徐志鵬，封龍高，周　俊，閆　磊

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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外壓直壓法攝像機(jī)氣密性檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐志鵬，封龍高，周俊，閆磊

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

【摘要】針對(duì)傳統(tǒng)的直壓和差壓氣密性檢測(cè)方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)全密封器件的泄漏檢測(cè)，提出了一種外壓直壓法攝像機(jī)氣密性檢測(cè)方案.在介紹外壓直壓法檢測(cè)原理及相關(guān)氣密性公式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)攝像機(jī)密封性能的檢測(cè)系統(tǒng)，并搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī).攝像機(jī)氣密性實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確且穩(wěn)定地檢測(cè)出攝像機(jī)的大漏、小漏及合格等指標(biāo)；系統(tǒng)檢測(cè)周期少于40 s，為全密封器件的氣密性檢測(cè)提供了解決思路.

【關(guān)鍵詞】攝像機(jī);氣密性檢測(cè);外壓直壓法;泄漏率

隨著網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，我國(guó)安防產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展.網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)逐漸成為網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的主流[1].網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在使用過(guò)程中發(fā)生泄漏且泄漏率超過(guò)允許范圍，不僅使產(chǎn)品功能受到影響，還可能會(huì)造成嚴(yán)重的安全隱患，對(duì)生命財(cái)產(chǎn)造成不可避免的損失.所以針對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行氣密性檢測(cè)，對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量，保障生活、生產(chǎn)安全具有重要意義.

工業(yè)生產(chǎn)中常用的氣密性檢測(cè)設(shè)備大多根據(jù)氣體流量公式進(jìn)行設(shè)計(jì)[2].目前氣密性檢測(cè)方法主要有氣泡式檢測(cè)法和氣壓式檢測(cè)法，其中氣壓式檢測(cè)法在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛[3].氣壓式檢測(cè)法又可以分為直壓式和差壓式氣密性檢測(cè)方法.差壓式檢測(cè)以標(biāo)準(zhǔn)容腔為基準(zhǔn)，可減小溫度等因素帶來(lái)的影響，然而該法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高；直壓式檢測(cè)成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但溫度影響相對(duì)較大，檢測(cè)效率和精度相對(duì)較低[4].一般情況下，這兩種方法都是通過(guò)檢測(cè)產(chǎn)品內(nèi)部壓力來(lái)計(jì)算泄漏率，這對(duì)于攝像機(jī)等全密封性器件的泄漏檢測(cè)并不適用.

為此，本文提出了一種外壓直壓式檢測(cè)方案，用于檢測(cè)某公司生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的密封性能，并在此基礎(chǔ)上對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析.該系統(tǒng)有效地提高了直壓檢測(cè)法的檢測(cè)精度和效率，且具有快速判斷檢測(cè)產(chǎn)品是否存在大漏的功能.

1外壓直壓法檢測(cè)原理

外壓直壓法是通過(guò)檢測(cè)穩(wěn)定后標(biāo)準(zhǔn)容腔內(nèi)壓力變化來(lái)計(jì)算出產(chǎn)品的泄漏率.在更換不同夾具的條件下，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)攝像機(jī)等全密封器件氣密性的自動(dòng)檢測(cè).氣密性檢測(cè)原理圖如圖1，系統(tǒng)主要由氣源、過(guò)濾調(diào)壓閥、精密調(diào)壓閥、二通閥、換向閥、壓緊氣缸、壓力傳感器以及西門子PLC控制器和人機(jī)界面等組成.

