馬鎮(zhèn)華　張儒鋒　袁飛華　孫濤　姜徳志　洪浩瀚　林立鵬

摘要：采用程控型高精度電子皂膜流量計(jì)SF-1U和程控型高精度壓力控制器PPC4，配合軟件優(yōu)化，設(shè)計(jì)一種標(biāo)準(zhǔn)漏孔自動(dòng)校準(zhǔn)裝置。經(jīng)過多重穩(wěn)壓設(shè)計(jì)，在-0.1～1.6 MPa的測(cè)試壓力范圍內(nèi)，波動(dòng)穩(wěn)定性不超過1%；在0.1 ～10 mL/min的漏率范圍內(nèi)，重復(fù)性不超過0.5%。此外，該裝置在校準(zhǔn)完成后可自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，并生成原始記錄，節(jié)省人力和時(shí)間，降低了校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度。

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)漏孔；自動(dòng)校準(zhǔn)裝置；電子皂膜流量計(jì)；壓力控制器

中圖分類號(hào)：TB93 ???????????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ??????????文章編號(hào)：1674-2605（2024）03-0006-06

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2024.03.006

An Automatic Calibration Device for Standard Leakage Hole

Based on Electronic Soap Membrane Flowmeter

Abstract： A standard leak hole automatic calibration device is designed using a programmable high-precision electronic soap membrane flowmeter SF-1U and a programmable high-precision pressure controller PPC4， combined with software optimization. After multiple voltage stabilization designs， the fluctuation stability does not exceed 1% within the test pressure range of -0.1～1.6 MPa; Within the leakage rate range of 0.1～10 mL/min， the repeatability shall not exceed 0.5%. In addition， the device can automatically process data and generate original records after calibration， saving manpower and time， and reducing the uncertainty of calibration results.

Keywords： standard leakage hole; automatic calibration device; electronic soap membrane flowmeter; pressure controller

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)漏孔即泄漏標(biāo)準(zhǔn)器是一種對(duì)氣密檢漏儀或檢漏系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定、核查的器具。通道型標(biāo)準(zhǔn)漏孔采用通道限流的方法制作，可模擬產(chǎn)品的微小泄漏[1]，廣泛應(yīng)用于汽車零部件、燃?xì)饩?、醫(yī)療產(chǎn)品、防水型

穿戴設(shè)備、工業(yè)密封包裝等產(chǎn)品的密封性檢測(cè)。隨著密封工藝的不斷進(jìn)步，產(chǎn)品密封性能的要求也不斷提高，大量常規(guī)性產(chǎn)品的密封性檢測(cè)已達(dá)到防水微漏檢測(cè)的程度，即空氣泄漏量小于10 mL/min[2-3]。

傳統(tǒng)的通道型標(biāo)準(zhǔn)漏孔校準(zhǔn)采用JJF 1627―2017

《皂膜流量計(jì)法標(biāo)準(zhǔn)漏孔校準(zhǔn)規(guī)范》提供的方法，漏率適用范圍為1 mL/min ～ 10 L/min，壓力適用范圍為1 kPa～1.5 MPa。該方法通過壓縮空氣或鋼氣瓶向被校漏孔提供氣源；利用多級(jí)減壓閥調(diào)壓，使壓力達(dá)到被校漏孔的校準(zhǔn)壓力；待校準(zhǔn)壓力穩(wěn)定后，利用皂膜流量計(jì)測(cè)量被校漏孔的漏率值。通道型標(biāo)準(zhǔn)漏孔校準(zhǔn)的關(guān)鍵是保證校準(zhǔn)過程中壓力的穩(wěn)定性，以及皂膜流量計(jì)的準(zhǔn)確性[4]。

