（机械工程专业论文）基于pic单片机控制的便携式气体检漏仪的研究.pdf

独创性声明 l f l fll if f fl frl lfi lliii 17 8 8 6 2 5 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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了谢意。 签名：二愀日期：三丛世多 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：聋垒应鸶导师签名：堡塑垒 日期：业 摘要 丰两斐 随着现在生产技术的不断进步，对检漏方法及检漏精度提出了越来越高的要 求。气体密封性检测的方法有许多，根据不同的工作原理，可以分为：气泡泄漏 检测法，气压式泄漏检测法，真空泄漏检测法，氦质谱泄漏检测法和声波泄漏检 测法等。差压检测法做为检漏方式的一种，在保证产品质量方面起着越来越重要 的作用。无沦是传统的汽车零部件制造业，还是新兴的电子产品、航空航天领域， 差压检测法都因其性价比高、性能稳定、无污染、操作方便等优点得到了越来越 多的重视和推广应用。 本文出于实验室基础方便、经济、实用等方面考虑，对基于差压式泄漏检测 法的检漏仪进行研究与设计。检漏仪主要以p i c 单片机为控制核心，对阀门进行 控制来改变管路内气体的方向，同时对系统压力，泄漏量等数据进行采集与处理， 并克服人为因素的影响，设计人性化的人机接口模块，键盘输入与数码显示输出， 并且设计了对数据存储与上位机通信等功能。系统的结构设计包括硬件设计与软 件设计。硬件设计主要有检测气路的设计与单片机外围的接口电路设计。气路的 设计基于差压检测法设计了气路原理；单片机外围电路主要包括：a d 转换器的 电路设计、电源电路设计以及按键输入、数码管显示电路设计、数据存储电路与 上位机通信电路等；软件设计主要包括主程序设计、按键处理程序设计、显示程 序设计、a d 转换器数据采集与处理程序设计和i 2 c 数据存储的读写操作程序设 计等。最后还对系统电路进行了制板，为了使硬件电路正常工作，本文还分析了 p c b 板的抗干扰技术。 差压检测法是本文研究的检测仪的检测原理，本文对影响检测精度的因素进 行了详细的分析与论述，并且提出了解决的办法，比如温度对检测精度的影响， 这里选用了带温度补偿的差压传感器。 关键词：泄漏；差压检测；温度；单片机 a b s t r a c t i i i i ! i 曼鼍曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼量曼曼量量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼笪曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼寡 a bs t r a c t w i t ht h ea d v a n c e si np r o d u c t i o nt e c h n o l o g y , p e o p l eo nt h eg a st i g h t n e s st e s t i n g m e t h o d sa n da c c u r a c yr e q u i r e m e n t sa r eh i g h e ra n dh i g h e r t h e r ea r em a n yg a sl e a k d e t e c t i o nm e t h o d s a c c o r d i n gt od i f f e r e n tw o r k st h a tc a nb ed i v i d e di n t o ：b u b b l el e a k d e t e c t i o n , a i rl e a kd e t e c t i o n ，v a c u u ml e a kd e t e c t i o n ，h e l i u mm a s ss p e c t r o m e t e r d e t e c t i o n ，t h ea c o u s t i cl e a kd e t e c t i o na n ds oo n d i f f e r e n t i a lp r e s s u r el e a kd e t e c t i o n m e t h o da saw a yi ne n s u r i n gp r o d u c tq u a l i t yp l a y sa ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l e b o t ht