圖1　外壓直壓法檢測(cè)原理圖Figure 1　Principle diagram of external direct pressure

其中氣源、精密調(diào)壓閥、二通閥1和壓力傳感器Pn構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制回路，精確調(diào)節(jié)進(jìn)入?yún)⒖既萜鞯膲毫?；換向閥和標(biāo)準(zhǔn)氣缸組成的氣動(dòng)回路用于控制標(biāo)準(zhǔn)容腔的封堵和打開.首先將被測(cè)產(chǎn)品(攝像機(jī))通過(guò)壓緊氣缸封堵于體積稍大的標(biāo)準(zhǔn)容腔內(nèi)，打開二通閥1，將參考容器內(nèi)的壓力調(diào)至預(yù)設(shè)值；穩(wěn)定后關(guān)閉二通閥1并將二通閥2打開，使得標(biāo)準(zhǔn)容腔內(nèi)的壓力達(dá)到測(cè)試要求的工作壓力，讀取Pm壓力傳感器的值，通過(guò)和計(jì)算值進(jìn)行比較，若其壓力遠(yuǎn)小于計(jì)算值并且壓力保持不變，則產(chǎn)品大漏，結(jié)束檢測(cè)；反之，讀取檢測(cè)開始和結(jié)束時(shí)標(biāo)準(zhǔn)容腔內(nèi)的壓力值，根據(jù)泄漏率公式計(jì)算出產(chǎn)品泄漏率；檢測(cè)結(jié)束后，打開二通閥3放氣.

2泄漏率公式推導(dǎo)與分析

根據(jù)外壓直壓法的檢測(cè)原理，參考容器體積V1和標(biāo)準(zhǔn)容腔有效體積Ve保持不變，攝像機(jī)要求的檢測(cè)壓力不高(表壓20kPa).測(cè)試開始前參考容器內(nèi)的壓力穩(wěn)定為p10，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知參考容器和標(biāo)準(zhǔn)容腔內(nèi)壓力達(dá)到平衡時(shí)p20為

(1)

氣體的質(zhì)量滿足

(2)

由(2)可以求出被測(cè)產(chǎn)品的質(zhì)量泄漏率為

(3)

規(guī)定以溫度Ts為293.15K，壓力ps為101.325kPa作為計(jì)量氣體體積流量的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)[5].則被測(cè)產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)條件下的體積漏率為

(4)

由于檢測(cè)過(guò)程中壓力較小，故檢測(cè)時(shí)間短，檢測(cè)過(guò)程中溫度的影響可以忽略[6]，認(rèn)為T20、T2、Ts相等，則體積泄漏率公式可簡(jiǎn)化為

(5)

式(1)～(5)中，R為摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·kg)；m20、m2分別為檢測(cè)起始和終止時(shí)標(biāo)準(zhǔn)容腔內(nèi)的氣體質(zhì)量，kg；p20、p2分別為檢測(cè)起始和終止時(shí)標(biāo)準(zhǔn)容腔內(nèi)的氣體壓力，Pa；T20、T2分別為為檢測(cè)起始和終止時(shí)標(biāo)準(zhǔn)容腔內(nèi)的溫度，K；M為空氣摩爾質(zhì)量，kg/mol；Δt為檢測(cè)時(shí)間，s；Qm為被測(cè)產(chǎn)品的質(zhì)量泄漏率，kg/s；Qv為被測(cè)產(chǎn)品的體積泄漏率，m3/s.

3檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1關(guān)鍵元件配置

核心控制器選用西門子公司S7-1200系列PLC.該系列PLC采用開放的Profinet以太網(wǎng)總線協(xié)議并支持與第三方設(shè)備通信[7].PLC作為下位機(jī)主要完成壓力信號(hào)的獲取、與HMI(人機(jī)界面)通信和對(duì)各電磁閥的控制等功能.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.

圖2　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Figure 2　Structure diagram of control system

從泄漏率公式分析中可以看出，壓力測(cè)量的準(zhǔn)確性是保證檢測(cè)精度的關(guān)鍵所在[8].本設(shè)計(jì)選用Rosemount公司3051系列高精度壓力傳感器.參考容器體積和標(biāo)準(zhǔn)容腔有效容積約為等體積大小，攝像機(jī)氣密性測(cè)試的目標(biāo)壓力為表壓20 kPa. Pn采集的數(shù)據(jù)主要用于判斷攝像機(jī)是否大漏，選擇綜合不確定度小于0.075%的3051C傳感器，將測(cè)量范圍調(diào)至35～45 kPa(表壓)；Pm采集的數(shù)據(jù)用于泄漏率的計(jì)算，選擇更高精度的3051S傳感器，將測(cè)量范圍調(diào)整至15～25 kPa(表壓).壓力傳感器主要性能參數(shù)如表1.為達(dá)到檢測(cè)精度，模擬量轉(zhuǎn)換模塊選擇西門子16位精度的SM1231模塊.

