（机械电子工程专业论文）基于arm的燃气调压器检测系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 燃气调压器是燃气工程中一种非常重要的设备。调压器的阀体漏率和静压特 性曲线是衡量其性能的两个重要指标，在出厂前需经过严格的测试。本文根据燃 气调压器阀体气密性检测和调压器静压特性检测的功能要求，通过理论计算和仿 真分析，完成了基于a r m 的燃气调压器检测系统的研制。 论文的主要内容如下： 第一章，本章首先介绍了燃气调压器在燃气输配中的重要作用，分析了调压 器检测的必要性和重要意义，最后介绍了本课题研究的目的和主要内容。 第二章，建立了传统冒泡法检漏的数学模型，根据本文的具体条件估算该方 法检漏的灵敏度。通过对差压法检漏的s i m u l i n k 仿真，分析温度、压力、容积 等对检测结果的影响，提出了基于压差法气密性检测系统的总体方案。同时对现 有调压器静压特性检测系统提出了改进方案。 第三章，主要论述了基于a r m 的硬件平台的构建。根据检测系统的要求， 详细论述包括核心板，数据采集电路、s d 卡存储电路等外围电路的硬件原理图 设计，并完成了硬件底层驱动程序开发。 第四章，主要是完成b o o tl o a d e r 引导加载程序设计；搭建基于“c o s i i 并扩展图形用户界面uc g u i 和f a t l 6 文件系统的实时操作系统；基于多任务 的软件设计方法开发应用层软件。分别实现了气密性检测子系统和静压特性检测 子系统的功能软件，为用户提供了友好的人机界面。 第五章，论述了系统的调试和试验方法，并对试验数据进行了初步分析。 第六章，总结本文的主要研究工作，并提出下一步的工作展望。 关键词：燃气调压器；检测系统；a r m ；气密性；静压特性；uc o s i i ；“c g u i ； 图形界面 i i 浙江大学硕士学位论文 a bs t r a c t g a sr e g u l a t o ri so n eo ft h ei m p o r t a n te q u i p m e n t si nt h eg a sd i s t r i b u t i o ns y s t e m b o t ht h el e a k a g er a t ea n dt h es t a t i c p r e s s u r eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c a r ev e r y i m p o r t a n ti n d e x e st oj u d g ear e g u l a t o r sp e r f o r m a n c e b yt h em e t h o d so fi n t e g r a t i o n o ft h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，an e wr e g u l a t o rd e t e c t i o ns y s t e mb a s e do na r m w a sd e s i g n e d ，a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fg a sr e g u l a t o ra n dt h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t so fd e t e c t i o n t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h e i m p o r t a n c eo fg a sr e g u l a t o rd u r i n gg a s t r a n s m i s s i o n ；a n a l y z e st h en e c e s s i t ya n di m p o r t a n tm e a n i n go ft h er e g u l a t o rd e t e c t i o n i nt h i sp a r t ，if i n a l l yp u tf o r w a r dr e s e a r c ho b j e c t sa n dc o n t e n t s i nt h es e c o n dc h a p t e r ，ic o n t r i b u t eam a t hm o d e lo f b u b b l el e a kt e s t i n ga n d e s t i m a t et h el e a kd e t e c t i o ns e n s i t i v i t