文摘
气动技术以压缩气体为动力来源,但泄漏的天然气管道因密封不良或管道破裂影响气动控制的准确性,气体的流动传播,甚至有害气体的排放。的气密性差压法具有广泛意义的研究紧密泄漏由于其操作简单,检测时间短,精度高。冒泡法、声发射检测方法和直接压力检测方法有困难操作的特点,环境敏感性和较低的检测精度。他们不适合有效的泄漏和高精度检测在严酷的环境。压差法的气密性检测方法具有操作简单,检测时间短,精度高。它有广泛的气密性泄漏的研究意义。目前,差压法的重点是保持相同的充电状态的主槽和槽进行测试。然而,当测试槽的形状不规则或难以复制,不同的主坦克的影响差压法泄漏检测需要考虑。在这项研究中,建立了气体泄漏流计算模型。主槽的固有参数的影响的计算压差,温度差,泄漏两腔之间的模拟分析。 Finally, the master tank is set as a quasi-isothermal cavity, and the tested tank is set as 3 L and 5 L air tanks for leakage test. The maximum error of experiment of 3 L tank reaches 39 mL/min at the later stage of measurement, with a detection deviation of 14.4%. The maximum error of experiment of 5 L tank is 412.4 mL/min, with a deviation rate of 28.3%. This method can detect leakage with high precision in harsh environment.
1。介绍
气动技术是一种传输技术以压缩气体为能源。气动元件及气动系统广泛应用于工厂生产过程的机械化和自动化,因为他们的优点,更少的污染,成本低,抗干扰强,方便维护。目前,在制药、医疗设备、电气、汽车、等行业,气密性检测器用于检测气密性的瓶,罐,管。气密性检测是非常重要的不仅在气动伺服控制系统(1),但也在其他气动领域,如气动传输(2- - - - - -4),地质检测(5)、气动弹簧和半导体制造过程(6),甚至是航天器的在轨运行是非常重要的(7]。
常见的检测方法包括冒泡法、声发射检测方法,以及差压检测方法。泡沫检测方法是传统的气密性检测方法。中主要是水和液体肥皂。测试罐密封,内腔,然后施加一定的压力沉浸在水箱观察是否产生泡沫和气泡的位置,以判断工件是否泄漏和泄漏的位置。检测方法操作简单、成本低的优点。然而,这种方法的效率很低。同时,测试工件必须干和防锈处理后测试。流检测方法是指,当工件漏,封闭的充气室将溢出向外泄漏,泄漏测量工件的定量检测可以通过微流测试人员。工件与小泄漏、流量检测方法需要很长时间。因此,该检测方法适用于工件有大量泄漏。 The direct pressure detection method refers to that the measured workpiece is filled with a certain pressure of gas. If there is leakage, the pressure in the cavity will drop after a certain time of reaction. The detection method has the advantages of simple operation, low cost, and fast detection, but limited by the accuracy of pressure sensor; it can only be applied to the field with low accuracy requirements [8,9]。
