（机械制造及其自动化专业论文）燃油系统检漏仪的研制.pdf

摘要 摘要 现代汽车生产线的下线速度可达1 2 0 秒辆，如何在如此短的时间间隔内快 速、准确、高精度的对气缸、油箱等汽车燃油系统是否泄漏进行在线检测，已成 为汽车行业的迫切需求。对于内容积较小的工件的泄漏检测较为成熟，而对于较 大内容积，尤其是汽车油箱的内容积达6 0 l ，其泄漏检测在测试速度、测试精度 等方面都比较困难，目前此类产品尚未实现国产化，国内各汽车生产线上燃油系 统检漏设备还完全依赖于进口产品。国内一些科研机构、生产厂家虽有同类产品， 但其性能却达不到国家标准的规定，一是测试时间长，不能满足生产节拍的要求； 尤其是受季节变化影响严重，甚至于在冬夏温差大的地方无法进行测试。 论文针对厂家的汽车燃油系统的具体构造情况，提出了一种以干空气作为测 试介质，利用高精度的差压传感器，采用差压测量原理对汽车燃油系统的密封性 和通气性进行无损检测的测试系统；并通过分析检测过程中测试空气的压力变化 以及测试各环节的参数，为提高系统精度、实时性和可靠性而进行相应的软硬件 设计；为实现生产线上在线测试采取了一系列相应的措施；同时采用工业p c 和 可编程控制器对测试系统及外围设备进行控制。 该测试系统对利用高精度的电气比例调压阀对测试系统的充气环节进行第 二次充气，以补充第一次充气所造成的压力与温度不平衡，缩短总检测时间；通 过最小二乘拟合算法，消除测试中采集数据的误差，实现对燃油系统的快速准确 检测。该设备已经投入使用，完全达到了预期的设计目标，能够完全替代进口产 品。 关键词：密封性测漏在线检测差压燃油系统气动系统 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ea w a r e n e s so fe n v i r o n m e n t a ls t a n d a r de n h a n c e d , p e o p l eg r a d u a l l y r e c o g n i z et h ei m p o r t a n c eo ft h ee x h a u s te m i s s i o n ，e n dt h eg o v e r n m e n tr a i s e dt h e s t a n d a r do ft h ee x h a u s te m i s s i o n t oc o m p l yw i t ht h es t a n d a r do ft h ee m i s s i o no f p o l l u t a n t ，i t sn e c e s s a r yt od ot h eo n l i n et e s tf o rl e a k a g ea n dv e n t i n go ft h ef u e l s y s t e md u r i n gt h ei n s p e c t i o no f c o n f o r m i t yo f p r o d u c t i o n w i t hm o r ea n dm o r es h o r t e n i n go f t h em e tt i m i n gf o rt h ea u t o m o b i l ep r o d u c i n g i t sai m m e d i a t en e e dt od e t e c tt h el e a k a g eo ft h eo i ls y s t e mi ns y n c h r o n i z i n gs t e p c o m p a r i n gt h ec o n t a i n e rw i t hs m a l l e rs i z e , d e t e c t i n gt h el a r g e ro n ew i t h9 0 l i ss t i l l d i f f i c u l t i nt h ed o m e s t i c ，t h ee q u i p m e n t sf o rt e s t i n gl e a k a g ea n dv e n t i n go ft h ef u e l s y s t e ma r em a i n l yi m p o r t e df r o mf o r e i g ne o n n t r i e s ，a l t h o u g hs o m er e s e a r c hu n i t sa n d f n m sh a v em a d em a n ye f f o r t sf u rt h ed e v e l o p m e n to ft h e s ee q u i p m e n t sw h i c hs t i l l c a l l tr e a c ht h es t a n d a r dd u et ot h es u s c e p t i b i l i t yt ot h ec h a n g eo f t e m p e r a t