徐志鵬，封龍高，周　俊，閆　磊

(中國計量學院 計量測試工程學院，浙江 杭州 310018)

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外壓直壓法攝像機氣密性檢測系統(tǒng)的設計

徐志鵬，封龍高，周俊，閆磊

(中國計量學院 計量測試工程學院，浙江 杭州 310018)

【摘要】針對傳統(tǒng)的直壓和差壓氣密性檢測方法難以實現(xiàn)對全密封器件的泄漏檢測，提出了一種外壓直壓法攝像機氣密性檢測方案.在介紹外壓直壓法檢測原理及相關氣密性公式的基礎上，設計了一種針對攝像機密封性能的檢測系統(tǒng)，并搭建了實驗樣機.攝像機氣密性實驗測試結果表明，該系統(tǒng)可以快速、準確且穩(wěn)定地檢測出攝像機的大漏、小漏及合格等指標；系統(tǒng)檢測周期少于40 s，為全密封器件的氣密性檢測提供了解決思路.

【關鍵詞】攝像機;氣密性檢測;外壓直壓法;泄漏率

隨著網(wǎng)絡視頻監(jiān)控技術的發(fā)展以及網(wǎng)絡視頻監(jiān)控在社會各個領域的廣泛應用，我國安防產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展.網(wǎng)絡攝像機逐漸成為網(wǎng)絡視頻監(jiān)控的主流[1].網(wǎng)絡攝像機在使用過程中發(fā)生泄漏且泄漏率超過允許范圍，不僅使產(chǎn)品功能受到影響，還可能會造成嚴重的安全隱患，對生命財產(chǎn)造成不可避免的損失.所以針對攝像機進行氣密性檢測，對于保證產(chǎn)品質量，保障生活、生產(chǎn)安全具有重要意義.

工業(yè)生產(chǎn)中常用的氣密性檢測設備大多根據(jù)氣體流量公式進行設計[2].目前氣密性檢測方法主要有氣泡式檢測法和氣壓式檢測法，其中氣壓式檢測法在工業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛[3].氣壓式檢測法又可以分為直壓式和差壓式氣密性檢測方法.差壓式檢測以標準容腔為基準，可減小溫度等因素帶來的影響，然而該法結構復雜、成本較高；直壓式檢測成本較低、結構簡單，但溫度影響相對較大，檢測效率和精度相對較低[4].一般情況下，這兩種方法都是通過檢測產(chǎn)品內(nèi)部壓力來計算泄漏率，這對于攝像機等全密封性器件的泄漏檢測并不適用.

為此，本文提出了一種外壓直壓式檢測方案，用于檢測某公司生產(chǎn)的網(wǎng)絡攝像機的密封性能，并在此基礎上對整個檢測系統(tǒng)進行了實驗分析.該系統(tǒng)有效地提高了直壓檢測法的檢測精度和效率，且具有快速判斷檢測產(chǎn)品是否存在大漏的功能.

1外壓直壓法檢測原理

外壓直壓法是通過檢測穩(wěn)定后標準容腔內(nèi)壓力變化來計算出產(chǎn)品的泄漏率.在更換不同夾具的條件下，系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同型號攝像機等全密封器件氣密性的自動檢測.氣密性檢測原理圖如圖1，系統(tǒng)主要由氣源、過濾調壓閥、精密調壓閥、二通閥、換向閥、壓緊氣缸、壓力傳感器以及西門子PLC控制器和人機界面等組成.

圖1　外壓直壓法檢測原理圖Figure 1　Principle diagram of external direct pressure

其中氣源、精密調壓閥、二通閥1和壓力傳感器Pn構成一個閉環(huán)控制回路，精確調節(jié)進入?yún)⒖既萜鞯膲毫?；換向閥和標準氣缸組成的氣動回路用于控制標準容腔的封堵和打開.首先將被測產(chǎn)品(攝像機)通過壓緊氣缸封堵于體積稍大的標準容腔內(nèi)，打開二通閥1，將參考容器內(nèi)的壓力調至預設值；穩(wěn)定后關閉二通閥1并將二通閥2打開，使得標準容腔內(nèi)的壓力達到測試要求的工作壓力，讀取Pm壓力傳感器的值，通過和計算值進行比較，若其壓力遠小于計算值并且壓力保持不變，則產(chǎn)品大漏，結束檢測；反之，讀取檢測開始和結束時標準容腔內(nèi)的壓力值，根據(jù)泄漏率公式計算出產(chǎn)品泄漏率；檢測結束后，打開二通閥3放氣.

