基于外压压差法高压阀门气密性检测系统研究.pdf

2 0 1 5年 1 月 第 4 3卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS J a n ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 1 4 基于外压压差法高压 阀门气密性检测 系统研究 刘浩 ，王贤成 ，陈俊华 ，沈萌红 ，朱文斌 1 ．太原科技大学机械 工程学院 ，山西太原 0 3 0 0 2 4； 2 ．浙江大学宁波理工学院机 电与能源工程学院，浙江宁波 3 1 5 1 0 0 摘要 针对高压 阀门现有的直压或者 内压压 差法气密性检测系统检测精 度容易受 到充气截 止 阀以及充气管 路泄漏影 响 这些 缺陷 ，提 出了一种 基于外压压差法 阀门高压气 密性检测方案 ，在此方 案 的基础 上设计 了检测装 置的软硬件 系统 ，并进 行了实验。实验结果表明，与直压法和内压压差法相 比，该系统有效地降低了充气截止阀以及充气管路泄漏等外界因素对 检测精度的影响该检测系统稳定性好、响应时问短，可以适用于工厂的在线批量检测。 关键词 高压 阀f - 1 ；气 密性检测 ；外压压差法 ；泄漏 率 中图分类号T H1 3 8 文献标志码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 1 0 5 3 - 4 S t ud y o n Hi g h- pr e s s ur e Va l v e Le a ka g e De t e c t i ng Sy s t e m Ba s e d o n Ex t e r na l Di ffe r e nt i a l Pr e s s ur e L I U Ha o ，WANG Xi a n c h e n g ，CHE N J u n h u a ，S HE N Me n g h o n g ，Z HU W e n b i n 。 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i y ua n S ha n x i 03 0 0 2 4，Ch i n a；2． S c h o o l o f Me c h a t r o n i c s s n d Ene r g y En g i ne e r i n g， N i n g b o I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ，N i n g b o Z h e j i a n g 3 1 5 1 0 0 ， C h i n a Abs t r a c t Ai me d a t t he pr es e n t t r a d i t i o na l a i r l e a ka g e d e t e c t i ng me t ho d，t he di r e c t pr e s s ur e o r i n t e r n a l di f f e r e n t i a l p r e s s u r e me t h o d h a d a d r a w b a c k t h a t t h e d e t e c t i o n a c c u r a c y wa s e a s i l y a f f e c t e d b y t h e l e a k a g e o f c u t o ff v a l v e a n d p i p e l i n e ，a h i g h p r e s s u r e v a l v e a i r l e a k a g e d e t e c t i ng s ys t e m b a s e d o n t h e e x t e r n a l pr e s s u r e di f f e r e n t i a l pr e s s ur e me t h o d i s p ut f o r wa r d ．The ha r dwa r e a nd s o f t wa r e s y s t e m o f t h e t e s t i ng d e v i c e wa s d e s i g n e d on t h e ba s i s o f t h e d e t e c t i o n s c he me，a n d t he e x p e rime n t wa s c a r r i e d o ut ．Ex pe r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t a s c o mp a r e d wi t h t h e s y s t e m b y t h e d i r e c t p r e s s u r e me t h o d a n d t h e i n t e r n a l p r e s s u r e d i f f e r e n t i a l p r e s s u r e me t h o d， t h i s s y s t e m i s e l - f e e t i v e i n r e d u c i n g t h e i mpa c t c a u s e d by t he a i r l e a k a g e