安全閥性能試驗裝置數據采集與軟件功能設計

喬曉陽，王曉鈞

（1.北京凱孚奧機械設備有限公司,北京 10000；2.合肥通用機械研究院,安徽合肥 230000）

0 引言

安全閥產品是鍋爐、壓力容器、壓力管道最重要的安全保護裝置，用以防止系統超壓、確保壓力系統的安全運行。安全閥產品的性能極大地關系到人身和設備的安全。2003年3月，國務院頒布的《特種設備安全監察條例》，明確包括承壓設備安全附件等屬于特種設備，并納入了安全監察管理。其對特種設備類產品的生產、使用、檢驗檢測、監督檢查、法律責任作了明確的規定，確立了特種設備安全監察基本制度；以及對特種設備的設計、制造、安裝、改造、維修、使用、檢驗檢測等環節的嚴格要求。積極開展安全閥產品的性能試驗研究，能有效減少安全事故的發生。

如果能在安全閥加壓過程中獲得開啟動作的真實動態曲線，就能掌握安全閥的動作特性，正確判斷安全閥動作是否靈敏、可靠。對此，需要一定的數據采集條件。在計算機實現快速數據采集的情況下，可以獲得安全閥在動作全過程的真實動態曲線。

1 測試系統設計

安全閥測試裝置系統原理見圖1。該試驗系統可以進行安全閥的密封、開啟壓力、排放壓力、回座壓力、開啟高度、排量及機械特性的試驗。

2 測試依據

GB/T 12241—2005《安全閥一般要求》；GB/T 12242—2005《壓力釋放裝置性能試驗規范》；GB/T 12243—2005《彈簧直接載荷式安全閥》（第二版）；JB/T 9624—1999《電站安全閥 技術條件》（第一版）；JB/T 6441—1993《壓縮機用安全閥》。

3 數據采集總體方案

為了獲得真實、動態的動作曲線，壓力傳感器和位移傳感器的數據采集頻率≥50次/s，并要求傳感器的實際采樣頻率＞數據采集頻率。

圖1 安全閥性能試驗裝置系統

（1）數據采集器的選擇。根據安全閥測試的特殊性及對繪制動態開啟曲線的要求，只能選用快速采集器。經綜合分析，確定使用美國國家儀器公司的USB-9215A型采集器。

NI USB-9215A型采集器的數據采集模塊具有集成式信號調理功能，通過USB接口實現即插、即用，使設置和測量更加快捷。該設備具有4路16位精度同步采樣電壓輸入，可掃描多個通道時的延遲（極短），提供每通道100 kS/s采樣速率。NI USB-9215A型采集器具有螺栓端子和BNC（Bayonet Neill Concelman，尼爾·康塞曼卡扣或射頻端子同軸電纜連接器）連接器可供選擇，能實現靈活而低成本的信號連接。該模塊還具有250 Vrms通道-地面接地隔離，實現安全、抗擾和高共模電壓范圍。NI USB-9215A型數據采集器隨機提供NI-DAQmx驅動軟件，方便測試軟件的開發。

（2）位移傳感器的選擇。位移傳感器是安全閥性能測試中最重要的傳感器。為了獲得真實、動態的開啟曲線，對位移傳感器的要求是非常高的。測量精度和采樣頻率是最重要的2個參數。綜合考慮目前市場上接觸式和非接觸式位移傳感器的技術參數和價格后，確定使用Omron ZX-L系列激光位移傳感器。

ZX-L系列激光位移傳感器的采樣速度是0.15 ms，分辨率（0.25～16）μm，用戶可以選擇信號的輸出形式，可以是（4～20）mA的電流信號，也可以是電壓信號。

（3）壓力傳感器的選擇。根據被測安全閥銘牌上標識的開啟壓力，選擇與之相適應的壓力傳感器量程，以保證測量精度。由于不同的安全閥工作壓力范圍較廣，單一壓力傳感器無法滿足高精度測量要求，因此測試裝置配備一組不同量程的壓力傳感器。

壓力傳感器選擇麥克MPM480系列。該系列傳感器覆蓋常用壓力范圍，傳感器的采樣時間＜5 ms，測量精度±0.1%FS，工作環境溫度為（-30～80）℃。

4 硬件拓撲結構

圖2為安全閥測試裝置的硬件拓撲結構。需要注意：為了提高傳感器信號的品質，過濾信號干擾，在傳感器和數據采集器之間，增加了信號變送器。信號變送器的規格：輸入（4～20）mA，輸出（0～5）V。