ya c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o n d i t i o n s e m u l a t et h e p r o c e d u r eo fl e a kd e t e c t i o nb yd i f f e r e n t i a lp r e s s u r ed e t e c t i n gm e t h o d ；a n a l y z et h e f a c t o r sa st e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，v o l u m e e ta l ，w h i c hi n f l u e n c e st h ed e t e c t i n gr e s u l t ； p u tf o r w a r dt h et o t a ls o l u t i o no ft h ea i rt i g h t n e s st e s t i n gs y s t e ma n dt h ei m p r o v e d s o l u t i o no ft h er e g u l a t o rh y d r o s t a t i ct e s t i n gs y s t e mn o w a d a y s t h et 1 1 i r dc h a p t e rd i s c u s s e st h eh a r d w a r ed e s i g nb a s e do na r m a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n t so fd e t e c t i o ns y s t e m ，ic o m p l e t et h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g ni n c l u d i n g c o r ec i r c u i t ，d a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t ，s dc a r dm e m o r yc i r c u i t e ta l ，a n dd e v e l o pt h e h a r d w a r eb o t t o md r i v e rp r o g r a m i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，ic o m p l e t et h eb o o t l o a d e rp r o g r a m m i n g ；c o n t r i b u t et h e r e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e mb a s e do nu c o s i i ，u c g u ia n df a t 16f i l e s y s t e m d e v e l o pa p p l i c a t i o ns o f t w a r e ；a c h i e v et h ea i rl e a k a g ed e t e c t i o ns u b s y s t e ma n dt h e s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sd e t e c t i o ns u b s y s t e m ；p r o v i d eaf r i e n d l yh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e f o ru s e r s t h ec h a p t e rf i v ed i s c u s s e st h em e t h o do fd e b u g g i n ga n dt e s t i n g ，a n a l y z e st h e t e s t i n gd a t e t h el a s tc h a p t e ri sac o n c l u s i o no ft h ew h o l et h e s i sa n dt h e r ea r ea l s os o m e p e r s p e c t i v eo p i n i o n sa b o u tt h ep o s t e r i o r t a s k si ni t k e yw o r d s ：g a sr e g u l a t o r ；d e t e c t i