毛細管泄露檢測研究

無錫職業技術學院 華旭奮

中國汽車制造業增勢迅猛，中國最大汽車制造商上汽集團股份有限公司在周四的報告中稱其2011年第四季度盈利激增67%，中國已超越美國成為全球最大的汽車市場。隨之帶來的能源消耗也越來越大。

電控汽油噴射技術是目前運用最為廣泛的新型燃油噴射技術，電磁噴油器是發動機電控噴射系統的一個關鍵執行器，它接受ECU送來的噴油脈沖信號，精確計量汽油噴射量。要求其動態流量范圍大，抗堵塞和抗污染能力強以及霧化性能好。其最常見的故障包括噴油器閥芯卡滯、噴油器阻塞和泄漏。當噴油器出現泄漏故障時，會引起機械動作失效，從而影響發動機的正常運轉。

噴油器的型號是與汽車型號相匹配的。生產噴油器的企業不同，那么生產的噴油器型號也不同，也就是說一旦這個企業開發的汽車使用了某公司的某批噴油器，那就必須一直使用該公司產品，具有很強的依賴性。而液壓泄漏測試在噴油器產品眾多性能測試中占有一個非常重要的地位，液壓泄漏測試不合格的產品如果留到客戶那里會引起自燃，爆缸等嚴重的問題，所以對生產企業對噴油器的泄漏檢測標準要求非常高的。本文就是對電磁噴油器在不通電情況下的靜態泄露檢測進行研究。

圖1 測量原理圖

圖2 方波和振蕩器產生的脈沖波形

圖3 測試流程

1.測量方法現狀

隨著技術的進步及檢測方法的改善，所謂“絕對不漏”或“無泄漏”只是一個模糊的概念，已經不符合生產實際要求。判別一個測量物品漏或者不漏需要一個更為準確的、數量上的標準，特別是對像噴油器內部泄漏這種測量微小泄漏的場合。

傳統的泄漏檢測方法是將待測物品充入一定壓力的氣體介質(通常為壓縮空氣)，而后置水中觀察，以被測物品周圍是否產生氣泡作為是否泄漏的標準。

隨著工業控制的自動化技術不斷進步，實現了上、下料機構、自動密封裝置及電氣控制、氣動系統、液壓、泄漏檢測系統等等都組合在一條加工生產線上，使得零部件的在線泄漏檢測成為可能。常見方法有：

(1)壓差法

由于閥后和閥前的壓力差不同，泄漏量不同閥后和閥前的聲音值會也會不同，通過計算分貝值， 但由于在高壓下液體壓縮性的影響以及泵本身在高壓下的漏失量的影響，誤差也較大。

(2)流量平衡法

將計量泵設定的注入流量看成是出口的流量，但由于在高壓下液體壓縮性的影響以及泵本身在高壓下的漏失量的影響，誤差也較大。

2.研究思路

針對上述存在的問題，引入不銹鋼毛細管測量理論，將毛細管設計在噴油器的上方，空氣壓力就施加在從毛細管到噴油器的這一段液柱上，如果存在一定的泄漏，試驗液會順著縫隙流出噴油器，則存在于噴油器加毛細管中的液體體積減少。圖1為靜態泄露測量原理圖。

在毛細管中豎立一根金屬針位于毛細管的正中間，它與毛細管不直接接觸，并且將其固定在毛細管正中間的固定物是良好的絕緣體。毛細管本身也是金屬制成的。這兩個金屬體之間就形成了圓柱形電容。根據其間存在的物質的介電常數不同，會產生不同的電容值。試驗液和空氣的介電常數不一樣，當液面從l0下降l1時，空氣會占據更多的體積，兩個電極間的電容值會變化。即對確定的毛細管來說，通過毛細管的液體高度與毛細管等效電容成正比。如果液體性質確定，則只要準確測量毛細管等效電容就能準確計量毛細管中液面高度。也就是將毛細管當做一個電容傳感器。而微電容傳感器測量是一項十分成熟的技術。將毛細管的這種特性用于液體微流量測量，將會很好的解決目前存在的問題。

