序列，對(duì)壓力、溫度采樣數(shù)據(jù)序列和采樣時(shí)間按照公式(3)進(jìn)行最小二乘法線性擬合，擬合的直線的斜率就是泄漏率測(cè)量結(jié)果。

式中:N 為泄漏率測(cè)量采樣點(diǎn)數(shù);pi為溫度補(bǔ)償后第i點(diǎn)壓力測(cè)量結(jié)果;ti為第i 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量時(shí)刻;L 為泄漏率測(cè)量結(jié)果。

4 結(jié)果分析

高壓系統(tǒng)氣密性檢測(cè)的壓力變化曲線如圖4所示。檢測(cè)過程中壓力變化主要包括四個(gè)過程:加壓階段、穩(wěn)壓階段、保壓測(cè)量階段和疏空階段，裝置界面如圖5所示。由于采用觸摸屏設(shè)計(jì)，用戶只需對(duì)測(cè)量時(shí)間、測(cè)量壓力和檢測(cè)容限進(jìn)行設(shè)置，選擇好采用內(nèi)部氣泵加壓還是外部氣瓶加壓，直接按動(dòng)測(cè)試按鍵，即可自動(dòng)完成氣密性檢測(cè)全過程，并實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的自動(dòng)計(jì)算處理和顯示。

圖4 氣密性檢測(cè)壓力變化過程曲線

5 結(jié)論

圖5 氣密性檢測(cè)界面圖

針對(duì)某型裝備動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系、燃油系、助推器等氣密性檢測(cè)應(yīng)用實(shí)際，分析了常用氣密性檢測(cè)方法的特點(diǎn)，介紹了一種基于精密壓力傳感器的直壓氣密性檢測(cè)技術(shù)方案，對(duì)裝置硬件結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵測(cè)量技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提高了檢測(cè)準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)了氣密性自動(dòng)檢測(cè)。具有操作方便、顯示直觀、靈敏度高、便攜性好的特點(diǎn)。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，表明性能穩(wěn)定，可以推廣應(yīng)用。

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