燃氣調壓器用指揮器性能檢測系統設計

李 剛，孟祥印，馬鈞隆，馮一凡

LI Gang, MEN Xiang-yin, MA Jun-long, FEN Yi-fan

（西南交通大學 機械工程學院，成都 610031）

0 引言

調壓器是在燃氣輸送和供應系統中，將高壓輸送燃氣調節至所需壓力，保證供氣壓力穩定的重要設備，保證調壓器系統的無泄漏是燃氣安全供應的重要問題之一[1]，指揮器對廣泛應用的間接式調壓器的工作性能影響巨大。目前燃氣調壓器用指揮器（以下簡稱指揮器）性能檢測并無對應的國標或行業標準可依。實際生產中，許多廠家均是參考燃氣調壓器的國標，以手動操作和涂抹檢漏液、人眼觀察的方法進行氣密性檢測。該檢測方法效率低、精度低、主觀性強，容易產生誤判，成為生產出廠流程中的瓶頸問題。

本文參考歐洲標準EN334和文獻[2]標準,提出了新型自動化干式檢測方法，設計了基于STM32的燃氣調壓器用指揮器性能檢測系統，以提高指揮器性能檢測效率和精度，實現了檢測過程和結果的可視化。

1 系統設計

1.1 指揮器簡介

指揮器的本質是一個小型調壓器，將較高的進口壓力調至低的出口壓力，并隨著進口壓力或流量變化，能自動調節出口壓力，使之穩定在設定范圍內，其工作原理如圖1所示。指揮器出口壓力通過調節器1與彈簧2來設定，出口壓力P2作用在薄膜3上，與彈簧的設定壓力平衡。指揮器出口壓力P2是隨閥口4變化而變化，當進口壓力P1降低或出口流量增加時，彈簧設定壓力大于出口壓力，閥芯5向下移動，閥口4增加，從而使出口壓力P2增加，使出口壓力恢復到設定值。同理，當出口壓力P1上升或出口流量減小時，工作過程相反。

圖1 指揮器工作原理

1.2 檢測內容

參考歐洲標準EN334與國家標準GB27790—2011《城鎮燃氣調壓器》，并結合指揮器使用需求，其檢測內容包括以下幾項：

1）密封性檢測，包括外密封與內密封。外密封用于檢查指揮器是否向外界漏氣；內密封用于檢測當指揮器出口被關閉后，進口管道中的高壓氣體是否會“泄露”到出口管道中。

2）出口壓力調節檢測，包括最大值、最小值、設定點檢測。主要用于檢測指揮器調節性能是否合格。

1.3 檢測系統方案

系統主要包括了測試工藝單元與檢測控制單元[3]。測試工藝單元包括壓力調節閥、截止閥、壓力變送器、差壓變送器、流量調節閥以及連接管路和附件，如圖2所示。

圖2 測試工藝單元圖

采用電動壓力調節閥與流量調節閥調節測試管路中的壓力與流量，二者控制指令和開度反饋信號均為4～20mA模擬信號。氣路中的截止閥采用帶有回訊器的氣動球閥，利用單電控二位五通電磁閥控制其啟閉，24V DC供電。測試管路中的壓力、流量采集是整個系統的核心，數據采集的精度直接決定了系統的測試精度[5]。系統選用1.0精度等級的壓力變送器和差壓變送器，輸出均為4～20mA模擬信號。

檢測控制單元以STM32為數據采集和控制核心，通過I/O通道和通信接口實現對工藝設備狀態和工藝數據的采集與控制；同時通過串行通信接口實現與上位機的人機交互，如圖3所示。

圖3 檢測控制單元

系統工作過程如下：將被測指揮器接入測試工藝系統，操作員在HMI界面中選擇被測產品規格，以STM32為核心的檢測控制單元啟動并運行測試程序，控制氣路中各個壓力調節閥、截止閥的狀態，并采集管路壓力和差壓數據，依據編寫的檢測算法，得出結論。整個檢測過程和結論數字化、可視化，并以測試報告形式儲存在系統中，測試報告可查詢、打印。

2 系統硬件設計

系統硬件主要包含STM32最小系統、電源模塊、模擬量轉換模塊、數字量隔離模塊，如圖4所示。

圖4 系統硬件組成

2.1 STM32最小系統

采用意法半導體公司STM32F407，工作電壓1.6V～3.6V，該芯片擁有1MB FLASH和192KB SRAM以及豐富的USART、DMA、ADC等資源完全滿足該測控系統的數據采集和控制性能要求[6～8]。STM32最小系統的設計各種資料眾多，在此不再贅述[4]。

