PE閥門氣密性試驗設(shè)備研制

潛龍杰，楊其華，劉鋼海 ，林小平

（1.中國計量學院 質(zhì)量與安全工程學院，杭州 310018；2.杭州戴雷科技有限公司，杭州 310018）

傳統(tǒng)的PE閥門密封性能試驗，多采用閥門腔體加氣壓后人工觀察水中是否出現(xiàn)泄漏對應氣泡的方法。以觀察氣泡作為閥門密封性能評價依據(jù)，無論是試驗操作過程還是數(shù)據(jù)量化記錄，都與生產(chǎn)自動化和產(chǎn)品質(zhì)量控制的實際需求不相適應[1]。隨著傳感器技術(shù)水平和檢測方法設(shè)計水平的提高，傳感器自動檢測技術(shù)將越來越多地在氣密性能試驗中得到應用。目前市場上雖然也有一些氣密性自動化試驗設(shè)備，但是由于其靈敏度和可靠性往往不夠理想[2]，故有必要設(shè)計一套靈敏度高、可靠性好的系統(tǒng)。

文中設(shè)計了以STM32為核心處理器的氣密性試驗設(shè)備，并給出了檢測儀的機械系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、硬件電路及軟件系統(tǒng)的設(shè)計方法。本套設(shè)備已于2015年3月在寧波宇華電器有限公司正式投入使用，結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了自動檢測，具有高準確性、高效率和高可靠性，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

1 測量原理

本設(shè)備基于差壓法測量原理進行設(shè)計，通過壓差傳感器感知被測閥門腔體和標準腔體之間壓力的差值來判斷是否存在泄漏。若被測閥門不存在泄漏，氣路內(nèi)氣壓維持平衡，反之，平衡被打破，壓差傳感器讀出被測工件和標準工件之間的壓差值[3]。

式中：m，P和T分別為腔內(nèi)氣體的質(zhì)量、壓力和溫度；R為理想氣體狀態(tài)常數(shù)。

對于某一特定閥門，腔體容積V恒定，而壓強P和氣體溫度T均為時間的變量，根據(jù)氣體狀態(tài)方程式（1），對氣體質(zhì)量 m，取時間 t的微分得[4-5]：

式（2）表示單位時間內(nèi)PE閥泄漏氣體的質(zhì)量，即質(zhì)量流量qm，根據(jù)定義，氣體的體積流量qv為

式中，ρ0為空氣密度。 所以根據(jù)式（2）、式（3）有：

由差壓法的分析可得差壓法的泄漏計算公式為

式中：P1，T1和 P2，T2分別為標準腔體和被測腔體內(nèi)氣體的壓強和溫度。

一般在設(shè)計壓差的計算中，假定兩容腔的內(nèi)部氣體溫度、換熱速率及容積均相等即T1=T2，在容腔內(nèi)氣體與環(huán)境達到平衡后，即[6]：

因此，單位時間內(nèi)壓強的變化量即反映了PE閥內(nèi)氣體泄漏的體積流量。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要由電控系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和機械系統(tǒng)3大部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。機械系統(tǒng)主要作用是完成對不同尺寸閥門位置的調(diào)整，電控系統(tǒng)控制和驅(qū)動機械系統(tǒng)，調(diào)整底座和密封端蓋位置，將不同尺寸的閥門調(diào)整到合適的測試位置以對其進行密封及測試。系統(tǒng)密封完成后，電控系統(tǒng)控制氣路系統(tǒng)，打開或關(guān)閉其中的氣路開關(guān)（主要由電磁閥和氣動球閥組成），完成對閥體內(nèi)氣壓的控制。系統(tǒng)采集到的實時氣壓數(shù)據(jù)，在MCU中進行相應處理后，在人機交互界面中得出相應實時曲線。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

電控系統(tǒng)為核心系統(tǒng)，除了要協(xié)調(diào)機械系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)動作外，還需要完成處理并反饋實時數(shù)據(jù)等任務。該系統(tǒng)控制對象眾多，對其采用模塊化設(shè)計來提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。電控系統(tǒng)主要包括MCU、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、電機控制及驅(qū)動模塊、溫度檢測模塊、通信模塊、人機交互模塊和電源模塊等。數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，完成對閥門腔體內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)進行采集和轉(zhuǎn)換并傳輸?shù)組CU。通信模塊主要負責各個控制模塊之間及與PC的通信。人機交互模塊主要進行實時測量數(shù)據(jù)的輸出顯示，可進行壓力流量的數(shù)值和動態(tài)曲線的顯示，并可對系統(tǒng)的各項參數(shù)進行設(shè)置。

