差壓式氣密檢漏儀的設計與性能分析論文

1、差壓式氣密檢漏儀的設計與性能分析Design and performance analysis ofdifferential pressure air leak tester領域：控制工程作者姓名： 郭曉龍指導教師： 張濤企業(yè)導師： 張偉明天津大學自動化學院二零壹肆年伍月萬方數(shù)據(jù)獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得天津大學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學位論文作者

2、簽名：簽字日期：年月日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解天津大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定。特授權天津大學可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。（保密的學位論文在解密后適用本授權說明）學位論文作者簽名：導師簽名：簽字日期：年月日簽字日期：年月日萬方數(shù)據(jù)摘要在當下追求高效率、高品質、低污染的社會生產(chǎn)要求下，密封品生產(chǎn)廠家日益強烈地希望能夠在生產(chǎn)現(xiàn)場快速、方便地檢測氣密性能。氣密檢測技術自從工業(yè)生產(chǎn)以來就在不斷地發(fā)展與創(chuàng)新，目前的檢測手段繁多，但各種手段又存在著

3、各自的優(yōu)缺點。利用差壓氣密檢測技術進行密封品檢測，對比其它檢測手段具有一定的優(yōu)勢，不僅性價比較高，而且產(chǎn)生較少的污染。本論文主要圍繞著如何將這種檢測技術應用到生產(chǎn)中，并制造出更準確、便捷以及廉價的氣密檢測設備，進行了論述。首先，通過引用天平稱重的實例，介紹了差壓式檢漏的基本原理。然后描述本設計的氣路構造、動作時序和工作原理。對本設計的數(shù)據(jù)采集部分器件選型、電路設計做出了介紹，重點分析了在選用性能適中，價格低廉的器件的條件下，整機性能得以保證的可行性。接下來，通過檢測數(shù)據(jù)做出分析，指出當前差壓式氣密檢漏儀國家標準在泄漏量檢測試驗中，存在的一些不合理要求，并通過多組試驗進行了驗證。而后，依據(jù)示值誤

4、差不確定度分析結論表明，通過修改時間參數(shù)的方法，本設計檢漏儀的檢測準確度和穩(wěn)定性都得到了顯著提高。最后介紹了配合檢漏儀使用的輔助充排氣設備和通訊協(xié)議，拓展了檢漏儀的使用功能，使檢測過程更加方便快捷。關鍵詞：差壓式萬方數(shù)據(jù)氣密性檢測儀器 準確度 穩(wěn)定性ABSTRACTIn order to satisfy current social production requirements for high efficiency, highquality and low pollution, the manufacturers of hermetic products are increasingly

5、urgentto expect to conduct on-site air tightness performance test in a quick and easy manner.The air tightness testing technologies have presented continuous innovation anddevelopment since industrial production. There are various testing methods currently,each of which has advantages and disadvanta

6、ges. The air tightness test throughapplication of differential pressure air leak testing offers advantages over other testingmeans: it doesn't only present a better cost performance, but also produces lesspollution.This paper focuses on how to apply this testing technology to production and how

7、tomanufacture more accurate, convenient and affordable air tightness testing equipment.Firstly, the fundamental principles of differential pressure air leak test were explained byciting the specific example of balance weighing in this paper; secondly, the air courseconstruction, action sequence and

8、working principles of this design were described in thispaper, the device type selection and circuit design of the part of data acquisition outlinedand the feasibility of the ensured whole machine performance analyzed specifically whenthe low-price devices of temperate performance are selected; thir

9、dly, an analysis wasmade based on the test data, pointing out that there are some unreasonable demandswhich have been proven through experiments in the national standards for the currentdifferential pressure air leak tester in leakage detection tests; fourthly, according to theanalysis conclusions o

10、f the uncertainty of measurement for the indication error, this airleak tester was made notable improvement in testing accuracy and stability by modifyingtime parameters; finally, the auxiliary air charging and exhausting devices which are usedin conjunction with air leak testers and communication p

