計算機組態軟件在安全閥密封性能試驗中的應用

姚海龍 姚根芝 陸大明 張向東 郝小華（蚌埠市特種設備監督檢驗中心 蚌埠 233000）

計算機組態軟件在安全閥密封性能試驗中的應用

姚海龍 姚根芝 陸大明 張向東 郝小華
（蚌埠市特種設備監督檢驗中心 蚌埠 233000）

針對傳統的安全閥密封試驗人工數氣泡法繁瑣、低效，準確性和可靠性差等問題，將計算機組態軟件結合氣壓測漏法應用到安全閥密封性能檢測中。通過對單位時間壓力下降值和氣體泄漏量關系的研究，提出了一種簡易高效準確的安全閥密封試驗智能檢測系統的設計方案，并重點闡述了計算機組態軟件在檢測系統中的開發應用。

安全閥密封試驗 組態軟件 氣壓測漏法 泄漏量和壓力下降值關系 智能檢測系統

密封性能是工業密封件的一項重要指標，對產品質量和性能等方面有很大影響，而泄漏檢測是保證密封件密封性能關鍵手段之一。目前氣體泄漏檢測已廣泛應用于汽車、航空、電子產品、工業和民用設備等領域中，根據不同的原理，檢測方法有很多，其中氣壓測漏法是以壓縮空氣為介質，對被測密閉容器充氣加壓或者抽真空，然后對其壓力進行采樣分析，通過一定時間內壓力值變化量，推斷出泄漏量大小，從而判斷密封性是否合格。隨著科學技術的發展，氣壓測漏法因其準確可靠、自動化程度高、操作簡單、干凈無污染，已成為氣體泄漏檢測行業的主流。

安全閥的密封性是安全閥重要的性能參數之一，TSG ZF001ü2006《安全閥安全技術監察規程》中明確要求安全閥在型式試驗、出廠檢驗、安裝前檢查、定期校驗中均應進行密封試驗，但現行國家規范標準還停留在人工數氣泡方式，該方法繁瑣低效，準確性和可靠性差，制約了檢測效率和檢測質量，隨著電子信息技術的不斷發展以及各行業之間技術的不斷滲透，安全閥密封性檢測自動化已是必然的趨勢。本文擬將計算機控制技術結合上述氣壓測漏法應用到以氣體為介質的安全閥密封試驗檢測工作中，研制一套以壓力變送器、數據采集模塊、計算機組態軟件為核心的相應的智能檢測系統，實現自動采集處理數據和自動判斷結果，實現智能化密封試驗檢測，代替原國家規范中要求的人工數氣泡數量方法，將大大提高檢測工作水平和效率。

計算機組態軟件是一種基于模塊、對象的開發環境軟件，軟件集成性和面向對象化的程度比較高，軟件二次開發只需要編寫較少的代碼和進行簡單的設置，在開發成本不高的前提下為用戶提供較完善的自動化監控系統。由于組態軟件支持在圖形界面下用戶對控制系統的采樣點、控制回路、產生報表以及網絡設備等進行定義，并將其組態，因此組態軟件的應用非常廣泛。Fameview是一款國產的組態軟件，是基于Windows NT、Windows 2000/XP的32位軟件，該軟件運行速度快，兼容性強，具有運行穩定、功能豐富、通訊暢通、運行速度快、界面友好且簡單易用、結構化組態、擴展性好等優點，是國內技術領先的自動化領域組態軟件，可實現工業數據采集，數據管理和過程監控等功能，可以精準的監控相關系統的運行，因為其組態畫面的功能、報警及支持腳本和OPC服務器等功能都比較強大且成本相對低廉，因此本文對功能和通訊要求綜合考慮后，再結合Fameview組態軟件其自身的功能優點，采用此軟件對安全閥密封試驗智能檢測系統進行軟件設計。

