潛龍杰，楊其華，劉鋼海 ，林小平

（1.中國計量學(xué)院 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，杭州 310018；2.杭州戴雷科技有限公司，杭州 310018）

傳統(tǒng)的PE閥門密封性能試驗，多采用閥門腔體加氣壓后人工觀察水中是否出現(xiàn)泄漏對應(yīng)氣泡的方法。以觀察氣泡作為閥門密封性能評價依據(jù)，無論是試驗操作過程還是數(shù)據(jù)量化記錄，都與生產(chǎn)自動化和產(chǎn)品質(zhì)量控制的實際需求不相適應(yīng)[1]。隨著傳感器技術(shù)水平和檢測方法設(shè)計水平的提高，傳感器自動檢測技術(shù)將越來越多地在氣密性能試驗中得到應(yīng)用。目前市場上雖然也有一些氣密性自動化試驗設(shè)備，但是由于其靈敏度和可靠性往往不夠理想[2]，故有必要設(shè)計一套靈敏度高、可靠性好的系統(tǒng)。

文中設(shè)計了以STM32為核心處理器的氣密性試驗設(shè)備，并給出了檢測儀的機械系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、硬件電路及軟件系統(tǒng)的設(shè)計方法。本套設(shè)備已于2015年3月在寧波宇華電器有限公司正式投入使用，結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了自動檢測，具有高準(zhǔn)確性、高效率和高可靠性，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

1 測量原理

本設(shè)備基于差壓法測量原理進行設(shè)計，通過壓差傳感器感知被測閥門腔體和標(biāo)準(zhǔn)腔體之間壓力的差值來判斷是否存在泄漏。若被測閥門不存在泄漏，氣路內(nèi)氣壓維持平衡，反之，平衡被打破，壓差傳感器讀出被測工件和標(biāo)準(zhǔn)工件之間的壓差值[3]。

式中：m，P和T分別為腔內(nèi)氣體的質(zhì)量、壓力和溫度；R為理想氣體狀態(tài)常數(shù)。

對于某一特定閥門，腔體容積V恒定，而壓強P和氣體溫度T均為時間的變量，根據(jù)氣體狀態(tài)方程式（1），對氣體質(zhì)量 m，取時間 t的微分得[4-5]：

式（2）表示單位時間內(nèi)PE閥泄漏氣體的質(zhì)量，即質(zhì)量流量qm，根據(jù)定義，氣體的體積流量qv為

式中，ρ0為空氣密度。 所以根據(jù)式（2）、式（3）有：

由差壓法的分析可得差壓法的泄漏計算公式為

式中：P1，T1和 P2，T2分別為標(biāo)準(zhǔn)腔體和被測腔體內(nèi)氣體的壓強和溫度。

一般在設(shè)計壓差的計算中，假定兩容腔的內(nèi)部氣體溫度、換熱速率及容積均相等即T1=T2，在容腔內(nèi)氣體與環(huán)境達到平衡后，即[6]：

因此，單位時間內(nèi)壓強的變化量即反映了PE閥內(nèi)氣體泄漏的體積流量。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要由電控系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和機械系統(tǒng)3大部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。機械系統(tǒng)主要作用是完成對不同尺寸閥門位置的調(diào)整，電控系統(tǒng)控制和驅(qū)動機械系統(tǒng)，調(diào)整底座和密封端蓋位置，將不同尺寸的閥門調(diào)整到合適的測試位置以對其進行密封及測試。系統(tǒng)密封完成后，電控系統(tǒng)控制氣路系統(tǒng)，打開或關(guān)閉其中的氣路開關(guān)（主要由電磁閥和氣動球閥組成），完成對閥體內(nèi)氣壓的控制。系統(tǒng)采集到的實時氣壓數(shù)據(jù)，在MCU中進行相應(yīng)處理后，在人機交互界面中得出相應(yīng)實時曲線。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

電控系統(tǒng)為核心系統(tǒng)，除了要協(xié)調(diào)機械系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)動作外，還需要完成處理并反饋實時數(shù)據(jù)等任務(wù)。該系統(tǒng)控制對象眾多，對其采用模塊化設(shè)計來提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。電控系統(tǒng)主要包括MCU、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、電機控制及驅(qū)動模塊、溫度檢測模塊、通信模塊、人機交互模塊和電源模塊等。數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，完成對閥門腔體內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)進行采集和轉(zhuǎn)換并傳輸?shù)組CU。通信模塊主要負(fù)責(zé)各個控制模塊之間及與PC的通信。人機交互模塊主要進行實時測量數(shù)據(jù)的輸出顯示，可進行壓力流量的數(shù)值和動態(tài)曲線的顯示，并可對系統(tǒng)的各項參數(shù)進行設(shè)置。