3 裝置設(shè)計

3.1 試驗臺架設(shè)計

如圖2所示，氣密性試驗臺架機械結(jié)構(gòu)主要由底座、密封端蓋、步進電機等組成。底座的主要作用是通過步進電機調(diào)整不同尺寸閥門的高度，以使密封端蓋可以順利移入腔體進行密封。位置調(diào)整后，左右密封端蓋會在步進電機的驅(qū)動下平移到閥體端面進行密封。

圖2 臺架結(jié)構(gòu)Fig.2 Bench structrue

對試驗閥腔體的密封有外壓式和內(nèi)伸式2種，外壓式密封通過對2個尺寸大于閥體端面直徑的密封端蓋施加一定大小的推力，對腔體進行密封，這種方法雖然結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，但是由于會對閥體本身施加額外的軸向力，或由于閥體端面切面不平整而不能完全密封，密封效果往往不理想。內(nèi)伸式密封法將密封端蓋伸入腔體內(nèi)部，通過密封圈膨脹填補端蓋與腔體的縫隙進行密封，在設(shè)計上避免了外壓式密封法的缺陷，密封效果較理想，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，本裝置采用內(nèi)伸式密封端蓋進行密封。

3.2 氣路系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用差壓法設(shè)計氣路，系統(tǒng)氣路設(shè)計如圖3所示，由于電磁閥長期工作會發(fā)熱影響氣路的熱平衡，故為了降低這種影響，采用電磁閥控制氣動閥的方式設(shè)計氣路，氣動閥為借助壓縮空氣驅(qū)動的閥門，圖3中SV1和SV2為電磁閥，AV1和AV2為氣動閥。

圖3 氣路系統(tǒng)設(shè)計Fig.3 Gas line system design

裝置的氣路控制分為3個階段：排氣階段、充氣階段和檢測階段。

1）排氣階段：為了排除環(huán)境或設(shè)備機械動作對密封閥體內(nèi)的初始氣壓造成影響，使其初始壓力值與大氣平衡，需要對其進行排氣。在此階段開始時，關(guān)閉SV1，打開SV2，此時氣動閥AV2被打開，使被測件和標準件內(nèi)氣壓快速降低并與環(huán)境平衡，系統(tǒng)讀取壓差傳感器值，其值趨于零時，關(guān)閉SV2，AV2閉合。

2）充氣階段：打開SV1，同時AV1被驅(qū)動打開，系統(tǒng)通過PWM波驅(qū)動充氣馬達產(chǎn)生測試壓源進行充氣，絕對壓力變送器反饋腔體內(nèi)的實時氣壓值，當達到設(shè)定值時，使充氣馬達停止工作并關(guān)閉SV1。由于氣源氣體充入腔體后需要一定的時間與環(huán)境進行熱交換才能穩(wěn)定，故需要對實時壓力值進行分析，若穩(wěn)定壓力值達到設(shè)定要求，進入下一階段，否則需要重新啟動充氣馬達對氣壓進行補償。

3）檢測階段：讀取壓差傳感器值并判斷泄漏情況，如果被測工件存在泄漏，壓差傳感器讀數(shù)增大，同時將氣壓實時數(shù)據(jù)或結(jié)果傳輸?shù)浇换ツK，存儲到PC中，根據(jù)相關(guān)國家標準，該階段持續(xù)30 s或24 h。

3.3 測控模塊設(shè)計

3.3.1 電路設(shè)計

電測系統(tǒng)主要包括MCU、數(shù)據(jù)采集模塊、轉(zhuǎn)換模塊、通信模塊等。

1）MCU

MCU采用STM32F103，該芯片是意法半導體推出的STM32系列微控制器中的一款性能較強的產(chǎn)品，集成了各種高性能工業(yè)標準接口，且STM32不同型號產(chǎn)品在引腳和軟件上具有完美的兼容性，可以輕松適應更多的應用。STM32F103具有豐富的外設(shè)，包括10個定時器、2個I2C接口、5個USART接口和3個SPI端口，全速USB（OTG）接口，2路CAN 2.0B接口。無論是實時性還是擴展性等方面，STM32F103都可以滿足本系統(tǒng)設(shè)計的要求。