1　智能檢測系統工作原理和裝置構造

當安全閥密封試驗以氣體為介質時，系統安裝的壓力檢測裝置實時檢測被測安全閥內腔壓力，如果有泄漏，其壓力將逐漸降低。通過理論推導和試驗研究，建立安全閥單位時間壓力下降值和泄漏量的對應關系式，試驗中將壓力變送器安裝在與被測安全閥內腔連通的壓力表管路上，實時感應試驗時的壓力值。數據采集模塊的輸入端與壓力變送器的輸出端連接，用來采集壓力變送器反饋的試驗前后壓力值，數據采集模塊的輸出端通過串行通訊控件與計算機相連接。當受到主機提示時，該模塊將通過串行通訊接口向主機發送數據。計算機存有檢測系統組態軟件，自動根據建立的對應關系式，將單位時間壓力下降值轉換成以每分鐘泄漏量表示的泄漏率，再根據軟件存儲的現行國家標準GB/T 12243ü2005《彈簧直接載荷式安全閥》規定的最大允許每分鐘泄漏量，判定合格與否，并通過系統軟件對檢測數據進行管理，實時顯示和存儲，以及檢測報告的輸出。顯示器、鼠標、鍵盤作為人機交互接口，實現安全閥參數、試驗數據的錄入和檢測過程的操作與顯示。在本設計中，選擇合適精度的壓力變送器直接影響系統的測試精度，也是本設計的關鍵。安全閥密封試驗智能檢測系統裝置構造如圖1所示。

圖1　安全閥密封試驗智能檢測系統裝置構造圖

2　單位時間壓力下降值和泄漏量的對應關系式的建立

本文研究的安全閥密封性能試驗方法是利用氣壓測漏法中試驗前后壓差來轉化計算泄漏量的，其公式具有一定的條件和近似性。單位時間壓力下降值和泄漏量對應關系式的推導如下：

對于一個充氣容器，根據氣體狀態方程（克拉伯龍方程）

如果有泄漏，可以得出：

式（1）～式（3）中：

p ——氣體壓強；

V ——試驗有效容積；

n ——氣體的物質的量；

R ——氣體常量；

T ——絕對溫度；

p1——試驗前氣體壓力；

n1——試驗前氣體的物質的量；

p2——試驗后氣體壓力；

n2——試驗后氣體的物質的量。

假定工件有氣體泄漏到大氣，則有：

式中：

p0——標準大氣壓；

V0——試驗中泄漏氣體體積。

引入測試時間t，則

式中：

ΔV ——單位時間的氣體泄漏量。

式中：

Δp ——單位時間的氣體壓力降。

將式（4）與式（5）帶入式（6），得出

式（7）為單位時間的氣體泄漏量與壓力降的對應關系式。

式中：

Δp ——每分鐘壓力降，kPa/min；

V ——試驗有效容積，即試驗范圍內安全閥閥內容積和連接管路容積之和，cm3；

p0——標準大氣壓，101.325kPa；

p1——試驗前氣體壓力，kPa；

p2——試驗后氣體壓力，kPa；

t ——檢測時間，min。

雖然完全理想的氣體并不可能存在，但許多實際氣體，特別是那些不容易液化、凝華的氣體，如氮氣、氦氣、氫氣、氧氣等在常溫常壓下的性質已經十分接近于理想氣體。安全閥密封試驗中筆者常用空氣或氮氣做為試驗介質，因此上式可以作為安全閥密封試驗中每分鐘泄漏量與單位時間壓力降的簡易對應關系式。

3　Fameview組態軟件在系統中的應用

本系統采用的Fameview組態軟件存于計算機主機中，根據圖2所示，安全閥密封性能智能試驗檢測系統軟件分信息處理模塊、信息管理模塊。

圖2　檢測系統軟件流程框架圖

信息處理模塊由設備數據表、運行數據庫、腳本函數、檢測界面（包括顯示控件和按鈕控件）四部分組成，通過數據采集模塊采集的實時壓力等相關檢測信息傳輸至設備數據表，運行數據庫存有系統軟件在運行過程中所需的各種變量，包括模擬輸入變量、模擬輸入輸出變量、開關輸入輸出變量、內部模擬變量、內部開關變量、內部文本變量，運行數據庫提取設備數據表的數據及外部人工鍵盤輸入的校驗壓力、流道直徑、試驗有效容積等參數數據，并將各個數據賦值給相應的變量，供系統軟件進行信息處理時使用。運行數據庫里面還有各種功能塊，如計算功能、比較功能、定時功能等，其運行參數可以引用各系統變量，完成系統壓力降、每分鐘壓力降、理論每分鐘泄漏量、合格與否的文本變量設置。腳本函數的執行條件為流程控制信號，若接受到流程控制信號，相應的腳本函數會運行，采用一定的處理規則，對運行數據庫的檢測信息進行處理，轉換成檢測結果，并將檢測結果賦值給用于顯示或存儲的變量，如系統壓力降、每分鐘壓力降、每分鐘泄漏量、合格與否等，通過顯示控件實時顯示在檢測界面中，同時將檢測結果發送給信息管理模塊，用于數據存儲和報表制作。為了使檢測系統運行更可靠流暢，腳本函數還執行流程控制時需完成的相關操作，如變量復位等。檢測界面中的各個顯示控件與該安全閥的檢測結果變量一一對應，實時顯示檢測結果。檢測界面中還有流程控制按鈕實現對檢測過程的控制，實現檢測系統與操作人員之間的交互。當點擊界面中的這些按鈕控件時，會發出相應的控制信號，以變量的形式存儲至運行數據庫。