h et r a d i t i o n a la u t op a r t sm a n u f a c t u r i n g ，o rn e we l e c t r o n i cp r o d u c t s ，a e r o s p a c e ， b e c a u s eo ft h eh i 曲r a t i o ，s t a b l ep e r f o r m a n c e ，p o l l u t i o n - f r e e ，e a s yt oo p e r a t ee t c ， d i f f e r e n t i a lp r e s s u r et e s tg o tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na n dw i d e l ya p p l i c a t i o n t h i sa r t i c l eb a s e do nl a b o r a t o r yc o n v e n i e n t ，e c o n o m i c a l ，p r a c t i c a la n do t h e r c o n s i d e r a t i o n s ，o nt h ed i f f e r e n t i a lp r e s s u r el e a kd e t e c t i o nm e t h o dt h i sa r t i c l am a d e m a n yr e s e a r c ha n dd e s i g n p i cm i c r o c o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h em a i nc o r eo ft h es y s t e m p r e s s u r e ，l e a k a g ea n do t h e rd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，w h i l et h ec o n t r o lv a l v et o c h a n g et h ed i r e c t i o no f t h eg a sp i p e l i n ea n dt oo v e r c o m et h ei m p a c to fh u m a nf a c t o r s ， h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ed e s i g nh u m a n i z e dm o d u l e ，k e y b o a r di n p u ta n dd i g i t a l d i s p l a yo u t p u t ，a n dt h ed e s i g no fd a t as t o r a g ea n dp cc o m m u n i c a t i o n s s t r u c t u r eo f t h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n h a r d w a r ed e s i g nm a i n l yt h ed e s i g n a n dt e s t i n gp n e u m a t i ce x t e r n a lm i c r o c o n t r o l l e ri n t e r f a c ec i r c u i td e s i g n t h ed e s i g no f p n e u m a t i cb a s e do nd i f f e r e n t i a lp r e s s u r em e t h o d ；m c up e r i p h e r a lc i r c u i ti n c l u d e s ： a dc o n v e r t e rc i r c u i td e s i g n ，p o w e rc i r c u i td e s i g na n dk e yi n p u t s ，d i g i t a lc o n t r o l c i r c u i td e s i g n , d a t as t o r a g ec i r c u i ta n dp cc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ；s o f t w a r ed e s i g n i n c l u d e st h em a i np r o g r a