量熱儀氧彈自動(dòng)檢測(cè)裝置研究

張遙奇　劉思潮　蘇龍　胡彪　莫曉山　鄧月明

摘要：為準(zhǔn)確有效檢測(cè)氧彈量熱儀中氧彈的安全性能，解決目前人工千分尺測(cè)不準(zhǔn)的問(wèn)題，研制一種量熱儀氧彈自動(dòng)檢測(cè)裝置。該裝置經(jīng)液體加液，用電渦流測(cè)距傳感器測(cè)氧彈形變，測(cè)量范圍0～6mm，分辨率1μm，準(zhǔn)確度0.2%，壓力范圍0～25MPa，準(zhǔn)確度等級(jí)0.05級(jí)，滿足DL/T661-1999《熱量計(jì)氧彈安全性能技術(shù)要求及測(cè)試方法》對(duì)氧彈安全性能檢測(cè)要求。裝置操作自動(dòng)化程度高、準(zhǔn)確、安全，可作為計(jì)量部門對(duì)量熱儀氧彈安全性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)裝置。

關(guān)鍵詞：氧彈;電感應(yīng)渦流測(cè)距;自動(dòng)檢測(cè)裝置;安全性能

中圖分類號(hào)：TH71 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）08-0124-06

0 引言

氧彈是量熱儀中的關(guān)鍵部件，試驗(yàn)時(shí)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高壓[1]，如果氧彈存在安全隱患，會(huì)發(fā)生爆炸事故。為保證量熱儀氧彈的使用安全，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31423-2015《氧彈熱量計(jì)性能驗(yàn)收導(dǎo)則》[2]、國(guó)家檢定規(guī)程JJG 672-2001《氧彈熱量計(jì)》[3]、電

收稿日期：2018-08-31;收到修改稿日期：2018-10-21

基金項(xiàng)目：湖南省科技創(chuàng)新計(jì)劃資助（2018XK2008）

作者簡(jiǎn)介：張遙奇（1963-），男，湖南長(zhǎng)沙市人，高級(jí)工程師，主要從事計(jì)量檢測(cè)方法與管理研究。力部DL/T 661-1999《熱量計(jì)氧彈安全性能技術(shù)要求及測(cè)試方法》147、煤炭部MTT 737-1997《量熱儀氧彈安全性能檢驗(yàn)規(guī)范》157等對(duì)氧彈安全性能提出了檢驗(yàn)要求，如其中DL/T 661-1999對(duì)氧彈的耐水壓、彈性變形、永久變形、連接環(huán)與杯體的螺蚊松動(dòng)度等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。但標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范實(shí)施多年來(lái)一直沒(méi)有相應(yīng)的滿足全部要求的專用檢測(cè)設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范沒(méi)有得到有效實(shí)施，對(duì)氧彈安全性能檢測(cè)的可操作性帶來(lái)很多的困難，也給氧彈使用帶來(lái)了較大的安全隱患。電力部DL/T 661-1999中長(zhǎng)度參量測(cè)量采用千分尺，該方法測(cè)量的不確定度較大，目操作麻煩，實(shí)施難度大，目前有壓力測(cè)試裝置[6-7]，但沒(méi)有自動(dòng)尺寸測(cè)量裝置。針對(duì)以上情況，本文采用電感應(yīng)渦流測(cè)距[8]等技術(shù)，研制一種量熱儀氧彈自動(dòng)檢測(cè)裝置。

1 試驗(yàn)裝置組成及原理

1.1 試驗(yàn)裝置組成

裝置主要由氣壓氣密性單元、氣腋換向單元、水壓耐壓測(cè)試單元、形變微距檢測(cè)單元、精密壓力測(cè)量及主控單元、步進(jìn)電機(jī)精密控制旋轉(zhuǎn)定位單元、計(jì)算機(jī)通信及控制單元組成。圖1為氧彈自動(dòng)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)原理圖，圖2為氧彈自動(dòng)檢測(cè)裝置主視圖，其技術(shù)參數(shù)見表1。

