新的氣瓶水氣爆破試驗(yàn)方法

新的氣瓶水氣爆破試驗(yàn)方法

0新標(biāo)準(zhǔn)對提升了檢測結(jié)果的影響氣田是壓力容器，用于最大的高壓運(yùn)動(dòng)，其高壓移動(dòng)使用非常危險(xiǎn)。為保證氣瓶的使用安全,在各種氣瓶制造后的最終檢驗(yàn)項(xiàng)目中,都有按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行爆破試驗(yàn)的要求。新頒布的GB/T15385—2011《氣瓶水壓爆破試驗(yàn)方法》(以下簡稱新標(biāo)準(zhǔn)),以代替GB/T15385—1994《氣瓶水壓爆破試驗(yàn)方法》(以下簡稱老標(biāo)準(zhǔn))。新標(biāo)準(zhǔn)中除擴(kuò)大了標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍外,明確了試驗(yàn)原理與目標(biāo),還完善了試驗(yàn)裝置系統(tǒng)、改變了測試數(shù)據(jù)的讀取方式———由目測讀取改為傳感器直接輸入計(jì)算機(jī),此外還規(guī)定流量傳感器和壓力傳感器的精度要求。新標(biāo)準(zhǔn)中對影響檢測過程的技術(shù)路線與方法,較老標(biāo)準(zhǔn)有了非常大的改變與提高。按照新標(biāo)準(zhǔn)需要以計(jì)算機(jī)及其相關(guān)聯(lián)的測試技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn),改變了以往試驗(yàn)時(shí)眼看、手記、憑估計(jì)的試驗(yàn)方法,可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、精確的自動(dòng)測量與記錄。正確理解并實(shí)施新標(biāo)準(zhǔn),不僅對準(zhǔn)確評定氣瓶質(zhì)量有所幫助,做到有記錄可查,而且對氣瓶行業(yè)的檢驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法的提高有所幫助。氣瓶爆破需要壓力源,一般壓力源有氣驅(qū)泵與電動(dòng)泵,氣驅(qū)泵有單作用的與雙作用的,電動(dòng)泵有二柱塞泵與三柱塞泵;爆破時(shí)變形量的測試,有關(guān)研究人員采用了不同的方法,即有用液位傳感器的,也有用稱重傳感器的;檢測信號的計(jì)量有采用下位機(jī)PLC結(jié)合上位機(jī)計(jì)算機(jī)的,還有間接采用計(jì)算機(jī)的,圍繞氣瓶爆破各種參量的測量與控制,有多種方案。文中以滿足新標(biāo)準(zhǔn)為目的,討論泵的選擇、測量元件尤其是變形量的測試元件,以及檢測信號的自動(dòng)記錄方法,以便更好地為過程裝備與控制專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及氣瓶行業(yè)服務(wù)。1壓力測量儀表圖1示出GB/T15385—2011中的檢測流程示意圖,流程設(shè)置兩個(gè)壓力測量儀表,一個(gè)在泵的出口,一個(gè)在接近受試氣瓶的管線上。流程中需要通過計(jì)算機(jī)檢測的物理量除了壓力信號外,還要有泵入氣瓶內(nèi)、使氣瓶升壓、由計(jì)算機(jī)計(jì)量的水流量信號。注意圖1中的流量計(jì)放置于泵的吸入口。1.1傳感器檢測方式新標(biāo)準(zhǔn)在整個(gè)測試過程中,采用了以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的測量方法,為保證試驗(yàn)精度,對氣瓶爆破進(jìn)水量測試提出的要求為“測試系統(tǒng)進(jìn)水量用的流量傳感器可為液柱計(jì)量式或質(zhì)(重)量計(jì)量式。傳感器精度不低于0.5級”。雖然新標(biāo)準(zhǔn)提出精度要求,但沒有提出誤差絕對值的要求。假如一個(gè)1000mL流量傳感器,按其要求,在整個(gè)測量范圍內(nèi)會(huì)有5mL的誤差。新標(biāo)準(zhǔn)的要求隱含地包括采用下列幾種進(jìn)水量測試手段:流量傳感器、液位傳感器、重量傳感器、質(zhì)量傳感器(天平)。