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多通道打火機(jī)貯氣箱耐壓測試系統(tǒng)的研究

2013-09-20 07:11:54楊遂軍葉樹亮
自動(dòng)化儀表 2013年5期
關(guān)鍵詞:氣路耐壓充氣

陳 才 楊遂軍 傅 琳 葉樹亮

(中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量測試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

0 引言

我國年產(chǎn)打火機(jī)32億多支,出口量占全球總量的40%[1]。加壓充注燃料的打火機(jī)貯氣箱易在高溫、撞擊或內(nèi)壓大于外殼承受極限等情況下發(fā)生爆炸。打火機(jī)貯氣箱耐壓測試是打火機(jī)安全檢測項(xiàng)目之一。歐盟對我國打火機(jī)出口設(shè)置技術(shù)貿(mào)易壁壘[2-3],將ISO 9994打火機(jī)安全規(guī)范要求升級為強(qiáng)制執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn),對我國打火機(jī)產(chǎn)業(yè)造成重大打擊[4]。目前,國內(nèi)打火機(jī)貯氣箱耐壓檢測多采用人工手動(dòng)充氣方法,費(fèi)時(shí)費(fèi)力;極少有檢測儀器采用單通道測量,檢測時(shí)間較長,自動(dòng)化程度和效率低[5]。因此,迫切需要研究和開發(fā)新型打火機(jī)貯氣箱耐壓檢測儀器。

本文研制了基于CPLD的打火機(jī)貯氣箱耐壓測試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)5路打火機(jī)增壓速率的自動(dòng)調(diào)節(jié)和貯氣箱壓力的自動(dòng)化檢測,有效提高了測量精度和效率。

1 系統(tǒng)工作原理

根據(jù)ISO 9994-2006要求,打火機(jī)貯氣箱耐壓檢測方法具體為:在打火機(jī)貯氣箱上鉆孔并將氣嘴插入鉆孔,以69 kPa/s的速率對打火機(jī)貯氣箱增壓至1 500 kPa并保持60 s,氣壓無明顯下降(壓力下降小于250 kPa)的打火機(jī)為合格產(chǎn)品。根據(jù)直壓式檢漏法的原理,對一個(gè)密閉容器充入一定質(zhì)量的壓縮氮?dú)?,并使它的?nèi)部壓力達(dá)到檢測要求。

假設(shè)該密閉容器無泄漏,并且與外界無熱量交換,在規(guī)定的保壓時(shí)間內(nèi),這個(gè)密閉容器的內(nèi)部壓力會(huì)保持在檢測壓力的水平。若該容器有泄漏,其內(nèi)部壓力必定小于檢測壓力,可以通過檢測該段時(shí)間的內(nèi)密閉容器的壓力變化,達(dá)到檢驗(yàn)和評估容器是否有泄漏的目的[6-7]。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程[8]:

式中:P為壓力;V為質(zhì)量體積;R為氣體常數(shù);T為熱力學(xué)溫度。

對于一定質(zhì)量的完全氣體,假設(shè)被測工件的容積為V1,檢測壓力為P1,檢測結(jié)束時(shí)壓力為P2,其狀態(tài)可描述為:

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為P0,在1 min內(nèi)泄漏氣體體積VL,在忽略溫度變化時(shí),由氣體狀態(tài)方程可知:

進(jìn)而可求得打火機(jī)貯氣箱泄漏率為:

打火機(jī)內(nèi)部泄壓率為:

根據(jù)上述檢測原理,并結(jié)合單通道固定式增壓方式,設(shè)計(jì)了耐壓檢測系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用多通道檢測模式提高檢測效率,系統(tǒng)氣路原理如圖1所示。

圖1 耐壓檢測系統(tǒng)氣路原理圖Fig.1 Schematic diagram of gas pressure detection system

系統(tǒng)主要由氣源(氮?dú)馄?、減壓閥、針型閥控制系統(tǒng)、緩沖氣瓶、截止閥、壓力傳感器、氣嘴、氣箱和泄壓閥組成。采用氮?dú)馄孔鳛閴毫Πl(fā)生裝置,高壓氣源經(jīng)過減壓閥后產(chǎn)生2 MPa的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部壓力,并輸送到針型閥控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)壓,用于控制系統(tǒng)的增壓速率;調(diào)壓后氣路接入緩沖氣瓶,通過緩沖氣瓶把氣路分為5個(gè)支氣路,緩沖氣瓶相對充氣支路體積較大,減少了各支路開啟瞬間的擾動(dòng),同時(shí)使各支路之間的充氣速率相對一致;截止閥將氮?dú)馔ㄟ^氣嘴輸出到打火機(jī)樣品,截止閥控制支路的開啟關(guān)閉,壓力傳感器檢測支路的實(shí)時(shí)壓力和充氣速率,泄壓閥用于試驗(yàn)完成后氣箱泄壓,以方便操作人員從夾持機(jī)構(gòu)上取出打火機(jī)。