2泄漏率公式推導與分析

根據(jù)外壓直壓法的檢測原理，參考容器體積V1和標準容腔有效體積Ve保持不變，攝像機要求的檢測壓力不高(表壓20kPa).測試開始前參考容器內(nèi)的壓力穩(wěn)定為p10，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知參考容器和標準容腔內(nèi)壓力達到平衡時p20為

(1)

氣體的質量滿足

(2)

由(2)可以求出被測產(chǎn)品的質量泄漏率為

(3)

規(guī)定以溫度Ts為293.15K，壓力ps為101.325kPa作為計量氣體體積流量的標準狀態(tài)[5].則被測產(chǎn)品在標準條件下的體積漏率為

(4)

由于檢測過程中壓力較小，故檢測時間短，檢測過程中溫度的影響可以忽略[6]，認為T20、T2、Ts相等，則體積泄漏率公式可簡化為

(5)

式(1)～(5)中，R為摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·kg)；m20、m2分別為檢測起始和終止時標準容腔內(nèi)的氣體質量，kg；p20、p2分別為檢測起始和終止時標準容腔內(nèi)的氣體壓力，Pa；T20、T2分別為為檢測起始和終止時標準容腔內(nèi)的溫度，K；M為空氣摩爾質量，kg/mol；Δt為檢測時間，s；Qm為被測產(chǎn)品的質量泄漏率，kg/s；Qv為被測產(chǎn)品的體積泄漏率，m3/s.

3檢測系統(tǒng)設計

3.1關鍵元件配置

核心控制器選用西門子公司S7-1200系列PLC.該系列PLC采用開放的Profinet以太網(wǎng)總線協(xié)議并支持與第三方設備通信[7].PLC作為下位機主要完成壓力信號的獲取、與HMI(人機界面)通信和對各電磁閥的控制等功能.控制系統(tǒng)結構框圖如圖2.

圖2　控制系統(tǒng)結構框圖Figure 2　Structure diagram of control system

從泄漏率公式分析中可以看出，壓力測量的準確性是保證檢測精度的關鍵所在[8].本設計選用Rosemount公司3051系列高精度壓力傳感器.參考容器體積和標準容腔有效容積約為等體積大小，攝像機氣密性測試的目標壓力為表壓20 kPa. Pn采集的數(shù)據(jù)主要用于判斷攝像機是否大漏，選擇綜合不確定度小于0.075%的3051C傳感器，將測量范圍調至35～45 kPa(表壓)；Pm采集的數(shù)據(jù)用于泄漏率的計算，選擇更高精度的3051S傳感器，將測量范圍調整至15～25 kPa(表壓).壓力傳感器主要性能參數(shù)如表1.為達到檢測精度，模擬量轉換模塊選擇西門子16位精度的SM1231模塊.

表1　壓力傳感器的主要性能參數(shù)

3.2測控軟件設計

系統(tǒng)的人機交互功能由威綸通TK8070系列觸摸屏實現(xiàn).觸摸屏直觀方便，易于操作，畫面上的按鈕和指示燈可以取代相應的硬件，減少PLC需要的I/O點數(shù)，降低系統(tǒng)的成本，在自動化數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)中應用十分廣泛.可使用威綸通公司EB8000人機界面組態(tài)軟件完成觸摸屏畫面的組態(tài)，且TK8070帶有RJ-45以太網(wǎng)口(PROFINET接口)，通信速率為10/(100Mbits/s)，能夠方便地和計算機或S7-1200通信，從而實現(xiàn)控制系統(tǒng)運行時PLC與人機界面的自動數(shù)據(jù)交換.該系統(tǒng)中，觸摸屏主要完成操作員登陸、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)和曲線圖顯示、檢測結果顯示、報警以及數(shù)據(jù)記錄與統(tǒng)計等功能.控制窗口之間的關系如圖3.

圖3　人機界面控制窗口關系圖Figure 3　Control windows relation diagram of human-machine interface

針對系統(tǒng)的硬件設計方案，編寫了西門子PLC下位機處理程序.通過檢測原理分析可以知道，每次檢測開始之前系統(tǒng)將自動向參考容器內(nèi)充入確定壓力的空氣.系統(tǒng)檢測周期主要分為：1)充氣階段，二通閥1關閉，換向閥打開(壓緊氣缸封堵)，二通閥3關閉，二通閥2打開；2)平衡階段，二通閥2關閉；3)檢測階段，二通閥2關閉；4)放氣階段，二通閥3打開，換向閥關閉(壓緊氣缸復位)，二通閥1關閉，二通閥2關閉.PLC程序控制流程圖如圖4.

圖4　PLC主程序流程圖Figure 4　Block diagram of the main program

4實驗分析

本文設計的外壓直壓法攝像機氣密性測試實驗裝置實物如圖5.參考容器的體積V1(包含部分管路體積)為962.5 mL，標準容腔的有效體積Ve(包含部分管路體積)為1082.4 mL.為使標準容腔內(nèi)的測試壓力達到20 kPa，每次檢測前系統(tǒng)會自動將參考容器的壓力調整至42.49 kPa；為達到實驗的溫度條件，用空調將實驗室溫度調至20 ℃(293 K)恒溫進行以下實驗.

