多通道打火機貯氣箱耐壓測試系統(tǒng)的研究

陳 才 楊遂軍 傅 琳 葉樹亮

(中國計量學院計量測試工程學院，浙江 杭州 310018)

0 引言

我國年產(chǎn)打火機32億多支，出口量占全球總量的40%[1]。加壓充注燃料的打火機貯氣箱易在高溫、撞擊或內(nèi)壓大于外殼承受極限等情況下發(fā)生爆炸。打火機貯氣箱耐壓測試是打火機安全檢測項目之一。歐盟對我國打火機出口設(shè)置技術(shù)貿(mào)易壁壘[2－3]，將ISO 9994打火機安全規(guī)范要求升級為強制執(zhí)行標準，對我國打火機產(chǎn)業(yè)造成重大打擊[4]。目前，國內(nèi)打火機貯氣箱耐壓檢測多采用人工手動充氣方法，費時費力;極少有檢測儀器采用單通道測量，檢測時間較長，自動化程度和效率低[5]。因此，迫切需要研究和開發(fā)新型打火機貯氣箱耐壓檢測儀器。

本文研制了基于CPLD的打火機貯氣箱耐壓測試系統(tǒng)，實現(xiàn)5路打火機增壓速率的自動調(diào)節(jié)和貯氣箱壓力的自動化檢測，有效提高了測量精度和效率。

1 系統(tǒng)工作原理

根據(jù)ISO 9994-2006要求，打火機貯氣箱耐壓檢測方法具體為:在打火機貯氣箱上鉆孔并將氣嘴插入鉆孔，以69 kPa/s的速率對打火機貯氣箱增壓至1 500 kPa并保持60 s，氣壓無明顯下降(壓力下降小于250 kPa)的打火機為合格產(chǎn)品。根據(jù)直壓式檢漏法的原理，對一個密閉容器充入一定質(zhì)量的壓縮氮氣，并使它的內(nèi)部壓力達到檢測要求。

假設(shè)該密閉容器無泄漏，并且與外界無熱量交換，在規(guī)定的保壓時間內(nèi)，這個密閉容器的內(nèi)部壓力會保持在檢測壓力的水平。若該容器有泄漏，其內(nèi)部壓力必定小于檢測壓力，可以通過檢測該段時間的內(nèi)密閉容器的壓力變化，達到檢驗和評估容器是否有泄漏的目的[6－7]。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程[8]:

式中:P為壓力;V為質(zhì)量體積;R為氣體常數(shù);T為熱力學溫度。

對于一定質(zhì)量的完全氣體，假設(shè)被測工件的容積為V1，檢測壓力為P1，檢測結(jié)束時壓力為P2，其狀態(tài)可描述為:

當標準大氣壓為P0，在1 min內(nèi)泄漏氣體體積VL，在忽略溫度變化時，由氣體狀態(tài)方程可知:

進而可求得打火機貯氣箱泄漏率為:

打火機內(nèi)部泄壓率為:

根據(jù)上述檢測原理，并結(jié)合單通道固定式增壓方式，設(shè)計了耐壓檢測系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用多通道檢測模式提高檢測效率，系統(tǒng)氣路原理如圖1所示。

圖1 耐壓檢測系統(tǒng)氣路原理圖Fig.1 Schematic diagram of gas pressure detection system

系統(tǒng)主要由氣源(氮氣瓶)、減壓閥、針型閥控制系統(tǒng)、緩沖氣瓶、截止閥、壓力傳感器、氣嘴、氣箱和泄壓閥組成。采用氮氣瓶作為壓力發(fā)生裝置，高壓氣源經(jīng)過減壓閥后產(chǎn)生2 MPa的標準內(nèi)部壓力，并輸送到針型閥控制系統(tǒng)進行調(diào)壓，用于控制系統(tǒng)的增壓速率;調(diào)壓后氣路接入緩沖氣瓶，通過緩沖氣瓶把氣路分為5個支氣路，緩沖氣瓶相對充氣支路體積較大，減少了各支路開啟瞬間的擾動，同時使各支路之間的充氣速率相對一致;截止閥將氮氣通過氣嘴輸出到打火機樣品，截止閥控制支路的開啟關(guān)閉，壓力傳感器檢測支路的實時壓力和充氣速率，泄壓閥用于試驗完成后氣箱泄壓，以方便操作人員從夾持機構(gòu)上取出打火機。

