（机械制造及其自动化专业论文）基于压差原理的泄漏检测方法研究及系统开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 密封性能是工业中密封器件的一项关键指标，而泄漏检测是保证密封性能最为关键的 手段之一。随着科学技术水平的不断发展，压差泄漏检测方法因其检测精度高、能够实现 定量检测等优点，正在逐步替代传统主要依靠工人主观判断的水检测法，成为未来泄漏检 测行业的主流。本课题围绕压差泄漏检测方法，对充气和检测阶段进行了深入的理论研究， 旨在解决压差泄漏检测方法在实际应用过程中存在的检测标准不明确、压差与泄漏率转换 不清晰、检测参数难以确定等一系列问题。在此基础上，根据宁波志清阀门有限公司的生 产实际和应用要求，设计研发出一套高精度、高稳定性的压差泄漏检测系统。 第一章首先介绍了本课题的选题背景及意义，综合论述了泄漏检测领域的国内外研究 现状，并提出了课题研究的主要内容及基本技术途径。 第二章介绍了压差泄漏检测方法的基本原理，推导出了压差泄漏率计算公式。在此基 础上，探究了压差泄漏检测方法的检测标准，并且对压差泄漏检测方法和水检测法的理论 精度进行了比较分析。 第三章建立了压差泄漏检测过程的理论模型，并通过s 油l l l i n k 仿真，得到了压差泄漏 检测方法检测过程中密闭容器内部压力、温度随时间的变化关系。 第四章阐述了压差泄漏检测系统的硬件设计过程，具体包括气动回路设计、自主研发 两位三通气动阀的机械结构设计、p l c 控制系统的硬件设计过程。 第五章主要给出了压差泄漏检测系统p l c 下位机和台达触摸屏人机界面的程序设计 过程，介绍了通讯实现的基本原理。 第六章对压差泄漏检测的充气恢复时间、检测过程的压差变化趋势、不同压力条件下 泄漏率的变化规律进行了实验研究。 第七章是全文总结和研究展望。 关键词：压差泄漏检测，充气恢复时间，泄漏率，检测精度，p l c ，程序设计 i i 浙江大学硕士学位论文a b s t 嬲 a b s t r a c t s e a l i n gp r o p e r 眵i sak e yi i l d i c a t o ro fa i r t i g mc u b a g ep r o d u c t si ni i l d u s i 仃y ，a n dl e a k d e t e c t i o ni so i l eo ft l l em o s tc r i t i c a lm e a i l st oe i l s u r en l es e a l i i 培p e 怕咖a n c e d i f f e r e n tp r e s s u r e l e a kd e t e c t i o nm e t h o di san e wm e t l l o dw h i c hh a s 撕g hp r e c i s i o na n dq u a n t i 枷v ed e t e c t i o n w 曲t 1 1 ed e v e l o p m e mo fs c i e n c e 锄dt e c h n 0 1 0 9 y ，n l e 位t d i t i o m l 眦呛rd e t e c t i o nw l l i c hr e l i e so n w o r k e r s s l l b j e c t i v ej u 起m e n t si i l a i m yi sb e i n gr e p l a c e dg r a d 删l yb yt l l en e wm e n l o d 晰t l l n d e p t hn l e o r 酣c a ls t u d yo fm ei i l f l 撕b l ea n d ( 1 e t e c t e ds t a g eo fd i 蛐p r e s s u r el e a kd e t e c t i o 玛 t i l ea r t i c l ea i r i l st os o l v ear a n g eo fi s s u e se ) ( i s t e di i lp r o c e s so fd i 能r e n tp r e s s u r el ea ：kd e t e c t i o n ， i r l c l u d i n gd i f r e r e n tp r e s s l l r el e a kd e t e c t i o n st e s t i i 培s t a l l d a r d s ，d i 仃e r e n tp r e s s u r ea n dl e a kr a t e s c o n v e r s i o n 锄dd e t e c t e dp a r a m e 伧r s i d e n t i f i c a t i o n o nt l l i sb a s i s ，a c c o r d i i l gt 0m e e t 印p l i c a t e d r e q u i r 咖e i 怄o fn i n 加oz l l i q i n g 、谢v ec o ，l t d ，t l l es u b j