11、rotocols were described,expanding the functions of air leak testers and facilitating the testing process.KEY WORDS：Differential pressure, Air tightness, Test device ,Accuracy, Stability萬方數(shù)據(jù)目錄第一章 緒論 .11.1 研究的目的和意義 .11.2 氣密性檢測的背景及概況 .11.3 目前生產(chǎn)中經(jīng)常使用的檢測方式及優(yōu)缺點分析 .11.3.1 氣泡法1.11.3.2 示蹤氣體檢測法 .21.3.3 壓降檢測法

12、.21.3.4 超聲波法 .31.4 差壓式氣密檢漏的優(yōu)點 .31.4.1 檢測精度 .31.4.2 檢測速度 .31.4.3 安全環(huán)保 .31.4.4 環(huán)境條件 .41.4.5 適用范圍 .41.5 國內外差壓式氣密檢漏儀發(fā)展現(xiàn)狀 .41.6 述的差壓式氣密檢漏儀特點 .6第二章 差壓式氣密檢漏基本工作原理 .72.1 天平原理 .72.2 工作原理簡述 .72.2.1 準備環(huán)節(jié) .82.2.2 延時環(huán)節(jié) .82.2.3 充氣環(huán)節(jié) .92.2.4 平衡環(huán)節(jié) .92.2.5 檢測環(huán)節(jié) .102.2.6 排氣環(huán)節(jié) .10第三章 流量檢測功能 .113.1 泄漏量的換算 .113.1.1 理想氣體

13、狀態(tài)定律 .113.1.2 推導經(jīng)驗定律 .113.1.3 適用氣體 .123.1.4 泄漏流量計算公式 .123.2 基準檢測 .14萬方數(shù)據(jù)3.3 容積檢測 .153.3.1 氣路改造 .163.3.2 工作原理 .163.3.3 改進完善 .17第四章 數(shù)據(jù)采集回路 .194.1 差壓變送器 .194.1.1 量程選型 .194.1.2 準確度分析 .204.1.3 其它要求 .224.1.4 選用差壓變送器 .234.2 測試壓變送器 .234.2.1 量程選型 .234.2.2 準確度分析 .244.2.3 其它要求 .254.2.4 選用測試壓變送器 .254.3 控制部分 .26

14、4.3.1 驅動電路 .264.3.2 電磁閥選型 .27第五章 國家標準中不合理要求分析 .285.1 模擬實際檢測工況 .285.2 國家標準中最大允許誤差及穩(wěn)定性的試驗方法和技術要求 .285.3 依照國標檢測過程與數(shù)據(jù) .305.4 通過試驗對時間參數(shù)不合理要求的分析 .325.4.1 驗證試驗 1.325.4.2 驗證試驗 2.345.4.3 驗證試驗 3.355.5 國標合理化建議 .375.6 示值誤差不確定度分析 .385.6.1 概述 .385.6.2 測量方法與數(shù)據(jù) .385.6.3 不確定度來源分量 .395.6.4 不確定度分量評定 .395.6.5 不確定度合成與擴展

15、 .405.6.6 不確定度報告 .41萬方數(shù)據(jù)第六章 外接氣路設備 .426.1 旁路充氣裝置 .426.2 旁路排氣裝置 .436.3 測試壓自動調節(jié)閥 .456.3.1 概述 .456.3.2 選用比例閥 .45第七章 串口通訊 .477.1 傳輸規(guī)格 .477.2 傳輸數(shù)據(jù) .477.3 檢測數(shù)據(jù)輸出 .48參考文獻 .49發(fā)表論文和參加科研情況說明 .51致謝 .52萬方數(shù)據(jù)第一章 緒論第一章 緒論1.1 研究的目的和意義隨著社會的進步和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，各行各業(yè)的生產(chǎn)廠商們在一面追求著高品質，多功能產(chǎn)品的同時，也在要求著生產(chǎn)過程的高效和潔凈。因此，越來越多的現(xiàn)代科學技術被應用到生產(chǎn)