u r e d u et ot h ec o n c r e t ec o n d i t i o n so ft h ea u t o m o b i l e sf u e ls y s t e m ，am e a s u r ea n d c o n t r o ls y s t e mb a s e d0 1 1i n d u s t r i a lp ca n dp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e ri sp r o p o s e di nt h i s t h e s i s ，a n du s em i c r od i f f e r e n t i a lp r e s s u r es e n s o r , r i g i ds y m m e t r ya i rp i p el o o pa n d e m b e d d e ds y s t e mb yu s i n gm i c r od i f f e r e n t i a lp r e s s u r ep r i n c i p l et om e a s u r ep r e s s u r e i n f l a t i n gt h ec o n t a i n e rb yh i g hp r e c i s i o np r e s s u r er e g u l a t i n gv a l v ei nt h e s e c o n d i n f l a t i n gp h a s e t oc o m p e n s a t et h eb a l a n c eo ft h ep r e s s u r ei nt h ed e t e c t i n gs y s t e m ，w e c a ns h o r t e nt h ed e t e c t i n gt i m ea n di m p o v et h ep r e c i s i o n d a t ao fd i f f e r e n t i a lp r e s s u r e w h i c ha r ea c q u i r e do nl i n ea r eh a n d l e dw i t hl e a s ts q u a r ef i tt oe r a s en o i s ea st h e c r i t e r i o no ft h el e a k a g el e v e l t h ee q u i p m e n tw e v ed e v e l o p e dh a sb e e nr u n n i n gw e l l f o rh a l fay e a ri naa u t o m o b i l em a n u f a c t u r ef i r ms of a r k e y w o r d s ：p n e u m a t i cs e a l s ；f u e ls y s t e m ；t e s t f o rl e a k a g e ；d i f f e r e n t i a lp r e s s u r e s e n s o r ；o n l i n es u p e r v i s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 始淦 签字日期：2 ，d 7 年j 月巧日 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 渡论导师签名：7 凌比髫 签字日期：加7 年j 月酉日签字日期：研年f 月勿自 学位论文的主要创新点 一该检漏仪利用差压法原理对大容积容器的泄漏进行快速在线检测，使其检测 速度达1 2 0 秒，实现了此类产品的国产化。 二该测试系统对利用高精度的电气比例调压阀对测试系统的充气环节进行第 二次充气，以补充第一次充气所造成的压力与温度不平衡，缩短总检测时间。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景 以石油产品为燃料的汽车是最主要的现代交通运输工具，它给人们带来方便 和快捷的同时，也带来了无法回避的问题。根据上个世纪七八十年代美国、日本 对城市空气污染源的调查，城市空气中9 0 以上的一氧化碳、6 0 以上的碳氢 化合物和3 0 以上的氮氧化物来自汽车排放。这些污浊的气体使人类的生存环 境受到极大威胁。汽车污染已成为世界性公害，其对于温室气体浓度增加的“贡 献”不容忽视。【” 汽车发动机排放污染主要有c 0 ( 一氧化碳) 、n o x ( 氮氧化合物) 和h e ( 碳氢化 合物) ，这些有害气体通过以下三条途径释放。一是通过排气管，其中约9 9 的 c o 、9 9 的n o x 、6 0 的h c 是通过排气管排放；二是通过曲轴箱，其中约l 的c o 、l 的n o x 、2 0 的的h c 是通过曲轴箱窜气；三是燃料蒸发，其中约 2 0 的i - - i c 是通过这种形式被释放。