o f c ut o ff v a l v e a n d g a s pi p e l i ne a n d o t h e r e x t e r n a l f a c t o r s o n t he a c c u r a c y o f d e t e c t i o n ． T h i s d e t e c t i o n s y s t e m h a s g o o d s t a b i l i t y a n d s h o r t r e s p o n s e t i me，a n d c a n b e a p p l i e d t o t h e o n l i n e b a t c h t e s t i n g o f t h e f a c t o r y Ke ywor d s Hi g h pr e s s u r e v a l v e；Ai r l e a ka g e d e t e c t i n g； Ex t e r n a l d i f f e r e nt i a l pr e s s ur e； Le a k r a t e 0前 言 随着工业水平 的不 断发 展 ．高压 阀门广泛应用 于 石 油 、化工 、冶金 、纺织 、轻工 、机械制造 、建 筑和 国防军工等 国民经济各部 门 ，已成 为各种流体装置 中 不 可缺 少的控制设备 ] 。高压 阀门在使 用过程 中发 生泄漏 且泄漏量超过 了允许 范围 ，不仅产品功能会受 到影 响 ，严 重时可能导致火灾 、爆 炸 、有 害气体溢 出 等严重后果，对生命财产造成不可挽回的损失。因此 对高 压阀 门进行密封性检测 ，对于保证产品质量 ，保 障生产 、生活 的安全具有重 要意义。 目前工业生产 中用 的气 密性检测设备大多根据气 体 流量公式进行设计 的。依 据被测参数的不 同，依据 气体 流量公式进行气密性检 测的方法主要又分为直压 法 、内压差压法 _ 3 ] 。这 两种方 法都是 采用 检测被 检 测阀门的内部压力或者压差来计算阀门的泄漏流量。 这样容易受外部环境变化影 响检测精 度 ，特 别对高压 阀 门的检测 ，由于充气截止 阀以及充气 管路 的泄漏 对 于检测精度 的影 响是 比较 明显 的 ，甚 至导致 检测 系统 出现错误 ] 。于此 同时 ，采用传 统 内压 法或 内压 压 差法进行高压 阀门检测 ，由于被检测 高压 阀门内部 压 力 比较高 ，对于压力或压差传感器要求 比较 高 ，一般 传 感器的检测量程和灵敏度难 以满足要求 。 鉴于 以上不足 ，提 出了一种基于外压压差法检测 阀 门高压气密性 的方法 ，并在此基础 上对 于整个检测 系统进行 了实验研究 ，有效地 降低 了检测精 度受外 界 环境影响 ，同时 由于标准密 闭容器 内部压力 较小 。对 于传感器量程和灵敏度 的选取 也 比较 容易。 1 外压压差法高压阀门气密性检测原理 外压压差法是通过 检测 标准 密闭容 器 内部压差 ． 通过计算得到 阀门泄漏量 ，工作 原理 图如 图 1 所示 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 1 6 作者简介刘浩 1 9 8 8 一 ，男 ，硕士研究生 ，主要从事机电液控制系统与测试设备研究。E - m a i l 4 7 5 0 6 7 4 4 5 2 q q ． c o n。 5 4 机床与液压 第 4 3卷 首先将 被测工件通过 夹具或其他手段密封于体积稍大 的密闭标 准容 器内 ，打开充气 阀通 过充气 系统向被检 测高压阀 门充气 。使 其达到工作压力 。然后关闭充气 阀；通过读取检测开始和检测结束标准密闭容器内压 力计 的压力 差值 。从而 根 据泄 漏率 公式 计 算 出泄 漏 率；检测结束后，打开放气阀进行放气。 6 厂] I 被 检测 阀 图 1 外压压差法原理 图 该方案根 据 检测标 准 密 闭容 器 内的压 力 被检 测阀门外压变化值来计算被检测阀的泄漏率，与 工业上常用的直压法、压差法 都是检测被检测阀 门内压 相 比有 以下优点 1 可 以消除充气过程 ， 充气截 止阀 以及 充 气管 路 的泄漏 对 于检 测结 果 的影 响 ； 2 标 准密 闭容器在 阀门泄漏 检测过 程 中内部 压力较小．传感器的工作压力比较低，传感器的选取 相对 比较 容易 3 由于在 阀 门检 测过程 中标准 密 闭容器 内部与外界环境压差较小 ，检测过程可 以忽略 温度变化对检测结果的影响 。 2 外压压差法阀门泄漏率分析 ] 根据外压 压差 法 的原 理 ，假 设 标 准容 器 容 积 保持不变 ．在起始检测时 ，标准容器 内的气体质量为 m1 P。 1 - L 在终止检测时 ，标准容器里的气体质量为 M v mz p z 2 可 以求得 ，被检测 阀门的质量泄漏率计算数学 模 型为 Q 一 c 3 被检 测 阀 门在 标 准 条 件 压 力 P 为 1 0 1 ． 3 2 5 k P a ，温度 T 为 2 9 3 ． 1 5 K下 的体积漏率为 一 4 由于检测过程 ，密闭标准容器 内部与外界环境压 差较小 ，检测时 间较短 ，所 以检测过程温度影 响可 以 不予考虑 ．体积漏率公式简化为 Q 一 p 一P ． 5 L p 式 1 一 5 中，m 为标 准容 器 中气体 的起 始质量 ，k g ；m ， 为标准容 器 中气 体 的终止 质量 ．k g ； M 为标准 容 器 中气 体 的摩 尔 质 量 。