e c ta i m st 0d e s i 笋a 1 1 dd e v e l o pa s e to f l l i 曲一p r e c i s i o 坞1 1 i g h 鼢i l 毋o fd i 慨mp r e s s u r el e a kd e t e c t i o ns y 妣m a b a m e ro n ei 1 1 仃o d u c e d n l eb a c k g r o u n do fr a i s i n g n l i sr e s e a r c ha n di t s s i g 】1 i 6 c a l l c e ， f o l l o w 酣b ye x p o u r l d i n gm ed e v e l o p m e n t 龇l dr e s e a r c h 协e n d so fr e l e v a n t 丘e l d s ，锄dt 1 1 e np m f o r v 删s o n l ep r o i n i s i i l gm e m o d sf o rt h i sr e s e a r c h c h a p t e rt 、i 旧d i s c u s s e dp r i n c i p l eo fd i f | f i e r e n tp r e s s u r el e a kd e t e c 6 0 na n dd e r i v e d 廿l e f 0 咖u l af o rc a l c u l a t i n gp r e s s u r el e a k g er a t e o nn l eb 2 l s i s ，e x p l o r e dt t l ed i 侬i r e n tp r e s s u r et e s t i n g s t 砸l d 莉s 锄dc o m p a r a ：t i v e l y 趾m l y z e dt l l et h e o r e t i c a la c c u r a c yo fd i 仃i e r e n t p r e s s u r e1 e a k d e t e c t i o nm 砒o da n dw a t e rd e t e c t i o nm e t l l o d c h a p t e rt b j 优e s t ；a b l i s h e d 廿：屺o r e t i c a lm e d e lo fp r e s s u r el e a kd e t e c t i o n 1 1 1 r o u 曲s i m u l i i l l 【 s 面吣l a t i o l l ，i tc l e a n ys h o w st l l a t 也ec h a g e so fp r e s s u r ea n dt e m p 贸a ：t u r eo ft l l ei i l i l e ra i r t i g h t c o n 协i n e r s c h a 雕rf o u rd e s c r i b e dd i 丑e r e n tp r e s s u r el e a kd e t e c 6 0 ns y s t e mm w a r ed e s i g np r o c e s s ， s p e c i f i c a l l yi n c l u d i n gap n e u l l l a l i cc i r c u i td e s i g l l ，p n e u m a t i cv a l v em e c h a l l i c a ld e s i g i la i l dp l c c o n t r o ls ) r s t e m w a r ed e s i g np r o c e s s c h a p t e rf i v ei n t r o d u c e dp r o 鲫nd e s i 朗p r o c e s so fp l cc o 曲的ls y 咖ma n dd e l t at o u c h s c r e e 玛d e s c r i b e dm ei m p l e m e n t m i o no fc o m m u i l i c a t i o nt l l e o r y c i l a p l t e rs i ) 【s t u d i e do ni n n a t i o nr e c 0 v e 巧t i i n e ，d i 丘b r e n tp r e s s u r e 仃e n di i ld e t e c t i o np r o c e s s a 1 1 d 也el e a l 嘴er a t ev a r i a t i o nu n d e rd i 仃e r e n tp r e s s l l l ec o n d i t i o n s i i l 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a 峨 c l l a p t e rs e v e np r e s e m e dt h e 驯m 唧o f t