2）數(shù)據(jù)采集

電壓型壓力變送器受電網(wǎng)和環(huán)境干擾較大，使其在復雜工業(yè)環(huán)境下的使用受到了極大的限制，暴露了抗干擾能力較差、線路損耗破壞了精度等缺點，而電流型壓力變送器由于采用電流作為傳送信號，受電網(wǎng)電壓波動影響較小，具有極高的抗干擾能力，可以在復雜工業(yè)環(huán)境下應用。本系統(tǒng)設(shè)計需要考慮工業(yè)環(huán)境，為了提高系統(tǒng)的準確性和可靠性，采用MH3051電流型壓差變送器采集氣壓數(shù)據(jù)，其輸出電流信號與氣壓的轉(zhuǎn)換公式為

式中：F為量程；Imin為無壓力的輸出電流；Imax為滿壓力的輸出電流；Ix為實際的輸出電流。

本系統(tǒng)所選用差壓傳感器量程為0.1 kPa，Imin=4.03 mA，Imax=19.65 mA，故其轉(zhuǎn)化公式為

3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)采用ADS1246對傳感器信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，ADS1246是一款精確的零漂移24位高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，其噪聲性能可以通過調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率和PGA進行優(yōu)化，包括低噪聲可編程增益放大器，帶數(shù)字濾波的ADC，最大支持2k SPS的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足系統(tǒng)對實時性的要求。其自帶的數(shù)字濾波器在5 SPS采樣速率下對工頻的抑制效果顯著，達-106 dB，其對干擾的抑制能力使其適用于在工業(yè)環(huán)境下進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

4）通信

系統(tǒng)設(shè)計了8個工位，每個工位都受控于上位機，其試驗數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)控制模塊整合傳輸至上位機，通信系統(tǒng)如圖4所示，利用CAN總線的強抗干擾能力和實時性能將各個工位進行組網(wǎng)，保證了大數(shù)據(jù)量下設(shè)備的可靠性，數(shù)據(jù)經(jīng)整合后通過USART發(fā)送至上位機。

圖4 通信系統(tǒng)Fig.4 Communication system

3.3.2 軟件設(shè)計

測控軟件包括上位機和下位機程序，除了實現(xiàn)基本功能外，必須保證軟件的強健性進行模塊化設(shè)計，以便后期的調(diào)試與維護。

結(jié)合圖3，對測控主程序進行簡要說明，其主程序流程如圖5所示。將閥門放上臺架，設(shè)置參數(shù)，按下行程開關(guān)，系統(tǒng)控制步進電機將其調(diào)節(jié)到合適的高度，然后驅(qū)動左右步進電機將密封端蓋伸入到閥體內(nèi)，當所有的機械機構(gòu)到達設(shè)定位置時，啟動密封圈，密封圈充氣膨脹將腔體密封嚴實。系統(tǒng)完成上述程序后，即完成了試驗前準備工作，接下來進入圖6的測控程序模塊，該模塊主要完成氣路時序的控制和氣壓檢測。

圖5 系統(tǒng)主程序流程Fig.5 Main procedure of system

圖6 測控主程序流程Fig.6 Measurement and control procedure

4 設(shè)備系統(tǒng)驗證

常規(guī)氣密性檢測設(shè)備常通過U型管觀察腔體內(nèi)氣壓變化，其最小分辨力為1 mm水柱，約為9.8 Pa，而本裝置所采用的MH3051壓差傳感器精度達到1 Pa，分辨力可達到1 Pa甚至更低，相當于0.1 mm水柱，可見本裝置分辨力遠高于水檢法。

圖7為上位機記錄的實時壓差溫度曲線，表1為根據(jù)記錄數(shù)據(jù)計算得的泄漏體積流量及相應的重復性誤差，其中，除了被測工件4和5外，其余均為合格工件。對于2.5 kPa的測試壓力，泄漏評定標準為體積流量小于0.2 L/min，重復性標準為體積流量小于0.01 L/min，可以看出該測控系統(tǒng)可準確檢測出被測工件的泄漏情況，具有高靈敏度和高可靠性，達到理想效果。

圖7 實時氣壓檢測Fig.7 Real-time barometric pressure detection

表1 30 s內(nèi)泄漏Tab.1 Leakiness average value in 30 s

5 結(jié)語

文中針對PE閥，設(shè)計了氣密性檢測設(shè)備。完成了氣密性檢測系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了對被測件的自動氣密性檢測，對被測件進行了自動化的定量判斷，提高了檢測效率的同時降低了被測件的誤廢率，因此具有較高的實用價值。本設(shè)備在實際使用過程中，運行狀況良好，具有較高的泄漏檢測靈敏度，能夠有效保障產(chǎn)品質(zhì)量。同時本設(shè)計，除針對PE閥門外，對PE（鋼塑）復合管件、其它類似閥門與管件的氣密性試驗設(shè)備設(shè)計，都有明顯的借鑒意義。

[1]陳鵬，余焱.管線氣密檢測裝置的設(shè)計[J].測控技術(shù)，2008（12）：41-42.