《皂膜流量計(jì)法標(biāo)準(zhǔn)漏孔校準(zhǔn)規(guī)范》提供的校準(zhǔn)方法存在的主要問題有：1） 1 mL/min以下的漏孔校準(zhǔn)需求越來越大，但面臨無校準(zhǔn)規(guī)程可依的問題；2） 國內(nèi)提供漏孔校準(zhǔn)服務(wù)的計(jì)量機(jī)構(gòu)標(biāo)稱的不確定度大部分在3%～5%的范圍內(nèi)，不確定度較大[5-6]；3） 標(biāo)準(zhǔn)漏孔校準(zhǔn)裝置的泄漏基數(shù)偏大，導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果存在較大誤差[7]；4） 校準(zhǔn)過程需要人工參與，校準(zhǔn)結(jié)果一致性較差。

本文提出一種基于電子皂膜流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)漏孔自動(dòng)校準(zhǔn)裝置（以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)校準(zhǔn)裝置），采用程控型高精度電子皂膜流量計(jì)SF-1U，測(cè)量范圍為0.1～10 mL/min，填補(bǔ)了0.1～1 mL/min量程段漏孔的校準(zhǔn)空白；采用程控型高精度壓力控制器PPC4，測(cè)量范圍為-0.1～1.6 MPa，保證了校準(zhǔn)過程中壓力的穩(wěn)定性，使自動(dòng)校準(zhǔn)裝置可以兼顧正負(fù)壓漏孔的校準(zhǔn)。電子皂膜流量計(jì)SF-1U和壓力控制器PPC4均通過程序控制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)校準(zhǔn)。此外，自動(dòng)校準(zhǔn)裝置還配備了專用的一體化閥板，閥板上安裝有溫度傳感器、露點(diǎn)儀等儀器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)氣路的氣體溫度和露點(diǎn)溫度，提高校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性。

1 自動(dòng)校準(zhǔn)裝置工作原理

自動(dòng)校準(zhǔn)裝置以電子皂膜流量計(jì)為流量讀取單元，壓力控制器為壓力控制單元，通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)漏孔的自動(dòng)校準(zhǔn)，工作原理如圖1所示。

自動(dòng)校準(zhǔn)裝置主要分為正壓漏孔校準(zhǔn)、負(fù)壓漏孔校準(zhǔn)和氣控閥驅(qū)動(dòng)3條氣路。其中，正壓漏孔校準(zhǔn)氣路和氣控閥驅(qū)動(dòng)氣路由正壓氣源供氣；負(fù)壓漏孔校準(zhǔn)氣路由負(fù)壓氣源供氣。正、負(fù)壓氣源同時(shí)輸入到壓力控制器，壓力控制器根據(jù)目標(biāo)壓力的類型，切換到合適的氣路。氣控閥有兩種：一種用于正、負(fù)壓夾具的切換控制，是1個(gè)兩位的三通氣控閥或2個(gè)兩位的兩通氣控閥；另一種與潤壁漏孔連接，用于皂膜管快速潤壁。正、負(fù)壓夾具分別連接電子皂膜流量計(jì)的進(jìn)氣口和出氣口。在正壓漏孔校準(zhǔn)時(shí)，負(fù)壓夾具對(duì)空；在負(fù)壓漏孔校準(zhǔn)時(shí)，正壓夾具對(duì)空。

自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的主要功能包括：

1） 自動(dòng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)過程無需人工參與；

2） 快速潤壁，一體化閥板上設(shè)置有潤壁氣控閥，該氣控閥與5 mL/min的標(biāo)準(zhǔn)漏孔連接，校準(zhǔn)前，對(duì)皂膜管潤壁，可提高校準(zhǔn)效率，減小校準(zhǔn)誤差；

3） 過載保護(hù)，氣源穩(wěn)壓模塊由電氣比例閥和機(jī)械閥組成，除了具有穩(wěn)壓作用外，還能限制壓力控制器的輸入壓力，避免輸入壓力過高對(duì)壓力控制器造成損壞，導(dǎo)致前級(jí)氣源壓力全部輸入到校準(zhǔn)氣路，發(fā)生事故；