o ns y s t e m ；a r m ；s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ； a i rl e a k a g e ；p , c o s i i ； t c g u i ；g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿盘堂或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签 ；加当堑日期：秒厂口年弓月- 甘 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩f - t 或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签 签字日吵知年弓月_ 猸 签字日期：年月日 浙江大学硕士学位论文 致谢 此论文谨献给我的父母。他们给予我生命，哺育我长大，教我做人的道理， 给我不断前进的动力。今生无以回报他们伟大的爱。祝父母幸福安康。 衷心感谢我的导师朱世强教授。朱老师在工业机器人，家用自主移动机器人 以及机电控制系统领域具有丰富的理论知识和科研研究经验。三年多来，一直亲 身感受着朱老师在科研方面的熏陶。朱老师严谨的治学态度和真诚待人的性格也 给我留下了深刻的印象。三年多来，我从朱老师身上学到的不仅是知识经验而且 还有他对工作一丝不苟的精神。再一次向朱老师致以深深的感谢和崇高的敬意。 感谢大课题组吕红兵副教授。本课题的顺利开展离不开他的指导和帮助。 感谢曾经参与本课题的李云飞，郑东鑫和顾晔，同甘共苦是一种更深刻的情 谊。 感谢实验室的全体成员。特别是刘松国博士，王会方博士生。自从进入实验 室，刘师兄和王师兄都给予了细心的指导。他们踏实、稳重、负责的工作态度， 积极、乐观的生活态度也给我树立了良好的榜样。 感谢刘华山博士生、赖小波博士生、吴文祥博士生、徐永硕士，潘维东硕士， 程永伦硕士，刘其峰硕士，陈光硕士，罗立佳硕士；感谢闫莎莎，吴剑波和孙杰； 感谢我的师弟师妹，他们有曹新星、崔壮平、马璇、张德胜、郑凌、赵利军等。 感谢我的室友：姜红刚、范翔和阿永嘎；感谢我的好友陈正、陈世泽、方锦 辉、江克等。我们一起走过了这段近八年的多彩岁月，这是我一生难以忘怀的记 ， 乙。 2 0 1 0 年1 月1 2 日于求是园 浙江大学硕士学位论文绪论 1 绪论 本章主要介绍燃气调压器在燃气工程和天然气工业中的重要地位，以及调压 器的基本结构和工作原理。最后对本文的研究目的和主要内容进行概括。 1 1 燃气调压器在燃气工程中的重要地位 天然气是一种多组分的混合气体，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数， 另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气， 以及微量的惰性气体，如氦气和氩气等【1 2 】。天然气是古生物遗骸长期沉积地下， 经慢慢转化及变质裂解而产生的气态碳氢化合物，具可燃性，多在油田开采原油 时伴随而出或纯天然气气田。与煤炭、石油等能源相比，天然气在燃烧过程中产 生的能影响人类呼吸系统健康的物质极少，产生的二氧化碳仅为煤的4 0 左右， 产生的二氧化硫也很少。天然气燃烧后无废渣、废水产生，具有使用安全、热值 高、洁净等优势【3 5 1 。 城市燃气输配系统是指从接收长输管道供气的门站开始到用户用具为止的 整个系统。包括门站、储气装置、调压装置。输配管道和管理监控装置等部分。 城市燃气输配系统的目的旨在将适宜压力和稳定流量的燃气输送至用户，并保证 输送过程的安全稳定和经济方便。 表1 1 输配管道按设计压力分类 名称压力( 表压) m p a 高压燃气管道 a 2 ，5 p ! 互0 b1 6 p 2 5 次高压燃气管道 a 0 8 p 1 6 b 0 4 p s 0 8 中压燃气管道 a 0 2 0 p 0 5 2 8 l 一， p s 上式中， 砌一一孔出1 2 的质量流量，k g 。s - 1 ； 彳一一孔出口的截面积，m 2 ； k 一一比热比，对于空气为1 4 ； p 一一孔出1 2 压力，p a ； p ，一一孔入口压力，p a ； 肛一一孔入口气体密度，k g m - 3 。 由理想气体状态方程p v = t o r t ，对于容积不变的容器内气体，有： 尘：旦坚+ 丝廊 出丁山 y 式中： p 一一容器内压力，p a ； t 一一容器内气体温度，k ； r 一一气体常数，j ( k g k ) ； v 一一容器容积，m 3 ； 根据系统气体能量3 - f l t 2 4 】： 丁d(cvmt)=e历丁+em_dt=cv,n丁+揪丁+qot出 根据传热方程【2 5 1 ： q = 於( 一t ) + c r 2 s ( t e 4 - t 4 ) 由式( 2 - 2 0 ) 和式( 2 - 2 1 ) ，得： 面d t = 苦 廊( q 一c v 卅坝) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 式中： q 一一气体的定压比热，对于空气为1 0 0 5 1 0 3j 。