工程师在这三条途径上都设置了“关卡”，主 要常见形式有排气管的催化式排气净化器、曲轴箱的强制通风( p c v ) 装置和对付 燃料蒸发的蒸发排放控制系统，针对不同的释放途径和形式采取不同的防治措 施，尽量减少有害气体的排放。燃油蒸发污染的原因是因为汽油具有易挥发的特 性，在常温下油箱经常充满汽油的蒸汽，如果油箱直接与大气相连，则汽油蒸汽 会对大气环境造成污染，为减小汽油蒸汽对环境的污染，目前汽车均安装了燃料 蒸发排放控制系统【2 】。为了保障汽车油箱及其蒸发控制系统的质量，对于汽车制 造厂家，要求在其汽车生产线进行生产一致性检查，以满足国家环境保护总局制 定的“轻型汽车排放污染物测试方法”i - - i j t 2 6 3 1 9 9 9 。 因此，世界各国对汽车排放超标准的限值呈不断变化的趋势：如从1 9 6 5 年 到1 9 9 6 年间日本排放法规中( 轻型汽油客车) ，目前的c o 、h c 、n o x 的排放分 别仅为1 9 6 5 年的5 、4 和8 。由于排放法规的严格，虽然日本的汽车保有 量( 1 9 7 0 年为1 7 5 8 万辆，1 9 9 6 年为6 8 8 0 万辆) 增长了4 倍，而汽车总污染物排 放量与3 0 多年前相比还是大幅度下降了，c o 、h c 、n o x 的排放分别下降为 1 9 6 5 年的大约2 0 、1 6 和3 2 。可见汽车排放的控制应着重在减少每个车的 排放上，而不是在减少汽车数量的增加或总保有量上【3 】。而随着经济的增长，汽 车保有量的增加是必然的。 随着汽车数量的增加，汽车排放污染物对环境造成的危害日益严重，因此为 防治机动车污染物排放对环境的污染，改善环境空气质量，所推出的一系列法律 第一章绪论 法规已得到世界各国越来越大的关注和尊重，世界各国和地区都先后制定了限制 汽车废气排放的限量值 4 1 ，其中欧盟组织( e u ) 制定的欧洲标准是一项大多数国 家和地区执行的参照标准。 为执行等效采用欧i i 排放标准的相应国家标准，轿车制造厂必须接受一年一 度的低污染排放小汽车生产一致性检查，并顺应评定要求不断提高这一趋势。州 从2 0 0 2 年起，整车燃油系统密封性通气性测试被列入必检范畴，从而对汽车生 产企业和仪器制造厂商提出了一个新的课题。尽管在标准中明确规定了密封性、 通气性这两项测试的要求和实施步骤，但事实上，一方面燃油系统的结构的特殊 性。另一方面标准规定的检测时间不能满足汽车生产线的节拍，所以为实现这一测 试，必须采取多项技术措施。 而现代汽车生产线的下线速度可达1 2 0 秒辆，如何在如此短的间隔时间内 快速、准确、高精度的对气缸、油箱等汽车燃油系统是否泄漏进行在线检测，已 成为汽车行业的迫切需求。对于内容积较小的工件的泄漏检测较为成熟，而对于 较大内容积如1 0 l 以上的零部件，尤其是汽车油箱的内容积达6 0 l ，其泄漏检测 在测试速度、测试精度等方面都比较困难，目前此类产品尚未实现国产化，国内 各汽车生产线上燃油系统检漏设备还完全依赖于进口产品。国内一些科研机构、 生产厂家虽有同类产品，但其速度、精度及稳定性方面却达不到要求，尤其是受 季节变化影响严重，甚至于在冬夏温差大的地方无法进行测试。 在自动泄漏测试中，即使要求工件必须是液密的，也用空气或其它专用测试 气体作为检测介质。因为气体的粘度低于液体，故用气体作为检测介质可获得很 高的测试精度，对于液体无法渗透的质地疏松区域，气体则可透过并被检测到。 以干燥空气为介质的自动泄漏测试，或者说密封性试验，是基于被测容腔内的空 气流失所产生的物理效应，即通过对压力变化或流量的测量来实现的。一般的检 漏手段是采用直压法，即对被测系统加入压缩空气后，通过压力传感器直接测量 被测工件内部的压力变化，进而推算出工件的泄漏量。然而这种检漏方法的检测 精度低，抗干扰能力差，易受外界环境温度变化等因素的影响，所以只能进行低 精度的一般检测【7 j 。 对于如汽车油箱等内容积达6 0 l 这样的零部件，其测试环境复杂、测试压力 大、不允许有微小泄漏、且要实现在快速生产线上在线检测，其生产节拍达1 2 0 秒辆，则无法用直压法实现。此时需采用差压法进行检漏，即采用高精度的差 压传感器，采用标准品与测试品相比较的测试方法。测试时，在基准物与被测工 件两边先同时充入相同压力的空气，使差压传感器两端平衡。如果被测工件有泄 漏，即使是微小泄漏，差压传感器两端也会失去平衡，从而检测出两端因泄漏而 产生的差压。因为基准物和被测工件形状、大小都基本相同；且检测过程中两端 第一章绪论 的外部环境状态完全一样，所以这种测试方法可以消除温度、震动等环境因素的 影响，测试精度高，抗干扰能力强，可测试范围广。 1 2 几种检漏方法的比较 作为理想的检漏方法应该满足下述方面的要求： 1 )检漏灵敏度适应工程实际； 2 )反应时间短； 3 )能无损检漏，即检漏时不需破坏被检件原来结构，也不致使被检件 受对污染： 4 )稳定性好，无论是检测方法还是检测仪器都要保证稳定； 5 )一致性好，即在足够的时间内灵敏度稳定可靠； 6 )检漏范围广，即从大漏n d , 漏都能检测； 7 ) 检漏仪器结构简单，启动快，操作维修方便，可靠性好； 8 】经济性，从灵敏度、反应时间等综合考虑其性价比。 