l l ew h o l ep 印e r 觚dp u tf 0 刑a r dr e l e v 觚tr e s e a r c h p r o s p e c t k e yw o r d s ：d i 位r e n tp r e s s 盯el e a kd e t e c t i o n ，i n n 撕o nr e c o v e 巧t i m e ，l e a l 【j 玛er a t e ，p l c ， p r o g m md e s i g n 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 时光飞逝而过，不知不觉中两年半的研究生生活已经接近尾声，回首这两年多的生活， 在很多老师、同学、朋友的帮助下感觉自己学到了很多，也成长了很多，在这硕士论文即 将完成之际，我想将自己最诚挚的谢意献给他们。 首先要对我的导师沈萌红教授表示衷心的感谢，感谢沈老师在硕士期间，给予我学习 和科研上的指导和帮助，感谢沈老师为我创造了一个宽松的科研和学术环境。沈老师渊博 的知识、实事求是严谨治学的学术态度、勇于创新的开拓精神和平易近人的工作作风是我 终生学习的榜样。在此论文完成之际，谨致上我最诚挚的谢意。 其次要对在过去一年多时间里，指导我做课题的陈俊华教授深表感谢。陈老师以其独 到的眼光和组织能力，带领我们完成了多个课题，使我的科研能力特别是解决实际问题的 能力得到了质的飞跃。除了科研上的支持，陈老师还在生活上给予我们很大的关怀，陈老 师以其宽宏的性格，仁厚务实的为人处事之风让我深感敬佩。 再者要感谢课题组一起工作过的王贤成、林躜、宋瑞银、黄方平等老师。感谢他们在 做项目期间在电气控制系统、气动系统、机械结构设计和液压系统研发方面给予的很多技 术指导和支持。同时也感谢一起学习生活过的曾亮、沈绍锋、黄飞、张兆凤等研究生，感 谢他们在过去的这段时间给我带来学术研究上的帮助和生活上的多姿多彩。感谢这里没有 提及的所有老师、同学和朋友，是你们激发我不断上进、勇于进取，我很庆幸自己能够在 这样的学习氛围中完成自己的硕士学业。 最后，要感谢我的父母，是你们的教导和鼓励给了我无尽的动力和信心，克服生活和 学习上的种种困难。 曾成洲 2 0 1 2 年1 月 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于宁波志清实业有限公司，该公司成立于l9 8 4 年，是宁海县首批工业综 合实力2 0 强企业。专营球阀、截止阀、闸阀、止回阀、安全阀、燃气调压器、燃气调压 箱、液化气瓶阎、等各类阀门，产品由国家科委、建设部推荐，中国城市燃气协会监制。 随着生产力水平的提高以及中国加入w t o 与国际市场接轨的进程越来越快，国内阀行业所 面临的挑战与日俱增，密封性作为阀门工业产品质量的一个重要技术指标，近年来日益受 到企业的重视。 2 0 1 0 年在对宁波志清阀门生产企业的泄漏检测车间进行实地参观时发现，志清实业 有限公司作为国内阀门生产的知名企业，其大部分产品的密封性泄漏检测均采用传统的水 检法，该方法耗时耗力，不利于自动化生产，且浸水对产品影响很大。为了能开发出达到 国际先进水平的测漏检测系统以保证阀门质量与国际市场接轨，该公司希望能依靠我校在 这方面的理论实践经验以及雄厚的科研力量，委托我校进行基于压差原理的泄漏检测系统 的研发。 1 2 课题研究的背景及意义 随着科学技术的不断进步，人们对密封产品的质量及性能的要求越来越高，这就给密 封产品的检测手段提出了更高的要求。泄漏检测作为检测方式的一种，在保证产品质量和 安全性能方面起着重要的作用【l 捌。国家质量技术监督局已经把全面提高企业的泄漏检测 水平提到议事日程上，并将企业的泄漏检测水平作为生产企业的产品生产资质认证的标准 之一。以阀门行业为例，根据中国城市燃气阀门协会2 0 1 0 年颁布的液化石油气瓶阀制 造许可鉴定评审细则的规定，阀门生产企业必须具备自动记录功能的阍门泄漏检测装置， 才给予批准生产许可证【3 ，4 】。同样，泄漏检测在汽车制造业、航空航天、液压气动元件、 医疗、家用电器、化工等其它相关的行业也是必不可少的。因此泄漏检测水平的高低直接 影响企业生产效率、产品的质量以及操作人员的劳动强度，选择合适的泄漏检测方法，实 现精确、快速的泄漏检测具有重大的现实意义【5 1 。 长期以来，国内外广为采用的方法为水检法，又称湿式检测法，它是将被测工件充入 一定压力气体浸没水中，然后由人工观察的方法，判断是否有气泡产生，并由气泡产生的 l 浙江大学硕上学位论文第l 章绪论 多少估计其泄漏程度。这种方法操作简单、不需要配备特殊设备、可以确定出泄漏具体的 位置，但是受人为因素影响容易产生误判，且无法对泄漏进行定量的分析，无法实现生产 自动化，生产效率低，同时需要对检测后的工件进行烘干、防腐等表面处理，增加了检测 成本，因此迫切需要一种更好的方法来代替它。利用工件内气体状态参数的变化进行泄漏 检测的方法就是干式检漏法。根据检测原理的不同，干式检漏法又可以分为气压式检漏法、 流量式检漏法、氦质谱检漏法、卤素检漏法、渗透检漏法和放射同位素检漏法等。