李 剛，孟祥印，馬鈞隆，馮一凡

LI Gang, MEN Xiang-yin, MA Jun-long, FEN Yi-fan

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031）

0 引言

調(diào)壓器是在燃?xì)廨斔秃凸?yīng)系統(tǒng)中，將高壓輸送燃?xì)庹{(diào)節(jié)至所需壓力，保證供氣壓力穩(wěn)定的重要設(shè)備，保證調(diào)壓器系統(tǒng)的無(wú)泄漏是燃?xì)獍踩?yīng)的重要問(wèn)題之一[1]，指揮器對(duì)廣泛應(yīng)用的間接式調(diào)壓器的工作性能影響巨大。目前燃?xì)庹{(diào)壓器用指揮器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)指揮器）性能檢測(cè)并無(wú)對(duì)應(yīng)的國(guó)標(biāo)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可依。實(shí)際生產(chǎn)中，許多廠家均是參考燃?xì)庹{(diào)壓器的國(guó)標(biāo)，以手動(dòng)操作和涂抹檢漏液、人眼觀察的方法進(jìn)行氣密性檢測(cè)。該檢測(cè)方法效率低、精度低、主觀性強(qiáng)，容易產(chǎn)生誤判，成為生產(chǎn)出廠流程中的瓶頸問(wèn)題。

本文參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)EN334和文獻(xiàn)[2]標(biāo)準(zhǔn),提出了新型自動(dòng)化干式檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了基于STM32的燃?xì)庹{(diào)壓器用指揮器性能檢測(cè)系統(tǒng)，以提高指揮器性能檢測(cè)效率和精度，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)過(guò)程和結(jié)果的可視化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 指揮器簡(jiǎn)介

指揮器的本質(zhì)是一個(gè)小型調(diào)壓器，將較高的進(jìn)口壓力調(diào)至低的出口壓力，并隨著進(jìn)口壓力或流量變化，能自動(dòng)調(diào)節(jié)出口壓力，使之穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，其工作原理如圖1所示。指揮器出口壓力通過(guò)調(diào)節(jié)器1與彈簧2來(lái)設(shè)定，出口壓力P2作用在薄膜3上，與彈簧的設(shè)定壓力平衡。指揮器出口壓力P2是隨閥口4變化而變化，當(dāng)進(jìn)口壓力P1降低或出口流量增加時(shí)，彈簧設(shè)定壓力大于出口壓力，閥芯5向下移動(dòng)，閥口4增加，從而使出口壓力P2增加，使出口壓力恢復(fù)到設(shè)定值。同理，當(dāng)出口壓力P1上升或出口流量減小時(shí)，工作過(guò)程相反。

圖1 指揮器工作原理

1.2 檢測(cè)內(nèi)容

參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)EN334與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB27790—2011《城鎮(zhèn)燃?xì)庹{(diào)壓器》，并結(jié)合指揮器使用需求，其檢測(cè)內(nèi)容包括以下幾項(xiàng)：

1）密封性檢測(cè)，包括外密封與內(nèi)密封。外密封用于檢查指揮器是否向外界漏氣；內(nèi)密封用于檢測(cè)當(dāng)指揮器出口被關(guān)閉后，進(jìn)口管道中的高壓氣體是否會(huì)“泄露”到出口管道中。

2）出口壓力調(diào)節(jié)檢測(cè)，包括最大值、最小值、設(shè)定點(diǎn)檢測(cè)。主要用于檢測(cè)指揮器調(diào)節(jié)性能是否合格。

1.3 檢測(cè)系統(tǒng)方案

系統(tǒng)主要包括了測(cè)試工藝單元與檢測(cè)控制單元[3]。測(cè)試工藝單元包括壓力調(diào)節(jié)閥、截止閥、壓力變送器、差壓變送器、流量調(diào)節(jié)閥以及連接管路和附件，如圖2所示。

