基于精密壓力傳感器氣密性檢測裝置設計

崔保健，畢文輝

(中國人民解放軍92493 部隊89 分隊，遼寧葫蘆島125000)

0 引言

泄漏檢測也稱為氣密性、密封性檢測，是為了保證容器、零部件等裝配后無泄漏，防止設備故障，確保人員和設備安全，保證產品滿足泄漏要求的工藝過程。泄漏檢測的方法多種多樣，有傳統的濕式氣泡法、靜壓法/直壓法、流量法、微差壓法、氦氣泄漏檢測法等［1-3］。這些方法對密封性測試都很有效，各具優點和缺點，需要針對被測設備測試容積、泄漏率、測試壓力、測試節拍以及工藝上的要求選擇合適的氣密性測試方法。直壓法是對被測設備密封并以空氣(或氮氣)加壓，用精密壓力表測量壓力變化，根據壓力損失自動確認泄漏率，這種方法雖然不能確定具體漏點，但是能夠自動運行，無需操作工主觀判斷，具有速度快、重復性好、潔凈的特點。某型裝備需要對潤滑系統、燃油系統和助推器的密封性進行快速、自動檢測，并能夠自動處理泄漏率，根據允許泄漏值可編程設置合格/不合格，判斷是否通過密封性檢測。本文介紹了一種采用DPS8000 精密壓力傳感器、內置式無油氣壓泵和微處理器的直壓式密封性自動檢測裝置，具有智能化程度高、體積小、便攜式和多量程的特點。

1 泄漏率測試的工作原理

直壓法密封性檢測的工作原理是:根據檢測工藝規程要求，對被測系統充氣，使其達到一定的壓力范圍，關閉充氣閥門，等待容器內部的壓力和溫度穩定后，采集容器內的起始壓力值p1，同時開始計時，到達檢測工藝規程要求的時間Δt 時，采集容器內的終止壓力值p2，依據公式(1)計算容器的泄漏率［4-5］:

實際測試中，由于測試時間較長，又沒有標準件參考，環境溫度變化對測試結果影響較大，必須考慮壓力測量結果的溫度補償。干燥空氣和氮氣可以視為理想氣體，對被測容器的溫度進行多點檢測平均，根據理想氣體狀態方程pV=nRT(其中，p 為壓強，V 為體積，T 為溫度，n 為氣體物質的量，R=8.314 J/mol)，測量開始時，系統內實測壓力p1，溫度為T1，測量結束時，系統內壓力實測p2，溫度為T2，實際系統容積遠遠大于容器內氣體泄漏量，忽略泄漏量影響，容器體積和容器內氣體摩爾數不變，系統內氣體的量:，檢測結束時，溫度補償后壓力:，實際泄漏率計算如公式(2):

2 技術要求和設計方案

2.1 技術要求

1)助推器檢測要求

對助推器施加壓力(0.04±0.005)MPa 干燥壓縮空氣，壓力設定控制誤差2%，壓力測量誤差0.02%FS，保壓30 min，壓力泄漏率小于5 kPa 為合格。

2)燃油系統氣密檢測要求

對燃油系統施加壓力(1.0±0.1)MPa 氮氣，壓力設定控制誤差1%，壓力測量誤差0.02%FS，保壓30 min，壓力泄漏率小于15kPa 為合格。

3)潤滑系統檢測要求

對潤滑系統施加壓力0.02 ～0.03 MPa 的氮氣，壓力設定控制誤差3%，壓力測量誤差0.02%FS，保壓30 min，壓力泄漏率小于2 kPa 為合格。

2.2 氣路結構和工作原理

氣密性檢測設備由外置高壓氮氣瓶，內置高壓氣泵、閥件、管路連接單元，和測量、控制、顯示單元三部分組成，處理器采用基于 ARM 結構的STM32F103VE，顯示輸入控制單元采用藍海微芯嵌入式一體機，人機操控界面采用觸摸屏方式，易于直觀顯示參數設置及檢測結果;壓力測量采用GE 公司的DPS8000 系列高精度壓力傳感器。設備整體設計采用箱式結構、模塊化設計，操作力求簡捷，只需通過觸摸屏操作，即可自動完成加壓、保壓、氣密性檢測、疏空放氣等系列操作，并直接顯示測試結果，方便現場應用。設備內部管路設計優選標準化管件，通過合理設置閥門不同位置和連接方式，使其最大限度地保證高壓氣體測量的安全性和氣體測量回路中連接管路的密閉性。壓力控制電路和數據采集電路設計，采用自研的壓力控制器和數據采集單元，即由模擬量和數字量雙閉環控制技術共同完成，以提高壓力控制過程快速響應和漏氣量采集的精確性。圖1 是氣密性檢測裝置的氣路結構圖。