2.2 電源模塊

系統采用DC24V開關電源供電，可為氣路中截止閥供電，并采用LM2576S降壓至3.3V為STM32最小系統供電，采用如圖5所示。

圖5 電源模塊原理

2.3 數字量隔離模塊

電路板設計中，DI/DO隔離電路采用H11A1光耦隔離芯片，不僅保證信號不受干擾，也實現了處理器3.3V信號與截止閥24V電平等級轉換，圖6為3.3V轉24V隔離電路，而24V轉3.3V隔離電路，需將限流電阻R1改為20K。

圖6 數字量隔離模塊

2.4 模擬量轉換模塊

STM32中ADC和DAC只能接收和輸出0～3.3V的電壓信號，需針對4～20mA模擬信號進行I/V和V/I轉換，電路設計如圖7和圖8所示。電路采用LM224工業級集成芯，內部有四個運算放大器。其中，VR1與VR2為可變電阻，VR1用于轉換信號調零，VR2用于量程調節。

圖7 4～20mA轉0～3.3V

圖8 0～3.3V轉4～20mA

3 系統軟件設計

3.1 檢測流程

基于Keil uvision 5集成環境開發，采用面向硬件開發的C語言進行編程，實現壓力、流量的采集，調節閥的開度控制，開關閥狀態檢測與控制等。

檢測單元程序流程如圖9所示：檢測系統的初始化后，先進行系統自檢，檢查氣路中是否漏氣及各器件能否正常工作，再進行指揮器氣密性測試，當指揮器無泄漏時，進行后續檢測。

圖9 測控單元工作流程

3.2 HMI設計

上位機采用配備鍵盤鼠標的工業串口屏，利用配套的HMIMaker軟件開發HMI界面。主要包含了賬號密碼的登錄界面，被測產品型號、序列號輸入的參數設置界面，報警信息管理的報警界面，以及檢測主界面。其中，主界面用于監測顯示檢測管路中各元器件的狀態，如圖10所示。

圖10 檢測系統主界面

3.3 差壓法密封性檢測

參考EN334：2005《進口壓力不大于100bar的燃氣壓力調節器》中允許泄漏率[9]，及壓降的計算公式：

根據指揮器進出口兩承壓腔體積即可反算出在時間t內允許的壓降：

圖11所示為差壓法密封性檢測原理，P1、P2為進出口壓力變送器，PT1進出口差壓變送器。差壓變送器讀數為H端壓力與L端壓力之差。

圖11 差壓法密封性檢測原理

密封性檢測時，關閉進出口的兩個截止閥SV101和SV202，待系統穩定后，關閉差壓表啟用截止閥SV102。指揮器密封性檢測前已進行系統自身氣密性自檢，故關閉SV102后，差壓表PT1的H端端壓力不變。若發生泄露，無論內漏或外漏均會造成PT1的L端降低；對比允許壓降ΔP，可得密封性結論。

4 試驗與結論

選用10個指揮器、3名檢測人員對該測試平臺進行了“雙R試驗”（Repeat、Reappearance），每名檢測人員對每個被檢產品進行3次檢測，試驗結果表明，該檢測系統復現性良好。

然后對此10個指揮器進行自動測試和人工傳統測試的對比試驗，試驗結果如表1所示。氣密性檢測時人工噴灑檢漏液，肉眼判斷，并后期干燥，故密封性檢測耗時不同。結果顯示，人工檢測10個樣品均合格，而自動檢測顯示有2個樣品不合格，存在外泄漏。由于結論不一致，故采用犧牲效率的壓降觀察法進行復檢。經保壓8小時后觀察壓降發現，數字化自動檢測出的2個樣品確實存在微小泄漏，證明了該平臺的高準確性。

5 結語

根據燃氣調壓器用指揮器的檢測要求，本文設計出的指揮器檢測系統，實現了指揮器性能的快速準確檢測。采用差壓法實現了指揮器密封性的快速、精確檢測，相比傳統的人工涂抹檢漏液和浸水的濕式泄漏檢測方法，本檢測系統省去了人工檢測后產品去水、干燥的環節。并可提供數字化、可視化的測試過程和結論，現已用于實際生產。

表1 人工檢測與自動檢測對比表