4） 密封性檢測(cè)，避免因校準(zhǔn)系統(tǒng)泄漏導(dǎo)致的校準(zhǔn)結(jié)果不準(zhǔn)確，提高校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性；

5） 數(shù)據(jù)自動(dòng)處理，自動(dòng)記錄校準(zhǔn)數(shù)據(jù)到規(guī)范的原始記錄模版中，也可導(dǎo)出校準(zhǔn)結(jié)果。

2 自動(dòng)校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)

自動(dòng)校準(zhǔn)裝置主要包括流量讀取單元、主控單元、壓力控制器、穩(wěn)壓?jiǎn)卧?、氣源、操作臺(tái)、顯示單元、配電箱等單元，如圖2所示。其中，主控單元集成了一體化閥板、I/O模塊、串口模塊、驅(qū)動(dòng)電磁閥、開關(guān)電源等部件。

自動(dòng)校準(zhǔn)裝置采用立式設(shè)計(jì)，分為上下兩部分，底部裝有4個(gè)定位滾輪，以保證裝置穩(wěn)定移動(dòng)。為提高自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的性能，對(duì)部件的布局、整體結(jié)構(gòu)的密封性和氣路控制進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：

1） 自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的上半部分主要安裝輸入氣源部分，即校準(zhǔn)氣路；下半部分主要安裝前級(jí)氣源處理部分和供電、通信部分；上下兩部分由金屬板隔開，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作和維護(hù)；

2） 采用端面式密封，密封性可靠、拆裝方便、便于維護(hù)；

3） 采用無溫升、低擾動(dòng)的氣控閥，實(shí)現(xiàn)氣路的切換控制，該氣控閥動(dòng)作時(shí)不會(huì)發(fā)熱，對(duì)氣路的壓力影響較小，減小了閥門對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響；

4） 三級(jí)穩(wěn)壓，第一級(jí)穩(wěn)壓是在氣源輸入端設(shè)置10 L的標(biāo)準(zhǔn)罐，可有效減小氣源波動(dòng)對(duì)輸入壓力的影響；第二級(jí)穩(wěn)壓為壓力控制器，控制精度達(dá)0.001 kPa；第三級(jí)穩(wěn)壓是在壓力控制器輸出端設(shè)置0.5 L的標(biāo)準(zhǔn)罐，以減小壓力控制器輸出的壓力波動(dòng)對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響；

5） 模塊化設(shè)計(jì)，自動(dòng)校準(zhǔn)裝置主要由穩(wěn)壓、壓力控制、主控、流量讀取、顯示等5個(gè)單元組成，每個(gè)單元可單獨(dú)使用，也可組合使用。

3 自動(dòng)校準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)

自動(dòng)校準(zhǔn)裝置通過控制系統(tǒng)控制串口通信模塊和I/O通信模塊，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)漏孔的自動(dòng)校準(zhǔn)。自動(dòng)校準(zhǔn)裝置電氣控制邏輯如圖3所示。

控制系統(tǒng)通過串口通信模塊傳遞輸入和輸出信號(hào)，間接控制壓力控制器和電子皂膜流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)漏孔的自動(dòng)校準(zhǔn)。溫度傳感器和露點(diǎn)儀與串口通信模塊連接，將測(cè)試數(shù)據(jù)上傳至控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)在人機(jī)界面顯示。I/O通信模塊用于控制驅(qū)動(dòng)電磁閥，再通過驅(qū)動(dòng)電磁閥控制氣控閥，從而控制校準(zhǔn)氣路的通斷。

4 軟件部分

4.1 ?自動(dòng)校準(zhǔn)裝置程序流程

自動(dòng)校準(zhǔn)裝置上位機(jī)軟件采用C#語言編寫，可自動(dòng)處理校準(zhǔn)結(jié)果，并根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果自動(dòng)生成校準(zhǔn)原始記錄。自動(dòng)校準(zhǔn)裝置程序流程如圖4所示。