5 軟件設計

5.1 軟件層測結構（圖3）

最底層是操作系統；中間層是NI-DAQmx驅動程序接口；上層是按照試驗標準要求編寫的安全閥測試軟件。

圖2 安全閥測試裝置硬件拓撲結構

5.2 軟件功能

（1）安全閥測試軟件功能模塊。參數管理與配置模塊、數據采集模塊、測試數據分析模塊、測試報告處理模塊。

（2）針對安全閥測試的特殊性，軟件功能模塊的設計重點是數據采集模塊。該模塊要實現的功能：數據的快速采集與處理、采集數據在屏幕上的實時呈現、關鍵點的自動捕捉或人工獲取、歷史數據的存儲和試驗報告的自動形成。

（3）快速采集與慢速采集的設計。基于數據存儲策略的考慮，在高速采集狀態下，內存的耗用非常快，所以在試驗準備階段，數據采集模塊運行在慢速狀態，目的是讓試驗人員能夠觀察到各測試參數的當前狀態。當位移參數發生明顯變化時，系統可自動迅速切換到高速采集狀態，以獲得各參數的準確變化過程。

（4）數據采集分析模塊的設計。對于已經做過的試驗，可以根據以往的測試數據，在屏幕上復現當時的測試過程及安全閥開啟的細節過程。設計分析人員可以利用該模塊對安全閥進行綜合分析并優化、改進。該模塊的應用窗口和數據采集模塊的應用窗口繼承自同一窗口，只是數據來源不同，這樣可大大簡化用戶的操作。

6 軟件關鍵功能

（1）測試軟件開發平臺選用標準C++程序。數據存儲采用Microsoft Access數據庫，充分發揮多線程的特點。

（2）數據采集線程的設計利用采集器快速的特點，把數據采集放在一個單獨的線程中，并對采集數據進行軟件濾波處理。由于USB-9215A型采集器的每個通道可以達到100 kS/s采樣速率，在實際使用過程中，綜合考慮傳感器的采樣速度和計算機內存占用等有關因素；對于每個通道，以100次對同一通道的采集結果的平均值作為此通道的測量值，在滿足使用要求的前提下提高數據采集的穩定性和精度。

7 實際案例

國家泵閥產品質量監督檢驗中心安全閥性能試驗裝置，按照本文論述的方案設計并運行2 a,檢測效果完全滿足標準和試驗的要求。

（1）被試機銘牌參數的設置。提供被測產品描述信息的輸入接口，輸入的信息用于打印試驗報告和測試結果的電子數據存檔（圖4）。

（2）測試過程功能概述。測試過程模塊是整個測試軟件的核心，包括快慢速控制、曲線坐標表達范圍設置、操作模式選擇、特殊數據分析與獲取等功能。在測試過程中，采集的數據以曲線和數字的形式實時顯示在屏幕上。測試完成后，可以在曲線上對關切的部分進行截取，以減小測試報告存儲的數據量。圖5為測試過程窗口示意。

圖3 軟件層測結構

圖4 被測試產品試驗信息的輸入

圖5 測試過程界面示意

（3）測試結果分析模塊。借用數據采集過程模塊的操作界面，保持與用戶操作的一致性；差別在于數據來源不同。該模塊數據來源是以往測試過的測試結果文件，通過打開測試文件操作，把測試數據重新加載到圖形分析窗口（圖6）。分析人員可以再次對測試結果進行分析，也可以重新生成新的測試結果文件，真正做到對測試過程的離線分析。

（4）試驗報告輸出。測試結果的輸出分兩部分：一是測試數據，二是測試結果曲線。曲線輸出如圖7所示。

8 結束語

安全閥動作性能測試項目需在動態試驗條件下進行。因安全閥的排放動作時間較短，動作變化快、情況復雜，無法目測壓力和位移，必須用高速采集系統來監控及測量壓力和位移同時變化的情況，才能更好地分析和改進安全閥的性能。

圖6 安全閥性能測試結果分析界面

圖7 測試結果（曲線）輸出