表1　壓力傳感器的主要性能參數(shù)

3.2測(cè)控軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的人機(jī)交互功能由威綸通TK8070系列觸摸屏實(shí)現(xiàn).觸摸屏直觀方便，易于操作，畫面上的按鈕和指示燈可以取代相應(yīng)的硬件，減少PLC需要的I/O點(diǎn)數(shù)，降低系統(tǒng)的成本，在自動(dòng)化數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛.可使用威綸通公司EB8000人機(jī)界面組態(tài)軟件完成觸摸屏畫面的組態(tài)，且TK8070帶有RJ-45以太網(wǎng)口(PROFINET接口)，通信速率為10/(100Mbits/s)，能夠方便地和計(jì)算機(jī)或S7-1200通信，從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)PLC與人機(jī)界面的自動(dòng)數(shù)據(jù)交換.該系統(tǒng)中，觸摸屏主要完成操作員登陸、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)和曲線圖顯示、檢測(cè)結(jié)果顯示、報(bào)警以及數(shù)據(jù)記錄與統(tǒng)計(jì)等功能.控制窗口之間的關(guān)系如圖3.

圖3　人機(jī)界面控制窗口關(guān)系圖Figure 3　Control windows relation diagram of human-machine interface

針對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，編寫了西門子PLC下位機(jī)處理程序.通過(guò)檢測(cè)原理分析可以知道，每次檢測(cè)開始之前系統(tǒng)將自動(dòng)向參考容器內(nèi)充入確定壓力的空氣.系統(tǒng)檢測(cè)周期主要分為：1)充氣階段，二通閥1關(guān)閉，換向閥打開(壓緊氣缸封堵)，二通閥3關(guān)閉，二通閥2打開；2)平衡階段，二通閥2關(guān)閉；3)檢測(cè)階段，二通閥2關(guān)閉；4)放氣階段，二通閥3打開，換向閥關(guān)閉(壓緊氣缸復(fù)位)，二通閥1關(guān)閉，二通閥2關(guān)閉.PLC程序控制流程圖如圖4.

圖4　PLC主程序流程圖Figure 4　Block diagram of the main program

4實(shí)驗(yàn)分析

本文設(shè)計(jì)的外壓直壓法攝像機(jī)氣密性測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物如圖5.參考容器的體積V1(包含部分管路體積)為962.5 mL，標(biāo)準(zhǔn)容腔的有效體積Ve(包含部分管路體積)為1082.4 mL.為使標(biāo)準(zhǔn)容腔內(nèi)的測(cè)試壓力達(dá)到20 kPa，每次檢測(cè)前系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將參考容器的壓力調(diào)整至42.49 kPa；為達(dá)到實(shí)驗(yàn)的溫度條件，用空調(diào)將實(shí)驗(yàn)室溫度調(diào)至20 ℃(293 K)恒溫進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)1，系統(tǒng)自身密封性測(cè)試.將標(biāo)準(zhǔn)不漏攝像機(jī)放入標(biāo)準(zhǔn)容腔，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)容腔在保壓階段的壓力變化，圖6為標(biāo)準(zhǔn)容腔壓力穩(wěn)定后100 s內(nèi)的壓力變化曲線.

同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)試300 s內(nèi)裝置的壓降.測(cè)試結(jié)果如表2，最大壓降為5.5 Pa.若檢測(cè)時(shí)間為15 s，則在15 s內(nèi)裝置自身壓降約為0.28 Pa，小于攝像機(jī)在15 s內(nèi)最大允許壓降(47 Pa)的1%，且重復(fù)性好.可認(rèn)為該檢測(cè)裝置自身密封性良好.

圖5　外壓直壓法氣密性檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖Figure 5　Physical map of external direct pressure air-leakage detecting system

圖6　標(biāo)準(zhǔn)容腔20 kPa保壓曲線圖Figure 6　Pressure holding curve of standard vessel at 20 kPa

Pa

實(shí)驗(yàn)2，檢測(cè)階段時(shí)間的確定和系統(tǒng)重復(fù)性測(cè)試.通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)確定系統(tǒng)充氣時(shí)間為7 s、平衡時(shí)間為13 s.被測(cè)件為標(biāo)準(zhǔn)不漏件時(shí)充氣、平衡及檢測(cè)階段標(biāo)準(zhǔn)容腔內(nèi)氣體壓力變化曲線如圖7.