3 裝置設(shè)計

3.1 試驗臺架設(shè)計

如圖2所示，氣密性試驗臺架機械結(jié)構(gòu)主要由底座、密封端蓋、步進電機等組成。底座的主要作用是通過步進電機調(diào)整不同尺寸閥門的高度，以使密封端蓋可以順利移入腔體進行密封。位置調(diào)整后，左右密封端蓋會在步進電機的驅(qū)動下平移到閥體端面進行密封。

圖2 臺架結(jié)構(gòu)Fig.2 Bench structrue

對試驗閥腔體的密封有外壓式和內(nèi)伸式2種，外壓式密封通過對2個尺寸大于閥體端面直徑的密封端蓋施加一定大小的推力，對腔體進行密封，這種方法雖然結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，但是由于會對閥體本身施加額外的軸向力，或由于閥體端面切面不平整而不能完全密封，密封效果往往不理想。內(nèi)伸式密封法將密封端蓋伸入腔體內(nèi)部，通過密封圈膨脹填補端蓋與腔體的縫隙進行密封，在設(shè)計上避免了外壓式密封法的缺陷，密封效果較理想，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，本裝置采用內(nèi)伸式密封端蓋進行密封。

3.2 氣路系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用差壓法設(shè)計氣路，系統(tǒng)氣路設(shè)計如圖3所示，由于電磁閥長期工作會發(fā)熱影響氣路的熱平衡，故為了降低這種影響，采用電磁閥控制氣動閥的方式設(shè)計氣路，氣動閥為借助壓縮空氣驅(qū)動的閥門，圖3中SV1和SV2為電磁閥，AV1和AV2為氣動閥。

圖3 氣路系統(tǒng)設(shè)計Fig.3 Gas line system design

裝置的氣路控制分為3個階段：排氣階段、充氣階段和檢測階段。

1）排氣階段：為了排除環(huán)境或設(shè)備機械動作對密封閥體內(nèi)的初始?xì)鈮涸斐捎绊?，使其初始壓力值與大氣平衡，需要對其進行排氣。在此階段開始時，關(guān)閉SV1，打開SV2，此時氣動閥AV2被打開，使被測件和標(biāo)準(zhǔn)件內(nèi)氣壓快速降低并與環(huán)境平衡，系統(tǒng)讀取壓差傳感器值，其值趨于零時，關(guān)閉SV2，AV2閉合。

2）充氣階段：打開SV1，同時AV1被驅(qū)動打開，系統(tǒng)通過PWM波驅(qū)動充氣馬達產(chǎn)生測試壓源進行充氣，絕對壓力變送器反饋腔體內(nèi)的實時氣壓值，當(dāng)達到設(shè)定值時，使充氣馬達停止工作并關(guān)閉SV1。由于氣源氣體充入腔體后需要一定的時間與環(huán)境進行熱交換才能穩(wěn)定，故需要對實時壓力值進行分析，若穩(wěn)定壓力值達到設(shè)定要求，進入下一階段，否則需要重新啟動充氣馬達對氣壓進行補償。

3）檢測階段：讀取壓差傳感器值并判斷泄漏情況，如果被測工件存在泄漏，壓差傳感器讀數(shù)增大，同時將氣壓實時數(shù)據(jù)或結(jié)果傳輸?shù)浇换ツK，存儲到PC中，根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，該階段持續(xù)30 s或24 h。

3.3 測控模塊設(shè)計

3.3.1 電路設(shè)計

電測系統(tǒng)主要包括MCU、數(shù)據(jù)采集模塊、轉(zhuǎn)換模塊、通信模塊等。

1）MCU

MCU采用STM32F103，該芯片是意法半導(dǎo)體推出的STM32系列微控制器中的一款性能較強的產(chǎn)品，集成了各種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，且STM32不同型號產(chǎn)品在引腳和軟件上具有完美的兼容性，可以輕松適應(yīng)更多的應(yīng)用。STM32F103具有豐富的外設(shè)，包括10個定時器、2個I2C接口、5個USART接口和3個SPI端口，全速USB（OTG）接口，2路CAN 2.0B接口。無論是實時性還是擴展性等方面，STM32F103都可以滿足本系統(tǒng)設(shè)計的要求。