工业上 应用最广的是气压式检漏法，分为直压式检漏和压差式检漏，它们都是以压缩气体为介质， 对被测工件充气加压或抽真空，然后对其压力或压差( 与标准容器比较) 进行采样分析， 从而判断工件是否泄漏，这种方法清洁、无污染、易于实现生产的自动化检测，得到较为 广泛的应用【6 8 1 。 气压检漏法虽然在工业生产中得到了广泛的应用，但它还存在着许多问题急需解决。 快速检测问题就是其中一个较为突出的问题，尤其对于体积大的被测工件，充气稳定平衡 需要的时间较长，它严重制约了测漏仪在大规模生产线上的应用。其次，准确性也是一个 比较大的问题，由于气体的可压缩性以及充气过程中的气体温度变化和气体震荡的影响， 检测结果的准确程度与检测的时间点关系很大。再者，气压泄漏检测没有一个规范的检测 标准，目前工业生产中，很多厂家都只是根据需要随意的设定检测的标准参数，对于合格 与不合格的区分没有明确的界限，这严重影响了气压泄漏检测方法的应用。因此对压差泄 漏检测方法进行深入的研究，着手解决压差泄漏检测方法精度和检测效率的问题具有重要 的研究意义【9 小】 1 3 国内外研究现状 1 3 1 气体泄漏检测技术的研究现状 泄漏检测在工业生产中扮演着重要的角色，传统的泄漏检测方法通常有水检法、肥皂 液涂抹法等等，这些检测方法多依靠工人的肉眼判别受人为因素影响容易产生误判，且效 率低下，不能定量的检测泄漏，加之浸水对工件的影响较大，需要进行表面防腐处理。所 以国外从7 0 年代中后期就开始研究其他泄漏检测方法以弥补这些传统的泄漏检测方法的 不足【1 1 】。到了9 0 年代初期，以气体为介质的干式泄漏检测方法逐渐成熟，尤其以压差原 理为基础的泄漏检测方法更为流行，国外众多厂家都研发出了基于此原理的气密性检测仪 器并且投入到汽车、家电、包装、压铸、煤气、建筑、电子、航空等领域，其中较为著名 的有美国的u s o n 公司、法国的a t e q 公司、日本的c o s m o s 公司等。其中美国u s o n 公司生 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 产的4 0 0 0 系列压差检漏仪如图1 1 所示，提供了多种泄漏检测模式，并且该公司针对不 同被测物的容积以及泄漏大小开发了相应的检测品种；法国a t e q 公司在压差泄漏检测设 备的开发上也走在了世界的前列，其生产的泄漏仪如图1 2 所示，可以判别出零件的泄漏 位置，泄漏检测的范围从0 1 m 1 s 到1 0 0 l h 变化；日本c o s m o 公司研发的l s 一1 8 4 2 泄漏 检测设备，具备了标准品自动取样修正和自动的误差修正功能，可以克服修正由于周围温 度变化引起的检测误差【1 2 ，1 3 】。 图1 1 美国u s o n 泄满检测产品图1 2 法国a t e q 泄漏检测产品 国内压差泄漏检测技术的研究直到9 0 年代后期才开始起步，但在借鉴国外已经取得 成就的基础上，发展比较迅速，短短的几十年时间，国内已有一些厂家自主研发出压差泄 漏检测仪并开始投入市场。其中以浙江三花实业有限公司较为突出，该公司专业从事泄漏 检测仪及其他专用设备的设计制造和销售，其研发的a l t 系列泄漏检测仪已经在世界上申 请了专利、在国内占用了极大的市场【1 4 】。福田仪器仪表公司( 天津) 在压差检测仪的研发 上也走在了国内的前列，通过电脑软件将测试得到的压差数据中由非泄漏因素( 如环境温 度、气体湿度、充气稳压过程的热平衡及材料吸附、被测物变形等泄漏等) 引起的非线性 成分剔除后，得到只因泄漏产生的压差变化斜线，并根据该线斜率得出了计算被测物总泄 漏率的方法，开发出了f l 一6 0 0 系列无基准物型气密性检测设备。该设备具有比较高的检 测精度，但只适合于体积小的被测物，无基准物气密性检漏仪检测原理如图1 3 所示【1 1 14 1 。 产 生 差 压 图1 3 无基准物型检漏仪检测原理图 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 虽然国内外这些公司开发出了很多成型的压差泄漏检测仪，然而这些压差泄漏检测仪 器的检测效率和精度以及检测的重复性都有待进一步的提高。目前国内外很多学者和研究 机构从不同的角度对提高压差泄漏检测方法的检测效率和精度进行了研究。lgh a r u s 和 m a o l i nc a i 等人研究了温度对压降检漏的影响，并提出了温度恢复时间对压差检漏偏差 影响的理论模型【1 5 1 ；合肥智能机械研究所在了考虑诸多对压差泄漏检测有影响的因素后， 提出了一种基于模糊综合评判的新型测量结果处理方法，该方法使得测试结果更加合理和 准确【1 6 1 ；赵勇等人提出了利用训练好的b p 网络对需要检测的高压大体积容器内的温度进 行预测，将预测的温度应用到智能气密性检测判断中，提高了高压气密性检测的精度【1 7 ，1 8 1 ； 熊四昌等人提出了一种容积补偿的压差泄漏检测方法，该方法通过测量补偿容积的大小来 得到泄漏气体的体积，具有测试速度快、精度高等优点【1 9 】。上述方法在提高压差泄漏检测 方法的精度和效率上具有一定的作用，但是处理过程比较复杂，应用场合比较单一，需要 反复的实验来提取所需要的基准参数，因此这些方法都还只是停留在理论研究上，尚未投 入实际应用。