量熱儀氧彈自動(dòng)檢測裝置研究

張遙奇　劉思潮　蘇龍　胡彪　莫曉山　鄧月明

摘要：為準(zhǔn)確有效檢測氧彈量熱儀中氧彈的安全性能，解決目前人工千分尺測不準(zhǔn)的問題，研制一種量熱儀氧彈自動(dòng)檢測裝置。該裝置經(jīng)液體加液，用電渦流測距傳感器測氧彈形變，測量范圍0～6mm，分辨率1μm，準(zhǔn)確度0.2%，壓力范圍0～25MPa，準(zhǔn)確度等級(jí)0.05級(jí)，滿足DL/T661-1999《熱量計(jì)氧彈安全性能技術(shù)要求及測試方法》對(duì)氧彈安全性能檢測要求。裝置操作自動(dòng)化程度高、準(zhǔn)確、安全，可作為計(jì)量部門對(duì)量熱儀氧彈安全性能檢測標(biāo)準(zhǔn)裝置。

關(guān)鍵詞：氧彈;電感應(yīng)渦流測距;自動(dòng)檢測裝置;安全性能

中圖分類號(hào)：TH71 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）08-0124-06

0 引言

氧彈是量熱儀中的關(guān)鍵部件，試驗(yàn)時(shí)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高壓[1]，如果氧彈存在安全隱患，會(huì)發(fā)生爆炸事故。為保證量熱儀氧彈的使用安全，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31423-2015《氧彈熱量計(jì)性能驗(yàn)收導(dǎo)則》[2]、國家檢定規(guī)程JJG 672-2001《氧彈熱量計(jì)》[3]、電

收稿日期：2018-08-31;收到修改稿日期：2018-10-21

基金項(xiàng)目：湖南省科技創(chuàng)新計(jì)劃資助（2018XK2008）

作者簡介：張遙奇（1963-），男，湖南長沙市人，高級(jí)工程師，主要從事計(jì)量檢測方法與管理研究。力部DL/T 661-1999《熱量計(jì)氧彈安全性能技術(shù)要求及測試方法》147、煤炭部MTT 737-1997《量熱儀氧彈安全性能檢驗(yàn)規(guī)范》157等對(duì)氧彈安全性能提出了檢驗(yàn)要求，如其中DL/T 661-1999對(duì)氧彈的耐水壓、彈性變形、永久變形、連接環(huán)與杯體的螺蚊松動(dòng)度等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行檢測。但標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范實(shí)施多年來一直沒有相應(yīng)的滿足全部要求的專用檢測設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范沒有得到有效實(shí)施，對(duì)氧彈安全性能檢測的可操作性帶來很多的困難，也給氧彈使用帶來了較大的安全隱患。電力部DL/T 661-1999中長度參量測量采用千分尺，該方法測量的不確定度較大，目操作麻煩，實(shí)施難度大，目前有壓力測試裝置[6-7]，但沒有自動(dòng)尺寸測量裝置。針對(duì)以上情況，本文采用電感應(yīng)渦流測距[8]等技術(shù)，研制一種量熱儀氧彈自動(dòng)檢測裝置。

1 試驗(yàn)裝置組成及原理

1.1 試驗(yàn)裝置組成

裝置主要由氣壓氣密性單元、氣腋換向單元、水壓耐壓測試單元、形變微距檢測單元、精密壓力測量及主控單元、步進(jìn)電機(jī)精密控制旋轉(zhuǎn)定位單元、計(jì)算機(jī)通信及控制單元組成。圖1為氧彈自動(dòng)檢測裝置結(jié)構(gòu)原理圖，圖2為氧彈自動(dòng)檢測裝置主視圖，其技術(shù)參數(shù)見表1。