自動(dòng)校準(zhǔn)裝置顯示每次測(cè)試的壓力、漏率和溫度，并自動(dòng)保存校準(zhǔn)原始數(shù)據(jù)。軟件上保存的歷史數(shù)據(jù)無法刪除，防止人員誤操作導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

4.2? 軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)

在標(biāo)準(zhǔn)漏孔校準(zhǔn)過程中，常遇到壓力波動(dòng)、溫度波動(dòng)、皂膜破裂、不起膜等異常情況，影響測(cè)試數(shù)據(jù)的可用性，甚至導(dǎo)致測(cè)試無效。為此，在設(shè)計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)裝置軟件時(shí)，需充分考慮這些異常情況。當(dāng)軟件無法自動(dòng)處理異常情況時(shí)，立即報(bào)警。軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括：

1） 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)氣路壓力，若壓力波動(dòng)超限，電子皂膜流量計(jì)停止執(zhí)行新的起膜動(dòng)作，并進(jìn)入壓力穩(wěn)定等待狀態(tài)；待壓力恢復(fù)穩(wěn)定后，繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試，避免因壓力波動(dòng)而導(dǎo)致的測(cè)試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，超出規(guī)程允許范圍；

2） 當(dāng)排氣結(jié)束后，將壓力控制器的遠(yuǎn)程模式轉(zhuǎn)為手動(dòng)控制，防止壓力控制器排氣異常，造成殘余高壓傷人；

3） 自動(dòng)進(jìn)行壓力穩(wěn)定緩沖，根據(jù)管路、被校漏孔、壓力值進(jìn)行綜合壓力穩(wěn)定延時(shí)，防止壓力控制器出現(xiàn)故障或氣源異常時(shí)，校準(zhǔn)過程無限期地等待壓力穩(wěn)定；

4） 默認(rèn)進(jìn)行皂膜管濕潤，防止因皂膜管過于干燥而無法進(jìn)行測(cè)試，引發(fā)皂膜讀取時(shí)間超時(shí)；

5） 自動(dòng)優(yōu)化測(cè)試間隔（起膜間隔），防止測(cè)試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，影響校準(zhǔn)結(jié)果。

5 測(cè)試驗(yàn)證

5.1 測(cè)試要求

測(cè)試環(huán)境溫度為（23±5）℃，濕度不超過85%RH，大氣壓力為80～106 kPa。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為25.3 ℃，濕度為55%RH，大氣壓力為100.65 kPa。

為驗(yàn)證自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的漏率測(cè)量范圍是否滿足0.1～10 mL/min的設(shè)計(jì)要求，分別進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)6次。一組測(cè)試0.1 mL/min的標(biāo)準(zhǔn)漏孔，驗(yàn)證自動(dòng)校準(zhǔn)裝置能否達(dá)到最小測(cè)量值；另一組測(cè)試10 mL/min的標(biāo)準(zhǔn)漏孔，驗(yàn)證自動(dòng)校準(zhǔn)裝置能否達(dá)到最大測(cè)量值。為保證校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性，每組實(shí)驗(yàn)開始前都要進(jìn)行密封性合格檢測(cè)。

5.2 測(cè)試過程

除了拆裝被校漏孔、登記被校漏孔信息以及校準(zhǔn)完成后核對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果由人工完成外，校準(zhǔn)過程及校準(zhǔn)結(jié)果記錄均由自動(dòng)校準(zhǔn)裝置自動(dòng)完成，操作流程為：

1） 根據(jù)被校漏孔的類型，人工將其安裝到對(duì)應(yīng)的夾具中，并將被校漏孔的信息登記到上位機(jī)軟件，設(shè)定目標(biāo)壓力和標(biāo)稱漏率，啟動(dòng)校準(zhǔn)；

2） 自動(dòng)進(jìn)行密封性檢測(cè)、潤壁及自動(dòng)校準(zhǔn)；

3） 自動(dòng)排氣，對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行處理并保存原始記錄；

4） 人工核對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果是否準(zhǔn)確，確認(rèn)無誤后拆下被校漏孔，校準(zhǔn)完成。