md e s i g n ，k e yd e s i g np r o c e s s e s ，d i s p l a yp r o g r a m m i n g ，a d c o n v e r t e rd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gp r o g r a md e s i g na n do p e r a t i o n a lp r o c e d u r e s t or e a da n dw r i t e1 2 cd a t as t o r a g ed e s i g n f i n a l l yo nt h ec i r c u i ts y s t e m ，i no r d e rt o m a k et h eh a r d w a r ec i r c u i t ，t h i sp a p e ra l s oa n a l y s e st h en o r m a lw o r ko ft h ep c b a n t i - j a m m i n gt e c h n i q u e d i f f e r e n t i a lp r e s s u r em e t h o di st h ep r i n c i p l eo fd e t e c t o r , a r t i c l eo nt h ef a c t o r st h a t a f f e c tt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fad e t a i l e da n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n ，a n dp r o p o s e d s o l u t i o n s s u c ha st h ei m p a c to ft e m p e r a t u r eo nt h ed e t e c t i o na c c u r a c y , w i t ht h e t e m p e r a t u r ec h o s e nh e r ec o m p e n s a t e dd i f f e r e n t i a lp r e s s u r es e n s o r k e y w o r d s ：l e a k a g e ；d i f f e r e n t i a ld e t e c t i o n ；t e m p e r a t u r e ；m c u 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论l 1 1 课题研究背景1 1 2 国内外气密性检测技术与设备的发展现状2 1 2 1 检测技术的发展现状2 1 2 2 气密性检测设备的发展4 1 3 论文的主要工作及内容6 1 3 1 主要工作6 1 3 2 主要内容6 第2 章差压检测法7 2 1 差压检测法一7 2 1 1 差压检测法的原理7 2 1 2 泄漏量的计算8 2 2 检测原理9 2 3 测试时问的推算。1 1 2 3 1 整个测试时间需要延长的条件1 1 2 3 2 加压时间11 2 3 3 稳定时间1l 2 3 4 测出时间1l 2 4 对检测结果的影响因素1 2 2 4 1 温度对检测结果的影响1 2 2 4 2 系统体积对检测结果的影响1 4 2 5 本章小结1 4 第3 章检漏仪设计方案与主要硬件的选择15 3 1 设计方案1 5 3 2 单片机的选择15 3 2 1 选择p i c 系列单片机的优势1 6 3 2 2p i c l 6 f 8 7 7 a 芯片1 7 3 3 传感器的选择2 0 3 3 1m p x v 7 0 0 7 g 系列主要参数2 0 3 3 2 引脚功能与外型图2l 3 3 3 传感器的特性曲线2 1 3 4 电磁阀与气动元件的选择2 2 i i i 目录 3 4 1 电磁阀的选择2 2 3 4 2 其它气动元件的选择2 2 3 5 本章小结2 3 第4 章硬件电路与p c b 板的设计2 4 4 1 硬件电路的设计2 4 4 1 1 电源电路2 4 4 1 2 人机交互界面2 6 4 1 31 2 c 协议存储电路3 2 4 1 4 开关量输出电路3 3 4 1 5a d 转换电路3 5 4 1 6 上位机通信电路3 6 4 1 7 其它电路模块。