通過計算機控制的檢測界面上設有安全閥校驗任務窗口、校驗通道指示窗口、安全閥整定壓力校驗窗口、密封試驗窗口及登錄注銷、報告參數填寫、校驗記錄、報告打印、歷史數據、使用說明的功能按鈕。具體設置如下：

1）安全閥校驗任務窗口設有任務編號、校驗壓力、流道直徑、試驗有效容積輸入框和實時校驗壓力顯示框，并設有清零按鈕。

2）校驗通道指示窗口設有根據壓力自動進入的0～1.6MPa、0～4.0MPa、0～10.0MPa、0～16.0MPa、0～60.0MPa五種量程的校驗通道顯示。

3）安全閥整定壓力校驗窗口設有三次測試和復位的指令輸入按鈕，三次測試結果和測試結果平均值的實時數值顯示框及合格值參考范圍顯示框。

4）密封試驗窗口包括設有“開始”、“復位”指令輸入按鈕，設有保壓時間、檢測時間輸入框，每分鐘泄漏量、測試壓力、系統壓力降、每分鐘壓力降實時數值顯示框，表示合格與否的指示燈。

5）檢測界面上的前述功能按鈕，能利用相應模塊，通過計算機終端進行登錄注銷、數據錄入、查詢、修改、打印的控制。

信息管理模塊接受信息處理模塊發出的檢測結果數據，將其存儲至數據庫軟件，然后運用報表制作軟件，提取被檢安全閥的檢測結果數據，制作報告，并實現報表的預覽和打印。用戶管理模塊為每一個用戶設定用戶號和密碼，并為各用戶設置使用權限。操作人員在使用時輸入用戶名和密碼，這些用戶信息會以變量形式存儲在運行數據庫中，用戶管理模塊提取該用戶的用戶信息，并判斷是否正確。

4　智能檢測系統工作流程

1）將被測安全閥安裝在機械臺架上并夾緊，啟動計算機，在桌面上點擊代表安全閥檢測系統的Fameview組態軟件快捷圖標，打開主界面，點擊啟動按鈕可以進入檢測界面。

2）登錄系統，選擇操作人，輸入密碼后系統啟動，如需切換用戶，則點擊注銷按鈕，不同登錄操作級別不同，系統根據登錄信息顯示并記錄操作人信息。

3）在檢測界面的功能按鈕上選擇歷史數據查詢、報告參數填寫、校驗記錄，進行查詢和輸入安全閥的相關資料。

4）通過安全閥校驗任務窗口輸入任務編號、輸入流道直徑、試驗有效容積、整定或密封的校驗壓力。

5）根據校驗壓力不同，系統自動進入相應量程的壓力表和壓力變送器通道。

6）本系統同時具備整定壓力調整的功能，在進行安全閥密封試驗前先進行整定壓力的調整。

7）整定壓力調整好后進行密封性能試驗，手動調節試驗閥將壓力調整至規定的密封試驗壓力后，關閉試驗閥，輸入相應的保壓時間（按TSG ZF001ü2006規定）和檢測時間（按TSG ZF001ü2006規定），輸入開始指令后先進入保壓時間倒計時，結束后自動進入檢測時間倒計時，檢測時間倒計時開始和結束時精密壓力表和壓力變送器同步測量密封試驗檢測前后壓力值。每次試驗結束及下次試驗前應復位。

8）系統自動計算和顯示壓力下降值及每分鐘壓力降，自動換算成每分鐘理論泄漏量；指示燈自動閃亮，紅色為不合格，綠色為合格。

9）打開放氣閥緩慢釋放系統壓力為零后，試驗結束。

10）生成打印檢測報告。

整個系統力求簡單實用，經濟可靠，能夠方便快捷的完成安全閥密封試驗和判定。

5　試驗分析與驗證

5.1模擬試驗裝置

在圖1所示的系統終端泄放閥（9）的出口加裝集漏管、水杯、量筒，組成模擬試驗裝置系統，加裝部分如圖3所示。然后按GB/T 12243ü2005密封試驗合格標準中不同整定壓力檔次來選用相應若干只不同型號規格的新安全閥（無泄漏）分別進行模擬試驗驗證。