在超声波检测方法方面,肖等人讨论孔泄漏所产生的超声波的原理和声压和孔大小之间的关系。泄漏估算方法基于关系和气体泄漏超声检测系统的设计提出了(10]。Piazzetta等人提出了研究超声波泄漏检测技术(11]。王等人提出了一个基于multialgorithm数据融合(超声波泄漏位置方法12)和一个圆柱形容器漏气位置方法基于环形超声波传感器阵列(13]。此外,有一个负压波管道泄漏检测方法(14),或建立功能关系产品的泄漏和其他影响因素,判断泄漏(15]。一般来说,超声波检测方法很难用于实践中正在运行的设备。类似于超声波法,用于气体检测在液化石油气等特殊场合,使用化学方法检测环境中的气体成分的浓度来确定泄漏(16]。然而,这种方法并不普遍,检测效率普遍较低。
天然气管道泄漏,有些学者提出了一种新的组合优化方法。棕褐色等人提出了一种新的故障诊断的气体泄漏监测传感器基于朴素贝叶斯分类器和概率神经网络(17]。气等人提出了一种新的基于改进的自适应滤波器的泄漏检测方法。该方法的参数优化的粒子群优化算法(18]。Jahanian等人使用扩展卡尔曼滤波器来检测和定位泄漏和使用健壮的扩展卡尔曼滤波器来补偿参数不确定性的影响(19]。Doshmanziari等人使用扩展卡尔曼滤波器的状态观测器开始泄漏检测和使用传感器阵列来改善系统冗余和泄漏估计精度(20.]。但这种方法有大量的计算和检测速度慢。和方法需要确保长管道内的气体,它的应用条件是有限的。
压差检测方法类似于直接压力检测方法。压差检测方法也需要预先填充气体的测试工件一定压力,但这种方法需要一个主工件作为比较对象。测试工件有泄漏时,两者之间的压差由压差传感器检测到泄漏是根据这个计算。当所选主工件的结构完全一致的测量工件,检测过程中存在的所有误差因素可以近似忽略,和差压传感器的准确性高,所以差压检测方法能够准确地检测工件小泄漏。压差法研究相对较少,研究是使用相同的主油箱测试箱,如赵et al。21研究了差压法。然而,这种方法不考虑造成的差异的不同温度变化两个油箱。这种方法很难推广,因为很难保证两个油箱的一致性。当测量油箱不规则形状或体积太大的过程,有必要研究非对称缸的压差检测泄漏。
为了解决存在的问题在上面的泄漏检测方法,提高差压检测方法,以及基于等温室气密性差压的方法进行了研究。通过模拟不同温度的影响参数或卷在测量阶段和是否使用quasi-isothermal腔压差法的测量结果进行了分析。压差的影响方法和不同的体积和泄漏的影响结果进行了验证,以及通过quasi-isothermal气密性腔的测量实验。
2。方法
2.1。差压方法的介绍
压差气密性检测的原理是基于理想气体状态方程,和气体泄漏率的计算方法是通过检测压力容器的变化。在一定数量的容器泄漏一定量的气体,容器内的压力会压降相对于前一个。因此,容器内的实际气体的泄漏率可以通过测量压降计算在特定时间内容器。差压泄漏检测实验可以完成结构如图1。
的流动压差检测方法如下:charging-balance-measurement。开关阀动作和能量交换状态在每一阶段将在下面详细分析。(1)充电阶段
在这个阶段,两个进气阀门同时打开,和空气源将收取主室和测试室在同一时间,直到达到设定压力。在这个阶段,有主之间的质量交换室,空气源和与外部环境热交换。还有测试室和空气源之间的质量交换,质量与外部环境交换引起的泄漏,并与外部环境热交换。(2)平衡阶段
在这个阶段,两院的进气阀门关闭中断充电过程,然后主室之间的连接和测试室打开连接一段消除两院之间的温差和压差不平衡引起的通货膨胀,直到两院的温度恢复正常温度。(3)测量阶段
当主室和测试室的温度恢复到室温,连接阀关闭隔离两院开始检测和判断室泄漏的信号微分压力计。在这个阶段,理论情况只有当没有存在两个蛀牙和环境之间的热交换。然而,在实际测量中,通常会有温差的两个蛀牙和环境检测阶段由于平衡时间不足。在这种情况下,需要考虑相应的换热的影响。
2.2。充电过程建模
在通货膨胀阶段,主腔,它获得了能量守恒定律的。 在哪里 标准的充电质量流室,可以计算(2)。是主之间的换热腔和外部环境,与温差之间的关系,换热面积、传热系数(3)。
主室中的气体被视为理想气体,和理想气体的状态方程。
上面的方程(4)和(5)可以描述压力和温度的变化在主室充电。