3 8 4 2p c b 板的设计3 9 4 2 1 接地技术3 9 4 2 2p c b 布线3 9 4 2 3p c b 板的设计4 0 4 2 4 抗电磁干扰技术4 2 4 3 本章小结4 2 第5 章软件的设计4 3 5 1 软件设计过程4 3 5 1 1p i c c 编译器4 3 5 1 2 程序开发过程4 3 5 2 主程序流程4 4 5 ，3 初始化程序4 5 5 3 1p i c l 6 f 8 7 7 a 配置字4 5 5 3 2 其它寄存器的初始化4 5 5 3 3 宏定义4 6 5 4 中断程序4 6 5 4 1 中断程序流程图4 6 5 4 2 定时器1 中断程序4 6 5 51 2 c 存储程序4 7 5 5 1 定义宏4 7 5 5 2 对2 4 l c 5 1 2 初始化4 8 5 5 4 与2 4 l c 5 1 2 相关的函数。4 8 5 6 键盘输入程序4 8 i v v 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 目前生活中，对一些对密封性要求严格的产品而讲，在使用过程中发生泄漏， 会导致产品在使用中出现失灵，运行异常，效率降低，寿命缩短，环境污染等问 题，更有甚者会发生爆炸，有毒气体的泄漏等等严重的后果。比如1 9 8 6 年1 月 2 8 日，美国“挑战者”号航天飞机升空后，由于固体助推器下壳体接头的“o ”型密 封圈失效、燃料外泄起火，最后导致航天飞机爆炸坠入大海。泄漏只是相对而言 的，当泄漏量不超过某个允许值时，我们就可以说工件是合格的。这个允许值就 是允许泄漏量。允许泄漏量随具体应用而不同，它取决于很多因素，比如：工件 的材料、结构、实际工作状态下的工作重点、工件壁厚、表面状态及疏松结构( 铸 造沙眼、裂隙) 。通常，允许的泄漏量都要参考给定的测试压力，测试时间，稳 定时间等等，而测试压力通常参照实际工作状态选择，确定测试压力时，会遇到 泄漏量与测试压力的关系问题，当小泄漏在水下目测时泄漏率不稳定，而是随时 间变化。在工业生产中，从经济角度考虑确定泄漏量是很重要的。测试应该在必 要条件下尽可能精确。如果允许泄漏量定得比需要的低，废品率会增大，生产成 本就会提高。最终的允许泄漏率必须由试验确定，在某些情况下，可得到经验数 值或推荐的数值。随着我国经济的迅速发展，人民生活水平的提高，整个社会对 密封性产品的需求同益增加，如汽车、燃气，家电，医疗设备行业等，所以为保 证产品质量，保障生产、生活的安全，具有密闭容器性质的产品在出厂前都要进 行气体密封性能( 简称密封性) 检测。并且国家质量技术监督局已逐步开展对相关 生产企业的产品生产资质认证。就汽车行业而言，根据中国汽车工业协会关于 “2 0 0 9 年汽车产销及经济运行情况”的报告中指出：我国2 0 0 9 年总共产销各种汽 车1 3 7 9 1 0 万辆和1 3 6 4 4 8 万辆。所以汽车中的一些关键部件如制动主缸、真空 助力器、各种气阀、比例阀、离合主缸、气缸等出厂前，每样部件都需要进行严 格的密封性检测，以保证产品的质量和工作过程的可靠性。因而气密性检验设备 已成为汽车行业必需设备之一。同样，其他相关行业对自己生产的产品进行气密 性检测也是必不可少的。气密性检测也称泄漏检测，属性能指标范畴，主要用于 测试密闭容器的气密性状态。目前，空气泄漏检测仪已经广泛应用于各种领域， 比如：燃气具、航空、航天、化工、汽车、摩托车、发动机、医药、电子、环保 等等。现代生产技术的不断进步，对检测手段提出了越来越高的要求。气密性检 测作为检测方式的一种，在保证产品质量方面起着越来越重要的作用。特别是在 汽车行业，随着销量的增加，能否保证气密性产品的气密性，直接影响着汽车的 北京 ：业大学【学硕十论文 性能与使用安全。随着测漏技术的发展，气体测漏仪的研究使测漏技术得到了更 广泛的应用。气密性随着现代工艺、微电子技术、传感器制造技术的发展，气密 性检测的要求也变的越来越高了。同时，随着这些技术的发展，气密性检测手段 也越来越丰富，传统的测漏方法操作不灵活，容易产生误判，而且不利于数据的 存储分析，人们更多的从浸水法等传统的气密性检测方法向现代智能检测方法过 渡，密封件密封性能的检测方法有很多。 1 2 国内外气密性检测技术与设备的发展现状 1 2 1 检测技术的发展现状 检漏的方法有很多，且各有各的特点和使用范围，方法的选择要根据具体情 况，所在在既要满足检测要求，又能尽可能简单方便和经济的前提下，检测方法 应符合的要求是： ( 1 ) 检测灵敏度高 ( 2 ) 反应时间短 ( 3 ) 能对漏孔进行定位和定量 ( 4 ) 能无损检漏，即检测时不能破坏被测件的结构，也不能爱到污染 ( 5 ) 稳定性好，能在足够长的时间内具有可靠的灵敏度 ( 6 ) 检测范围广 目前比较流行的气密性检测方法是利用气体流量公式进行检测。首先测量与 泄漏量相关的一些参数，例如压力、压差、弹性波等，然后将这些相关量通过一 定关系式转化为相应的泄漏量。