另外一些参考文献从工程应用的角度提出了一些相应的理论和方法，例如快 速充气法、基准曲线法、温度补偿法、加装填充物来减少被测试工件的内容积等方法，这 些方法在某些特定的场合具有很好的应用价值，但是一旦外界环境改变，就很难适应了 【2 0 2 4 1 1 3 2 国内阀门泄漏检测存在不足 国外优秀的阀门生产企业都开始采用了干式的压力变化泄漏检测方法，尤其以压差泄 漏检测方法应用更加普遍。相比较而言，我国国内大多数阀门厂的泄漏检测水平远远落后 于国外阀门厂的泄漏检测水平。一方面，国内阀门厂检测方法大多数仍采用传统的湿式水 检法，多依靠人工测试完成，自动化水平低，检测结果受人的主观性影响大；再者检测设 备也比较粗陋、精度偏低，多依靠传统的仪器仪表，检测结果偏差大；另外我国阀门行业 的泄漏检测标准也存在着很大的缺陷，国家2 0 0 9 年6 月2 5 日发布的气瓶阀通用技术要 求( g b t1 5 3 8 2 2 0 0 9 ) 新规定中的泄漏检测标准为：在o 0 5 m p a 和1 2 倍公称压力条 件下，将阀门放入水中保压一段时间不漏就属于合格。这一规定要求不够明确，对于什么 样的压力情况下、多少的泄漏量才属于泄漏却没有定量的规定，缺乏说服力，可操作性不 高。相比较而言，国外的一些气瓶阀门检测标准对气密性试验的泄漏量均做出了明确的规 定，以i s o1 0 2 9 7 ：2 0 0 6 t m s p o r t a b l eg a sc y l i n d e r 卜y l i n d e rv a l v e 卜一s p e c i f i c a t i o n 觚dt y p e t e s t i n g 为例，该标准对可运输气瓶阀的气密性试验要求作出了不能超过6 c m 3 l l 的定量规 定，这一标准不再以目测作为泄漏的唯一判断标准，而使用量化的测量数据，显得比较科 4 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 学、完善，这一标准对于检漏设备也提出了更高的要求。随着我国与国际社会交流的日益 增加，推进我国的泄漏检测水平与国际接轨，完善压差泄漏检测标准已经迫在眉睫【2 5 之6 1 。 针对以上国内阀门泄漏检测存在的问题，本课题研究的根本目的是为了更好地推进压 差泄漏检测方法在国内阀门以及其它泄漏检测行业的应用。这个研究可以分成多个方面， 一方面要从提高压差泄漏检测方法的检测效率和检测精度入手，另一方面则是借鉴国外阀 门泄漏检测的标准，探究建立和完善适合我国国情的压差泄漏检测方法的泄漏检测标准， 使得压差泄漏检测方法真正能够应用于我国阀门行业的泄漏检测，促使国内的阀门泄漏检 测尽早跟国际阀门泄漏检测接轨。在此基础上研发一套自动化程度高、检测精度高、检测 速度快、环境适应性强的压差泄漏检测系统，而且使检测的结果更准确可靠。 1 4 课题研究的主要内容 1 4 1 课题研究的主要内容 本文从压差泄漏检测的实际工程应用角度出发，针对目前国内压差泄漏检测方法在应 用过程中存在的检测标准不明确、检测重复精度不高、检测效率偏低等问题，通过理论分 析、仿真研究和实验相结合的方法对压差泄漏检测方法进行研究，并且拟采用p l c 控制器 开发出一套可靠的压差泄漏检测系统，具体的课题研究内容如下： 推导建立压差泄漏检测方法的泄漏率计算公式，从理论上对比分析水检法和压差 泄漏检测方法的检测精度，借鉴国外的泄漏检测标准，分析利用压差泄漏检测方法检测不 同容积工件所对应的标准压差数值，并且结合目前的一些数据处理方法，从数据处理角度 出发提高压差泄漏检测方法的检测重复精度。 建立压差泄漏检测方法整个检测过程的数学模型，通过仿真研究，了解检测过程 中被检测工件内部的气体压力和温度变化规律，同时确定除泄漏之外的一些对压差影响比 较大的因素，以对减少压差泄漏检测的检测误差给出指导。 开发一套以p l c 为核心控制器的压差泄漏检测系统，检测系统的气动部分和电控 部分采用模块化设计，要求只需要输入检测工件的体积，该检测系统就能够自动得出所需 要的各个参数，易于操作；最后对该压差泄漏检测系统进行调试和测试。 利用所开发的压差泄漏检测系统进行实验，研究压差泄漏检测过程中充气平衡时 间对压差泄漏检测精度的影响，并且通过检测已知漏率的标准泄漏孔来得到压差泄漏检测 方法检测过程的压差变化趋势，验证压差泄漏检测泄漏率计算公式的准确性。最后将进一 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 步研究同一个泄漏工件在不同检测压力条件下的泄漏关系，为把高压泄漏检测转化到低压 情况下的泄漏检测提供理论基础。 1 4 2 拟解决问题的关键技术 压差泄漏检测方法通过测量充气气体压力的变化检测泄漏率，因此对压差泄漏检测方 法进行理论研究不可避免地要涉及充气气体的状态特性研究。由于气体状态特征变化复杂 性，对于充气过程中的确温度、压力变化特征的研究将成为本课题的关键问题。除了压差 泄漏检测方法的理论研究之外，在研发压差泄漏检测系统的过程中，压差传感器的选型以 及压差气动回路的气密性保证也是一个比较关键的技术问题。针对上述技术难点，总结出 具体的拟解决问题的关键技术如下： 压差泄漏检测过程的建模。压差泄漏检测过程的建模主要针对充气气体的压力、 温度这两个对象，这两个对象的变化比较复杂，建模具有一定的难度。