[2]韓秀茹，李維.密封性檢測技術(shù)及其生產(chǎn)中的典型應用[J].汽車實用技術(shù)，2012（5）：110-112.

[3]孔翔飛，廉潔.基于嵌入式系統(tǒng)的氣密性檢測儀[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013（2）：28-29.

[4]董建華，陳立云.閥門泄漏量計算方法的探究及檢測平臺的研制[J].揚州職業(yè)大學學報，2014，18（1）：40-41.

[5]陸建華.淺談氣體流量測量中的溫度及壓力補償[J].化工自動化及儀表，2010，38（4）：488-491.

[6]馬林.氣密檢測系統(tǒng)溫度影響研究[D].武漢：華中科技大學，2011.

2月制造業(yè)PMI低于預期 原材料價格止跌回升

日前，國家統(tǒng)計局發(fā)布2月份制造業(yè)PMI指數(shù)。2月制造業(yè)PMI指數(shù)為49，較1月下滑0.4個百分點，為金融危機以來最低水平（與2011年11月持平），也低于市場預期的49.4。中金宏觀分析員劉鎏、梁紅認為，2月份生產(chǎn)活動受春節(jié)拖累，但預期出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。

生產(chǎn)活動受春節(jié)影響有所收縮。2月份PMI生產(chǎn)指數(shù)下滑1.2個百分點至50.2，新訂單指數(shù)也比上月下降0.9個百分點至48.6，一定程度上受到春節(jié)落在2月的影響。從不同規(guī)模企業(yè)PMI看，大型企業(yè)PMI回落0.4個百分點，中型企業(yè)PMI持平，小型企業(yè)PMI降幅最大，下降1.7個百分點。

原材料價格止跌回升。2月原材料購進價格指數(shù)大幅上升5.1個百分點至50.2，回到擴張區(qū)間，與近期上游工業(yè)品價格上漲表現(xiàn)一致。由于PPI包含更多下游工業(yè)品價格，2月份環(huán)比仍有可能小幅下跌，但預計跌幅大幅收窄，同比也將明顯好轉(zhuǎn)。

企業(yè)庫存回升，預期好轉(zhuǎn)。2月原材料庫存指數(shù)上升1.2個百分點至48，產(chǎn)成品庫存指數(shù)上升1.8個百分點至46.4。企業(yè)補庫存受工業(yè)品價格回升帶動，1、2月份貨幣信貸寬松也對企業(yè)預期改善起到積極作用。2月份生產(chǎn)經(jīng)營活動預期指數(shù)大幅上升13.5個百分點，超過了過去幾年的季節(jié)性漲幅，反映制造業(yè)企業(yè)預期出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。

貿(mào)易活動仍然偏弱。2月出口訂單指數(shù)回升0.5個百分點至47.4。但是受到春節(jié)因素影響，2月出口難以明顯好轉(zhuǎn)。尤其是考慮2月出口基數(shù)偏高（去年2月出口同比增長48%），同比增速可能大幅下滑。2月份PMI進口指數(shù)下滑0.6個百分點至45.8，仍然偏弱。

就業(yè)壓力持續(xù)。2月從業(yè)人員指數(shù)下滑0.2個百分點至47.6，反映去產(chǎn)能背景下，就業(yè)形勢仍然面臨壓力。

總體上，2月份制造業(yè)活動受春節(jié)影響略有放緩，但是原材料價格和預期出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。向前看，2016年財政政策將更加積極，預計實際赤字率在2015年3.5%的基礎(chǔ)上進一步擴大，貨幣政策將延續(xù)寬松態(tài)勢。央行2月29日宣布下調(diào)存款準備金率0.5個百分點，為年內(nèi)首次降準。未來宏觀政策將繼續(xù)加強需求管理，發(fā)揮逆周期調(diào)節(jié)功能。