按检漏时被测件内部所处的状态将检漏分为两大 类，一种是加压检测法，一种为真空检测法，加压检测法就是给被测物内部充加 压力示漏气体，如果被测物器壁上有漏孔时，示漏气体通过漏孔漏出，在被测件 外面用适当的方法判断有无小泄漏与泄漏的大小，属于这类方法的方法有：气泡 法、气压法、卤素检漏仪外探头法、卤素喷灯法、氨检漏法，超声波检漏法、声 发射检漏法和流量法等。这种检测方法受主观因素影响小，检测精度高，并且易 于实现自动控制、自动报警，大大提高了检测效率。下面对应用较多的几种检测 方法具体说明： ( 1 ) 气泡法：又称湿式浸水法即在被检工件的密封腔中充入一定压力的气体 然后浸入水中由人工观察是否有气泡产生并判断是否泄漏，并由气泡产生的多少 估计其泄漏程度，泄漏量是否在允许范围内，这种方法不需要操作人员较高的技 术，操作简单且不需要配备特殊设备，且还能准确找出泄漏位置，但有不少缺点， 2 第1 苹绪论 由于受工人的责任心与疲劳的影响很容易产生误判，气泡的多少与浸入水的深度 充入气体的压力与稳定时间都有很大的关系，所以结果主观性大，并且不能实现 自动化；效率很低，不能实现对泄漏的定量的判断，浸水后需对工件做表面处理、 防腐、烘干等处理，这样就加大了测量所需的费用，很多对气密性有要求的产品， 不能够采用气泡法进行测量，尤其是泄漏的程度依赖人工观察判断，无法自动检 测，难以纳入自动线中。 ( 2 ) 气压式：气压式检测法分直接压力测试法与差压检测法。 直接压力测试法【1 1 ，是向被试件内充入一定压力的气体，并在气路中连接一 表压传感器，稳定一段时间后，观察压力表的压力值，如果容器存在泄漏现象， 压力就会下降，根据测试前后的表压传感器压力值的变化，来判断工件是否有泄 漏，从而计算出泄漏量的大小。此方法优点是操作简单、成本低、测试快速等等， 缺点是由于受表压传感器精度的限制，只能用在精度要求不高的场合。 差压检测法【羽，其原理模型是同时向两个联通的相同的容器( 两个容器中一个 为理想件即无泄漏件，另一个为被测试件，两容器之间联接一个差压传感器) 内 充入一定压力的气体，稳定一段时间后，将两容器隔断，当被测件有泄漏，通过 容器间的差压传感器测出泄漏被测件与理想件之间的压力差，从而计算出泄漏 量。在差压测试法中，由于被测件和理想件的结构完全相同，在测试过程中的各 种误差因素不予考虑，而且差压传感器的精度又比较高，从而可以精确地检测出 微小的泄漏。差压检测法是目前测漏仪器最多用的测试方法。 气压检测法共有的缺点是不能检测出漏点的位置。 3 ) 氦质谱检测法【5 】，其原理是把被测元件置入密闭容器内，向被测量试件 内充入一定压力的氦气，如果被侧试件出现泄漏，氦气将泄漏到密闭容器内，通 过测量密闭容器内的氦气质谱仪来测量密闭容器内的氦气含量，从而测出被测元 件的泄漏量。这种方法精度比较高，一般用在高精度场合。其缺点是：花费昂贵， 而且测量消耗较大，并且在测量后，如果氦气不能清理干净，将严重影响下一次 测量的结果，而且氦气的随意排放还会造成对环境的污染。 4 ) 真空检测法【3 4 】，将被测件内部抽成真空，将示漏气体施于被测物外部同， 如果泄漏，刚气体会进入被测物中，利用相应的方法进行示漏气体的检测，从面 判断漏孔的大小与位置。 ( 5 ) 卤素检测法【6 】，利用卤素检测仪对被测物进行检测，这个方法氦质谱检 测法基本相似，灵敏度高，但只能在无爆炸区使用，会放也大量的毒气所以要在 通风极为良好的场所使用。 除上述几种方法以外，还有荧光法与背压法等等。 下面对几种检测方法特点、现象、检测设备及最小可检漏率进行比较如表l l 3 北京丁业大学t 学硕+ 论文 所示。 表1 1 检测方法的比较 t a b l ei 一1c o m p a r i s o no f d e t e c t i o nm e t h o d s 泄漏方法工作条件现象设备最小可检漏率 气泡法充3 个大气压水中气泡人眼1 0 6 1 0 5 直压法充3 个大气压压力下降绝压传感器l o 3 差压法充3 个大气压压力一卜降差压传感器 1 0 。5 1 0 3 氨质谱检漏法 充氨气输出指示变化 氨质谱检测仪1 0 - 9 真空检测法抽真空压力上升负压传感器l o 6 1 0 。5 卤素检测法卤素仪的变化卤素检漏仪 1 0 。7 l o _ 6 1 2 2 气密性检测设备的发展 日前测漏仪的种类很多，而且应用也越来越广泛，在我们生产生活中的许多 领域都有应用。测漏技术的发展对我们产品质量的提高有着很大的促进作用，同 时提高了工作效率，节省了大量的人力物力，在泄漏测量自动化方面实现了质的 飞跃。当前国外一些厂家在技术上较为成熟一些，例如：德国的w f r o e h l i c h 公司，法国的a t e q 公司，美国的u s o n 公司、i n t e r t e c h 公司，此外，还有日 本c o s m o ，日本长野，意大利的m i c r o c t r o l 等国家。