1）氣壓氣密性單元，檢測氧彈杯體是否存在氣體泄漏等問題。氣體壓力為4.0MPa+0.2MPa，氣體壓力加壓系統(tǒng)測量范圍為0～6MPa，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.05級(jí)。2）氣/液換向單元，使用二位三通閥開關(guān)，控制氣壓氣密性單元與水壓耐壓測試單元，使其中一個(gè)導(dǎo)通，另一個(gè)則關(guān)閉。3）水壓耐壓測試單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)氧彈變形進(jìn)行測量的功能。水壓為20MPa，壓力表0.1級(jí)，形變量測試應(yīng)小于0.13mm，永久變形量測量系統(tǒng)位移傳感器測量范圍為0-2mm，準(zhǔn)確度為0.2%。4）形變微距檢測單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)氧彈螺紋松動(dòng)度測量的功能。測量系統(tǒng)位移傳感器測量范圍為0～1mm，準(zhǔn)確度為0.2%。5）精密壓力測量及主控單元，對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、傳輸、控制、顯示，采用單片機(jī)作為內(nèi)核處理。6）步進(jìn)電機(jī)精密控制旋轉(zhuǎn)定位單元，使用步進(jìn)電機(jī)控制傳感器探頭旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)45°、72°、36°等角度旋轉(zhuǎn)。7）計(jì)算機(jī)通信及控制單元，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理、比較等。

1.2 工作原理

整機(jī)系統(tǒng)的工作原理是通過測距探頭，首先在氧彈打壓前對(duì)氧彈尺寸從3個(gè)方向進(jìn)行測量，存入計(jì)算機(jī);然后用水壓加壓和氣體打壓，加壓后的氧彈再次用測距探頭進(jìn)行3個(gè)方向的測量。通過計(jì)算機(jī)測試軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理，得出氧彈的耐水壓、彈性變形、永久變形、連接環(huán)與杯體的螺蚊松動(dòng)度、形變量、氣密性等結(jié)果，判斷合格與否，形成檢驗(yàn)報(bào)告并輸出。

測距探頭測距原理如圖3所示。按照法拉第電磁感應(yīng)原理，測量探頭對(duì)準(zhǔn)氧彈測量時(shí)，探頭線圈兩端通以正弦交變電壓，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流jl，測距傳感器采用電渦流效應(yīng)。電流j₁流過閉合線圈產(chǎn)生磁場H₁，要反抗H₁增加，就會(huì)在金屬導(dǎo)體上生成H₂，它跟H₁方向相反，并生成互感電動(dòng)勢產(chǎn)生電流，這個(gè)電流就是j₂電渦流，這樣會(huì)導(dǎo)致傳感器探頭的阻抗相應(yīng)的變化，探頭與氧彈距離越大，電渦流越小，當(dāng)磁導(dǎo)率μ、電阻R、線圈圈數(shù)、正弦交流電、線圈的形狀一定時(shí)，電渦流與兩者的距離x成線性關(guān)系，z=z（x），這就是氧彈測距的基本原理[9]。該技術(shù)應(yīng)用已在美國、英國及法國的實(shí)驗(yàn)室取得了一些成功[10-12]。

2 試驗(yàn)裝置功能特性

2.1 測量功能

2.1.1 氧彈螺紋松動(dòng)度測量功能

氧彈螺紋松動(dòng)度是檢測螺紋配合之間的間隙，其檢測原理如圖4所示，采用高精度電渦流傳感器，增加自動(dòng)化設(shè)備，進(jìn)行自動(dòng)檢測，集成控制，數(shù)據(jù)自動(dòng)處理。

測量內(nèi)容包括：1）徑向松動(dòng)度，沿氧彈杯體直徑方向的連接環(huán)與杯體質(zhì)檢螺紋的最大間隙;2）軸向松動(dòng)度，沿氧彈杯體中心軸方向的連接環(huán)與杯體之間螺紋的最大間隙;3）對(duì)連接環(huán)與杯體間的螺紋松動(dòng)度測量范圍可滿足0～1.00mm。

2.1.2 彈性變形量測量功能

加水壓至20MPa，比較水壓實(shí)驗(yàn)前后各測量點(diǎn)位置的變化量，包括杯體中部直徑和杯體底部中心點(diǎn)位置的彈性變形量。

2.1.3 永久變形量測量功能

與水壓實(shí)驗(yàn)前比較，得到卸壓后各測量點(diǎn)位置的變化量，包括杯體中部直徑和杯體底部中心點(diǎn)位置的永久變形量。

測量系統(tǒng)滿足氧彈在水壓試驗(yàn)中加壓前后杯體的彈性變形量的以下規(guī)定測量：

1）杯體底部中心點(diǎn)位置彈性變形量;