这里拟解决问题的 初步思路是，利用充气检测过程气体的体积始终保持不变和充气气体的温度变化主要因素 是与检测工件发生热传递进行数学建模。 压差泄漏检测系统的传感器选型以及检测回路气密性的保证压差泄漏检测系统 研发的最重要的就是压差传感器的选型，压差传感器的综合性能直接决定了压差泄漏检测 系统的性能。这里拟选用国外进口的压差传感器，再结合检测工件的具体检测要求进行选 型。另外主检测回路气动元件的气密性也是比较关键的，考虑到研发的压差泄漏检测系统 要进行产品化推广，因此检测气动回路的最关键的气动阀拟用自己设计研发。 充气平衡时间的研究。精确预知充气平衡时间，对提高压差泄漏检测方法的检测 效率和检测精度都具有重大的作用。这里将通过实验与理论相结合的手段去研究充气平衡 时间的长短。 1 5 本章小结 本章主要介绍了论文的课题来源、研究背景及意义，综述了与课题相关研究领域的国 内外研究现状，在此基础上提出了课题研究的主要内容和解决问题的关键技术。 6 浙江大学硕士学位论文第2 章压筹泄漏检测方法的应用分析 第2 章压差泄漏检测方法的应用分析 对有密封要求的产品进行压差泄漏检测的目的是将合格品与不合格品区分开来，因 此，首先需对压差泄漏检测方法的压差数值与泄漏率的关系进行研究。其次还需要对压差 泄漏检测的判定合格与不合格的标准以及压差和水检法的精度进行对比研究，以此来确定 压差泄漏检测方法的实际可行性。 2 1 压差检漏的基本原理 2 1 1 压差泄漏检测的基本原理 压差泄漏检测是一种通过测量被测工件内部压力变化来计算得到工件泄漏量的检测 方法。其基本原理如图l 所示。压差传感器一端接被测物体，另一端接基准物( 基准物近 似认为是不漏的) 。给基准物与被测物两边同时充入相同压力的气体，使得压差传感器两 端平衡。接着关闭阀门隔离基准物与被测物，如果被测物存在一定的泄漏，即使是很微小 的泄漏，压差传感器的两端也将出现压差，压差传感器将产生一个与泄漏量相关的输出信 号。压差检漏仪将这一信号检出并计算出被测物的具体泄率。如果基准物与被测物的大小、 形状、材料都相同，并且内部回路又对称时，该方式可以消除温度、充气热效应以及容积 变形等外界因素的影响，进而提高测试的精度和可靠性【2 7 1 。 图2 1 压差检谲基本的原理图 浙江大学硕士学位论文第2 章压差泄漏检测疗法的应用分析 压差检漏的基本工作过程包括了四个阶段，即充气阶段、稳压平衡阶段、检测阶段、 排气阶段，下面结合图2 1 对上述的四个基本检测阶段进行说明： ( 1 )充气阶段：通过调压阎调定系统的测试压力为只，同时打开电磁阀s v l 、s v 2 和s v 3 ，将相同压力的测试气体充入到被测物和基准物内。此阶段由于气体冲击振荡的影 响，充入气体的压力和温度都会有所波动，必须等待压差传感器两边的气体状态稳定，充 气才可以结束。 ( 2 )平衡阶段：等到基准物和被测物充气结束之后，关闭阀s v l 、s v 2 和s v 3 ，截 断气源的通路，且将基准物和被测物两腔隔离。由于截止阀的动作会引起容器内气体压力 脉动，导致两容器间的压差不稳定，必须延迟一段时间，待压差值稳定后才能测量压差变 化。 ( 3 )检测阶段：这个阶段就是检测压差数值的采集和输出，在测试压力附近一个 很小范围内，压力差与泄漏时间近似成线性变化。在预先设定的时间内读取压力差值，计 算后同预先设定的检验标准相比较，得出漏与不漏的判断结果。 ( 4 )排气阶段：待检测结束之后，将阀s v 2 、s v 3 通向大气，两容器内剩余气体通 过气阀排到大气里，结束一个检测周期。 2 1 2 泄漏率的推导计算 如图2 2 所示，设充气气体绝对的压力为b ，基准物的容积为k ，被测物的容积为， 则根据气体的状态方程可以得出，当检测结束之后被测物内的气体量为【2 8 】 耳k2 日( 一y ) + 昂圪 ( 2 1 ) 基准物内的气体量为 弓2 另( 圪+ y ) ( 2 2 ) 上述两式中：曰一为检测终止时被测物体内的绝对压力； 只一为检测终止时基准物内的绝对压力； 昂一为外界大气压； y 一为由压差衄引起的传感器容积的变化量，单位为m l ； 圪一折算为大气压昂下的漏出的气体体积，单位为m l 。 浙江大学硕上学位论文第2 章压差泄漏检测方法的应用分析 倒l 图2 2 压差泄漏检测示意图 由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 整理后可以得到 吒= 等 k + 等c e + 毒昱，) = 筹 k + 等c 每+ 老每，弓) c2 3 ， 由于在实际的检测过程中的压力变化不大( p a 的量级) ，而压力本身为1 0 5 p a 的量级， 根据量值分析有，只片z 忍异z1 ，式( 2 3 ) 可简化为 岈等p 等铷) 浯4 ， 公式( 2 4 ) 就是压差泄漏检测方法一定时间内检测到的压力差尸与泄漏出的气体体 积圪的关系。式中的矿尸称为传感器系数，它的物理意义为：产生单位压差时传感 器内部的体积变化量，其单位为m l p a 。该值的大小直接关系到检漏仪的精度和准确度。 引凹越小，对于相同的泄漏量，产生的压差会越大，从而越容易检测出微小泄漏。 根据上式( 2 4 ) 可以得出单位时间内被测物泄漏的体积，即体积漏率q ，为 g = 等= 盖卜争耖) 浯5 ， 上式中：p 一测试气体的表压力； q ，_ 咻积漏率，单位为m l s ； 一检测时间，单位为s 。 