在国内，泄漏测试技术起 步相对较晚，随着工业技术的进步，我国企业在这方面也投入了大量的人力和物 力开发了相应的产品，比如：广州科腾、浙江三花集团、新科精密仪器等等。目 前比较常用的检漏仪主要分为三种：氦质谱检漏仪，压力变化检漏仪与卤素检漏 仪，最常用是就是压力变化检漏仪。压力变化检漏仪一般分为两种，一类通常叫 做压力测量检漏仪，是通过测量被测物在一定时间内压力变化，再按被测件体积 换算漏率的一种仪器，别一类就是流量测量检漏仪，它主要通过不断的给被测件 补充气体，使有漏的被测件内腔始终维持在规定的压力状态下，给被测件补充的 气体就是被测件漏出的气体，测量出补充气体的流量就是被测件的总漏率。下面 介绍国内外各大公司生产的主要检漏设备。 ( 1 ) 法国a t e q 公司 a t e q 公司为世界最早制造气密性测试仪器，类型主要是流量泄漏检测仪， 成为市场上第一个提供该类产品的供应商，涉及汽车、医药、家电、压铸、包装、 阀门、煤气、电子、建筑、航空等领域。它生产的测漏仪能找到零件上导致泄漏 的孔的位置，泄漏量使用范围自1 0 毫升秒至1 0 0 0 0 升d , 时；还提供了多种检测 模式供操作者选择，使操作界面尽量适和操作者的使用。已成为国际上专门设计 和制造在生产流水线上千式密封泄漏检测仪和设备的生产厂家，它的产品已渗透 4 第1 军绪沦 到众多世界大型集团公司 ( 2 ) 美国的u s o n 公司 u s o n 公司也生产很多种类型的测漏仪，美国u s o n 4 0 余年专注于密封检测 技术。作为汽车、医疗、和一般工业中自动泄漏测试设备的领导者，与世界上其 它公司相比，u s o n 在该领域内具有更多的应用经验。目前，u s o n 公司的数万 套检测仪器和系统正在全球范围内为客户服务，其中包括2 0 0 多条发动机生产线 及各种汽车零部件的应用经验。u s o nq 6 2 6 型检漏仪采用压差检测法，具有精 度高，重复性好，应用范围广，简单易用的特点。 ( 3 ) 日本的c o s m o s 公司 c o s m o s 空气测漏仪是对气密部品成品进行加压或抽真空后，通过测出被 测件与标准件之间的微小差压来判断是否有泄漏的自动测试器。它由耐高压的差 压传感器，高性能的气动阀等构成回路，其特点是功能齐全，性能可靠，能适应 各种不同条件下的测试。其代表性的产品是l s 1 8 4 2 正负压气密性检测仪。具有 精度高，操作方便等特点。 ( 4 ) i n t e r t e c h 开发公司 i n t e r t e c h 开发公司推出两条测漏生产线【i l 】，配备有自动标识与系统确认功 能，主要用于液体食品包装检测。作为首家提供具有该功能的测漏设备供应商， i n t e r t e c h 开发公司生产的新型的m 1 0 7 5c a l v a l 0 3 和一0 4 型在整个生产过程中 不再需要手动检查、调零与扫描或手动调校测试参数，完全由仪器自动完成。 ( 5 ) 沈阳新科精密仪器设备有限公司 沈阳新科精密仪器设备有限公司生产的a l - 1 2 0 0 a 系列检漏仪采用差压法检 测原理，是一款高精度的检测仪器，广泛应用于产品零部件的密封性检测。 a l - 1 2 0 0 a 系列检漏仪是a l 1 2 0 0 产品的升级产品，它具备了a l - 1 2 0 0 产品的所 有优点，采用液晶显示，能显示泄漏量。该产品分辨率为1 p a 或0 0 0 1 m l m i n ， 测试压力可达o 8 m p a ，适合用于高精度密封检测。该产品具有精度高、易操作、 性能稳定等优点。 ( 6 ) 广州科腾公司 广州科腾公司在技术上具有一定的优势，其产品的检测时间无需平衡阶段， 从而提高了检测速度，适合企业高效率的生产节拍。在检测方法上，还有一些新 的突破，比如，一些产品可以测量与被测容器的容积大小无关的泄漏。 另外我们实验室研制的气密性实验台是基于工控机控制，控制阀的开关改变 阀体内的气路来实现零部件的气密性检测。 目前有一种差压检测仪为了减小基准物对检测结果带来的误差而去掉了基 准物的无基准物型差压检测仪，因为在一些情况，当被测物较大或种类很多时， 5 北京i ：业大学t 学硕十论文 如果要加基准物则相应的基准物也要准备很多，增加了成本给现场也带来不便， 还有频繁的给基准物加压，不可避免的使基准物热状态发生变化，所以很多的厂 商生产了无基准物性检测仪。 1 3 论文的主要工作及内容 1 3 1 主要工作 本论文在实验室气密性检测实验台的基础上，掌握相关检测基本原理，深入 剖析国外测漏仪器的核心技术及存在的问题，并针对我国城市环境的具体情况， 采用了美国微芯司的p i c 系列单片机控制，本机具有友好方便的人机接口技术， 集成电源管理技术，提出正负压检测的整体设计方案。