16、實踐中去。而密封性能在汽車工業(yè)，燃氣具行業(yè)，半導體加工業(yè)，航天工業(yè)，食品工業(yè)，醫(yī)療衛(wèi)生業(yè)以及其它諸行業(yè)中都是產(chǎn)品性能質量的重要參數(shù)。技術人員們?yōu)榇搜邪l(fā)了許多檢測方式，但它們有著各自的優(yōu)缺點，對不同使用者的效率、成本、精度以及環(huán)境安全等要求難以一一滿足。為此，差壓式氣密檢測技術作為一種適用性較為廣泛檢測方式，越來越多地被應用到生產(chǎn)及檢測現(xiàn)場中去，對此檢測方式的深入研究也就產(chǎn)生了深遠意義。1.2 氣密性檢測的背景及概況術語“泄漏”是指生產(chǎn)過程中影響產(chǎn)品質量的氣體或液體的非正常外溢現(xiàn)象。在食品或藥品工業(yè)上，它可能會導致產(chǎn)品腐爛，變質。在半導體加工業(yè)中集成電路芯片的密封性能不好，發(fā)生泄漏，會使芯片很快

17、報廢。對于其它產(chǎn)品而言，泄漏則可能導致低效操作，經(jīng)濟損失或事故發(fā)生。千里之堤，潰于蟻穴。很微小的泄漏可能會導致意想不到的嚴重后果。但是絕對意義上的泄漏又是不可避免的，想不斷地減小泄漏，無論是制造還是檢測方面都必須要付出數(shù)倍的代價。因此在實際生活和安全生產(chǎn)中，出于經(jīng)濟效率的考慮，某產(chǎn)品一定量級的泄漏率可以被忽視，那么基本上我們就認為此產(chǎn)品質量是合格的。1.3 目前生產(chǎn)中經(jīng)常使用的檢測方式及優(yōu)缺點分析1.3.1 氣泡法1氣泡法作為一種傳統(tǒng)的氣密性檢測方法，適用于能承受正壓的容器2、管道、零部件、密封元件等測試件。它的主要工作原理是首先在被測件內充入一定壓力1萬方數(shù)據(jù)第一章 緒論的氣體，然后將被測件

18、放入測試液體中, 氣體通過被測件的泄漏點流入測試液體形成氣泡, 從而確定泄漏點，配合測量容器收集泄漏氣體還可以進一步確定泄漏量。它的優(yōu)勢在于設備簡單，只需要氣體壓縮機、水槽等；結果也比較直觀，可通過肉眼觀測，確定泄漏點及粗略確認泄漏量的大小。于此相對，這種方法存在著不少的弊端。首先，此法精度低，速度慢，在測試氣體壓力較高、泄漏點漏量較大的情況下，它是可行性的，但是在被測件不允許充入足夠高壓力的氣體，而泄漏量又較小的情況下，氣泡產(chǎn)生的速度就會很慢，加之需要人進行持續(xù)觀測，效率就會比較低下，甚至出現(xiàn)漏判和誤判的問題。其次，此法還需考慮被測工件的材質表面與測量液體的兼容性，被測件的表面特性往往決定了

19、測量液體使用水或是油，測量完成后是否需要清理潔凈，以防被測件的腐蝕氧化等，這樣就增加了此法的使用成本。最后，如果被測件體積較小，無法對其內部充氣，例如電子元器件，而又須保證其氣密性時，更是無法應用此法的。1.3.2 示蹤氣體檢測法示蹤氣體檢測法即是將示蹤氣體充入被測件，如有泄漏點，則示蹤氣體會泄漏出來，然后被化學或物理手段檢測出來的方法。例如，被測件內充入氨氣，然后在外部放置試驗紙，利用氨氣與試紙上的化學物質反應、變色，即可確認泄漏。此法雖精度較低，但是成本較低，方便易行。再如，充入加壓氦氣或其混合氣體，用氦氣探測儀檢測，以數(shù)字化的形式顯示出來。示蹤氣體檢測法共同優(yōu)點是精度高，速度快，缺點是成

