安全閥性能試驗(yàn)裝置數(shù)據(jù)采集與軟件功能設(shè)計(jì)

喬曉陽，王曉鈞

（1.北京凱孚奧機(jī)械設(shè)備有限公司,北京 10000；2.合肥通用機(jī)械研究院,安徽合肥 230000）

0 引言

安全閥產(chǎn)品是鍋爐、壓力容器、壓力管道最重要的安全保護(hù)裝置，用以防止系統(tǒng)超壓、確保壓力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。安全閥產(chǎn)品的性能極大地關(guān)系到人身和設(shè)備的安全。2003年3月，國務(wù)院頒布的《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》，明確包括承壓設(shè)備安全附件等屬于特種設(shè)備，并納入了安全監(jiān)察管理。其對(duì)特種設(shè)備類產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用、檢驗(yàn)檢測、監(jiān)督檢查、法律責(zé)任作了明確的規(guī)定，確立了特種設(shè)備安全監(jiān)察基本制度；以及對(duì)特種設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝、改造、維修、使用、檢驗(yàn)檢測等環(huán)節(jié)的嚴(yán)格要求。積極開展安全閥產(chǎn)品的性能試驗(yàn)研究，能有效減少安全事故的發(fā)生。

如果能在安全閥加壓過程中獲得開啟動(dòng)作的真實(shí)動(dòng)態(tài)曲線，就能掌握安全閥的動(dòng)作特性，正確判斷安全閥動(dòng)作是否靈敏、可靠。對(duì)此，需要一定的數(shù)據(jù)采集條件。在計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)采集的情況下，可以獲得安全閥在動(dòng)作全過程的真實(shí)動(dòng)態(tài)曲線。

圖1 安全閥性能試驗(yàn)裝置系統(tǒng)

1 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 測試依據(jù)

GB/T 12241—2005《安全閥一般要求》；GB/T 12242—2005《壓力釋放裝置性能試驗(yàn)規(guī)范》；GB/T 12243—2005《彈簧直接載荷式安全閥》（第二版）；JB/T 9624—1999《電站安全閥 技術(shù)條件》（第一版）；JB/T 6441—1993《壓縮機(jī)用安全閥》。

3 數(shù)據(jù)采集總體方案

為了獲得真實(shí)、動(dòng)態(tài)的動(dòng)作曲線，壓力傳感器和位移傳感器的數(shù)據(jù)采集頻率≥50次/s，并要求傳感器的實(shí)際采樣頻率＞數(shù)據(jù)采集頻率。

（1）數(shù)據(jù)采集器的選擇。根據(jù)安全閥測試的特殊性及對(duì)繪制動(dòng)態(tài)開啟曲線的要求，只能選用快速采集器。經(jīng)綜合分析，確定使用美國國家儀器公司的USB-9215A型采集器。

NI USB-9215A型采集器的數(shù)據(jù)采集模塊具有集成式信號(hào)調(diào)理功能，通過USB接口實(shí)現(xiàn)即插、即用，使設(shè)置和測量更加快捷。該設(shè)備具有4路16位精度同步采樣電壓輸入，可掃描多個(gè)通道時(shí)的延遲（極短），提供每通道100 kS/s采樣速率。NI USB-9215A型采集器具有螺栓端子和BNC（Bayonet Neill Concelman，尼爾·康塞曼卡扣或射頻端子同軸電纜連接器）連接器可供選擇，能實(shí)現(xiàn)靈活而低成本的信號(hào)連接。該模塊還具有250 Vrms通道-地面接地隔離，實(shí)現(xiàn)安全、抗擾和高共模電壓范圍。NI USB-9215A型數(shù)據(jù)采集器隨機(jī)提供NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件，方便測試軟件的開發(fā)。

（2）位移傳感器的選擇。位移傳感器是安全閥性能測試中最重要的傳感器。為了獲得真實(shí)、動(dòng)態(tài)的開啟曲線，對(duì)位移傳感器的要求是非常高的。測量精度和采樣頻率是最重要的2個(gè)參數(shù)。綜合考慮目前市場上接觸式和非接觸式位移傳感器的技術(shù)參數(shù)和價(jià)格后，確定使用Omron ZX-L系列激光位移傳感器。

ZX-L系列激光位移傳感器的采樣速度是0.15 ms，分辨率（0.25～16）μm，用戶可以選擇信號(hào)的輸出形式，可以是（4～20）mA的電流信號(hào)，也可以是電壓信號(hào)。

（3）壓力傳感器的選擇。根據(jù)被測安全閥銘牌上標(biāo)識(shí)的開啟壓力，選擇與之相適應(yīng)的壓力傳感器量程，以保證測量精度。由于不同的安全閥工作壓力范圍較廣，單一壓力傳感器無法滿足高精度測量要求，因此測試裝置配備一組不同量程的壓力傳感器。

壓力傳感器選擇麥克MPM480系列。該系列傳感器覆蓋常用壓力范圍，傳感器的采樣時(shí)間＜5 ms，測量精度±0.1%FS，工作環(huán)境溫度為（-30～80）℃。

2.4 兩組不良反應(yīng)比較 治療過程中，兩組均未出現(xiàn)紅細(xì)胞減少、血小板下降，對(duì)照組出現(xiàn)白細(xì)胞減少1例（2.08%）、惡心1例（2.08%）、頭暈1例（2.08%），不良反應(yīng)發(fā)生率為6.25%；研究組出現(xiàn)白細(xì)胞減少2例（4.17%）、惡心1例（2.08%）、皮疹1例（2.08%），不良反應(yīng)發(fā)生率為8.33%。兩組不良反應(yīng)發(fā)生率比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