k g 一。k 1 ； c v 一一气体的定容比热，对于空气为0 7 1 8 1 0 3j 。k g 1 k 1 ； 1 4 乃一一外界环境温度，k ； 丁一一容器内部温度，k ； q 一一热传导量，j ； h 一一对流换热系数，w m k - 1 ； s 一一热交换面积，m 2 。 根据式( 2 1 8 ) ，建立充气过程中气体质量流量的s i m u l i n k 仿真模型，如图 ( 2 8 ) 所示： 图2 8 气体质量流量仿真模型 根据式( 2 1 9 ) 和式( 2 2 2 ) 建立压力和温度的仿真模型，如图( 2 9 ) 所示： 图2 9 容器气体压力，温度仿真模型 浙江大学硕上学位论文燃气调压器检测试验方案设计 假设环境温度2 5 ( 即t - - 2 9 8 k ) ，充气入1 2 孔截面积a - 1 0 1 0 击m 2 ，充 气压力p s = 0 5 1 0 6 p a ，容器容积v = 4 0 0 1 0 石m 3 ，表面积s h = o 1 5m 2 ，热传递 系数在充气和放气过程有所区别2 6 1 ，充气过程，取h = 3 0 w m 一k 1 。通过以上 两个模型建立充气过程的仿真模型，如图( 2 1 0 ) 所示 h p 0 p s 3 厂 l3 0 0 卜t a p o u t ll p垢 ll t s 3 l l 3 0 0 e - 6 l v s c o p e ll 同， p n v 2 i 一 1 0 0 e 。s h p s g m o u t 1 1 0 e 击l s i n h 5 il 匕 h s r = 。 1 1 n h 4 t d一k 匠寻 ， g 。 mp 1p 2at o c o p e i 一一一一 即 t t 1 s u b 掣s t e m 3 图2 1 0 容器充气过程压力，温度变化仿真模型 根据仿真结果如图( 2 11 ) ( 2 1 2 ) ，充气过程中压力在3 s 左右的时间内达 到稳定状态，其中质量流量的变化过程更明显的反应出在稳定之前压力有一个振 荡的过程。但是容器内温度的变化过程比较缓慢。在初始阶段温度迅速升高，随 着质量流量的减小快速降低，并逐渐恢复到初始阶段的温度值，需要1 0 s 左右时 间。如果在这段时间之前进行读数，将会对最终结果带来较大的误差。因此充气 和平衡阶段尽量保持较长时间，以保证容器内压力和温度的稳定。 f _ ， f | l 、 时间t ，s 图2 1 1 充气过程压力，温度的变化过程 浙江大学硕士学位论文 燃气调压器柃测试验方案设计 i i -il- i i - -iii ii - i ii-ii lii lii -i-iii j -li - iiii i-i i iii ili iii-i 一1 一一1 。 iliii iii l i-iiii - ： li iili iii 雌 一 i i-i 。1 。叮： 浙江大学硕士学位论文 燃气调压器检测试验方案设计 扯= 咒等+ 尸每 ( 2 乏4 ) 式中： r 一一标准容器和被测容器的初始平衡压力，p a ； t o 一一标准容器和被测容器的初始平衡稳定，k ； p 一一测试过程中由泄漏引起的压力变化，p a ； 一一测试结束时被测容器的温度，k ； a t 一一测试结束时标准容器和被测容器的温度差，k ； 够一一测试结束时差压传感器的读数，p a 。 由式( 2 - 2 4 ) 推导可得： p = 扯丢一昂等 他乏5 ) 从式( 2 - 2 5 ) 可以非常直观的看出，被测容器和标准容器的温度差直接影响 最终检测的结果。 为了简化模型，我们假设在检测过程中，容器内各处压力，温度都相等。由 于大泄漏的检测非常简单，因此以下只针对泄漏非常微小的情况。此时不能按照 充气过程的孔口质量流量方程来计算。通常漏孔直径d 非常小，在1 0 - 5 1 0 。4 m 左 右。而漏孔长度l 通常满足l 2 0 d ，可以作为毛细管来分析。由公式( 2 1 5 ) ： 删赐= 等丽7 d 4 ( 见2 _ p 1 2 ) 根据公式( 2 1 9 ) 与式( 2 2 2 ) ， 温度分别为： ( 2 2 6 ) 标准容器和被测容器在检测阶段的压力和 堡：一p 一a l + 堑砌 a t 正a tk 5 妒pa z 尺z 一= j + j m a f za t 誓= 器 鹕乃q 淝卅 百a t , = 器陬c t , q m 淝刮 检测过程中，标准容器没有气体流入流出， 因此r h s = o 。