針型閥控制系統(tǒng)采用PID方法控制打火機貯氣箱的充氣速率[9]，由針型閥、步進電機和編碼器組成。將壓力傳感器的反饋壓力值換算為當前充氣速率值，與給定的充氣速率相比較，得到比例項、積分項、微分項并相加，最后得出流量控制量。

通過將流量控制量轉(zhuǎn)換成步進電機調(diào)節(jié)針型閥開所需的度，實現(xiàn)充氣速率調(diào)節(jié)。充氣速率控制量的計算公式為:

式中:u(k)為充氣速率控制量;e(k)為設(shè)定壓力與實際壓力之間的差值;TI為積分時間常數(shù);TD為微分時間常數(shù);β為根據(jù)實際情況確認的針型閥調(diào)節(jié)比例值。

2 儀器硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)采用雙核心工作模式，CPLD和單片機協(xié)同對多通道貯氣箱進行壓力檢測、分析、處理。系統(tǒng)主要包括ARM微控制器、電源模塊、主控制模塊、壓力檢測模塊、CPLD數(shù)據(jù)采集模塊、串口通信模塊。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure of the overall system

壓力傳感器檢測到的微弱信號經(jīng)壓力變送器線性放大、調(diào)理后，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)?2位數(shù)字信號，CPLD并行采集5路壓力傳感器數(shù)據(jù)，進行濾波、判斷、計時處理后，將壓力數(shù)據(jù)實時發(fā)送給單片機，極大地提高了系統(tǒng)的實時檢測功能。主控單元以單片機為控制核心，實現(xiàn)實時與CPLD數(shù)據(jù)交互、機械單元的運動與定位、氣路電磁閥的開關(guān)控制、針閥開度調(diào)節(jié)，以及與ARM一體機的串口通信。

ARM一體機實時顯示和保存功能測量結(jié)果，試驗過程數(shù)據(jù)存儲至SD卡，方便用戶觀察整個試驗過程數(shù)據(jù)，同時通過ARM一體機觸摸屏控制試驗過程，例如開始試驗、停止試驗、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)等，極大提高了儀器的可靠性和便捷性。

2.1 壓力傳感電路

壓力傳感器是檢測儀重要的組成部分，用于測量打火機貯氣箱內(nèi)部壓力。該壓力作為充氣速率調(diào)節(jié)參考、充氣截止和氣箱泄漏檢測的主要判別依據(jù)。本文采用橋式壓力傳感器作為壓力傳感單元。通常橋式壓力傳感器輸出的電壓信號幅度比較小且輸出范圍不規(guī)范，需通過信號調(diào)理放大電路進行處理，以解決抑制溫漂和放大微弱直流信號的問題[8－10]，從而滿足精密測試系統(tǒng)的設(shè)計要求。

壓力傳感器信號處理電路采用零漂移可編程增益放大器AD8557，電路原理如圖3所示。

圖3 壓力變送器信號處理電路原理圖Fig.3 Principle of the signal processing circuit in pressure transmitter

圖 3 中，電橋 D1為壓力傳感器，C5、C6、C7、R1和 R2構(gòu)成AD8557前級的RF衰減濾波器，用于從輸入線路中去除盡可能多的RF能量，以保持每條線路和地之間的交流信號平衡，并維持足夠高的測量帶寬輸入阻抗，以避免載入信號源。該濾波器在－3 dB差分和共模帶寬時的頻率分別為7.9 kHz和1.6 MHz。電源采用固態(tài)鉭電容C4和陶瓷電容C3去耦。

2.2 CPLD并行數(shù)據(jù)采集

傳統(tǒng)的A/D+MCU模式已不能滿足多通道高速數(shù)據(jù)同步采集場合下系統(tǒng)實時性要求。本文利用CPLD高集成、高速、時延可預(yù)測、靈活可編程等優(yōu)點，設(shè)計基于CPLD的數(shù)據(jù)采集電路，實現(xiàn)對多通道壓力傳感器數(shù)據(jù)A/D采樣的控制和數(shù)據(jù)采集。

CPLD數(shù)據(jù)采集電路原理如圖4所示。

圖4 CPLD數(shù)據(jù)采集電路原理圖Fig.4 Circuitry principle of CPLD data acquisition

5路壓力傳感器經(jīng)過壓力變送器信號調(diào)理后分別接入 MAX1290的模擬輸入端 CH0～CH4。CPLD對MAX1290進行初始化并控制MAX1290進行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換。MAX1290為12位高速逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有速度快、精度高、低功耗等特點。在可編程輸入模式下，由外部精密基準電壓芯片REF195提供穩(wěn)定、低紋波的 5 V 基準電壓，C1、C2、C8、C9、C10和 C11構(gòu)成電源去耦電容。CPLD選用MAX7000S系列的EPM7128芯片，與MAX1290并行連接。