圖1 氣密性檢測裝置氣路結構

3 氣密性檢測單元設計

3.1 壓力測量單元設計

美國GE 公司DPS8000 系列傳感器的壓力測量誤差為0.01%FS，工作溫度范圍為-40 ～+85°C，為方便控制電路設計，選擇的型號具有頻率和溫度信號輸出，由微處理器測量輸出信號頻率和傳感器內部溫度傳感器輸出電壓，并計算溫度補償后的實際壓力測量結果。頻率信號通過LM331 頻率/電壓轉換電路，轉換成模擬電壓參與模擬電路的控制。傳感器滿量程輸出頻率范圍為28 ～35 kHz，直接由微處理器計數測頻，刷新速率和測量精度不能滿足要求，為保證測量結果分辨力，必須對頻率信號進行分頻至微處理器測量范圍。同時，還要對頻率信號進行變頻，適應LM331 頻率電壓轉換電路要求，提高壓力控制準確度。分頻和變頻電路采用CPLD 電路設計，采用VHDL 硬件描述語言完成。分頻系數依據微處理器的計數單元字長和微處理器定時器工作頻率設定，系統設計分頻系數為1000 分頻，分頻輸出為300 Hz 左右;變頻設計依據頻率/電壓轉換電路適應范圍確定，頻率/電壓轉換電路的適應范圍為10 kHz，用微處理器72 MHz 時鐘分頻出27 kHz，作為分頻參考頻率。變頻與混頻電路結構如圖2所示，VHDL 硬件描述語言分頻、混頻程序如下。

圖2 分頻、變頻電路結構

3.2 頻率測量單元設計

DPS8000 精密壓力傳感器的滿量程輸出頻率范圍28 ～35 kHz，微處理器STM32F103VE 內部具有四個16位定時器，無論采用測頻率模式還是測周期模式，單計數器計數范圍為65536，頻率測量分辨力僅能達到0.5%左右，不能滿足壓力測量準確度需要，微處理器主時鐘頻率TIMxCLK 為72 MHz，系統顯示刷新頻率5 ～10 Hz，分頻至300 Hz，采用測周法測量頻率，計數器計數范圍:2057142 ～2571428，既能滿足測量準確度要求，也能適應顯示刷新速率需要，對微處理器內部的兩個16 位計數器進行級聯，實現32 位分辨力計數器功能。圖3 是兩個16 位定時計數器TIM2/TIM3級聯，成為32 位定時計數器內部結構圖，TIM3 頻率測量中斷服務程序如下。

圖3 定時器級聯機構32 位定時計數器

3.3 泄漏率檢測方法設計

通常氣密性檢測泄漏率計算方法按公式(1)計算，對壓力實施溫度補償后按公式(2)計算，兩點法計算泄漏率只利用了起始和終點壓力。容器內由于泄漏引起的氣體質量變化忽略不計，氣體泄漏率可以近似是一個常量，對氣密性檢測過程中的壓力和溫度實時采樣，形成采樣數據序列，對壓力、溫度采樣數據序列和采樣時間按照公式(3)進行最小二乘法線性擬合，擬合的直線的斜率就是泄漏率測量結果。

式中:N 為泄漏率測量采樣點數;pi為溫度補償后第i點壓力測量結果;ti為第i 個測量點的測量時刻;L 為泄漏率測量結果。

4 結果分析

高壓系統氣密性檢測的壓力變化曲線如圖4所示。檢測過程中壓力變化主要包括四個過程:加壓階段、穩壓階段、保壓測量階段和疏空階段，裝置界面如圖5所示。由于采用觸摸屏設計，用戶只需對測量時間、測量壓力和檢測容限進行設置，選擇好采用內部氣泵加壓還是外部氣瓶加壓，直接按動測試按鍵，即可自動完成氣密性檢測全過程，并實現測量結果的自動計算處理和顯示。

圖4 氣密性檢測壓力變化過程曲線

5 結論

圖5 氣密性檢測界面圖

針對某型裝備動力系統發動機潤滑系、燃油系、助推器等氣密性檢測應用實際，分析了常用氣密性檢測方法的特點，介紹了一種基于精密壓力傳感器的直壓氣密性檢測技術方案，對裝置硬件結構、關鍵測量技術和數據處理方法進行了設計，提高了檢測準確度，實現了氣密性自動檢測。具有操作方便、顯示直觀、靈敏度高、便攜性好的特點。經過實際應用，表明性能穩定，可以推廣應用。

［1］季增連，王道順.直壓式氣體泄漏檢測技術的研究［J］.中國儀器儀表，2007(11):30-32.

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［4］王勇，馬凱.氣密性檢測技術在發動機檢測過程中應用［J］.汽車工藝與材料，2009(7):3-5.

［5］邵威，金星，阿日，等.氣密檢漏泄漏量測試系統的設計［J］.計算機測量與控制，2010，18(2):270-271.