針型閥控制系統(tǒng)采用PID方法控制打火機(jī)貯氣箱的充氣速率[9],由針型閥、步進(jìn)電機(jī)和編碼器組成。將壓力傳感器的反饋壓力值換算為當(dāng)前充氣速率值,與給定的充氣速率相比較,得到比例項(xiàng)、積分項(xiàng)、微分項(xiàng)并相加,最后得出流量控制量。

通過將流量控制量轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)針型閥開所需的度,實(shí)現(xiàn)充氣速率調(diào)節(jié)。充氣速率控制量的計(jì)算公式為:

式中:u(k)為充氣速率控制量;e(k)為設(shè)定壓力與實(shí)際壓力之間的差值;TI為積分時(shí)間常數(shù);TD為微分時(shí)間常數(shù);β為根據(jù)實(shí)際情況確認(rèn)的針型閥調(diào)節(jié)比例值。

2 儀器硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)采用雙核心工作模式,CPLD和單片機(jī)協(xié)同對多通道貯氣箱進(jìn)行壓力檢測、分析、處理。系統(tǒng)主要包括ARM微控制器、電源模塊、主控制模塊、壓力檢測模塊、CPLD數(shù)據(jù)采集模塊、串口通信模塊。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure of the overall system

壓力傳感器檢測到的微弱信號(hào)經(jīng)壓力變送器線性放大、調(diào)理后,經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)?2位數(shù)字信號(hào),CPLD并行采集5路壓力傳感器數(shù)據(jù),進(jìn)行濾波、判斷、計(jì)時(shí)處理后,將壓力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給單片機(jī),極大地提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測功能。主控單元以單片機(jī)為控制核心,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)與CPLD數(shù)據(jù)交互、機(jī)械單元的運(yùn)動(dòng)與定位、氣路電磁閥的開關(guān)控制、針閥開度調(diào)節(jié),以及與ARM一體機(jī)的串口通信。

ARM一體機(jī)實(shí)時(shí)顯示和保存功能測量結(jié)果,試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SD卡,方便用戶觀察整個(gè)試驗(yàn)過程數(shù)據(jù),同時(shí)通過ARM一體機(jī)觸摸屏控制試驗(yàn)過程,例如開始試驗(yàn)、停止試驗(yàn)、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)等,極大提高了儀器的可靠性和便捷性。

2.1 壓力傳感電路

壓力傳感器是檢測儀重要的組成部分,用于測量打火機(jī)貯氣箱內(nèi)部壓力。該壓力作為充氣速率調(diào)節(jié)參考、充氣截止和氣箱泄漏檢測的主要判別依據(jù)。本文采用橋式壓力傳感器作為壓力傳感單元。通常橋式壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)幅度比較小且輸出范圍不規(guī)范,需通過信號(hào)調(diào)理放大電路進(jìn)行處理,以解決抑制溫漂和放大微弱直流信號(hào)的問題[8-10],從而滿足精密測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

壓力傳感器信號(hào)處理電路采用零漂移可編程增益放大器AD8557,電路原理如圖3所示。

圖3 壓力變送器信號(hào)處理電路原理圖Fig.3 Principle of the signal processing circuit in pressure transmitter

圖 3 中,電橋 D1為壓力傳感器,C5、C6、C7、R1和 R2構(gòu)成AD8557前級的RF衰減濾波器,用于從輸入線路中去除盡可能多的RF能量,以保持每條線路和地之間的交流信號(hào)平衡,并維持足夠高的測量帶寬輸入阻抗,以避免載入信號(hào)源。該濾波器在-3 dB差分和共模帶寬時(shí)的頻率分別為7.9 kHz和1.6 MHz。電源采用固態(tài)鉭電容C4和陶瓷電容C3去耦。

2.2 CPLD并行數(shù)據(jù)采集

傳統(tǒng)的A/D+MCU模式已不能滿足多通道高速數(shù)據(jù)同步采集場合下系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。本文利用CPLD高集成、高速、時(shí)延可預(yù)測、靈活可編程等優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)基于CPLD的數(shù)據(jù)采集電路,實(shí)現(xiàn)對多通道壓力傳感器數(shù)據(jù)A/D采樣的控制和數(shù)據(jù)采集。

CPLD數(shù)據(jù)采集電路原理如圖4所示。

圖4 CPLD數(shù)據(jù)采集電路原理圖Fig.4 Circuitry principle of CPLD data acquisition

5路壓力傳感器經(jīng)過壓力變送器信號(hào)調(diào)理后分別接入 MAX1290的模擬輸入端 CH0~CH4。CPLD對MAX1290進(jìn)行初始化并控制MAX1290進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換。MAX1290為12位高速逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器,具有速度快、精度高、低功耗等特點(diǎn)。在可編程輸入模式下,由外部精密基準(zhǔn)電壓芯片REF195提供穩(wěn)定、低紋波的 5 V 基準(zhǔn)電壓,C1、C2、C8、C9、C10和 C11構(gòu)成電源去耦電容。CPLD選用MAX7000S系列的EPM7128芯片,與MAX1290并行連接。