2）數(shù)據(jù)采集

電壓型壓力變送器受電網(wǎng)和環(huán)境干擾較大，使其在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下的使用受到了極大的限制，暴露了抗干擾能力較差、線路損耗破壞了精度等缺點，而電流型壓力變送器由于采用電流作為傳送信號，受電網(wǎng)電壓波動影響較小，具有極高的抗干擾能力，可以在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用。本系統(tǒng)設(shè)計需要考慮工業(yè)環(huán)境，為了提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，采用MH3051電流型壓差變送器采集氣壓數(shù)據(jù)，其輸出電流信號與氣壓的轉(zhuǎn)換公式為

式中：F為量程；Imin為無壓力的輸出電流；Imax為滿壓力的輸出電流；Ix為實際的輸出電流。

本系統(tǒng)所選用差壓傳感器量程為0.1 kPa，Imin=4.03 mA，Imax=19.65 mA，故其轉(zhuǎn)化公式為

3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)采用ADS1246對傳感器信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，ADS1246是一款精確的零漂移24位高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，其噪聲性能可以通過調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率和PGA進行優(yōu)化，包括低噪聲可編程增益放大器，帶數(shù)字濾波的ADC，最大支持2k SPS的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足系統(tǒng)對實時性的要求。其自帶的數(shù)字濾波器在5 SPS采樣速率下對工頻的抑制效果顯著，達-106 dB，其對干擾的抑制能力使其適用于在工業(yè)環(huán)境下進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

4）通信

系統(tǒng)設(shè)計了8個工位，每個工位都受控于上位機，其試驗數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)控制模塊整合傳輸至上位機，通信系統(tǒng)如圖4所示，利用CAN總線的強抗干擾能力和實時性能將各個工位進行組網(wǎng)，保證了大數(shù)據(jù)量下設(shè)備的可靠性，數(shù)據(jù)經(jīng)整合后通過USART發(fā)送至上位機。

圖4 通信系統(tǒng)Fig.4 Communication system

3.3.2 軟件設(shè)計

測控軟件包括上位機和下位機程序，除了實現(xiàn)基本功能外，必須保證軟件的強健性進行模塊化設(shè)計，以便后期的調(diào)試與維護。

結(jié)合圖3，對測控主程序進行簡要說明，其主程序流程如圖5所示。將閥門放上臺架，設(shè)置參數(shù)，按下行程開關(guān)，系統(tǒng)控制步進電機將其調(diào)節(jié)到合適的高度，然后驅(qū)動左右步進電機將密封端蓋伸入到閥體內(nèi)，當(dāng)所有的機械機構(gòu)到達設(shè)定位置時，啟動密封圈，密封圈充氣膨脹將腔體密封嚴(yán)實。系統(tǒng)完成上述程序后，即完成了試驗前準(zhǔn)備工作，接下來進入圖6的測控程序模塊，該模塊主要完成氣路時序的控制和氣壓檢測。

圖5 系統(tǒng)主程序流程Fig.5 Main procedure of system

圖6 測控主程序流程Fig.6 Measurement and control procedure

4 設(shè)備系統(tǒng)驗證

常規(guī)氣密性檢測設(shè)備常通過U型管觀察腔體內(nèi)氣壓變化，其最小分辨力為1 mm水柱，約為9.8 Pa，而本裝置所采用的MH3051壓差傳感器精度達到1 Pa，分辨力可達到1 Pa甚至更低，相當(dāng)于0.1 mm水柱，可見本裝置分辨力遠(yuǎn)高于水檢法。

圖7為上位機記錄的實時壓差溫度曲線，表1為根據(jù)記錄數(shù)據(jù)計算得的泄漏體積流量及相應(yīng)的重復(fù)性誤差，其中，除了被測工件4和5外，其余均為合格工件。對于2.5 kPa的測試壓力，泄漏評定標(biāo)準(zhǔn)為體積流量小于0.2 L/min，重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)為體積流量小于0.01 L/min，可以看出該測控系統(tǒng)可準(zhǔn)確檢測出被測工件的泄漏情況，具有高靈敏度和高可靠性，達到理想效果。