1 2 1 湿式浸水法 长期以来，国内外广为采用的密封性测试方法为水没式，又称湿式浸水法。 即在被检工件的密封腔中充入一定压力的气体，然后浸入水中，由人工观察是否 有泄漏气泡产生，并由人工判断其泄漏量是否在允许范围内。这种方法虽简单可 行，但有不少缺点，尤其是灵敏度低，又主要依赖人工观察、判断，无法代之以 自动检测，难以纳入自动线中使用。 但湿式检测法也有其优点，主要是可以找到工件的泄漏部位，便于进行修复。 实用上，有时把泄漏检测装置设计成能适用于干、湿两种工作方式，在通常情况 下，采用“干式”检查工件的泄漏量是否在允许的范围内，当发现某个工件不合 格时，再使用“湿式”检查泄漏部位。这种复合式检测装置综合了两种方式的优 点，因为，实际上大多数工件是合格的，所以可满足生产效率的要求。对于少部 分不合格工件，可用湿式浸水法找到泄漏部位，从而进行修复【9 】。 1 2 2 干式泄漏检测法 现代汽车制造厂中，上述传统方法已逐渐为干式泄漏检测法取代，后者克服 了湿式浸水法的一系列缺点，可定量评价被测零部件的泄漏状态，不但精度高， 并可方便地纳入自动化程度很高的生产线中使用。干式泄漏检测法有多种，在生 产中采用最多的主要是直接压力测量法( 又称绝对压力测量法) 和差压测量法两 种，它们的共同点是均以压缩空气作为工作介质，也就是以气密性试验代替液密 性试验。 第一章绪论 1 2 2 1 绝对压力法 通常称为直压法，即对被测系统加入压缩空气后，通过压力传感器直接测量 被测工件内部的压力变化，即单位时间内压力传感器输出的变化值，进而推算出 工件的泄漏量。 其特点是结构紧凑，自身容积最小，测量范围宽。但测试信号分辨力取决于 使用的测试压力，故这种检漏方法的检测精度低，抗干扰能力差，易受外界环境 温度变化等因素的影响，所以只能进行低精度的一般检测。 图1 1 直压检漏法原理图 图1 - 1 是直接压力测量法的检漏装置的原理框图。工作开始后，先经开通的 电磁阀向被测件内充入经过滤的压缩空气。用压力传感器p 直接测量被测工件内 部压力，并根据一定时间内的压力变化值算出工件的泄漏率，即a = a p t 。整 个工作过程是：打开气源和y i 、y 2 阀，向工件充气，当压力传感器p 输出值到设 定值时，关闭y 1 ，经过一段平衡时间后，读取传感器输出值p l ，如果被测试品有 泄漏，系统内的压力将不断降低，在给定的时间内，压力传感器将连续监测这一 动态的压力值p ，经t 时间后，再读取传感器输出值p 2 ，计算出工件在该条件下 的泄漏率：即a 爿p 2 p i ) f f ，随后打开y 3 ，放气1 3 1 。 直接测量法实际上是以工件发生泄漏后的剩余压力p 作为密封性的判据，由 于测试时间很短，可视为等温过程。根据气态方程： p v = p ( v + a v ) v 肚云万。p o ( 2 - 1 )y + 矿 式中：p 检测系统内的工作压力 p 测漏结束时的剩余压力 v 被测工件的容积 v 泄漏掉气体的体积 f l j ( 2 1 ) 式可知，被测试品发生泄漏后的剩余压力p 是工件容积v 的函数，严 格地讲，这一容积还应包括管路的容积，同时还应考虑到管路受压后的容积变化 量。故这种方法的精度较低，尤其在生产现场规定的检测时间内，往往难以测出 很微小的泄漏量。原因是极微小的泄漏引起系统的压降a p 也很小，为了使传感 趣热 气 一 日传等或滋 。磐 第一章绪论 器能精确地测出，只有延长检测时间，积累满足它需要的气体泄漏量，而这往往 又与提高工效，保证生产节拍相矛盾；同时，对于微小泄漏，充气过程中气体的 压力及温升、环境温度等因素对于压力变化的影响有时甚至会大于因泄漏所引起 的压力变化，所以直压法测量的精度、测试时间问题不可兼顾，在本课题中达不 到要求。尽管如此，但应当指出：按直接压力测量法开发的泄漏检测装置结构比 较简单、气路较短，用于生产现场精度要求不太高的在线检测还是合适的，再加 上价格因素的考虑，故在一些现代汽车厂仍然还有虚用【1 4 1 。 1 2 2 2 差压法 差压法是采用高精度的差压传感器，采用标准品与测试品相比较的测试方 法。测试时，在基准物与被测工件两边先同时充入相同压力的空气，使差压传感 器两端平衡。如果被测工件有泄漏，即使是微小泄漏，差压传感器两端也会失去 平衡，从而检测出两端因泄漏而产生的差压。 图1 - 2 差压检测装置原理框图 图1 - 2 是差压检测法的检测装置原理框图，与图l ，l 相比，它用差压传感器取 代压力传感器，并在系统中设置一标准容腔，并保证其密封性，使其在工作压力 长时间作用下也不会泄漏。由图1 2 可见，差压传感器两侧分别与工件和标准容 腔相连。开始工作后，压缩空气经开通的电磁阀分两路同时向二者充气，待充气 过程结束并进入稳定状态后，电磁阀关闭，系统进入平衡阶段。开始测试后，读 取差压传感器的值p 1 ，经过一段时间t 后，读取传感器的值p 2 ，则( p 1 ap 2 v t 反映了测试品泄漏量的多少。