熊四昌，毛國賓，唐浩然

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014)

0 引 言

泄漏檢測也叫密封性檢測或試漏[1]。隨著工業(yè)與日用產(chǎn)品的復(fù)雜程度和對安全性要求的提高，氣體泄漏檢測技術(shù)在生產(chǎn)生活中起著重要作用[2]。在汽車、航空、燃?xì)饩摺⑹?、化工和物流運輸?shù)刃袠I(yè)，都需要對相關(guān)產(chǎn)品的密封元件進行氣密性檢測，從而衡量和保證產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性能[3-5]。為了滿足這些行業(yè)對氣泄漏檢測精度的更高要求，國內(nèi)外機構(gòu)相繼提出了一系列的檢測方法和開發(fā)了相應(yīng)的檢測設(shè)備。氣體泄漏檢測方法包括靈敏度高的超聲波法、放射性同位素法、氦質(zhì)譜檢測法[6]、能定量的差壓法和近期提出的容積補償法[7]。氣體泄漏檢測設(shè)備如：美國USON的4000系列測漏儀、德國JWFROEHLICH公司的MPS5系列試漏儀、天津長野福田公司設(shè)計的檢漏儀FL-800。對于這些基于不同檢測方法而研制的國內(nèi)外氣體泄漏檢測設(shè)備，檢測精度一直是判斷它們優(yōu)劣的重要依據(jù)之一。目前國外的氣體泄漏檢測設(shè)備較為先進，精確度可達0.01 ml/min，測量誤差在±2.5%左右；而國內(nèi)的氣體泄漏檢測設(shè)備精確度也可達到0.01 ml/min，但誤差較國外設(shè)備較差，在±3%～±6%不等[8]。

對于氣體泄漏檢測設(shè)備的標(biāo)定，目前多采用的是預(yù)混合標(biāo)定氣體、滲透、交叉標(biāo)定等方法。這些傳統(tǒng)的方法都存在著操作過程復(fù)雜、測量誤差大、對設(shè)備要求較高和便攜性差等缺點，嚴(yán)重限制了泄漏檢測設(shè)備的研制周期。

為解決上述問題，并考慮到目前氣體泄漏檢測設(shè)備的參數(shù)要求，本文將基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)，設(shè)計一種工作壓力范圍為0～0.8MPa的輕量型高精度的模擬泄漏控制系統(tǒng)，為標(biāo)定氣體泄漏檢測設(shè)備提供方便并且可靠的標(biāo)定平臺。

1 模擬泄漏結(jié)構(gòu)原理及其設(shè)計

1.1 模擬泄漏結(jié)構(gòu)原理

模擬泄漏結(jié)構(gòu)的主要功能是為了將步進電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為氣缸活塞的直線運動，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 模擬泄漏結(jié)構(gòu)原理圖

當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時，通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，絲桿與滑塊將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為氣缸活塞的直線運動。若氣缸右端與被測容器連接，控制氣缸活塞向左做直線運動，被測容器內(nèi)的氣體將會進入氣缸的右端容腔，形成被測容器向外漏氣的狀態(tài)，從而實現(xiàn)控制系統(tǒng)的模擬泄漏。為了實時獲取步進電機的精確轉(zhuǎn)速，本研究在步進電機一端連接了增量式光電編碼器進行測量，并使用位移傳感器來檢測氣缸的位移量，對模擬泄漏量進行監(jiān)控。

該系統(tǒng)中的模擬泄漏量計算公式為：

(1)

式中：ΔV—模擬泄漏量，ml；d—氣缸直徑，mm；s—氣缸位移，mm。

氣缸位移s為：

s=n×h×Δt

(2)

式中：n—步進電機轉(zhuǎn)速，r/min；h—滾珠絲桿的螺距，mm；Δt—檢測時間，min。

步進電機轉(zhuǎn)速n為：

(3)

式中：f—脈沖頻率，Hz；χ—步進電機驅(qū)動細(xì)分?jǐn)?shù)；α—步距角，(°)。

聯(lián)立(1，2)式，可求得模擬泄漏率Q：

(4)

式中：Q—模擬泄漏率，ml/min。

在式(4)中代入式(3)，可得模擬泄漏率Q為：

(5)

1.2 模擬泄漏結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過式(4)可知：模擬泄漏率只由電機的轉(zhuǎn)速決定，但在進行元器件選型時，需參考式(5)中與模擬泄漏率精度相關(guān)的參數(shù)，最后根據(jù)模擬泄漏的工作原理設(shè)計了模擬泄漏結(jié)構(gòu)。