本文使用Verilog硬件描述語言編程,使內(nèi)部狀態(tài)機(jī)輸出正確的時(shí)序,從而控制MAX1290狀態(tài),實(shí)時(shí)獲取5路壓力數(shù)據(jù),并對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、數(shù)值轉(zhuǎn)換、比較、計(jì)時(shí)等處理。通過串口,將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至ATMEGA128單片機(jī)。EPM7128的PIN14腳輸出低電平片選MAX1290,MAX1290數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成功后通過INT引腳以中斷方式通知CPLD。轉(zhuǎn)換后形成的12位數(shù)據(jù)以高低位復(fù)用的形式通過8位數(shù)據(jù)總線傳輸,HEBN引腳用來分時(shí)控制高低位傳輸。EPM7128的PIN7、PIN8連接壓力變送器的 DIGOUT、DIGIN,用來修改壓力傳感器的增益值和失調(diào)量,從而校準(zhǔn)壓力傳感器。

3 儀器軟件設(shè)計(jì)

多通道打火機(jī)貯氣箱耐壓檢測系統(tǒng)能夠根據(jù)不同用戶要求,設(shè)置充氣目標(biāo)壓力、加壓速率范圍等參數(shù)。在程序?qū)崿F(xiàn)上,以5路打火機(jī)貯氣箱耐壓檢測和數(shù)據(jù)處理、貯氣箱充氣速率控制為主,以ARM屏動(dòng)態(tài)顯示、夾持機(jī)構(gòu)入水運(yùn)動(dòng)控制等操作為輔,完成5路壓力信號(hào)的動(dòng)態(tài)顯示與存儲(chǔ)、超標(biāo)報(bào)警、信息交互等功能。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flowchart of main program

人工將鉆孔后的5支打火機(jī)放置夾持機(jī)構(gòu)并固定;系統(tǒng)初始化,垂直電機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)把夾持單元送入水箱;開啟氮?dú)馄块y門,根據(jù)參數(shù)設(shè)置調(diào)節(jié)針型閥,各支路對打火機(jī)進(jìn)行注氮加壓;待壓力增加至目標(biāo)壓力(1 500 kPa),各支路自動(dòng)關(guān)閉氣路,保壓60 s;ARM屏實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示5路打火機(jī)增壓速率、保壓倒計(jì)時(shí)、壓力曲線和當(dāng)前壓力值的參數(shù);若在注氮加壓階段出現(xiàn)明顯泄漏現(xiàn)象,儀器報(bào)警提示泄漏支路;保壓后計(jì)算打火機(jī)貯氣箱的卸壓率并判斷打火機(jī)是否合格;試驗(yàn)完成后,儀器自動(dòng)泄壓。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文對打火機(jī)貯氣箱耐壓測試系統(tǒng)的壓力參數(shù)檢測準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證,在貯氣箱上設(shè)置高一級精度的壓力傳感器作為參照,單個(gè)打火機(jī)貯氣箱壓力測試曲線和兩個(gè)傳感器壓力差如圖6所示。由圖6可知,壓力傳感器能夠準(zhǔn)確檢測壓力值,滿足檢測需求。

圖6 壓力測試和檢測誤差曲線Fig.6 Pressure test and detection error curves

為進(jìn)一步驗(yàn)證打火機(jī)貯氣箱耐壓檢測系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確性和可靠性,選用3個(gè)型號(hào)共計(jì)3萬余支打火機(jī)樣本進(jìn)行了試驗(yàn),實(shí)測數(shù)據(jù)如表1所示。檢測結(jié)果表明,該系統(tǒng)的錯(cuò)檢率低于0.04%,漏檢率低于0.02%,優(yōu)于手工檢測的效率和準(zhǔn)確率,完全可以勝任批量打火機(jī)的快速檢測,且符合檢測規(guī)范的要求。

表1 實(shí)測數(shù)據(jù)Tab.1 Measured data

5 結(jié)束語

本文提出并設(shè)計(jì)了基于CPLD的多通道打火機(jī)貯氣箱耐壓測試系統(tǒng),通過CPLD并行采集實(shí)現(xiàn)多達(dá)5路打火機(jī)貯氣箱耐壓性檢測;通過自動(dòng)增壓、充氣速率控制、自動(dòng)測壓、自動(dòng)泄壓等功能,實(shí)現(xiàn)檢測過程的自動(dòng)化。與同類型其他設(shè)備相比,該系統(tǒng)具有多通道測量、試驗(yàn)精度高等優(yōu)點(diǎn),對于提高檢測精度和效率以及打火機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)督具有重要的指導(dǎo)意義。

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