以上检测过程同样可视为等温过程，所 以发生工件泄漏后两侧的状态也可用气态方程描述： p v = 口p ) ( v + a v ) p = 上a v ( 1 2 ) y + a 式中：p 检测系统的工作压力， p 工件泄漏后传感器两侧的压差值， v 被测工件和标准容腔的容积。 第一章绪论 v 工件泄漏的气体体积。 由0 - 2 ) 式可知，差压值a p 是泄漏体积v 的函数，当v 很小时，p 也 很小，也就是传感器的预先设定值( 泄漏量) 和量程( 满刻度) 都可以很小。由于一 般情况下，v “v ，a p “p ，所以。以a p 作为判别工件气密性的依据，其 精度比直接压力测量法来得高。虽然差压法检漏装置的系统组成较复杂，气路较 长，价格又较高，与前一类检漏仪相比，更多的用在密封性要求较高的场合。 由于差压法在气路上采用了对称的桥路测量原理，即压力传感器测量充气压 力，差压传感器测量被测件与标准件的差压值，因此从原理上解决了直压法受环 境温度、湿度变化影响的问题。因检测过程中两端的外部环境状态完全一样，所 以这种测试方法可以消除温度、震动等环境因素的影响，测试精度高，抗干扰能 力强。且有以下优点：测试压力高；分辨力与使用的测试压力无关，因此在测试 压力较高情况下，同样可检测到很小的泄漏：可通过接入参考工件，对容积或状 态不稳定的工件进行测试。而用直压法进行泄漏检测时，在生产现场规定的检测 时间内，往往难以测出很微小的泄漏量。这是因为极微小的泄漏引起系统的压降 a p 也很小，为了使传感器能精确地测出，只有延长检测时间，积累满足它需要 的气体泄漏量，而这往往又与提高工效，保证生产节拍相矛盾；且易受环境温度、 湿度变化影响的问题使直压法的测试精度低，甚至于在温差较大的情况下，温度 的影响会完全干扰对于密封性测试的判断。 1 3 本课题的研究内容及解决的问题 整车燃油系统主要由油箱、油管、发动机、碳罐等零部件所组成，检测系统 应具备以下两方面的功能。 1 ) 能按照标准中的规定，完成整车燃油系统密封性和通气性两项；烫4 试； 2 ) 适应企业的生产特点，满足由此而提出的需求，作为一台在线设备，要实 现对产品1 0 0 的检查，其测试节拍就务必与生产线同步，由此引出的一些问题 就得解决。 建立系统的数学模型； 在工况条件下评定指标的转换； 适应整车总装线特点的工作方式： 为提高设备工作效率和可靠性而采取的技术措施。 本课题就上述问题，分以下几个方面提出相应的解决办法并给出系统的设计 方案： 1 测试原理及测试方案的选择；比较现有的各种测试方法，选择满足测试要求 的测试方法； 2 针对所选用测试方法的关键问题从设备的软硬件方面给出解决办法，以提高 第一章绪论 设备工作效率和可靠性。 ( 1 ) 差压传感器的选择及其它器件的合理配置； ( 2 ) 考虑温度对测试结果和测试精度的影响； ( 3 ) 对测试中各个环节的参数进行合理的设置； ( 4 ) 通过数值算法将测量误差的影响减到最小。 3 选用p l c 对系统进行控制，实现p l c 与上位机之间的通讯，以及与外围打 印设备及条码扫描枪进行连接。 第二章检漏仪系统设计与计算 第二章检漏仪系统设计与计算 2 1 检测方案的确定 2 1 1 检测介质 采用湿式浸水法检漏需要将被测试品浸入水中或涂肥皂泡，根据目测肥皂泡 或水中的气泡来判断工件是否有泄漏及泄漏的程度。用这种方法测试后，必须对 工件进行干燥和防锈处理。我们的当检测对象为安装在整车上的油路系统时，这 种方法是不可实行的。 在自动泄漏测试中，即使要求工件必须是液密的，也用空气或其它专用测试 气体作为检测介质。因为气体的粘度低于液体，故用气体作为检测介质可获得很 高的测试精度，对于液体无法渗透的质地疏松区域，气体则可透过并被检测到。 以干燥空气为介质的自动泄漏测试，或者说密封性试验，是基于被测容腔内的空 气流失所产生的物理效应，即通过对压力变化或流量的测量来实现的。因此，现 代汽车制造厂中，湿式浸水法已逐渐为干式泄漏检测法取代，后者克服了湿式浸 水法的一系列缺点，可定量评价被测零部件的泄漏状态，不但精度高，并可方便 地纳入自动化程度很高的生产线中使用。 2 1 2 测试方法 使用干空气为测试介质的一般检漏手段是采用直压法，而用直压法进行泄漏 检测时，在生产现场规定的检测时间内，往往难以测出很微小的泄漏量。这是因 为根据直压法检测原理，极微小的泄漏引起系统的压降a p 也很小，为了使传感 器能精确地测出，只有延长检测时间，积累满足它需要的气体泄漏量，而这往往 又与提高工效，保证生产节拍相矛盾；且因其易受环境温度、湿度变化影响的问 题使直压法的测试精度低，甚至于在温差较大的情况下，温度的影响会完全干扰 对于密封性测试的判断。因此这种检漏方法的检测精度低，抗干扰能力差，易受 外界环境温度变化等因素的影响，所以只能进行低精度的一般检测【1 3 】。 对于如汽车油箱等内容积达6 0 l 这样的零部件，其测试环境复杂，测试压 力大，不允许有微小泄漏，且要实现在快速生产线上在线检测，其生产节拍达 1 2 0 秒辆，则无法用直压法实现。此时需采用差压法原理进行检漏，由于差压法 在气路上采用了对称的桥路测量原理，即压力传感器测量充气压力，差压传感器 测量被测件与标准件的差压值，因此从原理上解决了直压法受环境温度、湿度变 化影响的问题。