圖7　標(biāo)準(zhǔn)攝像機(jī)測(cè)試壓力曲線圖Figure 7　Testing pressure curve of standard camera

從圖7可以看出第20 s后標(biāo)準(zhǔn)容腔的壓力穩(wěn)定在20 kPa左右，在同等條件下，對(duì)該不漏攝像機(jī)在不同的檢測(cè)時(shí)間下進(jìn)行3組重復(fù)性測(cè)試，每組測(cè)試10次.測(cè)試結(jié)果如表3.

表3　無(wú)泄漏時(shí)不同檢測(cè)時(shí)間的測(cè)試數(shù)據(jù)

儀器的重復(fù)性指的是相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD，可由檢測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值計(jì)算而得，即RSD=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值[9].根據(jù)貝塞爾公式計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)差，重復(fù)性計(jì)算結(jié)果如表4.

表4　無(wú)泄漏時(shí)不同檢測(cè)時(shí)間的測(cè)試結(jié)果

產(chǎn)品無(wú)泄漏時(shí)，泄漏率的標(biāo)準(zhǔn)值為0，從表4可以看出系統(tǒng)的重復(fù)性精度小于7%，滿足一般儀器重復(fù)性小于10%的要求[10]，且檢測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)精度越高.

實(shí)驗(yàn)3：泄漏件的重復(fù)性測(cè)試.根據(jù)實(shí)驗(yàn)2確定充氣時(shí)間為7 s，平衡時(shí)間為13 s，測(cè)試時(shí)間為15 s，泄漏件測(cè)試數(shù)據(jù)如表5.

表5　檢測(cè)時(shí)間為15 s時(shí)泄漏件的測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)攝像機(jī)氣密性出廠要求，當(dāng)泄漏率在2～10 mL·min-1時(shí)為小漏.結(jié)合表中數(shù)據(jù)，該攝像機(jī)測(cè)試結(jié)果為小漏.

5結(jié)論

本文針對(duì)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)這一全密封器件無(wú)法通過(guò)直接檢測(cè)其內(nèi)部的壓力來(lái)計(jì)算泄漏率，設(shè)計(jì)了外壓直壓法氣密性檢測(cè)系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1)該系統(tǒng)增加了參考容器這一緩沖容積，不僅使系統(tǒng)具有提前檢測(cè)大漏件的功能，也減少了穩(wěn)定階段所需要的時(shí)間，從而有效提高了直壓法檢測(cè)效率.

2)系統(tǒng)采用西門子PLC為核心控制器，應(yīng)用觸摸屏技術(shù)，選用了高精度的壓力傳感器.檢測(cè)系統(tǒng)具有較好的檢測(cè)精度和重復(fù)性，而且可視性好，自動(dòng)化程度高，能用于工廠在線批量檢測(cè).

溫度補(bǔ)償在該系統(tǒng)的應(yīng)用問(wèn)題有待進(jìn)一步研究.

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The design of camera air-leakage detecting systems based on external direct pressure

XU Zhipeng, FENG Longgao, ZHOU Jun, YAN Lei

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Abstract:Aimed at the problem that it is difficult to detect the air-leakage of the whole sealing element for the traditional direct and differential pressure methods, an air-leakage detecting scheme of camera based on external direct pressure was put forward. A camera air-leakage detecting system was designed and an experimental prototype was built on the basis of introducing the external direct pressure measuring principle and the relative air-leakage formulas. The experimental results showed that the index of serious, slight or qualified leakage could be detected quickly, accurately and steadily. The testing period of the system was less than 40 seconds. It provides a solution for the air-leakage detection of the whole sealing device.

Key words:camera; air-leakage; detecting; director pressure; leak-rate

【文章編號(hào)】1004-1540(2016)01-0018-05

DOI:10.3969/j.issn.1004-1540.2016.01.003

【收稿日期】2015-09-07《中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

【基金項(xiàng)目】國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.11002137,51305419).

【作者簡(jiǎn)介】徐志鵬(1982- )，男，安徽省安慶人，博士，主要研究方向?yàn)榫苓\(yùn)動(dòng)控制及流量計(jì)量.E-mail:xuzhipeng@zjlu.edu.cn

【中圖分類號(hào)】TH138

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A