圖2 測(cè)試工藝單元圖

采用電動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥與流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)測(cè)試管路中的壓力與流量，二者控制指令和開(kāi)度反饋信號(hào)均為4～20mA模擬信號(hào)。氣路中的截止閥采用帶有回訊器的氣動(dòng)球閥，利用單電控二位五通電磁閥控制其啟閉，24V DC供電。測(cè)試管路中的壓力、流量采集是整個(gè)系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)采集的精度直接決定了系統(tǒng)的測(cè)試精度[5]。系統(tǒng)選用1.0精度等級(jí)的壓力變送器和差壓變送器，輸出均為4～20mA模擬信號(hào)。

檢測(cè)控制單元以STM32為數(shù)據(jù)采集和控制核心，通過(guò)I/O通道和通信接口實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝設(shè)備狀態(tài)和工藝數(shù)據(jù)的采集與控制；同時(shí)通過(guò)串行通信接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的人機(jī)交互，如圖3所示。

圖3 檢測(cè)控制單元

系統(tǒng)工作過(guò)程如下：將被測(cè)指揮器接入測(cè)試工藝系統(tǒng)，操作員在HMI界面中選擇被測(cè)產(chǎn)品規(guī)格，以STM32為核心的檢測(cè)控制單元啟動(dòng)并運(yùn)行測(cè)試程序，控制氣路中各個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥、截止閥的狀態(tài)，并采集管路壓力和差壓數(shù)據(jù)，依據(jù)編寫(xiě)的檢測(cè)算法，得出結(jié)論。整個(gè)檢測(cè)過(guò)程和結(jié)論數(shù)字化、可視化，并以測(cè)試報(bào)告形式儲(chǔ)存在系統(tǒng)中，測(cè)試報(bào)告可查詢(xún)、打印。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包含STM32最小系統(tǒng)、電源模塊、模擬量轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字量隔離模塊，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件組成

2.1 STM32最小系統(tǒng)

采用意法半導(dǎo)體公司STM32F407，工作電壓1.6V～3.6V，該芯片擁有1MB FLASH和192KB SRAM以及豐富的USART、DMA、ADC等資源完全滿(mǎn)足該測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制性能要求[6～8]。STM32最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)各種資料眾多，在此不再贅述[4]。

2.2 電源模塊

系統(tǒng)采用DC24V開(kāi)關(guān)電源供電，可為氣路中截止閥供電，并采用LM2576S降壓至3.3V為STM32最小系統(tǒng)供電，采用如圖5所示。

圖5 電源模塊原理

2.3 數(shù)字量隔離模塊

電路板設(shè)計(jì)中，DI/DO隔離電路采用H11A1光耦隔離芯片，不僅保證信號(hào)不受干擾，也實(shí)現(xiàn)了處理器3.3V信號(hào)與截止閥24V電平等級(jí)轉(zhuǎn)換，圖6為3.3V轉(zhuǎn)24V隔離電路，而24V轉(zhuǎn)3.3V隔離電路，需將限流電阻R1改為20K。

圖6 數(shù)字量隔離模塊

2.4 模擬量轉(zhuǎn)換模塊

STM32中ADC和DAC只能接收和輸出0～3.3V的電壓信號(hào)，需針對(duì)4～20mA模擬信號(hào)進(jìn)行I/V和V/I轉(zhuǎn)換，電路設(shè)計(jì)如圖7和圖8所示。電路采用LM224工業(yè)級(jí)集成芯，內(nèi)部有四個(gè)運(yùn)算放大器。其中，VR1與VR2為可變電阻，VR1用于轉(zhuǎn)換信號(hào)調(diào)零，VR2用于量程調(diào)節(jié)。

圖7 4～20mA轉(zhuǎn)0～3.3V

圖8 0～3.3V轉(zhuǎn)4～20mA

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)流程

基于Keil uvision 5集成環(huán)境開(kāi)發(fā)，采用面向硬件開(kāi)發(fā)的C語(yǔ)言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)壓力、流量的采集，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度控制，開(kāi)關(guān)閥狀態(tài)檢測(cè)與控制等。