所以，两容器间的 一 一 一 一 浙江大学硕上学位论文燃气调压器检测试验方案设计 压力差和温度差可表示为： 警= 昙鲁专鲁一等晚 一= o - 一o 一朋 a f za fzm形 ( 2 3 1 ) 警= 器( h 小雨r r , 鹕驴嘲h ) ( 2 3 2 ) 由公式( 2 - 3 1 ) 和式( 2 - 3 2 ) 建立泄漏过程中压差和温度差变化的s i m u l i n k 仿真模型如图( 2 1 3 ) ： 图2 1 3 差压法检测系统仿真模型 根据前一节对冒泡法检测分析的结果，当人肉眼观测能达到的最高检漏精度 时，即：漏孔直径d = 1 3 1 0 一i t i ，漏孔长度l = 0 1 m ，假设环境温度保持2 5 。c 恒 温，标准容器和被测容器体积等参数相同，v = 4 0 0 x1 0 。6 n 1 3 ，表面积s = i 0 1 0 巧m 2 ， 表面热传递系数h = 2 0w i l l k 。【2 5 1 。由仿真结果如图( 2 1 4 ) 可知被测容器与 1 9 浙江大学硕士学位论文燃气调压器检测试验方案设计 标准容器间的压差随检测时间的增加而逐渐增大，被测容器与标准容器间的温度 差在检测初期有一定增加，并在随后基本保持一个恒定值。从图中同时可以看出， 该条件下，检测1 0 分钟后的压差约为7 0 p a 。温度差约为2 6 1 0 一k 。 i l i l 泄露时间t ，s 泄露时i 司t s ( d = 1 3 1 0 m ，l - - 0 1 m ，2 5x 2 恒温，v 1 _ v 2 = 4 0 0 1 0 - 6 m 3 ) 图2 1 4 泄漏过程压差和温度仿真 如果泄漏情况较为严重，假设漏孔直径d = 5 1 0 r n ，其他条件保持不变， 仿真结果如图( 2 1 5 ) 所示。可见随着漏孔尺寸的增加，标准容器与被测容器间 的压差也逐渐增大，温度差也逐渐增大。在此条件下，检测l o 分钟后的压差约 为1 5 0 0 0 p a 。温度差约为5 5 1 0 一k 。 泄漏b , i 间t ，s泄漏时削t s ( d = 5 0 x1 0 m ，l = 0 1 m ，2 5 恒温，v 1 = v ：= 4 0 0 x1 0 七m 3 ) 图2 1 5泄漏过程压差和温度仿真 如果容器体积较大，假设v = 1 0 0 0 1 0 。6 m 3 ，热交换面积s = 0 1 4 m 2 ，而其他 条件保持不变。仿真结果如图( 2 1 6 ) 所示。可见随着容器体积的增加，标准容 器与被测容器间的压差逐渐减小，温度差也逐渐减小。在此条件下，检测1 0 分 钟后的压差约为2 7 p a 。温度差约为1 7 1 0 k 。 2 0 2 5 1 5 o 1 0 山、正口梢进雏鸶奇郴西 浙江大学硕士学位论文燃气调压器检测试验方案设计 也 、 也 它 毒 熊 馋 $ j l i d 、 一一z - i i 一一一一 一 i 矗 彳 i i l i x1 0 5 - _ j - _ _ _ _ _ - - _ _ l 1 02 0 泄漏时1 - 日- - 1t s 泄漏时间t s ( d = 1 3 1 0 5 m ，l = 0 1 m ，2 5 c , l 亘j ! g ，v 1 = v ：= 1 0 0 0 x1 0 6 m 3 ) 图2 1 6 泄漏过程压差和温度仿真 以上讨论都是建立在测试过程中温度恒定，被测容器与标准容器体积、表面 积完全相等的条件下进行的。而在实际的检测过程中经常伴随环境温度的变化， 以及标准容器和被测容器不对称的情况。以下分别对这两种情况下的压差和温度 差变化进行仿真。假设被测容器与标准容器体积、表面积相等，而环境温度为 2 3 ，其他条件保持不变。仿真结果如图( 2 1 7 ) 所示。从图中同时可以看出， 该条件下，检测1 0 分钟后的压差约为7 0 p a 。温度差约为2 6 1 0 一k 。与恒温条 件下的检测结果相同。由于标准容器和被测容器完全相同，因此环境温度由对流， 传导等对容器内气体温度的影响一致，对容器内压力变化的影响也相同。容器间 的压差和温度差完全是由气体泄漏引起的。 正 、 正 剁 壬 雏 钽 迎 划 甾 6 0 泄漏时间t s 泄漏时间t s ( d = 1 3 1 0 5 m ，l = 0 1 m ，t d = 2 5 * c ，t 。= 2 3 c ，v l = v 2 = 4 0 0 1 0 - 6 m 3 ) 图2 1 7 泄漏过程压差和温度仿真 如果被测容器与标准容器的初始温度不同，且被测容器与标准容器的容积以 及表面积不等，假设容器内初始温度t 。= t 。= 2 5 ，环境温度t o = 2 4 c ，标准容器 体积v 。= 1 0 0 0 1 0 击m 3 ，换热面积s 。= 0 1 4 m 2 ，被测容器参数保持不变。仿真结果 如图( 2 1 8 ) 所示。