1）氣壓氣密性單元，檢測(cè)氧彈杯體是否存在氣體泄漏等問(wèn)題。氣體壓力為4.0MPa+0.2MPa，氣體壓力加壓系統(tǒng)測(cè)量范圍為0～6MPa，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.05級(jí)。2）氣/液換向單元，使用二位三通閥開關(guān)，控制氣壓氣密性單元與水壓耐壓測(cè)試單元，使其中一個(gè)導(dǎo)通，另一個(gè)則關(guān)閉。3）水壓耐壓測(cè)試單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)氧彈變形進(jìn)行測(cè)量的功能。水壓為20MPa，壓力表0.1級(jí)，形變量測(cè)試應(yīng)小于0.13mm，永久變形量測(cè)量系統(tǒng)位移傳感器測(cè)量范圍為0-2mm，準(zhǔn)確度為0.2%。4）形變微距檢測(cè)單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)氧彈螺紋松動(dòng)度測(cè)量的功能。測(cè)量系統(tǒng)位移傳感器測(cè)量范圍為0～1mm，準(zhǔn)確度為0.2%。5）精密壓力測(cè)量及主控單元，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、傳輸、控制、顯示，采用單片機(jī)作為內(nèi)核處理。6）步進(jìn)電機(jī)精密控制旋轉(zhuǎn)定位單元，使用步進(jìn)電機(jī)控制傳感器探頭旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)45°、72°、36°等角度旋轉(zhuǎn)。7）計(jì)算機(jī)通信及控制單元，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理、比較等。

1.2 工作原理

整機(jī)系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)測(cè)距探頭，首先在氧彈打壓前對(duì)氧彈尺寸從3個(gè)方向進(jìn)行測(cè)量，存入計(jì)算機(jī);然后用水壓加壓和氣體打壓，加壓后的氧彈再次用測(cè)距探頭進(jìn)行3個(gè)方向的測(cè)量。通過(guò)計(jì)算機(jī)測(cè)試軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理，得出氧彈的耐水壓、彈性變形、永久變形、連接環(huán)與杯體的螺蚊松動(dòng)度、形變量、氣密性等結(jié)果，判斷合格與否，形成檢驗(yàn)報(bào)告并輸出。

測(cè)距探頭測(cè)距原理如圖3所示。按照法拉第電磁感應(yīng)原理，測(cè)量探頭對(duì)準(zhǔn)氧彈測(cè)量時(shí)，探頭線圈兩端通以正弦交變電壓，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流jl，測(cè)距傳感器采用電渦流效應(yīng)。電流j₁流過(guò)閉合線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)H₁，要反抗H₁增加，就會(huì)在金屬導(dǎo)體上生成H₂，它跟H₁方向相反，并生成互感電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生電流，這個(gè)電流就是j₂電渦流，這樣會(huì)導(dǎo)致傳感器探頭的阻抗相應(yīng)的變化，探頭與氧彈距離越大，電渦流越小，當(dāng)磁導(dǎo)率μ、電阻R、線圈圈數(shù)、正弦交流電、線圈的形狀一定時(shí)，電渦流與兩者的距離x成線性關(guān)系，z=z（x），這就是氧彈測(cè)距的基本原理[9]。該技術(shù)應(yīng)用已在美國(guó)、英國(guó)及法國(guó)的實(shí)驗(yàn)室取得了一些成功[10-12]。

2 試驗(yàn)裝置功能特性

2.1 測(cè)量功能

2.1.1 氧彈螺紋松動(dòng)度測(cè)量功能

氧彈螺紋松動(dòng)度是檢測(cè)螺紋配合之間的間隙，其檢測(cè)原理如圖4所示，采用高精度電渦流傳感器，增加自動(dòng)化設(shè)備，進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，集成控制，數(shù)據(jù)自動(dòng)處理。