這幾種進(jìn)水量測試儀器各有特點(diǎn),在氣瓶爆破試驗(yàn)過程中,要針對氣瓶爆破的要求,從泵與流量測試元件的整體進(jìn)行選取。(1)流量傳感器流量傳感器的應(yīng)用渦輪流量傳感器的工作原理是將渦輪置于被測流體中,液體流動(dòng)沖擊渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng),渦輪的轉(zhuǎn)速與流速轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號輸出。影響渦輪流量傳感器測量進(jìn)水量的關(guān)鍵是管道內(nèi)流速的均勻性,在流速是脈動(dòng)的情況下,還涉及到渦輪對流速的響應(yīng),其一般不適用于脈動(dòng)流的精確測量。差壓式流量傳感器生產(chǎn)歷史較長,種類也很多。如:孔板、音速噴嘴、均速管、文丘里管等流量傳感器。差壓式流量傳感器工作原理是利用當(dāng)流體流過內(nèi)置于管道中的節(jié)流件時(shí),其前后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與流量有關(guān)的壓力差值,通過測量壓差值就可獲得流量值。其特點(diǎn)是節(jié)流件的機(jī)加工精度高,安裝要求嚴(yán)格,其前后必須有足夠長的直管道,保證流體流態(tài)穩(wěn)定;流體壓損大;對于低流速流體,產(chǎn)生的差壓小,誤差增大;差壓式流量傳感器不適用于脈動(dòng)的流體測量。電磁流量傳感器是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律而制作的,其原理是導(dǎo)電的液體通過測量儀表流動(dòng),相當(dāng)于導(dǎo)體通過磁場作切割磁力線的運(yùn)動(dòng),由此感應(yīng)出電動(dòng)勢E,這個(gè)電動(dòng)勢與平均流速成正比。電磁流量傳感器可測脈動(dòng)流體的流量,但所測介質(zhì)必須有電導(dǎo)率,而且電導(dǎo)率要達(dá)到一定的數(shù)值。工業(yè)用水的電導(dǎo)率大于10-4S/cm。(2)器所需的進(jìn)水量的算例液位傳感器在測試溫度與測量范圍內(nèi),其滿度、零位、零漂等都具有較高的精度。但液位傳感器所測得的數(shù)值,需通過換算得到所需的進(jìn)水量。換算過程中需要盛水容器的截面積,若盛水容器的每個(gè)截面積不固定或盛水容器的截面不規(guī)則,在換算過程中會(huì)產(chǎn)生誤差,需要嚴(yán)格的標(biāo)定。因此,在使用液位傳感器測試進(jìn)水量時(shí),僅靠液位傳感器的精度,不能保證進(jìn)水量的測試精度。(3)壓電式重量傳感器質(zhì)(重)量傳感器,是通過測試加壓打入氣瓶中的水的質(zhì)(重)量,經(jīng)過換算獲得水的體積,默認(rèn)水的比重為1。質(zhì)(重)量傳感器一般都是通過測試物體的重量,通過換算得到質(zhì)量。質(zhì)(重)量傳感器的種類繁多,以重量傳感器居多,以其獲得電信號的方式劃分,常用的有電阻應(yīng)變片式、電容式、壓電式。電阻應(yīng)變式重量傳感器靈敏度高,適用于動(dòng)態(tài)與靜態(tài)測量,性能穩(wěn)定,其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好,其稱量范圍為幾十克至數(shù)百噸;電容式傳感器造價(jià)較低,準(zhǔn)確度為1/200~1/500;壓電式重量傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠的特點(diǎn),尤其適用于測量動(dòng)態(tài)物理量。這幾種重量傳感器都可以達(dá)到較高的精度,以滿足氣瓶爆破試驗(yàn)的要求。但在氣瓶爆破試驗(yàn)的情況下,爆破進(jìn)水量在幾升到幾十升的范圍內(nèi),試驗(yàn)過程中需要連續(xù)跟蹤測量進(jìn)水量,以判斷氣瓶隨壓力的變形情況,以電阻應(yīng)變片式、壓電式重量傳感器最好,因其準(zhǔn)確、靈敏度高、且稱量范圍較好。質(zhì)量測試的最常用方法是采用天平,天平具有較高的精度。感量是指天平指針偏轉(zhuǎn)一個(gè)分格時(shí)所加載的砝碼數(shù),其是天平的一個(gè)重要的指標(biāo),感量數(shù)值小,天平的性能好,儀器的分辨率高。