具體應用方法如下：將已知內徑、長度參數的毛細管設計在噴油器的上方，利用電容傳感器測量電路計量毛細管此時的等效電容，然后利用電容檢測電路公式即可算出毛細管內液體的準確高度。

表1 試驗數據表

3.泄漏原理描述和公式推導

(1)毛細管電容和液面高度之間的轉換

噴油器的泄漏率就是在額定壓力下，單位時間內從噴油器泄漏出去的規定介質的體積。

假設有一根長為L 厘米，一個內直徑為D毫米的毛細管，中間的細金屬絲內徑為d，其中有粘度為Lmbar/s的介質油，在額定壓力下，假設在t=t0時，液面高度為l0，由于噴油器本身的泄漏，存在于噴油器和毛細管中的液體減少，在毛細管中的液面會下降。在t=t1時，液面高度或下降到l1，如圖1所示。

由于時間的變化是連續的，體積的變化是連續的，液面高度的變化也是連續的，令毛細管總長為L，液柱長度為l，忽略由于毛細管對地和由于金屬針的支撐件造成的附加電容。所以毛細管總電容：

當液位發生變化時，在Δt的時間內液面高度變化了Δl，則電容變化了， 兩邊同處以時間變化并微分化，推導出：

式②即為液體在毛細管內變化的數學公式。從公式可以看出，當毛細管內徑、外徑一定，液體一定(介電常數確定)時，液面高度與電容值成正比關系。只要準確計算電容值就能保證液面高度的準確計量。

(2)等效電容的測量

對于電容傳感器而言，電容值及電容變化量的讀出是一個難點。從工業角度而言，一個完善的微小電容測量電路應該具備低成本、低漂移、響應速度快、抗雜散性好、高分辨率、高信噪比和適用范圍廣等優點。目前，國際上常用的是利用電荷轉移原理的開關電容電路。但是，開關電容電路組成的測量電路結構復雜，工藝精度要求也比較高。 另一種常用的測量方法是，利用敏感電容的不斷充放電構成振蕩電路，振蕩頻率取決于電容值。通過一個計數電路測得輸出頻率，可求得敏感電容值，從而反映待測物理量的變化。本文的設計正是基于這種V/T變換原理。

將運放組成的振蕩電路產生的方波信號和參考高頻振蕩器(設計中采用的參考振蕩器f=100MHZ，T=10ns)產生的脈沖經“與門”和“與非門”處理后，由計數器計數，將方波高電平時的計數值Z2，乘以10nS就是方波高電平的時間TH；將方波低電平時的計數值Z1，乘以10nS就是方波低電平的時間TL，把兩個時間相加，就可以得出振蕩器產生的方波信號的頻率，從而得出敏感電容值，通過公式③即可得出液面高度，測量原理如圖2所示。

4.測試

為了驗證上述理論，我們專門設計了測試流程，如圖3所示。其中，毛細管內內直徑大約為2mm，中間有一根0.5mm的細金屬絲，毛細管長度為60mm；運放選用OPA260，低失真：1KHz下0.0003%，低噪聲： ，高旋轉率： ，大增益帶寬：20MHz；計數器采用一個8為同步加減計數器74F269。其典型計數頻率為115MHz；微處理器采用AVR單片機系列的MEGA128， MEGA 128 的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz。測試壓力：3Bar。實驗數據見表1。

5.結論

通過實驗驗證，可以得出如下結論：

(1)在測試壓力保持不變的情況下，毛細管液面的高度會隨著時間的變化發生不同程度的下降。

(2)測試壓力的波動、測試液的空氣含量也會對測量數據帶來影響。

[1]邵東亮等.液體微流量計量方法研究[J].石油儀器,2005,19(24):69-72.

[2]嚴劍明.高精度電感傳感器相關技術研究[D].黑龍江:哈爾濱工業大學,2010.