20、本相對較高，受環(huán)境空氣本底的影響較大，而且使用的示蹤氣體有可能污染環(huán)境，對人體產(chǎn)生傷害。1.3.3 壓降檢測法壓降檢測法是將氣體充入被測件內，然后通過一壓力傳感器，監(jiān)控其內部壓力變化，進而確認其是否泄漏及泄漏量大小的方法。這種方法相對簡單，使用技術成熟的壓力傳感器作為核心元件，成本也不高，而且環(huán)保清潔，缺點是精度較低。因為為了盡量提高密封件泄漏檢出率，也為了節(jié)省檢測時間，所以充入的氣體壓力一般都較高，這樣使用的檢測壓力傳感器量程也就相應提高，而在被測件體積較大，泄漏量較小的情況下，短時間內的壓力2萬方數(shù)據(jù)第一章 緒論降又會很小，解決辦法或者選用超高精度、分辨力的壓力傳感器，或者延長檢測時間以增

21、加壓力下降數(shù)值。但是這兩種辦法與快速、高效的檢測需求相悖。1.3.4 超聲波法超聲波法是依據(jù)氣體在被測件中產(chǎn)生泄漏時會產(chǎn)生超聲波的原理，利用超聲波接收器確定漏點和泄漏量的方法，同樣，也可使用超聲波源發(fā)出超聲波信號，接觸泄漏點后反射，反射信號又被接收裝置捕捉，以確定泄漏點位置。此法優(yōu)點是方便快捷，缺點是對被測件的體積、表面有較多要求，且精度也不是很高。1.4 差壓式氣密檢漏的優(yōu)點差壓式檢漏方法是將氣體同時充入被測件與基準件內，然后在一定時間內比較兩者之間的差壓，進而判斷出被測件是否有泄漏。較之以上敘述的幾種方法，它具有以下優(yōu)勢3：1.4.1 檢測精度檢測精度高。由于差壓式檢漏的核心檢測部件使用精

22、度、靈敏度都比較高的差壓傳感器，在檢測時根據(jù)被測物的容積和泄漏量大小調整檢測參數(shù)，采用基準比較手段，即使是體積較大，泄漏量較小的泄漏也能準確檢測出來。1.4.2 檢測速度檢測速度快。盡管受檢測設備內部管路直徑的影響，在被測件體積較大或測試壓力較高時，需要充氣的時間可能會比較長，但是整體的檢測時間較之其它方法還是省時不少，基本上一個檢測周期不會超過一分鐘，符合現(xiàn)代化生產(chǎn)線的需求。而且如果選用旁路充氣加壓裝置為被測件輔助充氣，還可以大大縮減充氣時間，進一步提高效率。1.4.3 安全環(huán)保環(huán)保潔凈。由于檢測所需充入的氣體為普通空氣即可，所以不用擔心產(chǎn)生廢氣廢水，對環(huán)境和人員產(chǎn)生傷害。在檢測結束后，被測

23、件也無需經(jīng)過處理，可直接投入下一環(huán)節(jié)的生產(chǎn)或銷售。3萬方數(shù)據(jù)第一章 緒論1.4.4 環(huán)境條件對于資源和環(huán)境的要求低。無需專門采買檢測用的測試氣體或液體，只需簡單的加壓裝置，使用空氣作為測量介質。檢測的環(huán)境也無特殊要求，僅需保證被測件和基準件處于同一溫度下即可，周圍環(huán)境的溫度、濕度以及空氣的組成情況等均不會對檢測結果產(chǎn)生影響。1.4.5 適用范圍適用范圍廣。被測件的容積大小，材質基本無要求。一般采用向被測件內部充氣的方法進行檢測，但是在被測件體積較小的情況下，例如電子元件，我們也可以將被測件放入密封罐體，向密封罐體充氣，如果被測件微漏，密封罐體內的氣體會緩慢滲入被測件，罐內氣壓同樣會產(chǎn)生微量下降

24、，進而被差壓傳感器檢測出來。圖 1-1 幾種檢漏方式所能達到的泄漏流量范圍1.5 國內外差壓式氣密檢漏儀發(fā)展現(xiàn)狀差壓式氣密檢漏儀自國外問世應用以來，已經(jīng)有大約半個世紀的歷史，功能也日趨完善與豐富。目前市場上主要的國外生產(chǎn)廠商有日本的 COSMO、FUKUDA，法國的 ATEQ，德國的 FROEHLICH，美國的 USON4等，國內自上世紀 90 年代以來，大力引進國外技術，氣密檢測技術也得到了大力推廣，頗具規(guī)模的相關生產(chǎn)廠商4萬方數(shù)據(jù)第一章 緒論有沈陽新科、浙江三花、合肥遠智和天津博益等。由于差壓氣密檢測技術已經(jīng)比較成熟，國內外所應用的基本原理技術也大致相同，所以檢測儀器的設計思路也是大同小異