当被测物体与基准物体容积相同( 珞= ) 时，体积漏率g 为 9 ，2 盖”等r ) ) 6 ， 9 浙江大学硕士学位论文 第2 章压差泄漏检测方法的应用分析 对于高精度的压差传感器，其传感器系数y 廿通常是非常小的， 不是特别高的情况下，可近似认为y 时为零，式( 2 6 ) 可以简化为 g = 盖 上式( 2 7 ) 可以作为压差泄漏量的简易计算公式。 2 2 有效容积的测量 在分析精度要求 ( 2 7 ) 根据压差泄漏检测法的泄漏率计算公式( 式2 7 ) 可知，要准确计算气体的泄漏率，除 要测出一定时间内被测物的压差之外，还需要知道被测物以及连接管路的有效容积。对具 有规则形状的被检测物体，可以通过计算得出被测物体的实际容积并将其近似作为计算时 的有效容积；然而在实际的泄漏检测过程中，很多被检测物体内部都是不规则且结构比较 复杂，很难通过相关的公式进行计算；因此在一般情况下，都是通过实际测量得到被测物 体的有效容积。 被测物体容积的测量方法很多，如体积膨胀法、标准漏孔法或标准气样法等，每种测 量方法在检测过程中都有各自的问题和困难，都有各自特定的适用场合。物体容积测量一 般分为三种场合：大容积的被测物体测量、中小型容积被测物体测量、小容积被测物体测 量。 1 大容积被测物体测量 大容积被测物体测量有多种方法，这里介绍一种充气称质量法。该方法是将已知气体 质量的某种高纯气体充入被检容器中，通过测量容器中的压力变化值，根据气体状态方程 计算出被检容器的有效容积【2 9 1 。测量系统的简图如下图2 3 所示，其测量的具体步骤如下： 1 ) 用精密的天平测量出气瓶充气前的总质量现，单位为k g 。 2 ) 用测压仪和测温仪测量充气之前，被检测容器中的压力只和温度五，单位分别记 为p a 和k 。 3 ) 连接气瓶和充气系统，打开气瓶的开关，通过充气系统给被测容器中充气，当被 检容器中的压力上升到一定的压力值时，关闭气瓶开关，停止充气。 4 ) 重复步骤( 2 ) ，用测压仪和测温仪测量充气后被检测容器中的压力只和温度瓦， 单位分别记为p a 和k 。 5 ) 卸下气瓶，用精密天平单独测量充气后气瓶总质量，单位为k g 。 6 ) 接着利用( 2 8 ) 公式计算被检容器的有效容积矿，单位为m 3 1 n 浙江大学硕+ 学位论文第2 章压差 i i 漏检测方法的应用分析 肚蟊吩群叱 ( 2 _ 8 ) 上式中：m 一为充气气体的摩尔质量，单位为k g m o l ； 尺一为摩尔气体常数，8 3 1 4 j ( m 0 1 k ) ； 圪一为连接充气系统和被检测容器的管路容积，单位为m 3 ，如果检测容器的有 效容积比连接管路的容积大很多的时候可以忽略。 图2 3 秤重法测量被测物体有效容积简图 2 小容积被测物体测量 对于小容积的被测物体，其所充入的气体的质量很难测得，因此称重法不适合于测量 小容积的被测物体。在基准物容积已知时，可以利用图2 4 所示的压差测量装置和波义耳 定律将对容积的测量转化为对压力的测量，实现小容积被测物体容积的测量。方法如下3 们 1 ) 选择已知容积为k 的标准容器连接进压差泄漏检测回路中，并且通过压力传感器 测得标准容器的初始压力值层( 大约等于外界大气压力值) 。 2 ) 打开阀门1 ，2 ，向被测工件与基准物内充入表压为只的空气。 3 ) 关闭阀门1 、2 ，通过接在系统上的放气阀3 ，将被测工件中的气体放气至外界压 力昂，接着关闭放气阀。 4 ) 开启阀门2 ，待被测物体与基准物内的压力平衡后，测出其压力值只( 表压) 。 由波义耳定律可知 ( 日+ 咒) 略+ 异k = ( 最+ 昂) ( k + 圪) ( 2 9 ) 根据上述式子( 2 9 ) 推导出被检测物的有效容积 = ( 暑一只) k 昱 ( 2 一l o ) 浙江大学硕士学位论文第2 章压差泄漏枪测方法的应用分析 图2 4 小容积被检测工件测量容积方法示意图 2 3 压差检漏法检测标准探究 压差泄漏检测方法是一种被测物泄漏量的间接测量方法。在实际工程应用中，要判定 一个被测工件的合格性就需要根据国家法规给定一个判定产品合格与否的压差数值，即泄 漏检测标准。下面以瓶阀零件为例，结合国、内外的阀类零件泄漏量检测标准和压差泄漏 检测方法的泄漏率的理论计算公式，在介绍压差泄漏检测标准的基础上对有关问题进行分 析。 1 国内气瓶阀门泄漏检测标准【3 1 】 2 0 1 0 年4 月1 日开始实施的g b t1 5 3 8 2 2 0 0 9 气瓶阀通用技术要求中对瓶阀气密 性试验规定如下：在1 2 倍公称工作压力时，阀门处于关闭和任意开启状态，至少保压 1 m i n 无泄漏；在0 0 5 m p a 的表压力下，阀门处于关闭和任意开启状态，至少保压1 m i n 应无泄漏；有真空要求的阀，其真空度应不低于1 3 3 p a 。从上面的国家标准规定可以 看出，我国对于阀门泄漏标准的规定都是以目测作为判别阀门泄漏与否的唯一标准，而这 一判别标准容易受到主观因素的影响。再者，气瓶阀通用技术要求对于检测的外界条 件没有限定，该规定对于气密性试验的温度没有提出严格的要求，而通常在实际的检测下， 相同的瓶阎在不同的检测环境中得到的测量结果并不一定相等。