2）杯體中部直徑位置彈性變形量。

2.1.4 液壓測量功能

采用測壓標(biāo)準(zhǔn)壓力模塊（如圖2中8），以水為介質(zhì)，進(jìn)行液壓測量，通信接口為RS232（可選RS485）。增加自動(dòng)化設(shè)備，進(jìn)行自動(dòng)檢測，集成控制，數(shù)據(jù)自動(dòng)處理。

其中液體壓力發(fā)生系統(tǒng)由液體壓力發(fā)生器、測試儀與氧彈連接管路組成。液體壓力發(fā)生器為自動(dòng)水介質(zhì)壓力源，安全壓力范圍為0～40MPa，氧彈實(shí)驗(yàn)壓力為20MPa+0.2MPa，滿足彈性變形量與永久變形量需加壓至20MPa的技術(shù)要求。測試儀與氧彈連接管路采用進(jìn)口高壓軟管，承受壓力60MPa;安全無泄漏儲(chǔ)液罐采用防銹處理，防止生銹。

2.1.5 氧彈氣密性測試功能

本文采用泄漏率表示氧彈氣密性：氧彈內(nèi)加入4.0MPa+0.2MPa空氣后，3min后測量壓力，10min內(nèi)變化量小于2kPa。如圖5所示，氧彈內(nèi)每次加人空氣的壓力不得少于0.0002MPa。系統(tǒng)由氣體壓力泵、精密氣體壓力測量儀表組成。

2.2 旋轉(zhuǎn)定位功能

分度機(jī)構(gòu)（與螺紋松動(dòng)度測量系統(tǒng)共用）對(duì)氧彈測量時(shí)旋轉(zhuǎn)角度自動(dòng)定位，可滿足實(shí)驗(yàn)時(shí)要求的轉(zhuǎn)動(dòng)72°/5次（螺紋松動(dòng)度實(shí)驗(yàn)）、轉(zhuǎn)動(dòng)36°/10次（軸向松動(dòng)度實(shí)驗(yàn)）、轉(zhuǎn)動(dòng)45°/8次（杯體中部形變實(shí)驗(yàn)）、轉(zhuǎn)動(dòng)90°（初始狀態(tài)）。機(jī)構(gòu)包括自動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)等零件。

2.3 數(shù)據(jù)采集、計(jì)算及顯示功能

通過氣壓氣密性單元、水壓耐壓測試單元、形變微距檢測單元檢測出氧彈的螺紋松動(dòng)度及氣密性泄漏率等參數(shù)，數(shù)據(jù)由精密壓力測量及主控單元通過通信接口（RS232）傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理并同時(shí)按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)果，數(shù)據(jù)傳輸至彩色液晶顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。對(duì)當(dāng)前測量值、測量角度及頂端測量值等數(shù)據(jù)顯示如圖6所示。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及裝置測距靈敏度的不確定度分析

依據(jù)DL/T661-1999，本裝置對(duì)氧彈螺紋松動(dòng)度、徑向松動(dòng)度、軸向松動(dòng)度、水壓試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)等進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表2所示。

氧彈自動(dòng)檢測裝置測距傳感器，放置在位移傳感器檢定裝置上測量，按照檢定規(guī)程JJG644-2003《振動(dòng)位移傳感器》，將測距傳感器裝入檢定臺(tái)上，進(jìn)行測量，按動(dòng)態(tài)靈敏度公式計(jì)算。

3.1 建立測量模型

測距傳感器的靈敏度S為測距傳感器輸出電壓與位移量之比，即動(dòng)態(tài)靈敏度公式為

s=e/d（1）式中：e——氧彈測距傳感器的輸出電壓，mV;

d——位移量，mm。

由于加速度（a）與位移量（d）、振動(dòng)頻率（f）的關(guān)系為：

a=（2πf）²d（2）

在式（3）中a、f、e是相互獨(dú)立的，其氧彈測距傳感器的靈敏度的相對(duì)不確定度為：

計(jì)算相對(duì)值：

3.2 不確定度傳播律

引入重復(fù)性的不確定分量：

靈敏系數(shù)分別為：

3.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評(píng)定

1）測量重復(fù)性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u_rel（d）。將氧彈自動(dòng)檢測裝置測距傳感器固定在中頻振動(dòng)臺(tái)上，設(shè)置重復(fù)性條件下10次所得：4.30，4.32，4.31，4.29，4.31，4.29，4.31，4.32，4.31，4.32，算術(shù)平均值靈敏度為：