因检测过程中两端的外部环境状态完全一样，所以这种测试方法 可以消除温度、震动等环境因素的影响，测试精度高，抗干扰能力强。且有以下 第二章检漏仪系统设计与计算 优点：测试压力高：分辨率与使用的测试压力无关，因此在测试压力较高情况下， 同样可检测到很小的泄漏；可通过接入参考工件，对容积或状态不稳定的工件进 行测试。 基于上述分析，在本课题中，舍弃了直压法，采用差压法进行泄漏检测。 2 2 检测过程 用压力法进行测量时，不论直压法还是差压法，都要向被测试品充入压缩空 气。被测试品内压力的变化如图2 1 所示，图中的压力值为表压力。可以看出， 测试品内的压力在充气阶段( t l 段) 上升很快，在充气完毕后压力开始下降的很快 ( t 2 段) ，但数据波动很大，然后压力逐渐降低( t 3 段) ，t 4 为放气阶段，压力快速 下降。 图2 1 测试品内的压力变化曲线 根据以上分析的压力变化过程，为了能够在准确可靠的测试，测试过程可分 为充气、平衡、测试、放气四个环节。并依据这四个环节设计检漏仪气路系统。 2 3 泄漏模型的建立 因为本检漏仪通过检测压力来测量泄漏，所以有必要分析系统内空气的压力 变化，从压力的角度建立泄漏模型。 被测物有泄漏时气体的压力在开始阶段变化很快，其速度会随着内部压力逐 渐接近外部压力而减慢。压力变化速度会因被测物容积、流体流过泄漏孔的难易 程度不同而有所差别。对于气体的泄漏，其漏率与气体的种类、气体的温度以及 容器或系统内外的气体压差有关；也与漏孔自身的形状、尺寸有关，是一个较为 复杂的问题。 在真空领域中，常把气体在漏孔中流动状态界定为四种情况：分子流状态； 粘滞流状态；湍流状态；声速流状态。并认为在分子流状态下，漏率是压 差的一次方函数；在粘滞流状态下，漏率是压力二次方差的函数。这种气流状态 第二章检漏仪系统设计与计算 的划分又取决于漏孔的直径和气体分子的平均自由路径，而分子的平均路径又是 气体温度、气体粘度、气体压强的函数。当漏孔直径大于5um 时，可视为粘滞 流状态；当漏孔直径小于11 1m 时，可视为分子流状态；而当小于o 1i im 时， 则介于粘性流与分子流之间。而在工程实际中漏孔的形状极为复杂，如何对其进 行准确的测量是极为困难的事情，因而用漏孔的尺寸和漏率的大小来确定气流状 态是很困难的或不可能的。 根据流体力学可以知道，同样大小的泄漏孔洞，泄漏介质的压力越高，则 单位时间内的泄漏流量也越大，即泄漏量的大小取决于隔离物体间的压力差，对 于形状不规则的漏孔，它的流量q 按下面公式计算： q = c ( p 1 “功( 1 n 2 )( 2 - 1 ) 式中c 、p i 、1 2 分别为流速系数和被测物内外压力； 1 要根据被测物的壁厚、材质、气体摩擦阻力，特别是漏孔 的形状而决定的，而这些往往很难确定【1 6 】。 在工程问题中，气体在漏孔中的流动状态界定可考虑为：高压条件下的泄漏， 应按粘性流条件计算，泄漏率q 与压力p 的平方差成正比。而当泄漏孔的一侧为 真空时，q 与p 之差成正比。但是，即使在高压条件下，如果升高的压力( 如3 个大气压) 与大气压没有很大差别，而且泄漏又很小，就应按分子流条件考虑，q 与p 之差成正比，反之，在泄漏孔的一侧为真空，而且泄漏又很大时，就应按粘 性流条件考虑，q 与p 的平方差成正比【1 6 1 。在燃油系统的泄漏检测中，其测试压 力不超过1 个大气压，所以可考虑为n = l ，此时气体为分子流，于是： q = c ( p i - p 2 )( 2 - 2 ) 对于一个容积为v 、流量为q 的被测物，在某一小段时间d t 内流出的体积流量 q l 与压力变化量d p 的关系，可由下式表示： q d t = - v a p ( 2 3 ) 设初始( t _ o ) 时，被测物内压力p l ，外部大气压力p o ，则上式化为 c ( p l p o ) 旃= - v a p 对上式两边积分，则被测物内的压力变化由下式得出： 一旦f p = ( p l p o ) e7 + p o ( 2 4 ) 图2 2 为由上式算出的被测物内压力因泄漏而产生的变化曲线。可见在充入 压力p k n 试压力) 的附近，漏气时间不是很大的范围内，压力变化与时间近似成 正比。 第二章检漏仪系统设计与计算 p l = 乡一 图2 - 2 泄漏引起的压力变化曲线 时间t 同时被测物内容积对漏出时的比足够大时漏气量与时间也成线性关系。因此被测 物内的压力p l 无论为正还是为负，其压力变化分别如图2 2 所示。 由以上分析可看出，对于燃油系统的密封性与通气性测试，因为其燃油系统 的内容积与其泄漏量相比是非常大的，所以以( 最一日) 出作为泄漏量的量度有 充分的理论依据。 以上是从泄漏角度来分析，现在看整个检测系统的气体整体来分析。因为在 本系统涉及的生产线上，要求整个检测过程在2 分钟之内，还要考虑充放气过程 及通气性检测，所以我们必须将检测时间在1 分钟之内完成，则这时的检测过程 可看作是等温过程，则由气体状态方程 p v 锨t 产生泄漏时，气体分成为被测物内、外两部分，于是得： p o v = p v + p a q t 式中p a 一标准大气压 q 一标准大气压下泄漏率 t 泄漏时间 则有： p=p,qtv(2-5) 因此，根据上式得到压力降p q t 的关系和压力降p _ v 的关系如图2 3 、 图2 - 4 所示。 