一种高精度微量气体泄漏检测仪的设计与研究

　　1　引　　言

　　目前燃气用具行业的热水器、灶具、煤气表、工业用的各种阀件,机械化工、医疗、食品等行业的密封器件气密性检测是一项十分重要的安全检测,国家对这些密封器件的密封性检测制定了相应的标准(如《家用燃气快速热水器》GB6932—2001标准,高中压阀门密封国家JB5221-91标准等)。对气密性的检测传统的方法有气泡法(水检法)、静压法、U型管法、氦质谱法等,但这些方法往往需要较长的等待时间、测试要求较高和人为因素较多的原因导致测试的准确性和精度受到不同程度的影响,从而不适合工业现场的在线批量检测。根据天平称重原理在此提出了微差压检测微量泄漏的方法,可以达到测试精度高,测试周期短的效果,可广泛应用于各种密封部件工业现场的批量检测和在线检测以及特种密封部件的精确检测。

　　2　测试原理及精密气路

　　当将一个充气加压到P0的密封平衡系统分割成两个子系统,并使两个子系统重新恢复到原来系统的状态后,如果两个子系统出现不均衡泄漏,将引起两个子系统之间的压力差。假设其中的一个子系统保持工程中的绝对密封(称为“标准件腔”),则由于不均衡泄漏引起的压力差将反应另一个腔体泄漏的状况,压差的大小将间接反应出泄漏量的多少,根据气体状态平衡方程可推倒出以下关系式:

　　由于在实际测量工程中并不是在理想状态下,对密封系统进行充气加压可能引起系统内容积的变化,两个系统之间可能存在一定的气体温度差异,这些都会在一定程度上影响测试结果,因此必须将其作为实际测试工程中的考虑因素。为此必须将容积和温度差异引起的差压变化从实际测试差压结果中去除掉。其中容积引起的差压变化关系如下:

　　为了实现精确测量,设计了一套精密气路,其原理简图见图1,气路采用对称设计,以使两个子系统具备必要的相同条件,气源经过滤减压后对系统进行充气,由阀V1,V2,V3,V4的通断控制系统整个检测周期的五个状态的切换,系统的五个状态期分别是:Ⅰ—充气期(阀V2关,阀V1,V3,V4开);Ⅱ—平衡期(第一平衡:阀V1,V2关,阀V3,V4开;第二平衡:阀V1,V2,V3,V4关);Ⅲ—测量期(阀V1,V2,V3,V4关);Ⅳ—放气期(阀V1关,阀V2,V3,V4开);Ⅴ—待机期(阀V1关,阀V2,V3,V4开)。在一个完整的检测周期内压力和时间的大致关系见图2,其中压力的波动是气体在刚充气后和阀的通断引起的。

　　3　仪器组成及工程实现

　　高精度差压传感器采用美国Foxboro公司生产的IDP10系列微差压传感器,具有4～20mA标准输出,采用两线式连接,安装容易,具有零点漂移小,分辨率高,精度高,测量量程宽,单边瞬间超载高(13.97MPa不损坏)等特点。系统采用Intel MCS系列8752BH单片机,拥有8kROM,256B RAM;AD采用14位逐次逼近型串行输出的MAX194,它具有速度快、精度高、低功耗等特点,自带采样保持电路,能够满足最高采样频率为85kPS的转换,最快转换时间为9.4μs,具有单极性和双极性两种输入和三态串行数据输出方式;LED显示采用串行接口8位LED驱动器MAX7219,具有电路简单,占用口线少,功耗低,软件开销少的特点,可对各段进行单独控制,并能对数字段进行译码和不译码控制,串行数据传送速率高达10MHz,可以级联使用;扩展一片I2C接口E2ROM器件24C04用于存储参数设定,以便在重复测试同一器件时避免重复设定;基于提高系统抗干扰性能考虑,对电磁阀门的控制采用隔离驱动方式,在单片机系统和驱动电路之间加三态缓冲器74LS244和光电耦合器,使单片机系统和外部执行器件隔离,减少强电对单片机系统的干扰。系统可接打印机对批量检测结果打印报表,可连接上位机实现复杂功能扩展。