單次測得標(biāo)準(zhǔn)偏差：

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

屬B類不確定度，正態(tài)分布。

2）氧彈測距傳感器輸出電壓測量引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u_rel（e）。根據(jù)數(shù)表證書誤差為0.21mV，在100mV的測量誤差上，相對(duì)誤差為0.21，屬B類不確定度，均勻分布：

3）檢定臺(tái)輸入量加速度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u_rel（a）。檢定臺(tái)加速度引入的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度為2.0%，則：

4）輸入量頻率引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u_rel（f）。根據(jù)數(shù)表測量頻率，檢定證書上一年的測量精確度指標(biāo)為0.004%，它的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為B類評(píng)定，均勻分布，為：

綜上，氧彈自動(dòng)檢測裝置測距靈敏度不確定度合成如表3所示。

氧彈自動(dòng)檢測裝置測距靈敏度合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

取包含因子k=2，氧彈自動(dòng)檢測裝置測距靈敏度的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為：

u_rel（s）=k×u_crel（s）=2.1%

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)氧彈生產(chǎn)企業(yè)采用千分尺、水壓試驗(yàn)機(jī)、不銹鋼試驗(yàn)平臺(tái)、精密壓力表對(duì)氧彈安全性能的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行逐一檢測，檢測過程繁瑣，檢測精度不高，受環(huán)境、人為因素影響大。氧彈熱量計(jì)氧彈自動(dòng)檢定裝置是專門對(duì)氧彈安全性能進(jìn)行綜合測試而開發(fā)的一種新型儀器，可通過單臺(tái)設(shè)備對(duì)氧彈所有安全技術(shù)要求進(jìn)行測試，并對(duì)其是否安全進(jìn)行判斷的多功能綜合測試儀。儀器具有自動(dòng)化高、操作簡單快捷、測量快速準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定可靠、證書可自動(dòng)生成[13]等優(yōu)點(diǎn)，可作為計(jì)量部門氧彈熱量計(jì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的配套設(shè)備或?qū)Ｓ糜趯?duì)氧彈安全性能進(jìn)行綜合測試的設(shè)備。

參考文獻(xiàn)

[1]莫曉山，胡彪，許光平，等.可燃物質(zhì)熱值測量儀—氧彈量熱儀綜述[J].計(jì)量技術(shù)，2014（2）：23-26.

[2]氧彈熱量計(jì)性能驗(yàn)收導(dǎo)則：GB/T31423-2015[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2015.

[3]氧彈熱量計(jì)：JJG 672-2001[S].北京：中國計(jì)量出版社，2001.

[4]熱量計(jì)氧彈安全性能技術(shù)要求及測試方法：DL/T661-1999[S].北京：中國電力出版社，1999.

[5]量熱儀氧彈安全性能檢驗(yàn)規(guī)范：MT/T737-1997[S].北京：中國煤炭工業(yè)出版社，1997.

[6]左鋼.氧彈水壓試驗(yàn)方法的改進(jìn)[J].中國計(jì)量，2010（1）：74.

[7]姚玉維，楊建新.氧彈水壓試驗(yàn)檢測裝置的研究[J].煤礦機(jī)械，2015（8）：99-101.

[8]林俊明.多頻渦流檢測原理及應(yīng)用[J].無損檢測，1996，18（1）：23-26.

[9]王軍平，王安，樊文俠.電渦流傳感器線圈參數(shù)對(duì)傳感器性能的影響[J].自動(dòng)化儀表，2001（12）：22-24.

[10]SOPGIAN A，TIAN G Y，TAYLOR D.A feature extractiontechnique based on principal compnent analysis for pulsededdy current NDT[J].NDT&R International，2003，36（1）：34-41.

[11]SMITH R A，HUGO G R.Transient eddy current NDTfor ageing aircraft-capabilities and limitations[J].Insight：Nondestruct Test Condition Monitor，2001，43（1）：14-25.

[12]CLAUZON T，THOUOM F，NICOLAS A.Flawscharacterization with pulsed Eddy current NDT[J].IEEETrans Magnet，1999，35（3）：25-29.

[13]莫曉山，周國雄，陳憲.基于VC技術(shù)的計(jì)量儀器證書自動(dòng)生成系統(tǒng)[J].計(jì)量技術(shù)，2011（8）：57-59.

（編輯：李剛）