本文使用Verilog硬件描述語言編程，使內(nèi)部狀態(tài)機輸出正確的時序，從而控制MAX1290狀態(tài)，實時獲取5路壓力數(shù)據(jù)，并對壓力數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波、數(shù)值轉(zhuǎn)換、比較、計時等處理。通過串口，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至ATMEGA128單片機。EPM7128的PIN14腳輸出低電平片選MAX1290，MAX1290數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成功后通過INT引腳以中斷方式通知CPLD。轉(zhuǎn)換后形成的12位數(shù)據(jù)以高低位復(fù)用的形式通過8位數(shù)據(jù)總線傳輸，HEBN引腳用來分時控制高低位傳輸。EPM7128的PIN7、PIN8連接壓力變送器的 DIGOUT、DIGIN，用來修改壓力傳感器的增益值和失調(diào)量，從而校準壓力傳感器。

3 儀器軟件設(shè)計

多通道打火機貯氣箱耐壓檢測系統(tǒng)能夠根據(jù)不同用戶要求，設(shè)置充氣目標壓力、加壓速率范圍等參數(shù)。在程序?qū)崿F(xiàn)上，以5路打火機貯氣箱耐壓檢測和數(shù)據(jù)處理、貯氣箱充氣速率控制為主，以ARM屏動態(tài)顯示、夾持機構(gòu)入水運動控制等操作為輔，完成5路壓力信號的動態(tài)顯示與存儲、超標報警、信息交互等功能。系統(tǒng)的軟件設(shè)計主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flowchart of main program

人工將鉆孔后的5支打火機放置夾持機構(gòu)并固定;系統(tǒng)初始化，垂直電機運動機構(gòu)把夾持單元送入水箱;開啟氮氣瓶閥門，根據(jù)參數(shù)設(shè)置調(diào)節(jié)針型閥，各支路對打火機進行注氮加壓;待壓力增加至目標壓力(1 500 kPa)，各支路自動關(guān)閉氣路，保壓60 s;ARM屏實時動態(tài)顯示5路打火機增壓速率、保壓倒計時、壓力曲線和當前壓力值的參數(shù);若在注氮加壓階段出現(xiàn)明顯泄漏現(xiàn)象，儀器報警提示泄漏支路;保壓后計算打火機貯氣箱的卸壓率并判斷打火機是否合格;試驗完成后，儀器自動泄壓。

4 試驗結(jié)果及分析

本文對打火機貯氣箱耐壓測試系統(tǒng)的壓力參數(shù)檢測準確性進行了驗證，在貯氣箱上設(shè)置高一級精度的壓力傳感器作為參照，單個打火機貯氣箱壓力測試曲線和兩個傳感器壓力差如圖6所示。由圖6可知，壓力傳感器能夠準確檢測壓力值，滿足檢測需求。

圖6 壓力測試和檢測誤差曲線Fig.6 Pressure test and detection error curves

為進一步驗證打火機貯氣箱耐壓檢測系統(tǒng)的檢測準確性和可靠性，選用3個型號共計3萬余支打火機樣本進行了試驗，實測數(shù)據(jù)如表1所示。檢測結(jié)果表明，該系統(tǒng)的錯檢率低于0.04%，漏檢率低于0.02%，優(yōu)于手工檢測的效率和準確率，完全可以勝任批量打火機的快速檢測，且符合檢測規(guī)范的要求。

表1 實測數(shù)據(jù)Tab.1 Measured data

5 結(jié)束語

本文提出并設(shè)計了基于CPLD的多通道打火機貯氣箱耐壓測試系統(tǒng)，通過CPLD并行采集實現(xiàn)多達5路打火機貯氣箱耐壓性檢測;通過自動增壓、充氣速率控制、自動測壓、自動泄壓等功能，實現(xiàn)檢測過程的自動化。與同類型其他設(shè)備相比，該系統(tǒng)具有多通道測量、試驗精度高等優(yōu)點，對于提高檢測精度和效率以及打火機產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)督具有重要的指導(dǎo)意義。

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