采用質(zhì)(重)量傳感器或天平測試加壓過程中打入氣瓶中的水的質(zhì)(重)量,其優(yōu)點(diǎn)是測試所得的量是泵吸入水的絕對量,而不需考慮泵脈沖對測量結(jié)果的影響與其他類型的檢測進(jìn)水量的傳感器相比,質(zhì)量或重量傳感器在氣瓶爆破時(shí)用于進(jìn)水量的測試,需以盛水容器或器皿為基礎(chǔ)使用。在選擇用重量傳感器或天平時(shí)必須考慮盛水容器或器皿的重量,以確定重量傳感器或天平的最大稱量范圍。需說明的是,除了天平,其他各種類型的進(jìn)水量稱量方法與壓力自動(dòng)測試方法一樣,都需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,在模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量之間也有一定的誤差。不論何種流量計(jì),其所測得的流量都是瞬時(shí)流量,要得到打入氣瓶中水的量,都需要積分運(yùn)算,一般來說,計(jì)算機(jī)在積分運(yùn)算時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差;在往復(fù)泵的輸出是脈沖而不是穩(wěn)定的情況下,所測數(shù)據(jù)的誤差有可能更大,超出流量傳感器的標(biāo)稱誤差,使試驗(yàn)得不到標(biāo)準(zhǔn)所要求的精度。因此,需要結(jié)合流量測試,考慮泵的選取。1.2泵內(nèi)漏與使由流量計(jì)算的流量新標(biāo)準(zhǔn)在對加壓裝置要求中,有“受試瓶的加壓可以選用電動(dòng)柱塞泵、氣驅(qū)泵或其他增壓裝置”的要求。泵的選用除了要考慮經(jīng)濟(jì)性、可維修性、密封性外,還要考慮泵的型式對測試結(jié)果的影響。對氣瓶爆破有關(guān)參數(shù)的測試,尤其是氣瓶變形容積的測試,泵的型式起關(guān)鍵作用。電動(dòng)柱塞泵、氣驅(qū)泵嚴(yán)格意義上講都是柱塞泵,柱塞與柱塞缸之間的密封都是動(dòng)密封,都有泵的內(nèi)漏問題。放置于泵的吸入口的流量計(jì),其檢測記錄的流量是包括泵內(nèi)漏與使氣瓶變形容積的流量,這一點(diǎn)對要嚴(yán)格并準(zhǔn)確測試氣瓶爆破時(shí)的容積變化不利,但放置于泵的吸入口的流量計(jì),克服了壓力的影響,對選擇多種流量測試元件帶來好處。相對來說,在介質(zhì)干凈且柱塞密封良好的情況下,因?yàn)橹鶑?fù)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力都是單一的往復(fù)方向,氣驅(qū)泵的密封較好,而電動(dòng)柱塞泵,由于曲軸、連桿的原因,柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力是以多個(gè)方向變化的,對柱塞的密封不利。作為壓力源的泵有多種型式,有單柱塞的氣驅(qū)泵、雙作用氣驅(qū)泵、高壓階段兩柱塞試壓泵、三柱塞試壓泵等。新標(biāo)準(zhǔn)只有對進(jìn)水量的傳感器精度要求,而沒有考慮泵的型式對流量測試的影響。圖2示出在單一柱塞排量為20mL下,不考慮柱塞與缸之間的泄漏所作的不同泵的瞬時(shí)排量曲線。若用流量計(jì)進(jìn)行進(jìn)水量的測試,流量計(jì)測試的精度與泵的瞬時(shí)排量的穩(wěn)定性密切相關(guān)。單柱塞氣驅(qū)泵、雙作用氣驅(qū)泵、兩柱塞試壓泵最大與最小瞬時(shí)排量相差100%,三柱塞試壓泵的最大與最小瞬時(shí)排量相差12.54%。在往復(fù)泵的輸出是脈沖而不是穩(wěn)定的情況下,三柱塞試壓泵在幾種試壓泵中最為穩(wěn)定。其他類型的試壓泵由于流量脈沖,不僅對選用流量計(jì)提出更高的要求,而且對整個(gè)測試程序提出更高的要求。對流量計(jì)提出的要求時(shí)其響應(yīng)時(shí)間要短,對測試程序則要求對所測流量數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的積分運(yùn)算,且積分運(yùn)算的時(shí)間越短越好,否則,即使有精度高的流量傳感器,試驗(yàn)也得不到標(biāo)準(zhǔn)所要求的精度。