25、，今后只能向著更準確，更便捷以及更廉價的方向發(fā)展。以下為國內常見的幾款差壓式氣密檢漏儀參數(shù)。表 1-1 國內幾款常見差壓式氣密檢漏儀的性能和配置性能和配置生產(chǎn)廠家測定方式F520 型ATEQ差壓式氣密檢漏儀FL-800 型BOYI差壓式氣密檢漏儀LS-1862 型COSMO差壓式氣密檢漏儀LCD 顯示 有效顯示尺寸 107顯示屏幕4 線 LCD 顯示3 ranges of leak×57 中/英文切換LED 顯示±2000Pa (保證范圍：±999Pa)差壓量程measurement (DP)±2kPa(可選購±10kPa）可選購±1

26、0kPaFull scale : 50 Pa 500 Pa 5 000 Pa差壓分辨率50 Pa(0.01Pa) 500 Pa(0.1Pa)1Pa1Pa5 000 Pa(1Pa)050Pa ±2.5%R.D.±1Pa差壓準確度0500Pa ±2.5%R.D.±1Pa±1% F.S.±5%ofR.D. ±1Pa05000Pa ±2.5%R.D.±1Pa單獨配置數(shù)顯壓力表頭（3 1/2LED測試壓傳感器類型表壓內部裝有 2 個表壓測試壓傳感器顯示）測試壓傳感器準確度壓力的 1%±2 位數(shù)±

27、2% F.S.顯示精度±2% F.S.±1digit 以下100ml 標準被測物 1ml/min 的泄漏流量顯示精度漏量可選顯示單位未提及差壓、泄漏量：Pa,Pa/s,cm3/min,cm3/s,cm3/h,mm3/s測試下，測定誤差在±5以內差壓、泄漏量：Pa，mL/min，Pa/min，Pa 3/sec未提及Pa ml/min測試壓可選顯示單位非泄漏誤差修正被測物容積檢測氣路保護功能數(shù)據(jù)輸出barmbarPSIkPaMPa瞬時衰減（ATR）無外部排氣RS232/RS485/MODBUSkPa，kg/ cm2，PSI，bar，MPa基準檢測定流量發(fā)生器測試等效容

28、積，校正器測試等效容積旁路排氣RS232/USBkPa MPa標準品誤差修正預設值功能泄漏標準器測試等效容積，容積可變方式的測試器計策等效容積DL3 時的吹氣功能，旁路排氣EIA2325萬方數(shù)據(jù)第一章 緒論1.6 述的差壓式氣密檢漏儀特點本文所論述的氣密檢漏儀在繼承了傳統(tǒng)的優(yōu)勢外，選取價格較為低廉但性能參數(shù)較好的國產(chǎn)元器件，改進了測量數(shù)據(jù)的算法，減少了生產(chǎn)成本；并基于實際用戶的需求，加入了旁路充排氣等多種輔助功能，節(jié)省了檢測時間；通過合理地設定時間參數(shù)，令檢測數(shù)據(jù)更加準確穩(wěn)定。綜上滿足了檢漏儀更準確，更便捷以及更廉價的發(fā)展趨勢。6萬方數(shù)據(jù)第二章 差壓式氣密檢漏基本工作原理第二章 差壓式氣密檢漏