从方案论证到具体模块电 路设计，都充分考虑仪器的应用环境因素，体现野外仪器的便携性，低功耗，强 抗干扰能力，操作方便等特点。 1 3 2 主要内容 第一章：主要介绍了课题研究的背景和意义，对国内外相关气密性检测技术 与测漏仪研究现状和发展趋势进行了总结，并对国内外一些公司的测漏仪产品进 行了简单的分析与说介绍。 第二章：主要是对差压检测法的说明，差压检测法的原理，影响差压检测法 的因素与解决方法。 第三章：本章主要是对课题设计过程中主要部件的选择，对选择进行了详细 的说明，主芯片、传感器与电磁阀等。 第四章：硬件电路的设计，主要针对各个模块进行系统的设计，给出各芯片 的介绍，与电路原理图，及设计理念，p c b 板的设计，与抗干扰技术。 第五章：软件的设计，对系统的各模块的软件设计，模块化的设计便于后期 的升级与修改。 结论：通过整体设计，最后对系统软硬件进行调试。 6 第2 章差压检测法 第2 章差压检测法 从目前的检测方法来看传统的湿式法、冒泡法相对落后，压降法和流量法检 测精度低，而氦质谱检测法成本过高，因此，采用现代高新技术和检测方法，研 制一套能能适用于多种场所，不同产品的检漏仪，本文选择使用了，气压检测法 中的差压检测法。由于差压法在气路上采用了对称气路测量原理r 7 1 ，即压力传感 器测量充气压力，差压传感器测量被测件与标准件的差压值，因此从原理上解决 了直压法受环境温度、湿度变化影响的问题。因检测过程中两端的外部环境状态 完全一样，所以这种测试方法可以消除温度、震动等环境因素的影响，测试精度 高，抗干扰能力强，可测试范围广。且有以下优点：测试压力高，分辨率与使用 的测试压力无关，因此在测试压力较高情况下，同样可检测到很小的泄漏，可通 过接入参考工件，对容积或状态不稳定的工件进行测试。所以本文选用了差压检 测法。 2 1 差压检测法 2 1 1 差压检测法的原理 差压检测法工作原型1 2 1 如图2 - 1 所示。 7， 厂岳厂一标准壁 1 、2 、3 为阀门 图2 - 1 差压检测法原理图 f i g 2 - 1d i f f e r e n t i a lp r e s s u r et e s tp r i n c i p l ed i a g r a m 差压检测法的实质是以布置在传感器两侧的标准样件( 理想样件，无泄漏) 与 被测工件的压力差作为判定工件密封性能的依据，而压力差又是由工件的泄漏所 引起的，在规定的检测时间内，若被检测的工件没有发生泄漏，则差压传感器保 持平衡状态；若被检测的工件有泄漏情况发生，工件测量腔内的气压就会发生变 化，致使差压传感器失去平衡，测出泄漏量。 7 北京t 业大学t 学硕十论文 2 1 2 泄漏量的计算 假设检测过程中温度恒定不变，则因此根据玻意耳马略特定律【1 4 1 ( 认为在一 定的温度条件下气体的压力与体积的积是一定的，公式表示：p 净一定，p 为绝 对压力1 ，测量过程中传感器两侧的状态可由下列气态方程式描述： p ，巧= n k + 岛圪 ( 2 1 ) 则在测量阶段压力的变化量为： a p = p l p 2 ( 2 2 ) 根据式( 2 1 ) , - - ( 2 2 ) n - i 以得出： 泄漏量： 圪：继 ( 2 3 ) p o 由式( 2 3 ) 中可知被测工件气体泄漏量圪是压差值卸的函数，当压力差很小时， 泄漏量也很小，进而对泄漏量进行定量判定，如果测试时间是乃则由泄漏的气 体体积圪可以得出气体泄漏率q ( 单位：m l m i n ) ： 圪：婴 ( 2 4 ) 6 0 、 根据式( 2 3 ) 与式( 2 4 ) 可以得出泄漏率的公式，即单位时间内气体的泄漏速度： q = 高0 1 绦31 0 箬 亿5 ， 。 1 5 z 、7 公式中各符号的含义： p o ：标准大气压力1 1 0 3 x 1 0 5 ( p a ) p l ：检n - f i i i 充入试件的气体压力( p a ) p 2 ：检测结束后系统内压力( p a ) “：系统等效内容积( m l ) a p ：检测后产生的压力差( p a ) 圪：泄漏的气体体积( m l ) q ：单位时间内气体的泄漏速度( m l m i n ) 乃：检测时间( s ) 第2 章差压检测法 2 2 检测原理 本文设计的检漏仪气路原理图如图2 2 所示，本文设计研究的检漏仪可以做 正压与负压两项气密性检测，原理基本相同。 f l 、f 2 、f 3 、f 仁过滤器；a v l 、a v 2 、a v 3 气动阀； s v l 、s v 2 、s v 3 、s v 4 、s v 卜电磁阀；v l 减压阀；g 1 一压力表； v 2 、v 3 手动阀；d p s 一差压传感器；p s 绝压传感器； 图2 - 2 气路原理图 f i g 2 - 2g a s - w a yd i a g r a m 下面对正压气密性检测做主要的说明，整个检测过程可分为加压延迟，充气 阶段、稳定延迟，稳定阶段、测出阶段、排气阶段等四个过程，这四个过程中电 磁阀的歼启，压力的变化等进行详细的说明。 