檢測(cè)單元程序流程如圖9所示：檢測(cè)系統(tǒng)的初始化后，先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，檢查氣路中是否漏氣及各器件能否正常工作，再進(jìn)行指揮器氣密性測(cè)試，當(dāng)指揮器無(wú)泄漏時(shí)，進(jìn)行后續(xù)檢測(cè)。

圖9 測(cè)控單元工作流程

3.2 HMI設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用配備鍵盤(pán)鼠標(biāo)的工業(yè)串口屏，利用配套的HMIMaker軟件開(kāi)發(fā)HMI界面。主要包含了賬號(hào)密碼的登錄界面，被測(cè)產(chǎn)品型號(hào)、序列號(hào)輸入的參數(shù)設(shè)置界面，報(bào)警信息管理的報(bào)警界面，以及檢測(cè)主界面。其中，主界面用于監(jiān)測(cè)顯示檢測(cè)管路中各元器件的狀態(tài)，如圖10所示。

圖10 檢測(cè)系統(tǒng)主界面

3.3 差壓法密封性檢測(cè)

參考EN334：2005《進(jìn)口壓力不大于100bar的燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器》中允許泄漏率[9]，及壓降的計(jì)算公式：

根據(jù)指揮器進(jìn)出口兩承壓腔體積即可反算出在時(shí)間t內(nèi)允許的壓降：

圖11所示為差壓法密封性檢測(cè)原理，P1、P2為進(jìn)出口壓力變送器，PT1進(jìn)出口差壓變送器。差壓變送器讀數(shù)為H端壓力與L端壓力之差。

圖11 差壓法密封性檢測(cè)原理

密封性檢測(cè)時(shí)，關(guān)閉進(jìn)出口的兩個(gè)截止閥SV101和SV202，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，關(guān)閉差壓表啟用截止閥SV102。指揮器密封性檢測(cè)前已進(jìn)行系統(tǒng)自身氣密性自檢，故關(guān)閉SV102后，差壓表PT1的H端端壓力不變。若發(fā)生泄露，無(wú)論內(nèi)漏或外漏均會(huì)造成PT1的L端降低；對(duì)比允許壓降ΔP，可得密封性結(jié)論。

4 試驗(yàn)與結(jié)論

選用10個(gè)指揮器、3名檢測(cè)人員對(duì)該測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了“雙R試驗(yàn)”（Repeat、Reappearance），每名檢測(cè)人員對(duì)每個(gè)被檢產(chǎn)品進(jìn)行3次檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)性良好。

然后對(duì)此10個(gè)指揮器進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試和人工傳統(tǒng)測(cè)試的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。氣密性檢測(cè)時(shí)人工噴灑檢漏液，肉眼判斷，并后期干燥，故密封性檢測(cè)耗時(shí)不同。結(jié)果顯示，人工檢測(cè)10個(gè)樣品均合格，而自動(dòng)檢測(cè)顯示有2個(gè)樣品不合格，存在外泄漏。由于結(jié)論不一致，故采用犧牲效率的壓降觀察法進(jìn)行復(fù)檢。經(jīng)保壓8小時(shí)后觀察壓降發(fā)現(xiàn)，數(shù)字化自動(dòng)檢測(cè)出的2個(gè)樣品確實(shí)存在微小泄漏，證明了該平臺(tái)的高準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)燃?xì)庹{(diào)壓器用指揮器的檢測(cè)要求，本文設(shè)計(jì)出的指揮器檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了指揮器性能的快速準(zhǔn)確檢測(cè)。采用差壓法實(shí)現(xiàn)了指揮器密封性的快速、精確檢測(cè)，相比傳統(tǒng)的人工涂抹檢漏液和浸水的濕式泄漏檢測(cè)方法，本檢測(cè)系統(tǒng)省去了人工檢測(cè)后產(chǎn)品去水、干燥的環(huán)節(jié)。并可提供數(shù)字化、可視化的測(cè)試過(guò)程和結(jié)論，現(xiàn)已用于實(shí)際生產(chǎn)。

表1 人工檢測(cè)與自動(dòng)檢測(cè)對(duì)比表