由此可以知道，国家对于 瓶阀泄漏检测的标准规定存在很多的不足，按照现有的检测标准，压差泄漏检测方法在瓶 阎的泄漏检测行业很难行得通。 2 国外气瓶阀门泄漏检测标准【3 2 】 相比国内的气瓶阀门泄漏检测标准，国外的一些气瓶阀门检测标准显得比较规范和完 善。以i s o1 0 2 9 7 ：2 0 0 6 可运输气瓶一气瓶阀规范和型式试验和i s o d i s2 2 4 3 5 气瓶 一与压力调节器一体化瓶阀技术要求和型式试验为例进行说明。 1 2 浙江大学硕士学位论文第2 章压差i f i f 漏检测方法的应用分析 根据i s ol0 2 9 7 ：2 0 0 6t r 卸s p o r t a b l eg 弱c y l i n d e r 卜y l i n d e rv a l v e 哥一s p e c i f i c a t i o n 锄d 咖et e s t i n g 对气密性试验要求为： 对瓶阀分别进行内部的泄漏性和外部的泄漏性两项测试，试验温度分别为室温、6 5 2 5 及一2 0 + o 一5 三种，保压时间大于1 m i n ，按照承装介质和阀体结构分四个压力等级 进行试验：有真空要求的阎为5 1 0 _ 4 m p a ；可燃气体和毒性气体为0 0 1 m p a ；对其他所有 气体0 0 5 m p a 和1 m p a ；耐压试验压力。其泄漏量不得超过6 c m 3 h 。对有毒气体，生产者 和用户可以共同协商较低允许泄漏速率。对用于电子的，允许泄漏速率通常为l 1 0 - 7h e a t m c m 3 s 。 i s o d i s2 2 4 3 5 对气密性试验归纳如下： 分别对瓶阀进行内部的泄漏性和外部的泄漏性两项测试，试验温度分别为室温、6 5 5 及一4 0 5 三种，试验压力分别为耐压试验压力、1 m p a 和o 0 5 m p a 三种，要求泄漏 量总外泄漏( 通向大气) 应不超过6 锄3 h ，总内泄漏( 通过调压器阀或主截止装置) 应 不超过6 锄3 h 。 如前所述，国外的瓶阀泄漏检测标准不但对气密性试验的泄漏量均做出了明确的规 定，也对瓶阀检测的试验温度有严格的要求，使其接近瓶阀的使用条件。对试验温度的规 定在很大程度上制约了泄漏检测的方法，如在低温一2 0 + 0 5 或一4 0 5 的条件下浸水法 就无法实现，而这也给了压差泄漏检测方法更多的发挥空间。 下面以国际泄漏检测标准6 c m 3 l l ( 即o 1 m 1 m i n ) 为标准值对压差泄漏检测的参考标 准压差进行计算。 根据前面的压差泄漏率简易计算公式( 2 7 ) 可以推导出 凹：堡塑( 2 1 1 ) 取外界大气压为1 0 1 0 5p a ，可以得到不同被检测物容积下的理论标准压差数值如 表2 1 所示。由下表2 1 可知，压差泄漏检测法测量时的标准压差值随被检测物的容积的 增大而减少。由于在检测时，瓶阀、管路的容积和一般都在5 0 0 m 1 以下，因此压差泄漏检 测的压差标准数值一般在2 0 p a 以上。上表只是纯理论的计算数值，在实际应用中还需要 考虑一些外界因素的影响，如压差传感器的传感系数、环境温度等等，这时需要引入修正 系数以获得更符合实际情况的压差标准数值。另外，上表是以1 分钟作为压差检测时间的， 浙江大学硕士学位论文第2 章压差泄漏检测方法的应用分析 对于大容积的被检测物体可以适当延长压差检测时间，以提高标准数值，以提高测量精度； 对于小容积的被检测物体，也可以适当的减少检测时间，以加快检测速度。 表2 1 瓶阀泄漏检测的标准压差计算表 被检测物容标准压差数被检测物容标准压差数被检测物容标准压差数 积m 1值廿p a积m l 值p p a 积m l 值廿p a 4 0 2 5 03 0 03 38 0 013 6 01 6 74 0 02 59 0 01 1 8 01 2 550 02 01 0 0 01 0 10 010 06 0 0172 0 0 05 2 0 05 07 0 01 45 0 0 02 2 4 压差检漏法与水检法精度比较 当前国内瓶阀的泄漏检测大多用水检法，也称为冒泡法。如果要用压差泄漏检测方法 代替冒泡法，改变阀门泄漏检测的现状，就有必要对压差泄漏检测法和冒泡法的检测精度 做一个比较。 冒泡法在检测过程中是否有气泡产生由检测者主观判断，所以基本上可认为它是种定 性检测方法。下面通过建立气泡直径大小与泄漏量关系的模型，并根据观察者的观察特点 推算冒泡法的检测精度，再将该精度与压差泄漏检测方法进行对比分析。 冒泡法检测的实质是检测漏孔的漏率。所谓漏孔的漏率，就是单位时间内流过漏孔的 物质质量或分子数漏孔的漏率跟气泡直径，气泡形成的速率、所充气体的种类以及充入 的气体压力有关。假设充入检测气体的压力为只，气泡内部的气体的临界压力为忍，气泡 直径为d ，气泡形成速率为甩( 单位为m i i l 1 ) ， 一个气泡的体积可以表示为1 1 ，3 3 1 y = 号万( 罢) 3 = 丢万。3 c2 一，2 ， 则漏孔在压力条件下的漏率q 为 q f = ，? 睨= 兰万d 3 忍 ( 2 13 ) q f = ，? 睨= 差万d 3 忍 ( 2 13 ) 1 4 浙江大学硕上学位论文第2 章压差泄漏检测方法的应用分析 以直接测量气体质量的方法获得气体的漏