测试室,与上述类似,方程(6)和(7)可获得根据能量守恒和理想气体状态方程。所不同的是,也有质量交换室的泄漏造成的。
考虑到泄漏质量流量远比通货膨胀质量流量,泄漏造成的影响可以忽略在收费阶段,和方程(6)和(7)可以简化为以下两个方程。 在哪里 可以通过公式计算的
2.3。测量过程建模
在测量过程中,空气源中断充电两院,两院是相互孤立的。在这个阶段,主室只有与环境热交换,而室测量与环境的热交换,和质量是减少由于泄漏。
主室,充电质量流充电状态方程(4)和(5)是为零,可以获得以下测量过程状态方程,所示
同样,充电测试卷的质量流充电状态方程(6)和(7)是零,以下测量状态方程(12)和(13得到了)。
理论上,当平衡时间足够长时,两个蛀牙的微分方法零,那么上面的方程(14)可以简化如下: 也就是说,
3所示。仿真结果
3.1。模拟的结构
仿真系统提供了输入流和泄漏流和计算主室和测试室的压力和温度,然后将它带入泄漏公式。比较泄漏的输出值与给定的漏流公式可以反映公式的有效性。
仿真,设置充电容量和泄漏量,分别表达了阶跃函数。仿真时间20秒。泄漏量的测试室1 L / min,和主室的泄漏量为零。其中, - - - - - -函数在MATLAB程序的标准腔状态包括初始化、微分计算,输出。充电和渗漏作为输入和 ,和空气罐的压力和温度作为中间变量。
在同时初始化的参数如表所示1。仿真后,压力和温度的值主室和测试室,和公式(16)是用来计算仿真结果的泄漏。
3.2。体积之间的关系和计算泄漏
为了得到主室的体积之间的关系和泄漏检测,测试卷5 L,铜用作传热材料,传热面积设定为0.02米2和主室设置为不同的卷3 L, 5 L, 10 L。传热的情况是一样的,测试室。在充电和平衡阶段,两个坦克的压力达到5条,和温度达到300 K,然后,泄漏信号1 L / min。根据仿真框架,计算泄漏和计算数据返回给倒MATLAB工作区域。结果如图所示2。
(一)
(b)
(c)
泄漏检测的过程中,两个油箱的压力下降,但下降幅度是不同的。他们的差异可以反映泄漏。如图2(一个)之间的压差不同的主坦克和测试坦克可以看到。当两个油箱的卷是相同的,压差增加缓慢。当主槽的体积越大,压强差急剧增加。在那之后,振幅增加缓慢。当主槽的体积更小,主槽的压力下降的速度比测试的坦克在最初的阶段,因为压强成反比体积根据理想气体状态方程,然后,两个油箱之间的压力差变得积极和持续增加,这是由于泄漏测试。
就温度而言,不同主腔的温差曲线如图所示2 (b)。在泄漏检测过程中,总体趋势两个油箱的温差增加,但是对于3 L油箱,温差增加近2 K,然后减少。3 L油箱,温差增加了3.7 K,然后减少到5 L曲线一致。它可以推断出,当主油箱的体积是一样的测试箱,温度差异增加稳定和缓慢。当标准油箱的容积较大,温差先增加然后减少,直到达到缓慢增加的趋势。当标准油箱的容积小,温差先增加然后减少,直到达到缓慢增加的趋势。更大的油箱的容积的差异,波动越明显。
计算泄漏,泄漏计算值为10 L油箱减少从超过9 L / min,然后慢慢增加到1 L / min后约25。5 L油箱泄漏计算更快的达到约1 L / min,和3 L油箱泄漏的增加从9 L / min,直到它是稳定的。
3.3。传热系数之间的关系和计算泄漏
获得传热系数之间的关系的主腔和泄漏检测、主音量的传热材料室不同传热材料是铜,铁,铝,5 L的体积,传热面积0.022,所以不同传热材料的传热系数将401 W /可,237 W /可分别和80 W /可。在充电和平衡阶段,两个空气槽的压力达到5条,和温度达到300 K;然后,提供1 L / min的泄漏信号。根据仿真框架,计算泄漏和计算数据返回到工作区域。结果如图所示3。
(一)
(b)
(c)
泄漏检测的过程中,两个油箱的压力下降,但下降幅度是不同的。他们的差异可以反映泄漏。在上面的图所示3(一个)之间的压差不同的主坦克和显示了测试箱。当两个油箱的传热条件是相同的,压差增加缓慢。当铝用于传热、压差急剧增加,然后,增加幅度放缓。铁是用于传热时,情况是在中间。