圖7 實時氣壓檢測Fig.7 Real-time barometric pressure detection

表1 30 s內(nèi)泄漏Tab.1 Leakiness average value in 30 s

5 結(jié)語

文中針對PE閥，設(shè)計了氣密性檢測設(shè)備。完成了氣密性檢測系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了對被測件的自動氣密性檢測，對被測件進行了自動化的定量判斷，提高了檢測效率的同時降低了被測件的誤廢率，因此具有較高的實用價值。本設(shè)備在實際使用過程中，運行狀況良好，具有較高的泄漏檢測靈敏度，能夠有效保障產(chǎn)品質(zhì)量。同時本設(shè)計，除針對PE閥門外，對PE（鋼塑）復(fù)合管件、其它類似閥門與管件的氣密性試驗設(shè)備設(shè)計，都有明顯的借鑒意義。

[1]陳鵬，余焱.管線氣密檢測裝置的設(shè)計[J].測控技術(shù)，2008（12）：41-42.

[2]韓秀茹，李維.密封性檢測技術(shù)及其生產(chǎn)中的典型應(yīng)用[J].汽車實用技術(shù)，2012（5）：110-112.

[3]孔翔飛，廉潔.基于嵌入式系統(tǒng)的氣密性檢測儀[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013（2）：28-29.

[4]董建華，陳立云.閥門泄漏量計算方法的探究及檢測平臺的研制[J].揚州職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，18（1）：40-41.

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[6]馬林.氣密檢測系統(tǒng)溫度影響研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

2月制造業(yè)PMI低于預(yù)期 原材料價格止跌回升

日前，國家統(tǒng)計局發(fā)布2月份制造業(yè)PMI指數(shù)。2月制造業(yè)PMI指數(shù)為49，較1月下滑0.4個百分點，為金融危機以來最低水平（與2011年11月持平），也低于市場預(yù)期的49.4。中金宏觀分析員劉鎏、梁紅認(rèn)為，2月份生產(chǎn)活動受春節(jié)拖累，但預(yù)期出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。

生產(chǎn)活動受春節(jié)影響有所收縮。2月份PMI生產(chǎn)指數(shù)下滑1.2個百分點至50.2，新訂單指數(shù)也比上月下降0.9個百分點至48.6，一定程度上受到春節(jié)落在2月的影響。從不同規(guī)模企業(yè)PMI看，大型企業(yè)PMI回落0.4個百分點，中型企業(yè)PMI持平，小型企業(yè)PMI降幅最大，下降1.7個百分點。

原材料價格止跌回升。2月原材料購進價格指數(shù)大幅上升5.1個百分點至50.2，回到擴張區(qū)間，與近期上游工業(yè)品價格上漲表現(xiàn)一致。由于PPI包含更多下游工業(yè)品價格，2月份環(huán)比仍有可能小幅下跌，但預(yù)計跌幅大幅收窄，同比也將明顯好轉(zhuǎn)。

企業(yè)庫存回升，預(yù)期好轉(zhuǎn)。2月原材料庫存指數(shù)上升1.2個百分點至48，產(chǎn)成品庫存指數(shù)上升1.8個百分點至46.4。企業(yè)補庫存受工業(yè)品價格回升帶動，1、2月份貨幣信貸寬松也對企業(yè)預(yù)期改善起到積極作用。2月份生產(chǎn)經(jīng)營活動預(yù)期指數(shù)大幅上升13.5個百分點，超過了過去幾年的季節(jié)性漲幅，反映制造業(yè)企業(yè)預(yù)期出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。

貿(mào)易活動仍然偏弱。2月出口訂單指數(shù)回升0.5個百分點至47.4。但是受到春節(jié)因素影響，2月出口難以明顯好轉(zhuǎn)。尤其是考慮2月出口基數(shù)偏高（去年2月出口同比增長48%），同比增速可能大幅下滑。2月份PMI進口指數(shù)下滑0.6個百分點至45.8，仍然偏弱。

就業(yè)壓力持續(xù)。2月從業(yè)人員指數(shù)下滑0.2個百分點至47.6，反映去產(chǎn)能背景下，就業(yè)形勢仍然面臨壓力。

總體上，2月份制造業(yè)活動受春節(jié)影響略有放緩，但是原材料價格和預(yù)期出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。向前看，2016年財政政策將更加積極，預(yù)計實際赤字率在2015年3.5%的基礎(chǔ)上進一步擴大，貨幣政策將延續(xù)寬松態(tài)勢。央行2月29日宣布下調(diào)存款準(zhǔn)備金率0.5個百分點，為年內(nèi)首次降準(zhǔn)。未來宏觀政策將繼續(xù)加強需求管理，發(fā)揮逆周期調(diào)節(jié)功能。