由于热交换面积的不同，在检测初期被测容器和标准容器间 0 m 0 = 二 五山、正刁翅越羁聚旃姑蜷之柴谗嚣馨 浙江大学硕士学位论文燃气调压器检测试验方案设计 有较大温度差，从而引起压差的迅速升高。随温差的逐渐降低，由温差引起的压 差值逐渐恢复。后段温差趋于平衡，而压差由于被测容器的泄漏逐渐累积增加。 检测1 0 分钟之后的压差约为7 0 p a ，温度差约为1 7 1 0 巧k 。 泄漏时n t ，8泄褥时间t ，8 ( d = 1 3 1 0 5 m ，l = 0 1 m ，t d = 2 5 * c ，t , = 2 4 * c ，v 1 = 1 0 0 0 x1 0 啊，v 2 = 4 0 0 x1 0 石m 3 ) 图2 1 8 泄漏过程压差和温度仿真 通过以上分析，只要保压足够长时间，被测容器与标准容器间的温度差会趋 于一个非常小的稳定值，而压差大小只跟被测容器的漏率以及检测时间有关。同 时，我们可以发现： 衅丢口r 等 ( 2 3 3 ) 因此在检测足够长时间的前提下，可以忽略环境温度变化对最终结果的影 响。 2 1 4 差压法检测方案设计 气源 电磁阀3 图2 1 9 基于差压法的气密检测系统气路图 旬 旬 m 浙江大学硕士学位论文燃气调压器检测试验方案设计 根据差压法检测的原理，通过对差压法检测的仿真分析，设计如图( 2 1 9 ) 所示的气路系统。检测系统由主控制器根据检测的流程驱动各电磁阀动作，并负 责采集温度、压力、差压等传感器的数据。另外，企业要求检测曲线能实时显示 在液晶屏上，并且提供打印和数据存储等功能。 由空气压缩机排出的气体经储气罐输出后含有油雾、灰尘以及水蒸气等杂 质。这些杂质会腐蚀气路管道内表面，影响气动元件的寿命；压缩空气中的水分 在一定温度压力下饱和从而析出水滴，附着在管道内形成水膜，增加气阻；而且 这些杂质会在检测过程中堵塞漏孔，影响检测结果 2 7 1 。因此在气体进入检测系统 前须经除水、除油、除尘和干燥处理。之后气体经减压阀，进入检测回路。 为了保证系统检测的精度，首先需要保证检测回路的气密性。首先，图中粗 线部分的管道选用硬管，既避免软管因气压引起的变形又保证管接头的密封性， 同时尽量缩短管道的长度以减少被测容器的等效体积；其次图中电磁阀2 、3 、4 的密封性直接影响检测精度，须选用自密封性能较好的电磁阀。第三，选用精度 较高的差压传感器以满足检测系统的精度。 检测过程包括以下阶段： ( 1 ) 充气过程 打开电磁阀l 、2 、3 、4 ，对被测容器和标准容器充气，等待t l 时间，关闭 电磁阀2 、3 。充气过程结束。 ( 2 ) 平衡过程 充气过程结束后，系统内的气体温度、压力等分布不均匀，等待t 2 时间，使 得被测容器和标准容器内气体相对平衡后关闭电磁阀4 ，平衡过程结束。 ( 3 ) 检测过程 关闭电磁阀4 之后，根据对差压法检测过程的仿真分析可知，由于被测容器 的泄漏以及被测容器与标准容器的参数差别，在初期会有较大的温度差和压力 差。须等待t 3 时间后，开始读取差压传感器的读数，如果压差传感器的读数超过 系统预先设置的阈值，可能被测容器的泄漏比较严重，与标准容器的压差比较大， 为避免差压传感器的过载，应即时打开电磁阀4 。否则，直到检测时间t 4 结束， 读取差压传感器的读数。打开电磁阀4 。检测过程结束。 ( 4 ) 排气过程 检测过程结束后，打开关闭电磁阀l ，打开电磁阀2 、3 ，将检测系统内的气 浙江大学硕士学位论文燃气调压器枪测试验方案设计 体排入到大气中。至此，整个差压法检测的过程全部结束。 根据前节仿真分析以及检测过程的实际情况，在检测过程中的各阶段时间应 满足： 1 0 s 厶 5 s 毛 3 0 s 乙 l o m i n ( 2 3 4 ) 根据2 2 2 节对冒泡法检测的计算分析，针对本文特定的燃气调压器型号以 及国家标准所规定的试验方法和试验条件，肉眼能观测到气泡冒出时，漏孔气流 处于粘滞流状态，漏孔漏率约为q 曲= 3 9 1 0 一p a m 3 s ，转换为标准状态下的 最小漏率约为q 。曲= 2 6 1 0 p a m 3 s 。根据2 2 3 节对差压法检测的仿真分析， 在充气平衡时间和检测时间足够长的前提下： q ：v x _ a p ：y 等孕 ( 2 - 3 5 ) i & t 。 、一 为了使差压法检测系统的检漏精度能够满足国家标准的要求，必须满足： 鳊1 i l i n 皱。幽 ( 2 - 3 6 ) 假设测试压力尸= o 5 m p a ( 绝对压力) ，测试时间1 0 分钟，被测燃气调压 器阀体容积4 0 0 1 0 。6 m 3 ，根据以上公式，可以推算得到： 妒6 0p a ( 2 - 3 7 ) 因此在同样的测试条件下，差压传感器的精度需小于6 0 p a 。如果被测阀体 的容积更大，则需要更高精度的差压传感器或者相应提高测试的压力或者时间。 