空气 为 2 9 1 0 k g ／ m o l ；R为摩尔气体常数 ，8 ． 3 1 4 4 J ／ m o l k g ； P ． 为标准 容器 中气 体 的起始 压 力 ，P a ；P ， 为 标 准容 器中气体的终止压力，P a ； ， 为标准容器中气体的 起始温度，K；T 2 为标准容器中气体的终止温度 ，K； 为标准容器 的有 效容积 ．m ；A t 为检 测时 间间 隔 ． 单位为 s ；Q 为被检测阀门质量泄漏率，k g ／ s ；Q 为被检测阀门标准条件下的体积泄漏率 ，m ／ s 。 3 外压压差法高压阀门泄漏检测系统设计 3 ． 1 检 测 系统 总体设 计 外压压差法高压 阀门泄漏检测 系统 可以实现高压 条件下阀 门的泄漏检测 。根据设计要求提 出的整个 检 测系统原理如图 2所示 。检测系统主要 由气源 、压力 比例 阀、压力传感 器 、密 闭容器 开启关 闭控 制气 缸 、 压差传感器等组成。其中气源 、比例压力阀和压力传 感器构成一个压力 的闭环控制 回路 ，精 确控 制被检测 高压 阀门充气气体压力 ；电磁 阀 3 和标准密 闭容器 控 制气缸组成气 动 回路 。用于控 制标准容器的闭合与开 启 由于检测开 始时标 准密闭容器内压力与外界压力 基本一致 ，所 以可以采 用差压 传感 器通过测量标准密 闭容器 与外界环 境的压力差来 代替标准容器在检测过 程内压力变化值。对检测到的压差值经过一定的数据 处 理得出泄量的大小 。 干 燥 器 分 离器 过滤 器 气 源 图 2 检测 系统原理图 3 ． 2 压差 传 感器 的选择 由于标准容器与外界压差值测量的准确性是该检 测 系统的关键。所 以检测系统压差传感器 的选择在该 系统 硬件选 择显得格 外 重要 。压 差传 感 器 由传感 探 头和传 感变送 器组成 ，是测 试 系 统 的核 心 。传感 探 头主要实现压差信号 的采集 ，传感变送器对压差信 号进行 预处 理并及 时传 输 到上 位机 ，考 虑 到测试 过 程 中传感器 所处环 境 ，为 保证 测 试 精度 ，选 用 法 国 K I MO公司的 C P 1 0 1 压差传感变送器 。主要参数如 表 1所示 5 6 机床与液压 第 4 3卷 表 4 相 同条件下 ， 不同检测方法泄漏率的 比较 实验数据 表 明 ， 1 该检 测 系统 具有较 高 的检 测精度最高泄漏率误差为 0 ． 0 1 4 0 4 m L ／ m i n ； 2 由 于压差传感器的检测误差的影响，随着标准密闭容器 有效容积的增大，检测精度会有所下降 3 采用 直压检测 的方法 由于充气截止 阀以及 系统气路泄漏 的 影 响，检测精度在相 同情况下低于外压压差法 。 5结论 针对 现有气 密性检测 系统 检测精度 容易受到充 气 截止 阀以及 充气 管路 泄 漏等 外界 环境 的影 响这 些缺 陷 ，设计 了基于 外压 压差 法 阀 门高压 气 密性 检 测 系 统 ，并对该检测 系统进行 了实验测试 ，结果表 明 1 所研 制 的外压 压差 法高压 阀 门气 密性 检测 系统有效地降低气路泄漏 、外界环境温度变化对检测 系统精度的影响 2 所研制 的外 压压 差法 高压 阀 门气密 性 检测 系统控制部分以西门子 P L C为控制核心 ，采用性能 优 良的压差 传感 器 实现 了对 密 闭容 器压 差 的精 确测 量。保证了该检测系统具有较高的检测精度 ； 3 所研 制外 压压差 法 高压 阀 门气密性 检 测 系 统采用 L a b V i e w人机界 面 ，系统可视性 提高 ，便 于实 现对检测过程 中各个参数进行在线监 测。 4 所研 制外压 压差 法 高压 阀 门气 密 性检 测 系 统检测稳定性好 ，检测周期短 。可 以适用于工 厂的在 线批量检测 。 参考文献 [ 1 ]黄明亚． 我国阀门行业 的现状与发展趋势 『 J 1 ． 阀门， 2 0 0 2 1 2 9 - 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f展，并将我司科技创新水平推向一个新的台阶。 。 中国机械工业联合会朱森第教授在 “ 迈向制造强国的信息化思维”报告中指出我国制造业所面临的新形势与未来 0 - _的发展方向，重点探讨了信息时代制造新模式和新业态，包括制造业信息化思维、 互联网思维， 制造企业产品装备的 仑 数字化、智能化、信息控制一体化等方向。蔡鹤皋院士在 “ 对中国机器人产业发展的思考”的报告中分析了工业机器 。 五人产业的发展， 并提出了工业机器人产业发展路径与建议。温诗铸院士在 “ 与摩擦学相关的两个研究领域”中深入探 0 寸讨了与摩擦学相关的摩擦物理化学、界面科学与技术。张宪民教授在 “ 智能制造装备与一点思考”的报告中分析了智 能制造装备与产业链 ，通过 引入 国外智能制造先进技术就地方发 展智 能制造装 备做 了深入 的探讨 。贺石中教授就 “ 现 。 上代企业润滑管理的标准化”做了激情洋溢的专题报告。 々 会后， 公司邀请了朱森第院士、蔡鹤皋院士就我司工业机器人技术的发展做进一步的探讨和交流。 仑 ’ 内容来源 机床与液压杂志社 ； ’ ● 々 ， t ≮， 々 牵 } 々 々 夺 夺 牵． 々 专 { 串 夺 々- 夺 々 々 ． 夺． ‘ }． 辛 ． 夺 十 - 々 ． 々 ． 夺． 专 ． 牵 争． ． 々 ． 夺 ． 夺 ． 々 ． 夺 ． ‘ 、． 夺 ． ‘ 、 ． 々 。 ’