根据上述的分析，可得出的结论为：确定一定的测试容积和检测气体的初始 压力，在一定时间内，可通过检测测试容积的压差反映微泄漏状况，达到检测气 密性能的目的。测试容积的压差值与泄漏量成正比，与测试容积体积成反比；对 于一定的泄漏量，v 越大，p 越小。以上结论为具体实施定量气密性检测提供 一1 1 第二章检漏仪系统设计与计算 a pp a ) o 尹 a ) q t ( m 1 ) 0 v ( m 1 ) 图2 3 泄漏模型的ap q t 曲线图2 - 4 泄漏模型的ap v 曲线 了理论依据。由前面提到的关于直压式测试中提到，环境等因素对于p 不可避 免及不可忽视的影响，所以采用差压方式。 因为本系统采用差压法原理进行测试，所以所要考虑的是差压与泄漏率的关 系，同时还考虑了标准品与测试品容积不同及系统形变，得到的计算及判定方法 如下： 在实际测试中一般都能满足以下的条件： 1 ) 除被测物外不存在泄漏。 2 ) 与被测物容积相比泄漏量足够小。 我们定义下面式中各符号为： p r ：测试压力( 设定的充气压力) ，p - ：检测完成后被测物内的压力 p 2 ：检测完成后基准物内的压力 p o ：大气压( 漏出后进入大气中) v w ：被测物容积 v s ：基准物容积 a p ：p 2 和p l 的差值( 差压) v ：差压ap q 起传感器容积的变化量 vl ：排入大气的泄漏量( 漏气量) 图2 5 差压传感器及测试回路示意图 在这里p t 、p - 、p 2 、p o 都为绝对压力。参照图2 - 5 当两个阀门关闭后被测物内 的压力可表示为 第二章检漏仪系统设计与计算 p , r v w = p l ( v w - a v ) + p o vl 基准物内的压力为： p r vs 硇( v s + v ) 整理后得： 旦! = 垒翌g 垒生：丝! 堡! 垒生 k咯 因为差压传感器非常灵敏，即使存在微小差压印( 肇= 纯一p t ) 也可以检测出， 所以在整个检测过程中p 卜p 2 - q 测试压力p t 都非常接近，即：p l = p 2 = p t ；于是： 生p o 卜等o + f 【 印 7 sj 上式给出了在一定检测时间t 内检测到的差压印与漏气量a k 的计算关系。 a v a p 称为传感器系数，它的物理意义为：产生差压时传感器内部的体积变化量 ( a v 如图所示) ，其单位为m u p a 。它的大小直接关系到检漏仪的精度和准确度。 对于相同的泄漏量，a v a p 越接近于0 。产生的差压会越大，从而越容易检测出 微小泄漏。所以在选择差压传感器时，仅仅考虑测量精度来保证测试的精度是不 够的，传感器系数对差压式检漏仪的精度和准确度有直接的影响r 丌。由此可得单 位时间内被测物的泄漏率表达式： q = 等= 筹 + 石a v ( 1 + 告胁仇) j ( 2 - 6 ) 式中：q 一泄漏率，m l s 卜检测时间，s 当被测物与基准物容积相同( v w = v s ) 时，计算公式可简化为： 口= 鲁p + z 笨c p + 斟 ( 2 - 7 ) 根据上述公式，在本系统中，当v w = 6 0 l ，对于符合国家环境保护总局关于 轻型汽车排放污染物测试方法的标准的燃油系统，若v s = 1 0 l ， 卸= o 4 9 k p a ， a v a v = o 4 1 矿，p 司6 3 k p a ，p o = 1 0 1k p a ，测试时间卢3 0 0 s ，则泄漏率为： q = o 0 0 0 9 8p a l s 。0 9 8 p a m l s 2 4 气路系统设计 2 4 1 气路系统方案1 根据差压法检测原理和基本检测过程设计的气动系统如图2 5 所示。 第二章检漏仪系统设计与计算 气源 图2 5 检测仪气动系统方案1 依据图2 5 的方案，按充气、平衡、检测、放气四个阶段进行实验，采集一 组典型密封不合格与密封良好的差压值的曲线如图2 ，6 所示，其中曲线i 为密封 不合格时的差压曲线，曲线i i 为密封良好时的曲线。由图2 6 可看出，曲线i 与 i i 在测试阶段的倾斜程度a p t 相似，在确定被测试品是否泄漏时易引起误判。 分析平衡阶段( 此次的t 2 = 3 0 s ) 的差压曲线( 见图2 7 ) 可看出，在平衡阶段的最后部 分压力的波动仍然很大。 图2 - 6 密封不合格与密封良好时的一组数据比较图2 7 图2 - 6 中平衡段放大图 2 4 2 最终的气动系统方案 考虑到充气过程对后面几个环节的影响，增加了第二次充气环节，即第一次 充气采用快速充气，第二次充气通过精密调压阀稳定充气。并考虑系统特性，对 所选器件做出改进。最终的方案如图2 8 。 第二章检漏仪系统设计与计算 压力表 鬯 u 一次1 2 升 减压阀缓冲罐 电气 白y 6 比箩谰蠲勰蠲甲厂 l j 二次 减压阀 j l jy 1 标准品iy 5 测试品 直压 传感器 图2 8 检测仪气动系统连接图 ( 1 ) 增加第二次充气环节，通过电气比例阀以稳定的压力对标准品与测试品进行 第二次充气，能够使测试品与标准品内的压力快速稳定地达到平衡状态，并能精 确可靠的控制系统测试压力，从而使系统测试的可靠性大大增强。