整个过程中压力与时间的关系如图2 3 所示。 图2 - 3 压力与时间的关系 f i g 2 3p r e s s u r ea n dt i m e 加压延迟t l ：将被测件夹紧密封，确认差压传感器的零点偏移。 充气阶段t 2 ：这个阶段主要是给系统加压充气，使系统内部的压力达到要 求的值，根据绝压传感器p s 来判断，其中s v l ，s v 2 ，s v 4 都处于连通状态， 9 北京： 业大学r 学硕士论文 使气动阀a v l ，a v 3 打丌，而打开电磁阀s v 4 是断丌排气口，使系统从进气阀 到放气阀之间形成了一个一端进气的气路系统。在充气阶段需要设定的参数是充 气时间，一般设定时候需要根据测试系统的等效内容积、设定压力以及气源的充 气能力进行综合考虑，通常为了提高可靠性将此参数设定较大。当系统检测到充 气压力己达到所设定测试压力时，将断开进气阀s v l ，从而形成一个封闭的气路 系统，然后进入下一个检测阶段。 稳定阶段t 3 ：加压结束，关闭s v l ，s v 2 停止给系统提供测试压力，打开 s v 3 使气动阀a v 2 打开，而隔断被测物与标准品之间的空气，等待因气动阀动 作引起的压力变化，如图2 3 曲线上面的毛刺就是因为气阀动作引起的波动，并 且在这个阶段可以对大的泄漏进行判断，大泄漏就是严重超出设定的泄漏值。 测出阶段t 4 ：在本阶段主要是测出小泄漏，系统内压力稳定后，本阶段开 始需要对差压传感器清零，对稳定时间的压力变化进行修正，测出时间的长短对 检测结果有一定的影响，在该阶段主要是通过差压传感器d p s 测出标准品与被 测物之间的压力差，根据所选择的泄漏单位来计算泄漏，如果选择是m l m i n 则 通过式( 2 5 ) 计算出被测物的泄漏率。 排气阶段t 5 ：测试完成，得出测试结果，打开阀s v l ，s v 2 ，关闭阀s v 3 ， s v 4 ，气系统内的高压气从排气口排出被测物与标准品中的空气，一个测试周期 完成，打开s v l 主要目的是吹气，对整个回路具有清洁作用，以防止油，水等 异物侵入，如果是进行高压检测可以将吹气设定成无效。 在各检测过程中，电磁阀开关的时序如表2 1 所示。 表2 - 1 电磁阀开关时序 t a b l e2 1s o l e n o i ds w i t c ht i m i n g 电磁阀加压延迟t 1充气阶阶t 2稳定阶段t 3测出阶段t 4 排气阶段t 5 s v l s v 2 s v 3 s v 4 s v 5 第2 章差压检测法 2 3 测试时间的推算 2 3 1 整个测试时间需要延长的条件 系统在对被试件进行检测时，在下面所列的情况，需要对整个测试时间进行 加长，在加压阶段内，如果需要较高的压力，为了所压力达到要求的限度，则应 使加压时间相应的增加。 测试压较高； 被测物容积较大； 被测物表面积较小； 泄漏量较小； 被测物与环境温度之间有温差。 2 3 2 加压时间 加压时间t 2 的选择与被测物内容积的大小、被测回路的复杂程度、测试压 力的大小，检测设备与被测物之间的回路长短等因素成正比，而与充气的回路截 面积及气源压力成反比，所以由于气源与管路及现场工作状况等因素，每次加压 的随机性很大，所以加长回压时间可以减低随机干扰引起的影响，从而可以提高 检测的稳定性。一般情况下为了提高检测精度和测试能力。通常延长加压时间， 这样可以减少检测过程中的误差。 2 3 3 稳定时间 稳定时间t 2 与被测物内容积的大小、被测回路的复杂程度成正比，加压时 间与稳定时间的比值一般为3 ：1 。如果稳定时间过长，有时会泄漏超出差压的 测试范围，造成差压传感器的输出饱合，如果稳定时间过短，因为阀门动作引起 的差压变动在测出期间发生，而成误差，所以一般稳定时间以5 s 为好。由于被 测件的内容积不同，所以根据容积的大小，和加压的高低，稳定时间也不同，稳 定时随着容积的变大，所加压力由d , n 大而变长。 2 3 4 测出时间 测出时间t 4 一般推荐为2 , - 一2 0 s ，相对于加压时间，尽量减少稳定时间与测 北京t 业大学t 学硕+ 论文 出时间，这样可以保证较高的检测能力。测出时问的选择对系统的检测精度有一 定的影响，如果测出时间过长，刚泄漏量增加，产品的不合格率相应的增加，所 以测出时间不应过长。如果过短则对微小的泄漏检测不出来。 2 4 对检测结果的影响因素 2 4 1 温度对检测结果的影响 差压法检测的一个基本条件是，应在等温情况下来进行，即工件测量腔内的 气体温度应与标准容积腔内的气体温度相等。且整个测量过程中的气体温度亦应 相等。否则，所测得压差值a p 就不仅仅是由泄漏引起的了，假设在