5.3 數(shù)據(jù)處理

5.3.1 平均值

上位機(jī)軟件自動(dòng)完成校準(zhǔn)結(jié)果的處理，校準(zhǔn)結(jié)果的平均值計(jì)算公式為

5.3.2 重復(fù)性

校準(zhǔn)結(jié)果的重復(fù)性按照J(rèn)JF 1627―2017《皂膜流量計(jì)法標(biāo)準(zhǔn)漏孔校準(zhǔn)規(guī)范》提供的極差法計(jì)算，由上位機(jī)軟件自動(dòng)計(jì)算完成，計(jì)算公式為

式中：為校準(zhǔn)結(jié)果的重復(fù)性，為重復(fù)性測(cè)量的最大值，為重復(fù)性測(cè)量的最小值，為校準(zhǔn)結(jié)果的平均值，為極差系數(shù)。

5.3.3 標(biāo)況漏率

電子皂膜流量計(jì)得到的校準(zhǔn)結(jié)果是標(biāo)況漏率，使用前，需要在電子皂膜流量計(jì)上輸入當(dāng)前環(huán)境溫度和大氣壓，按照使用習(xí)慣在上位機(jī)軟件上設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)況溫度、標(biāo)況漏率和工況漏率，按照公式（3）進(jìn)行換算：

式中：為換算后的工況漏率，為電子皂膜流量計(jì)顯示的標(biāo)況漏率，為設(shè)定的標(biāo)況溫度，為當(dāng)前環(huán)境溫度，為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，為當(dāng)前環(huán)境大氣壓，為氣體飽和蒸汽壓。

5.4 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試1對(duì)標(biāo)稱壓力為400 kPa、漏率為0.1 mL/min的漏孔進(jìn)行校準(zhǔn)，重復(fù)測(cè)量6次，結(jié)果如表1所示。

0.1 mL/min漏孔漏率的校準(zhǔn)結(jié)果曲線如圖5所示。

測(cè)試2對(duì)標(biāo)稱壓力為180 kPa、漏率為10 mL/min的漏孔進(jìn)行校準(zhǔn)，重復(fù)測(cè)量6次，結(jié)果如表2所示。

10 mL/min漏孔漏率的校準(zhǔn)結(jié)果曲線如圖6所示。

由兩組測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，自動(dòng)校準(zhǔn)裝置在校準(zhǔn)過程中，壓力和漏率的波動(dòng)都很小，校準(zhǔn)范圍滿足0.1～10 mL/min的要求，且校準(zhǔn)范圍的下限和上限測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性較好，測(cè)量精密度較高。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于電子皂膜流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)漏孔高精度自動(dòng)校準(zhǔn)裝置。經(jīng)測(cè)試，該自動(dòng)校準(zhǔn)裝置漏率校準(zhǔn)下限為0.1 mL/min，重復(fù)性達(dá)0.43%；漏率校準(zhǔn)上限為10 mL/min，重復(fù)性達(dá)0.06%。校準(zhǔn)范圍為0.1～10 mL/min，滿足低漏率漏孔校準(zhǔn)的需求，解決了小漏率漏孔校準(zhǔn)的難題，改善了因壓力調(diào)節(jié)不穩(wěn)定導(dǎo)致的校準(zhǔn)結(jié)果誤差大、結(jié)果不穩(wěn)定等問題。該自動(dòng)校準(zhǔn)裝置不僅減少了人工介入，實(shí)現(xiàn)了校準(zhǔn)過程自動(dòng)化，提高了工作效率，還消除了人為因素引起的不確定度，提高了校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性。該自動(dòng)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)的漏率校準(zhǔn)上限為10 mL/min，壓力上限為1.6 MPa，未來將繼續(xù)研究其兼容性，將壓力擴(kuò)展到 ??3 MPa，漏率擴(kuò)展到100 mL/min。

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