模擬泄漏結(jié)構(gòu)實物圖如圖2所示。

圖2 模擬泄漏結(jié)構(gòu)實物圖1-光電編碼器；2-步進電機；3-聯(lián)軸器；4-滾珠絲桿；5-直線導(dǎo)軌；6-氣缸；7-位移傳感器；8-步進電機驅(qū)動器；9-滑塊

由圖2可看出整個裝置結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便并極具便攜性。

該設(shè)計選用型號為35BYGH系列的混合式步進電機，步距角為1.8°。

步進電機配備型號為HB202M，細(xì)分?jǐn)?shù)最高達10 000的步進電機驅(qū)動器。

氣缸選用SMC公司的MA16100型氣缸，內(nèi)部泄漏不大于10-5atmcc/s。

編碼器采用型號為IHC3808系列的增量式光電編碼器，一圈脈沖數(shù)為500。

滾珠絲桿選用螺距為1 mm，行程為120 mm的日本THK公司LM系列引動器。

位移傳感器選用KTR系列自復(fù)位式位移傳器，量程為0～100 mm，線性度±0.05%，重復(fù)精度小于0.01 mm[9-10]。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能的需要，本研究設(shè)計了模擬泄漏控制系統(tǒng)的硬件外圍設(shè)備電路。它包括以S3C2440為中心的核心板模塊、電源模塊、人機交互模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行元件模塊、數(shù)據(jù)交互模塊等。

模擬泄漏控制系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

圖3 模擬泄漏控制系統(tǒng)硬件框圖

2.2 步進電機控制電路設(shè)計

為控制步進電機的轉(zhuǎn)速，本研究首先需配置S3C2440內(nèi)置定時器實現(xiàn)單位時間內(nèi)脈沖數(shù)的調(diào)節(jié)，再通過步進電機驅(qū)動器對電機速度與方向進行控制。本研究采用SN74LVC4245進行電平3.3 V到5 V轉(zhuǎn)換，同時采用ULN2003芯片提高S3C2440的GPIO引腳的電流輸出能力。

電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 步進電機控制電路圖

2.3 光電編碼器的脈沖采集

型號IHC3808光電編碼器原理是旋轉(zhuǎn)一圈發(fā)出500個脈沖數(shù)，通常需要兩步才能實現(xiàn)對編碼器的計數(shù)。首先，對編碼器的正、反轉(zhuǎn)進行判斷；其次，進行加、減計數(shù)[11]。

控制器S3C2440通過外部中斷0對光電編碼發(fā)出的脈沖數(shù)進行計數(shù)。統(tǒng)計光電編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)，便可以求出步進電機的實測轉(zhuǎn)速nx為：

(6)

式中：nx—實測轉(zhuǎn)速，r/min；A—單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)；τ—采集時間間隔，s；N—轉(zhuǎn)一周光電編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)。

2.4 氣缸活塞位移數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

氣缸活塞位移采集主要由位移傳感器與16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8344完成。ADS8344將位移傳感器采集的氣缸位移信號進行A/D轉(zhuǎn)換，并采用電壓基準(zhǔn)芯片ADR445為ADS8344提供5 V的參考電壓。

電路設(shè)計如圖5所示。

圖5 位移數(shù)據(jù)采集電路圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PWM脈沖寬度調(diào)制

系統(tǒng)采用的S3C2440的定時器0、1、2、3都具有脈寬調(diào)制功能[12]。

其PWM時鐘原理圖如圖6所示。

圖6 S3C2440 PWM時鐘原理圖

該設(shè)計選用定時器0的脈寬調(diào)制功能，通過調(diào)制TOUT0端口輸出的脈沖信號的周期和占空比以獲得所需的方波，精確控制步進電機的轉(zhuǎn)速。

TOUT0端口輸入脈沖是由時鐘PCLK先經(jīng)過兩次分頻，再通過設(shè)置比較緩沖寄存器TCMPB0而得到[13]。TOUT0端口輸入脈沖頻率越高，TOUT0端口輸出脈沖與目標(biāo)脈沖的誤差就越小。設(shè)計采用的S3C2440的時鐘配置PCLK為50 MHz，對寄存器的設(shè)置如下：

//設(shè)置預(yù)分頻值prescaler value=15

TCFG0&=～S3C2410_TCFG_PRESCALER0_MASK;

TCFG0|=(16-1);

//設(shè)置分頻值divider value=2

TCFG1 &=～S3C2410_TCFG1_MUX0_MASK;

TCFG1 |=S3C2410_TCFG1_MUX0_DIV2;

定時器0的時鐘輸入頻率Frequency=PCLK/(prescalervalue+1)/(divider value)=50 MHz/(15+1)/2=1 562 500 Hz，它的輸出頻率是要根據(jù)步進電機的轉(zhuǎn)速來設(shè)定的。若步進電機的轉(zhuǎn)速為n(r/min)，則所需脈沖信號的頻率freq=10 000n/60，10 000為步進電機驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)。