4 硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2為安全閥測試裝置的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。需要注意：為了提高傳感器信號(hào)的品質(zhì)，過濾信號(hào)干擾，在傳感器和數(shù)據(jù)采集器之間，增加了信號(hào)變送器。信號(hào)變送器的規(guī)格：輸入（4～20）mA，輸出（0～5）V。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 軟件層測結(jié)構(gòu)（圖3）

最底層是操作系統(tǒng)；中間層是NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)程序接口；上層是按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求編寫的安全閥測試軟件。

圖2 安全閥測試裝置硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

5.2 軟件功能

（1）安全閥測試軟件功能模塊。參數(shù)管理與配置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、測試數(shù)據(jù)分析模塊、測試報(bào)告處理模塊。

（2）針對(duì)安全閥測試的特殊性，軟件功能模塊的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊要實(shí)現(xiàn)的功能：數(shù)據(jù)的快速采集與處理、采集數(shù)據(jù)在屏幕上的實(shí)時(shí)呈現(xiàn)、關(guān)鍵點(diǎn)的自動(dòng)捕捉或人工獲取、歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和試驗(yàn)報(bào)告的自動(dòng)形成。

圖3 軟件層測結(jié)構(gòu)

（3）快速采集與慢速采集的設(shè)計(jì)。基于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略的考慮，在高速采集狀態(tài)下，內(nèi)存的耗用非常快，所以在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，數(shù)據(jù)采集模塊運(yùn)行在慢速狀態(tài)，目的是讓試驗(yàn)人員能夠觀察到各測試參數(shù)的當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)位移參數(shù)發(fā)生明顯變化時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)迅速切換到高速采集狀態(tài)，以獲得各參數(shù)的準(zhǔn)確變化過程。

（4）數(shù)據(jù)采集分析模塊的設(shè)計(jì)。對(duì)于已經(jīng)做過的試驗(yàn)，可以根據(jù)以往的測試數(shù)據(jù)，在屏幕上復(fù)現(xiàn)當(dāng)時(shí)的測試過程及安全閥開啟的細(xì)節(jié)過程。設(shè)計(jì)分析人員可以利用該模塊對(duì)安全閥進(jìn)行綜合分析并優(yōu)化、改進(jìn)。該模塊的應(yīng)用窗口和數(shù)據(jù)采集模塊的應(yīng)用窗口繼承自同一窗口，只是數(shù)據(jù)來源不同，這樣可大大簡化用戶的操作。

6 軟件關(guān)鍵功能

（1）測試軟件開發(fā)平臺(tái)選用標(biāo)準(zhǔn)C++程序。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫，充分發(fā)揮多線程的特點(diǎn)。

（2）數(shù)據(jù)采集線程的設(shè)計(jì)利用采集器快速的特點(diǎn)，把數(shù)據(jù)采集放在一個(gè)單獨(dú)的線程中，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波處理。由于USB-9215A型采集器的每個(gè)通道可以達(dá)到100 kS/s采樣速率，在實(shí)際使用過程中，綜合考慮傳感器的采樣速度和計(jì)算機(jī)內(nèi)存占用等有關(guān)因素；對(duì)于每個(gè)通道，以100次對(duì)同一通道的采集結(jié)果的平均值作為此通道的測量值，在滿足使用要求的前提下提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和精度。

7 實(shí)際案例

國家泵閥產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心安全閥性能試驗(yàn)裝置，按照本文論述的方案設(shè)計(jì)并運(yùn)行2 a，檢測效果完全滿足標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)的要求。

（1）被試機(jī)銘牌參數(shù)的設(shè)置。提供被測產(chǎn)品描述信息的輸入接口，輸入的信息用于打印試驗(yàn)報(bào)告和測試結(jié)果的電子數(shù)據(jù)存檔（圖 4）。

（2）測試過程功能概述。測試過程模塊是整個(gè)測試軟件的核心，包括快慢速控制、曲線坐標(biāo)表達(dá)范圍設(shè)置、操作模式選擇、特殊數(shù)據(jù)分析與獲取等功能。在測試過程中，采集的數(shù)據(jù)以曲線和數(shù)字的形式實(shí)時(shí)顯示在屏幕上。測試完成后，可以在曲線上對(duì)關(guān)切的部分進(jìn)行截取，以減小測試報(bào)告存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量。圖5為測試過程窗口示意。

圖4 被測試產(chǎn)品試驗(yàn)信息的輸入

圖5 測試過程界面示意

（3）測試結(jié)果分析模塊。借用數(shù)據(jù)采集過程模塊的操作界面，保持與用戶操作的一致性；差別在于數(shù)據(jù)來源不同。該模塊數(shù)據(jù)來源是以往測試過的測試結(jié)果文件，通過打開測試文件操作，把測試數(shù)據(jù)重新加載到圖形分析窗口（圖6）。分析人員可以再次對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行分析，也可以重新生成新的測試結(jié)果文件，真正做到對(duì)測試過程的離線分析。

（4）試驗(yàn)報(bào)告輸出。測試結(jié)果的輸出分兩部分：一是測試數(shù)據(jù)，二是測試結(jié)果曲線。曲線輸出如圖7所示。

8 結(jié)束語

安全閥動(dòng)作性能測試項(xiàng)目需在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)條件下進(jìn)行。因安全閥的排放動(dòng)作時(shí)間較短，動(dòng)作變化快、情況復(fù)雜，無法目測壓力和位移，必須用高速采集系統(tǒng)來監(jiān)控及測量壓力和位移同時(shí)變化的情況，才能更好地分析和改進(jìn)安全閥的性能。

圖6 安全閥性能測試結(jié)果分析界面

圖7 測試結(jié)果（曲線）輸出