流量式泄漏检测系统的建模与仿真

　　0　引言

　　工业生产中,气密性对很多产品来说是一个至关重要的指标。传统的气泡检测法一直以来都被作为工业生产中气密性检测的标准[1]。但随着产品的复杂化与生产过程的高度自动化,传统检测方法的检测效率和精度已经不太能适应现代化生产的需要。流量式泄漏检测仪作为一种新型的气密性检测设备,通过检测气体状态参数来计算泄漏量,具有效率高、抗干扰能力强、成本低、操作简单等优点。

　　1　流量式泄漏检测仪的工作原理

　　流量式泄漏检测仪检测原理如图1所示,其中ps为气源气压, R为调压阀, SV0、SV1、SV2、SV3、SV4为电磁阀, C为流量小孔, DP为差压传感器,L1为被测容器, L2为标准无漏容器。

　　一个完整的泄漏检测循环包括4个过程:充气过程,平衡过程,检测过程和排气过程。

　　(1)充气过程:调压阀设定系统检测压力,电磁阀SV0、SV1和SV2打开,同时为标准容器和被测容器充气。(2)平衡过程:待标准容器和被测容器完全加压后,关闭电磁阀SV1和SV2,并打开电磁阀SV3、SV4,将标准容器和被测容器通过流量小孔相通。由于电磁阀的动作和气体流动的影响,会引起容器内气体压力脉动,导致两容器间的差压不稳定,呈现出无规则的变化,必须延迟检测。(3)检测过程:若被测容腔有漏,将导致容腔内压力下降,气体在压差作用下由标准容腔经流量小孔流向被测容腔。差压传感器检测流量小孔两侧差压即可推算泄漏量。(4)排气过程:电磁阀全部失电,装置内剩余气体排出,检测过程结束。电磁阀在各循环阶段的动作时序如图2所示。

　　2　压力与温度的数学模型

　　根据实际充气过程情况,充气阶段模型可简化为一恒压源经一电磁阀向一定容积的容器充气。气体状态方程的微分形式为

式中:p为容器压力; V为容器体积; T为容器温度;m为容器内气体质量; R为气体常数,取R=287·1N·m·kg^-1·K^-1。

　　根据能量守恒方程,外界给予系统的热量dQ加上流入系统的能量dH应等于系统内能的变化量dI和对外做功dW之和。该系统无体积变化,故dW=0。

式中:ps为气源压力; Ts为气源温度; Ta为环境温度; h为容腔传热系数; Sh为容腔表面积; Cv为定容热容,取Cv=718J·kg^-1·K^-1[2]。

　　综合以上所述的气体状态方程,能量方程可以得到检测过程中容腔内气体压力、温度随时间变化的数学模型。

　　容腔内气体质量的变化在容器无泄漏的情况下即为单位时间内气体通过电磁阀的流量,根据电磁阀的流量特性[3],

式中: S为电磁阀有效截面积; b为临界压力比,对于理想气体, b=0·528,但实际气体流过气动元件时, b值一般在0·2~0·5之间,仿真过程中取b=0·4。