1.3壓力傳感技術(shù)氣瓶爆破試驗(yàn)中,另一至關(guān)重要的測試參數(shù)為壓力,新標(biāo)準(zhǔn)中對壓力測試提出“以數(shù)字正確顯示受試瓶的實(shí)際爆破壓力”和“測試系統(tǒng)中用于壓力測定的壓力傳感器,精度不低于0.5級”的要求。以數(shù)字形式顯示爆破壓力的途徑有數(shù)字壓力表和壓力傳感器結(jié)合計(jì)算機(jī)測量。圖1為GB/T15385—2011中的檢測流程示意圖,從該圖分析,消除了使用數(shù)字壓力表的可能性。利用壓力傳感器,結(jié)合模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,利用計(jì)算機(jī),可實(shí)現(xiàn)測量信號的遠(yuǎn)距離傳輸。以壓力傳感器測試技術(shù)與流量傳感器測試技術(shù),同時(shí)用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測量,借助計(jì)算機(jī)程序,可以實(shí)時(shí)顯示氣瓶升壓爆破過程中的曲線,進(jìn)而判斷氣瓶的屈服壓力。常用的以壓力傳感器結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)測試壓力的技術(shù)路線有兩種方式:采用下位機(jī)PLC結(jié)合上位機(jī)或A/D卡加計(jì)算機(jī)。下位機(jī)PLC結(jié)合上位機(jī),其中的PLC邏輯控制功能比較強(qiáng),上位機(jī)確切地說就是PC機(jī)。下位機(jī)PLC結(jié)合上位機(jī),不僅在氣瓶爆破試驗(yàn)中有所應(yīng)用,在氣瓶水壓試驗(yàn)中也有所應(yīng)用。為了試驗(yàn)過程中的檢測,上、下位機(jī)都需要編程,而且都有專門的開發(fā)系統(tǒng)。如果不是控制上有特別要求,在檢測過程中下掛PLC是重復(fù)投資,且在氣瓶爆破試驗(yàn)過程中,僅需要對泵的開啟、升壓、保壓、泄壓過程做邏輯控制,PLC的冗余過多,PLC與計(jì)算機(jī)都要編程才能完成測試任務(wù)。A/D卡是由物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?再轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量的電子器件。其在PC測量過程中,將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量使PC方便的讀取。一般A/D卡還帶有I/O接口,可以在邏輯不是特別復(fù)雜的情況下,利用PC的CPU控制I/O設(shè)備。可通過程序提供的訪問機(jī)器底層硬件I/O接口,完成各種控制,尤其是爆破后停止泵的控制。系統(tǒng)計(jì)算機(jī)編程只要知道A/D卡的相關(guān)檢測量、控制設(shè)備的物理地址,用一個(gè)程序就可以實(shí)現(xiàn)所要求的功能,其對檢測控制參數(shù)較少的情況比較實(shí)用,對相對簡單的測量、控制對象來說,其投資較少。2試驗(yàn)裝置及測壓依照上述分析,三柱塞試壓泵在幾種試壓泵流量輸出中最為穩(wěn)定,質(zhì)量測試中的天平具有較高的精度與感量,且可避開泵流量變化對測試結(jié)果的影響,以計(jì)算機(jī)加帶I/O輸出的A/D卡,配用適當(dāng)?shù)某绦?不僅能夠進(jìn)行爆破試驗(yàn)時(shí)的進(jìn)水量與壓力測量,而且能夠滿足試驗(yàn)時(shí)的控制要求,程序編制相對簡單。因此選用三柱塞高壓水泵為壓力源,用感量為1g的天平計(jì)量泵打入氣瓶的進(jìn)水量,用工控機(jī)加帶I/O輸出的A/D卡控制泵的開關(guān)并借助壓力傳感器測量壓力,所開發(fā)的試驗(yàn)裝置控制柜見圖3。在所開發(fā)的硬件基礎(chǔ)上,配用相應(yīng)的軟件,對氣瓶進(jìn)行爆破試驗(yàn),試驗(yàn)后得到的氣瓶壓力—時(shí)間、進(jìn)水量—時(shí)間曲線如圖4所示。圖4表明,泵壓入到氣瓶中的進(jìn)水量隨時(shí)間直線增長,反映了三柱塞電動(dòng)泵輸出特性。壓力—時(shí)間曲線,較好地反映了氣瓶