實驗1，系統(tǒng)自身密封性測試.將標準不漏攝像機放入標準容腔，測試標準容腔在保壓階段的壓力變化，圖6為標準容腔壓力穩(wěn)定后100 s內(nèi)的壓力變化曲線.

同樣的實驗條件下，測試300 s內(nèi)裝置的壓降.測試結果如表2，最大壓降為5.5 Pa.若檢測時間為15 s，則在15 s內(nèi)裝置自身壓降約為0.28 Pa，小于攝像機在15 s內(nèi)最大允許壓降(47 Pa)的1%，且重復性好.可認為該檢測裝置自身密封性良好.

圖5　外壓直壓法氣密性檢測系統(tǒng)實物圖Figure 5　Physical map of external direct pressure air-leakage detecting system

圖6　標準容腔20 kPa保壓曲線圖Figure 6　Pressure holding curve of standard vessel at 20 kPa

Pa

實驗2，檢測階段時間的確定和系統(tǒng)重復性測試.通過多次實驗確定系統(tǒng)充氣時間為7 s、平衡時間為13 s.被測件為標準不漏件時充氣、平衡及檢測階段標準容腔內(nèi)氣體壓力變化曲線如圖7.

圖7　標準攝像機測試壓力曲線圖Figure 7　Testing pressure curve of standard camera

從圖7可以看出第20 s后標準容腔的壓力穩(wěn)定在20 kPa左右，在同等條件下，對該不漏攝像機在不同的檢測時間下進行3組重復性測試，每組測試10次.測試結果如表3.

表3　無泄漏時不同檢測時間的測試數(shù)據(jù)

儀器的重復性指的是相對標準偏差RSD，可由檢測數(shù)據(jù)的標準差和平均值計算而得，即RSD=標準差/平均值[9].根據(jù)貝塞爾公式計算出標準差，重復性計算結果如表4.

表4　無泄漏時不同檢測時間的測試結果

產(chǎn)品無泄漏時，泄漏率的標準值為0，從表4可以看出系統(tǒng)的重復性精度小于7%，滿足一般儀器重復性小于10%的要求[10]，且檢測時間越長精度越高.

實驗3：泄漏件的重復性測試.根據(jù)實驗2確定充氣時間為7 s，平衡時間為13 s，測試時間為15 s，泄漏件測試數(shù)據(jù)如表5.

表5　檢測時間為15 s時泄漏件的測試數(shù)據(jù)

根據(jù)攝像機氣密性出廠要求，當泄漏率在2～10 mL·min-1時為小漏.結合表中數(shù)據(jù)，該攝像機測試結果為小漏.

5結論

本文針對網(wǎng)絡攝像機這一全密封器件無法通過直接檢測其內(nèi)部的壓力來計算泄漏率，設計了外壓直壓法氣密性檢測系統(tǒng).實驗結果表明：

1)該系統(tǒng)增加了參考容器這一緩沖容積，不僅使系統(tǒng)具有提前檢測大漏件的功能，也減少了穩(wěn)定階段所需要的時間，從而有效提高了直壓法檢測效率.

2)系統(tǒng)采用西門子PLC為核心控制器，應用觸摸屏技術，選用了高精度的壓力傳感器.檢測系統(tǒng)具有較好的檢測精度和重復性，而且可視性好，自動化程度高，能用于工廠在線批量檢測.

溫度補償在該系統(tǒng)的應用問題有待進一步研究.

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The design of camera air-leakage detecting systems based on external direct pressure

XU Zhipeng, FENG Longgao, ZHOU Jun, YAN Lei

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Abstract:Aimed at the problem that it is difficult to detect the air-leakage of the whole sealing element for the traditional direct and differential pressure methods, an air-leakage detecting scheme of camera based on external direct pressure was put forward. A camera air-leakage detecting system was designed and an experimental prototype was built on the basis of introducing the external direct pressure measuring principle and the relative air-leakage formulas. The experimental results showed that the index of serious, slight or qualified leakage could be detected quickly, accurately and steadily. The testing period of the system was less than 40 seconds. It provides a solution for the air-leakage detection of the whole sealing device.

Key words:camera; air-leakage; detecting; director pressure; leak-rate

【文章編號】1004-1540(2016)01-0018-05

DOI:10.3969/j.issn.1004-1540.2016.01.003

【收稿日期】2015-09-07《中國計量學院學報》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

【基金項目】國家自然科學基金資助項目(No.11002137,51305419).

【作者簡介】徐志鵬(1982- )，男，安徽省安慶人，博士，主要研究方向為精密運動控制及流量計量.E-mail:xuzhipeng@zjlu.edu.cn

【中圖分類號】TH138

【文獻標志碼】A