測(cè)量?jī)?nèi)容包括：1）徑向松動(dòng)度，沿氧彈杯體直徑方向的連接環(huán)與杯體質(zhì)檢螺紋的最大間隙;2）軸向松動(dòng)度，沿氧彈杯體中心軸方向的連接環(huán)與杯體之間螺紋的最大間隙;3）對(duì)連接環(huán)與杯體間的螺紋松動(dòng)度測(cè)量范圍可滿足0～1.00mm。

2.1.2 彈性變形量測(cè)量功能

加水壓至20MPa，比較水壓實(shí)驗(yàn)前后各測(cè)量點(diǎn)位置的變化量，包括杯體中部直徑和杯體底部中心點(diǎn)位置的彈性變形量。

2.1.3 永久變形量測(cè)量功能

與水壓實(shí)驗(yàn)前比較，得到卸壓后各測(cè)量點(diǎn)位置的變化量，包括杯體中部直徑和杯體底部中心點(diǎn)位置的永久變形量。

測(cè)量系統(tǒng)滿足氧彈在水壓試驗(yàn)中加壓前后杯體的彈性變形量的以下規(guī)定測(cè)量：

1）杯體底部中心點(diǎn)位置彈性變形量;

2）杯體中部直徑位置彈性變形量。

2.1.4 液壓測(cè)量功能

采用測(cè)壓標(biāo)準(zhǔn)壓力模塊（如圖2中8），以水為介質(zhì)，進(jìn)行液壓測(cè)量，通信接口為RS232（可選RS485）。增加自動(dòng)化設(shè)備，進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，集成控制，數(shù)據(jù)自動(dòng)處理。

其中液體壓力發(fā)生系統(tǒng)由液體壓力發(fā)生器、測(cè)試儀與氧彈連接管路組成。液體壓力發(fā)生器為自動(dòng)水介質(zhì)壓力源，安全壓力范圍為0～40MPa，氧彈實(shí)驗(yàn)壓力為20MPa+0.2MPa，滿足彈性變形量與永久變形量需加壓至20MPa的技術(shù)要求。測(cè)試儀與氧彈連接管路采用進(jìn)口高壓軟管，承受壓力60MPa;安全無(wú)泄漏儲(chǔ)液罐采用防銹處理，防止生銹。

2.1.5 氧彈氣密性測(cè)試功能

本文采用泄漏率表示氧彈氣密性：氧彈內(nèi)加入4.0MPa+0.2MPa空氣后，3min后測(cè)量壓力，10min內(nèi)變化量小于2kPa。如圖5所示，氧彈內(nèi)每次加人空氣的壓力不得少于0.0002MPa。系統(tǒng)由氣體壓力泵、精密氣體壓力測(cè)量?jī)x表組成。

2.2 旋轉(zhuǎn)定位功能

分度機(jī)構(gòu)（與螺紋松動(dòng)度測(cè)量系統(tǒng)共用）對(duì)氧彈測(cè)量時(shí)旋轉(zhuǎn)角度自動(dòng)定位，可滿足實(shí)驗(yàn)時(shí)要求的轉(zhuǎn)動(dòng)72°/5次（螺紋松動(dòng)度實(shí)驗(yàn)）、轉(zhuǎn)動(dòng)36°/10次（軸向松動(dòng)度實(shí)驗(yàn)）、轉(zhuǎn)動(dòng)45°/8次（杯體中部形變實(shí)驗(yàn)）、轉(zhuǎn)動(dòng)90°（初始狀態(tài)）。機(jī)構(gòu)包括自動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)等零件。

2.3 數(shù)據(jù)采集、計(jì)算及顯示功能

通過(guò)氣壓氣密性單元、水壓耐壓測(cè)試單元、形變微距檢測(cè)單元檢測(cè)出氧彈的螺紋松動(dòng)度及氣密性泄漏率等參數(shù)，數(shù)據(jù)由精密壓力測(cè)量及主控單元通過(guò)通信接口（RS232）傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理并同時(shí)按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)果，數(shù)據(jù)傳輸至彩色液晶顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。對(duì)當(dāng)前測(cè)量值、測(cè)量角度及頂端測(cè)量值等數(shù)據(jù)顯示如圖6所示。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及裝置測(cè)距靈敏度的不確定度分析