如图2 9 为有 无电气比例阀进行二次充气时的测试曲线比较。 02 04 06 08 01 0 01 2 0 曲线：气路中无电气比例阀进行二次充气 曲线：气路中有电气比例阀进行二次充气 图2 9 有无电气比例阀二次充气的测试曲线比较 t ( a ) 由图2 9 中的测试曲线可看出，在气路中增加电气比例阀后，系统平衡阶段 的曲线基本为直线状态，在经过稳定的平衡期后，测试阶段的直线上升趋势与没 有电气比例阀时相比更为明显，因此更能在较短的时间内有效地测试出泄漏率的 值。 器滤镳l o 0 0 o 0 o o 蜘蚕 撇瑚 m 咖 第二章检漏仪系统设计与计算 ( 2 ) 在系统中增加1 2 升缓冲罐，一是为了避免每次测试开始气源对系统的冲击太 大，二是尽可能的减少气源与罐内气体的温度差。为避免电磁阀切换时产生的热 量对系统内的气体温度产生影响，阀y 1 一y 5 采用气控阀而不是电磁阀。因为对 这些阀的精度要求不是很高，所以只要保证其工作可靠就可以，因此气控阀选用 了专业生产阀门的历史悠久的德国盖米公司的角座阀。 ( 3 ) 气控阀y 3 、y 4 要在充气二阶段打开，以避免高压对差压传感器的冲击。 2 5 检测过程分析 在整个测试过程中，包括充气、平衡、检测、排气四个环节，过程如下： ( 1 ) 充气环节 充气一：打开气控阀y 1 、y 5 ，测试的压缩空气通过y 1 、y 5 充入基准品和 测试品内。 充气二：关闭阀y 1 ，打开阀y 2 、y 3 、y 4 ，使测试压空气通过电气比例阀b y 对标准品与测试品充气。经过反复实验比较所得的结果，此阶段充气压力应在 3 8 1 2 k p a 之_ 间，这是因为若是压力太大时，压力太大会使系统在平衡阶段需要 更长的时间，同时会产生较大的温度升高而影响测试精度；而若压力太4 , n 在测 试泄漏时，漏出的气体也会较少，压力降不明显，当泄漏较小时，系统无法检测 出泄漏，从而使系统测试精度降低；或者因为泄漏量太小不得不延长检测时间， 因此影响生产节拍。 ( 2 ) 平衡环节 阀f y 2 关闭，切断气源，等待基准品和测试品内的空气趋于稳定。这个环 节有两个作用：1 ) 使得基准品和测试品内的压力与温度状态完全一致，从而在检 测环节才能准确判断因泄漏而在基准品和测试品内产生的压力差；2 ) 对系统因充 气而引起的温度升高经过此环节后有一定的补偿作用。由图2 9 的曲线可以看 出，正因为平衡环节的平直的平衡曲线，在测试环节差压值才显示出显著的变化， 从而使测试结果精确可靠。 在该环节还要判断是否存在大泄漏。当被测物存在大泄漏，系统的压力在这 一阶段无法上升到需要的测试压力，则通过直压传感器检测判断并使系统报警， 并直接进入排气环节。如没有大泄漏，则继续进行下一环节检测环节。 ( 3 ) 检测环节 阀门y 5 关闭，切断测试品与标准品之间的气路，从而检测测试品与标准品 之间的差压值，进而判断测试品有无微小泄漏。若被测工件有泄漏，那么它内部 的压力将随着气体的泄漏逐渐同基准物内的压力相比有一个差压，此差压值由差 压传感器测出，并通过转换为电信号后采集到此差压值，从而作出合格或不合格 的判断。工件泄漏较大时，差压传感器的压力时间的变化率较大，变化率a p t 第二章检漏仪系统设计与计算 也较大，反之变化率较小，泄漏率也较小，所以差压传感器的压力一时间的变化 能充分反应泄漏量的大小。通过计算这个变化率a p t 的大小来确定泄漏量。 “) 排气环节 阀门y 6 打开，将检漏仪内部以及被测物和基准物内的空气排放到大气中。 当实际泄漏量大于设定泄漏标准时，判定为不合格，否则判定为合格。 2 6 测试环节的参数设置 测试的每个环节的设置都会直接影响到测试结果，所以每个环节时间和压力 的设定都要考虑被测物的容积、最大允许漏气量和测试压力三个要素，并根据被 测物的形状、材质、测试环境、要求的检测速度、精度等具体情况进行计算，调 试出各个环节的参数，以保证测试系统的可靠性。而为了适应生产现场的实际工 况和生产线的生产节拍，使测试在规定的时间内完成，在保证测试精度的前提下， 必须尽量缩短各个环节的时间设定。同时还依赖于生产现场的实际情况，根据经 验合理得选择各个环节的时间及工作压力。 2 6 1 测试压力 测试压力的大小会直接影响系统的测试精度、测试时间和测试的稳定性，是 最为重要的参数之一。测试压力的选择要根据被测物的大小、测试时间的长短、 现场环境来确定。一般情况下，测试压力越大，泄漏也越快，测试需要的时间就 短，测试的精度也越高，如图2 - l o 所示为测试压力分别为8 k p a 、l o k p a 、1 2 k p a 时 的差压曲线；但测试压力越大，也会有如下影响：( 1 ) 充气阶段的温升也越大， 即使在差压测试系统中，温升对测试的最终结果产生影响；( 2 ) 同时，测试压力 过大的情况下，系统的平衡时间也越长，反而会增加了测试的整体时间，如图2 - 1 1 如) 曲线i ：测试压力为8 k p a 时的差压曲线 曲线i i ：测试压力为l o k