29、基本工作原理2.1 天平原理圖 2-1 仿照天平原理示意圖在化學試驗中，我們經(jīng)常使用天平來量取所需質量的試劑。分別在等力臂的基準端和被測端放置砝碼和試劑，這樣質量大的一端就會下沉，進而我們就可以得知被測試劑的真實質量。仿照天平稱量的原理，我們可以把無泄漏的基準物想象成砝碼，把被測物想象成化學試劑，它們分別連接差壓傳感器正反兩腔，同時對基準物和被測物充入相同壓力的氣體，如果兩者均無泄漏，那差壓傳感器感受到的差壓應該為零，即平衡狀態(tài)。如果被測物產(chǎn)生了泄漏，則壓力就會下降，平衡被破壞，差壓傳感器則會將差壓值以電信號的方式反饋出來。2.2 工作原理簡述圖 2-2 經(jīng)典差壓式氣密檢漏儀氣動原理圖7萬方數(shù)

30、據(jù)第二章 差壓式氣密檢漏基本工作原理TEST.PEXHWORKMASTER測試氣壓源排氣口被測物接口基準物接口F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3 過濾器RG1SV1SV2，SV3TD1TD2BV1，BV2T調壓閥充氣閥，兩位三通電磁閥平衡閥，兩位兩通電磁閥差壓傳感器測試壓力傳感器手動閥門溫度傳感器整個泄漏量檢測過程共分為 6 個環(huán)節(jié)，下面結合圖 2-2 氣動原理圖，進行差壓式氣密檢漏儀泄漏量檢測的過程分析5。2.2.1 準備環(huán)節(jié)在初始狀態(tài)下，RDY 準備環(huán)節(jié)，這時 SV1、SV2 以及 SV3 三個電磁閥均不得電，通過調節(jié)調壓閥 RG1，取得需要的測試氣體壓力，測試壓力傳感器 TD2可以測得此時的調節(jié)壓力，轉化

31、為電信號，反饋到顯示儀表上。由于 SV1 未得電，氣源壓力只能通入到 SV1 入口處，而后續(xù)氣路內部都處在當前大氣壓力下。2.2.2 延時環(huán)節(jié)DLY 環(huán)節(jié)為延時環(huán)節(jié)，用于被測物的安裝拆卸時間，所以各電磁閥狀態(tài)與RDY 狀態(tài)相同。表 2-1 RDY 與 DLY 環(huán)節(jié)電磁閥動作表電磁閥控制信號RDY 環(huán)節(jié) DLY 環(huán)節(jié)萬方數(shù)據(jù)SV1(充氣閥)SV2、SV3(平衡閥)注：失電，得電8第二章 差壓式氣密檢漏基本工作原理2.2.3 充氣環(huán)節(jié)進入 CHG 充氣環(huán)節(jié)，這時氣路內全部電磁閥得電，測試氣體充滿檢漏儀內部氣路、被測物與基準物。由于受檢漏儀內部管路粗細和被測物容積大小的影響，所以測試氣體要達到預定壓

32、力需要一定時間，此時間的具體長短要依據(jù)檢測工況進行調整。表 2-2 CHG 環(huán)節(jié)電磁閥動作表電磁閥SV1(充氣閥)SV2、SV3(平衡閥)控制信號注：失電，得電2.2.4 平衡環(huán)節(jié)BAL 平衡環(huán)節(jié)，兩平衡閥 SV2、SV3 失電，充氣閥 SV1 繼續(xù)得電。平衡閥失電后關閉，WORK 端管路連同被測物和 MASTER 端連同基準物形成了兩個獨立的密閉空間。因為在充氣環(huán)節(jié)后，氣體急速進入，氣體亂流會導致空間內局部壓力的不平衡，而且氣流進入管路與被測物時速度很快，與內壁摩擦產(chǎn)生了一定熱量，然后又會在短時間內冷卻，造成測試氣體的熱脹冷縮，壓力也會受到影響，所以在兩平衡閥關閉后必須經(jīng)過一段時間，壓力才能穩(wěn)定下來，進行下一步精確的檢測。在檢測時 MASTER 端應也連接一個與 WORK 端容積相同的基準物，這是為了使 WORK、MASTER 兩端在平衡這段時間內更容易達到相同的壓力狀態(tài)。另外，充氣閥一直得電，保持平衡閥進氣端穩(wěn)定的壓力也是必要的。因為目前平衡閥所選用的電磁閥大多采用活塞控制開關的結構，如果在平衡環(huán)節(jié)突然