依據(jù)DL/T661-1999，本裝置對(duì)氧彈螺紋松動(dòng)度、徑向松動(dòng)度、軸向松動(dòng)度、水壓試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)等進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

氧彈自動(dòng)檢測(cè)裝置測(cè)距傳感器，放置在位移傳感器檢定裝置上測(cè)量，按照檢定規(guī)程JJG644-2003《振動(dòng)位移傳感器》，將測(cè)距傳感器裝入檢定臺(tái)上，進(jìn)行測(cè)量，按動(dòng)態(tài)靈敏度公式計(jì)算。

3.1 建立測(cè)量模型

測(cè)距傳感器的靈敏度S為測(cè)距傳感器輸出電壓與位移量之比，即動(dòng)態(tài)靈敏度公式為

s=e/d（1）式中：e——氧彈測(cè)距傳感器的輸出電壓，mV;

d——位移量，mm。

由于加速度（a）與位移量（d）、振動(dòng)頻率（f）的關(guān)系為：

a=（2πf）²d（2）

在式（3）中a、f、e是相互獨(dú)立的，其氧彈測(cè)距傳感器的靈敏度的相對(duì)不確定度為：

計(jì)算相對(duì)值：

3.2 不確定度傳播律

引入重復(fù)性的不確定分量：

靈敏系數(shù)分別為：

3.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評(píng)定

1）測(cè)量重復(fù)性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u_rel（d）。將氧彈自動(dòng)檢測(cè)裝置測(cè)距傳感器固定在中頻振動(dòng)臺(tái)上，設(shè)置重復(fù)性條件下10次所得：4.30，4.32，4.31，4.29，4.31，4.29，4.31，4.32，4.31，4.32，算術(shù)平均值靈敏度為：

單次測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)偏差：

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

屬B類不確定度，正態(tài)分布。

2）氧彈測(cè)距傳感器輸出電壓測(cè)量引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u_rel（e）。根據(jù)數(shù)表證書誤差為0.21mV，在100mV的測(cè)量誤差上，相對(duì)誤差為0.21，屬B類不確定度，均勻分布：

3）檢定臺(tái)輸入量加速度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u_rel（a）。檢定臺(tái)加速度引入的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度為2.0%，則：

4）輸入量頻率引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u_rel（f）。根據(jù)數(shù)表測(cè)量頻率，檢定證書上一年的測(cè)量精確度指標(biāo)為0.004%，它的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為B類評(píng)定，均勻分布，為：

綜上，氧彈自動(dòng)檢測(cè)裝置測(cè)距靈敏度不確定度合成如表3所示。

氧彈自動(dòng)檢測(cè)裝置測(cè)距靈敏度合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

取包含因子k=2，氧彈自動(dòng)檢測(cè)裝置測(cè)距靈敏度的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為：

u_rel（s）=k×u_crel（s）=2.1%

4 結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)氧彈生產(chǎn)企業(yè)采用千分尺、水壓試驗(yàn)機(jī)、不銹鋼試驗(yàn)平臺(tái)、精密壓力表對(duì)氧彈安全性能的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行逐一檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程繁瑣，檢測(cè)精度不高，受環(huán)境、人為因素影響大。氧彈熱量計(jì)氧彈自動(dòng)檢定裝置是專門對(duì)氧彈安全性能進(jìn)行綜合測(cè)試而開發(fā)的一種新型儀器，可通過(guò)單臺(tái)設(shè)備對(duì)氧彈所有安全技術(shù)要求進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)其是否安全進(jìn)行判斷的多功能綜合測(cè)試儀。儀器具有自動(dòng)化高、操作簡(jiǎn)單快捷、測(cè)量快速準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定可靠、證書可自動(dòng)生成[13]等優(yōu)點(diǎn)，可作為計(jì)量部門氧彈熱量計(jì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的配套設(shè)備或?qū)Ｓ糜趯?duì)氧彈安全性能進(jìn)行綜合測(cè)試的設(shè)備。

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（編輯：李剛）