圖3　模擬試驗裝置工藝圖

5.2模擬試驗條件和方法

試驗前首先檢查系統所有連接部位密封性，確保無泄漏。再分別用傳統數氣泡方法和本文設計的智能檢測系統對被測安全閥密封性能進行檢測，確保被測安全閥均無泄漏。

模擬試驗時，密封壓力取低于該閥整定壓力下不同檔的密封壓力值分別進行試驗。通過圖3中泄放閥模擬調整每分鐘實際泄漏量大小，利用量筒直接測量每分鐘實際氣體泄漏量，計算機按照前述單位時間壓力下降值與泄漏量對應關系式，根據每分鐘壓力下降值計算出理論泄漏率，再將實際泄漏率與理論泄漏率進行比對，得出誤差值，誤差（%）=（實際泄漏率-理論泄漏率）/（實際泄漏率/100），模擬試驗檢測數據見表1。

表1　模擬試驗檢測數據表

5.3安全閥實物比對驗證

依據GB/T 12243ü2005規定的最大允許泄漏率，取若干只按照傳統人工數氣泡方法進行試驗已知泄漏率的安全閥，再采用本文設計的智能檢測系統分別進行密封試驗，將檢測結論進行比對，比對試驗結果見表2。

表2　實物比對試驗檢測數據表

試驗編號智能檢測結果5　A48Y-安全閥型號流道直徑/mm有效容積/mL密封試驗壓力/MPa人工檢測泄漏氣泡數/min人工檢測結果智能法每分鐘壓降值/（kPa·min-1）智能檢測理論泄漏率/（mL·min-1）25C　65　460　2.872 　46　不合格　2.872　13.038　不合格

5.4試驗結果分析

通過以上試驗（筆者做了大量實驗，限于篇幅沒有全部列出）可知，筆者推導建立的單位時間壓力降和泄漏量對應關系式與實際具有較高吻合性，模擬試驗檢測平均最大誤差小于5%；采用本文設計的智能檢測系統進行實物密封試驗檢測和傳統人工方法檢測結論基本一致。引起上述誤差的主要原因在于假設的理想氣體與實際氣體存在一定的差異以及充氣過程、測試壓力大小、有效容積大小、溫度變化、穩定平衡時間、傳感器精度等帶來誤差。對于精度要求不高的安全閥密封試驗，本文設計的智能檢測系統基本可以滿足常規安全閥密封性能的試驗要求。

6　結束語

本文利用Fameview組態軟件設計的智能試驗系統克服了傳統人工數氣泡數法存在的應用缺陷，準確可靠、快捷高效且有國家合格標準可依，實用性強，解決了目前國內在安全閥智能密封試驗方法研究結果中無合格判定標準的尷尬和缺陷。

該系統同時具有安全閥整定壓力調整和密封性能試驗功能，能夠滿足國家規范所要求的安全閥檢測工作需要，改進了目前市場上僅能進行整定壓力校驗的安全閥自動校驗臺功能，在功能拓展性和性價比等方面，相比之國內安全閥檢驗裝置的主流產品具有明顯的優勢，具有十分廣闊的市場應用前景和推廣價值。

［1］ TSG ZF001—2006 安全閥安全技術監察規程［S］.

［2］ GB/T 12243—2005 彈簧直接載荷式安全閥［S］.

［3］ 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）：30-33.

［4］ 廖翊誠，華曉青.直壓式微小泄漏檢測技術研究［J］.液壓與氣動，2009，（08）：62-65.

［5］ 覃濤.駕駛室電器集成檢測系統的軟件開發［D］.武漢：武漢理工大學，2011.

Application of Computer Configuration Software in Sealing Performance Test for Safety Valve

Yao Hailong Yao Genzhi Lu Daming Zhang Xiangdong Hao Xiaohua
（Bengbu Special Equipment Supervision and Inspection Center Bengbu 233000）

Aim at the cumbersome, inefficient, poor accuracy and reliability problems of the traditional artificial bubble counting method for safety valve seal test， the method combining computing configuration software and pressure leak detection method is applied to the relief valve sealing performance tests. By the relationship research of gas leakage quantity and pressure drop value per unit time, this paper puts forward a intelligent detection system design scheme of a simple and efficient accurate relief valve seal test， and expounds the calculation unit configuration software development and application in detection system.

Relief valve seal test Configuration software Pneumatic leak detection method Leakage and pressure drop value relationship Intelligent detection system

X924

B

1673-257X（2016）07-0016-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.07.004

姚海龍（1968～），男，本科，副主任，工程師，從事承壓設備檢驗檢測工作。
（

2015-11-27）