//設(shè)置脈沖信號頻率為freq，占空比為50%

tcnt=Frequency/freq;

__raw_writel(tcnt, S3C2410_TCNTB(0));

__raw_writel(tcnt/2, S3C2410_TCMPB(0));

3.2 控制程序設(shè)計

模擬泄漏控制程序設(shè)計主要是在Linux及底層驅(qū)動的基礎(chǔ)上進行交互界面、數(shù)據(jù)采集處理程序、驅(qū)動程序、執(zhí)行元件控制和數(shù)據(jù)存儲5個模塊的設(shè)計。

系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)框圖

控制程序的功能主要是通過人機交互界面設(shè)置和顯示模擬泄漏參數(shù)，控制執(zhí)行元件，實時采集光電編碼器和位移傳感器的信號，并對其濾波之后計算相應(yīng)實測模擬泄漏率，最后對相關(guān)數(shù)據(jù)進行存儲。

完整的模擬泄漏控制程序流程圖如圖8所示。

圖8 程序流程圖

3.3 Qt人機交互界面設(shè)計

為了更好地對參數(shù)進行設(shè)置和顯示，方便操作，增加系統(tǒng)的人機交互性，筆者采用QtCreator設(shè)計了系統(tǒng)的交互界面。

系統(tǒng)交互界面圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)交互界面圖

界面主要是由參數(shù)設(shè)定、控制和實測顯示3部分組成。參數(shù)設(shè)定是對步進電機轉(zhuǎn)速及相對應(yīng)的模擬泄漏率的設(shè)定，針對設(shè)定電機速度，筆者設(shè)計了一個虛擬數(shù)字鍵盤；控制部分針對步進電機的旋轉(zhuǎn)方向、開始和停轉(zhuǎn)進行控制；實測顯示部分是針對步進電機可能出現(xiàn)的丟步現(xiàn)象而引入的光電編碼器的實測數(shù)據(jù)進行顯示，其數(shù)據(jù)為步進電機實測轉(zhuǎn)動速度以及模擬泄漏系統(tǒng)的實測模擬泄漏率。

4 實驗與結(jié)果分析

該系統(tǒng)是面向進行定量分析的微泄漏領(lǐng)域設(shè)計的，故本研究在模擬泄漏率為0.201 ml/min～12.063 ml/min區(qū)間進行實驗。在實際應(yīng)用過程中，氣缸接被測容器的一端是承受著檢測壓力的，實驗時將氣缸一端接上0.8 MPa氣源。本研究設(shè)定系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣時間間隔為1 s，實時對光電編碼器和位移傳感器進行數(shù)據(jù)采樣以計算實測泄漏率。

實驗結(jié)果如表1所示。

表1 模擬泄漏實驗數(shù)據(jù)表

其中，Qx為4.023 ml/min實驗結(jié)果如圖10所示。

由圖中數(shù)據(jù)可知：實測模擬泄漏率Qx的最大波動誤差只有0.149%。

基于上述分析可知：光電編碼器實測泄漏率QX

圖10 Qx為4.023 ml/min實時檢測圖

誤差小、精度高并具有良好的穩(wěn)定性，達到了系統(tǒng)對精度和穩(wěn)定性的要求，可以作為系統(tǒng)的實際模擬泄漏。

5 結(jié)束語

根據(jù)模擬泄漏原理，基于嵌入式Linux系統(tǒng)，本文設(shè)計了一種能精確穩(wěn)定控制模擬泄漏的控制系統(tǒng)，內(nèi)容主要包括對模擬泄漏結(jié)構(gòu)設(shè)計，控制步進電機轉(zhuǎn)速的PWM脈寬調(diào)制，系統(tǒng)硬件電路設(shè)計，系統(tǒng)控制程序和人機交互界面的設(shè)計；最后進行了實驗，經(jīng)過對系統(tǒng)模擬泄漏率的誤差精度和穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論：

該系統(tǒng)在適用范圍0.201 ml/min～9.565 ml/min內(nèi)，具有誤差小，精度高并且具有良好的穩(wěn)定性，達到了標(biāo)定氣體泄漏檢測設(shè)備時對模擬泄漏精度和穩(wěn)定性的要求，可為標(biāo)定氣體泄漏檢測設(shè)備的檢測精度提供方便的平臺和可靠的依據(jù)。

另外，實驗并沒有具體分析氣壓壓力大小對系統(tǒng)的影響，沒能準(zhǔn)確給出系統(tǒng)所適用的最高壓力。同時研究過程中發(fā)現(xiàn)：得到更高的時鐘輸入頻率Frequency，對系統(tǒng)的精度會有所改善。期望在日后的工作中能進一步研究。