本系统差压传感器选用l e e g 公司d m p 3 0 5 1 微差型差压变送器，量程1 k p a ， 精度等级0 2 5 f s ；输出信号为4 2 0 m a 电流。压力传感器选用l e e g 公司 s m p l 3 1 s 4 m 2 f 2 a 5 d 型号压力变送器，量程1 m p a ，精度等级0 5 f s ；输出信 号为4 2 0 m a 电流。 2 2 静压特性检测试验方案设计 2 2 1 燃气调压器的静压特性 在工程实际中，要求调压器在入口压力波动范围内，出口压力稳定在给定值 附近并提供所需的额定流量。稳压精度是衡量调压器性能质量好看的最重要指 2 4 浙江大学硕士学位论文燃气调压器检测试验方案设计 标。而稳压精度主要取决于调压器的静压特性，即出1 ：2 压力一一流量特性。国家 标准城镇燃气调压器( g b l 6 8 0 2 1 9 9 7 ) 中对调压器静压特性测试中规定， 静特性试验至少要测三条曲线，即固定不同的进1 2 压力，检测出1 2 压力随流量变 化的关系。试验过程中，控制调压器进1 2 压力分别为p 1 m i n ，o 5 ( p l 胁+ p 1 一) ， p 。m a x ，改变其对应的流量，且流量变化点不少于7 个，使其由0 增至q 。，再由 q 。减至。往返各一次，观察并记录出1 2 压力p 2 。和相应流量q x 的值( p l i l l i n 为最 小进口压力，p l 矾为最大进口压力，q n 为额定流量) 【】。测试结果应符合稳压 精度和额定流量的相关要求。理想的调压器静压特性曲线如图( 2 2 0 ) 所示： p 2 图2 2 0 燃气调压器理想静态特性曲线图 2 2 2 试验平台的设计 q 燃气调压器测试介质一般选用空气，试验系统结构图如图( 2 2 1 ) 所示。其 中流量计的位置可以任意放置。本课题所用检测系统是基于科信燃气设备有限公 司原有基础设备基础上进行改造，如图( 2 2 2 ) 所示。 56 1 进口压力定值器；2 流量计；3 被测燃气调压器； 4 流量控制阀；5 入口压力计；6 出口流量计 图2 2 1 调压器静压特性测试系统结构图 检测系统的入1 2 压力由前端压力调节阀手动设置。控制器驱动步进电机控制 浙江大学硕士学位论文燃气调压器检测试验方案设计 出口流量球阀，使出口流量按照试验规定的方式变化。在检测过程中，由控制器 采集出口压力传感器和流量计的值。测试数据可以存储在s d 卡中，并可以通过 微型打印机打印测试结果。 1 进1 2 压力传感器；2 进口管路；3 被测燃气调压器；4 出口压力计；5 出口管路； 6 流量计；7 步进电机驱动的球阀 图2 2 2i 旧2 5 型燃气调压器静压特性检测系统 本系统中，入口压力传感器选用量程2 m p a ，精度等级0 5 f s ；出口压力传 感器选用量程3 0 k p a ，精度等级o 5 f s ；流量计选用量程1 0 0 0 m 3 h r ，精度等级 1 0 f s 。以上输出信号皆为4 - 2 0 m a 电流输出。 2 3 本章小结 本文建立了冒泡法检漏的数学模型。根据国家标准城镇燃气调压器 ( g b l 6 8 0 2 1 9 9 7 ) 规定的阀体气密性检测要求，针对本系统具体检测对象m n 2 5 型调压器阀体的参数估算了冒泡法检漏的灵敏度，给出了国家标准中阀体气密性 检测的定量描述。同时利用m a t l a b 的s i m u l i n k 工具，深入分析了差压法检测 中容积、温度以及充气压力对测试结果的影响，提出了气密性检测系统的总体方 案。 通过分析燃气调压器的工作原理和工作特性，在原有的调压器静压特性检测 系统基础上，提出了改进方案。 浙江大学硕士学位论文燃气调压器检测系统硬件电路设计 3 燃气调压器检测系统硬件电路设计 硬件电路是系统软件运行的平台，是整个系统功能实现的基础。硬件的性能 通常决定了整个系统的性能，本章根据检测系统对硬件电路的功能，介绍了整个 系统的硬件方案以及各子模块的硬件电路和底层驱动设计方法；并针对系统应用 的具体特点，提出硬件抗干扰设计方法。 3 1 系统总体设计 燃气调压器检测系统包括阀体气密性检测子系统和调压器静压特性检测子 系统。由于两套系统具有许多相同点：如都需要采集压力或流量以及温度等外部 数据；都通过对电磁阀或步进电机的驱动完成测试过程的不同阶段；都需要配置 串口、s d 卡存储、微型打印机等外围接口；都需要通过大尺寸液晶屏和触摸屏 作为人机界面等。因此，硬件上，本课题选择了开发通用控制板，针对各自功能 的微小差别分别配置不同外围驱动板；软件上，采用相同操作系统和软件环境， 针对各系统功能开发不同应用程序。综上，从检测系统的要求来说，应具备以下 功能： ( 1 ) 微控制器具有一定运算速度和数据处理能力，能及时响应中断； ( 2 ) 具备一定容量的非易失性存储器，能够对数据文件进行保存和管理； ( 3 ) 高精度a d 转换功能，且具有一定的采样速率，能较快较高精度的读 取压力和流量等数据； ( 4 ) 具有一定精度的温度传感器。 ( 4 ) 友好人机界面，提供大尺寸液晶屏和触摸功能，能显示文字和图形界 面； ( 5 ) 具有s d 卡接口，可以将数据存储到s d 卡等存储设备中； ( 6 ) 扩展微型打印机，可打印检测结果； ( 7 ) 具有r t c 实时时钟功能，在系统掉电情况下，能够记录跟踪系统日期 和时间等功能； ( 8 ) 具有r s 2 3 2 串口通信接口，方便系统调试和数据传输； ( 9 ) 电磁阀驱动或步进电机驱动功能； ( 1 0 ) 其它系统所需要的外围功能，如l e d ，蜂鸣器等。 为了开发和调试的方便，将硬件部分分为核心板和扩展板单独开发。核心板 浙江大学硕士学位论文燃气调压器检测系统硬件电路设计 包括m c u ，实时时钟，复位，扩展存储设备和j t a g 调试等部分，是整个系统 的核心部分，负责各外围器件的控制和协调工作。其他外围设备和接口全部排布 在扩展板上，包括s d 卡存储接1 ：2 ，l c d 触摸屏，a d 转换，步进电机驱动，电 磁阀驱动以及打印机，蜂鸣器等。这样，方便系统的调试以及后续的更新维护和 系统升级。 整个系统的结构框图如图( 3 1 ) 所示- 图3 1 调压器检测系统结构框图 以下将依次介绍核心板，以及数据采集模块、数据存储模块、l c d 与触摸 屏模块、步进电机、电磁阀驱动等各外围电路的硬件实现方案及底层驱动方案。 3 2 核心板设计 核心板主要包括主控制器最小系统、存储设备、必要的调试接口以及与扩展 板的接口。 3 2 1 主控制器选型 本系统选用三星公司生产的s 3 c 4 4 b o x 为主控芯片。s 3 c 4 4 b o x 是 a r m 7 t d m i 内核的1 6 3 2 位r i s c 处理器。采用三星a r mc p u 嵌入式微处理器 总线结构，集成了t h u m b 代码压缩器、片上i c e 断点调试支持和3 2 位乘法处理 器。s 3 c 4 4 b o x 提供了丰富的内置部件，包括2 明： 2 5 v a r m 7 t d m i 内核，带8k bc a c h e ( 主频高至7 5 m h z ) ； 2 通道通用d m a ，2 通道外设d m a ，并具有外部请求引脚； l c d 控制器( 最大支持2 5 6 色s t n 型l c d ，具有专用d m a ) ； 浙江大学硕士学位论文 燃气调压器检测系统硬件电路设计 外部存储器控制器( 具备f p e d o s d r a m 控制器和片选逻辑) ； 5 个通道p w m 定时器和1 通道内部定时器； 2 通道u a r t 和1 通道s i o ； 看门狗定时器； 8 通道1 0 位d a c ； 具有日历功能的r t c ； 7 1 个通用i o 口和8 通道外部中断源。 3 2 2 存储器电路设计 为了精简芯片结构，s 3 c 4 4 b o x 内部仅有8k b 的c a c h e 、没有r o m 存储器， 和r a m 存储器。但是提供的功能强大的外部存储器控制器，支持对8 个存储器 b a n k ，每b a n k 最大寻址范围为3 2 m b 。通常为了防止对各外围设备的访问相互 干扰，通常将不同的外设映射到不同的b a n k 内。作为代码存储器，f l a s hr o m 映射在b a n k 0 地址空间，这样当系统上电复位时，处理器可以自动从r o m 首地 址处取得指令并开始运行。n a n df l a s h 存储器作为系统的数据存储单元，用于存 储系统中的各种配置参数以及测试数据文件的存储，映射在b a n k l 地址空间。 s d r a m 存储器主要用于载入操作系统或系统主程序、作为数据存储区以及堆栈 区。映射在b a n k 6 的地址空间内。本系统中以硬件资源及数据和程序空间的分配 如图( 3 2 ) 所示： b a n k 7 b a n k 6 b a n k 5 b a n k 4 b a n l d b 锄k 2 b a n k l b a l l k o i 瘸 l 磁j 班彳 s d r a m ； 麓 l 瘸 琢 ： 磁 ，l n a n df l a s h c p u器 ? 羽 l 谚 f l a s hr o m 0 x 0 e o o o o o o 0 x 0 d 0 0 0 0 0 0 o x o c 0 0 1 0 0 0 0 0 x 0 a o o o o o o o x 0 8 0 c 叼l 0 0 0 0 x 0 6 0 c i o i ) 0 0 0 x 0 4 0 0 0 0 0 0 0 x 0 2 0 0 0 0 0 0 o x 0 1 c 0 0 0 0 0 0 x 0 0 2 0 0 0 0 0 g c s 7 o x o e 0 0 0 0 0