就温度而言,不同主腔的温差曲线如图所示3 (b)。在泄漏检测过程中,总体趋势的温差两个油箱上升缓慢,但是对于铜油箱,温差增加稳定和缓慢。铝油箱,温差增加,然后缓慢下降。铁是用于传热时,情况是在中间。可以看出,油箱的传热材料严重影响了温差的计算。
泄漏计算,计算泄漏油箱减少铝的价值从13.91升/分钟,铜油箱的计算值稳定在1 L / min,和铁油箱的计算值降低7.79升/分钟。可以看出,保持传热材料相同的材料作为测量油箱可以有效地缩短测量时间,确保测量精度。否则,选择材料与传热系数也可以有效地缩短泄漏的时间计算。
3.4。传热面积之间的关系和计算泄漏
同声传译的传热面积之间的关系的主腔和泄漏检测,5 L作为测试柜的体积,和铜用作传热材料,传热面积是0.02米2。主室与不同的传热面积是0.02米20.05米,2,0.1米2,其他情况下是一样的测试腔。两个坦克的压力可以达到5条在充电和平衡阶段,和温度达到300 K。然后,它提供1 L / min泄漏信号,并根据模拟计算泄漏框架,和计算数据返回给反向MATLAB工作区域。结果如图所示4。
(一)
(b)
(c)
如图4(一)之间的压差不同主油箱和测试坦克可以看到。在初始阶段,传热面积越大,主室压力下降越快,所以压差是负的。然而,随着漏风的进步,压力差为0.1 m2后增加1 s,最终趋势是增加的。
在温度方面,不同标准的蛀牙的温差曲线如图4 (b)。在泄漏检测过程中,温差的总体趋势是上升缓慢,但主腔的温度大的传热面积迅速减少,导致温差首先消极,然后慢慢达到积极的。
计算泄漏,泄漏计算的计算值大的传热面积增加从低角度由于压差低,低温的影响,最后,他们趋向于稳定。
3.5。仿真结果的理想等温腔
Quasi-isothermal腔是指腔具有良好的传热。它使温度不变或增加缓慢,但它不同于理想的等温环境。较理想的环境和真正的quasi-isothermal腔泄漏的计算和仿真图所示5。
(一)
(b)
(c)
理想气体的差压罐连续不断增加,增加的趋势先增加,然后缓慢,而quasi-isothermal油箱的压差几乎增加早期阶段,开始在大约2 s缓慢增加。
就温度而言,理想气体罐连续不断增加和增加慢慢接近7 K在大约5 s,而quasi-isothermal油箱的压差降低到1 L / min,然后增加缓慢。
泄漏方面的计算,计算值的理想气体罐减少从10 L / min和quasi-isothermal油箱增加从5 L / min,直到他们一致。
4所示。实验结果
4.1。介绍实验设备
在实验中,空气压缩机,空气罐,流量传感器,压力传感器,温度传感器,采集设备,主机使用,流量比例阀用于提供泄漏。其中,3 L和5 L用于测试箱,20 L是用于主坦克,高频交易- 800 ECOSO公司提供的传感器是用于流量传感器、铂丝在0-50°C的热敏电阻作为温度传感器,电阻值是收集和转换成电压信号。每个传感器的电压信号计算实际的物理价值上的计算机通过收购委员会USB6001国家仪器公司。比例阀使用FESTO-MYPE系列阀门。阀门阀芯位置控制,可以模拟输入信号转换成相应的阀的开口大小输出端口。实验站点图和结构图如图6。
在实验过程中,阀打开空气罐和充电的空气压缩机,然后打开阀门连接两个空气坦克平衡压力两个空气坦克,然后,两个空气槽的连接阀门被关闭。整个过程记录的传感器,测量结果可以用于计算泄漏。
4.2。实验结果3 L坦克
主的压力空气罐和测试柜3 L在充电过程中是相同的,但他们开始不同的测量。在测量过程中,主槽的压力逐渐降低,因为冷却槽的传热材料,减少压力空气罐,而测试柜的减少因为漏风和冷却。
图7(一个)显示了两院的压力变化。压力是同步的,相对稳定的充电阶段。然而,在测量阶段,由于泄漏的存在和温度,测量室的压力继续下降,从0.44 MPa 0.12 MPa的测量周期从185.3年代到505年代,在主室只受温度影响交流。因此,标准的压力室慢慢减少,降低到0.41 MPa的测量。为了获得实验压差测量离散,根据方程(11)和(13),它是指出差压降和压力降大约满足两个指数函数的减法。由于测量离散值无法计算连续微分数量,安装压差。拟合结果见方程(17)。拟合效果 - - - - - -平方达到0.9999,这表明拟合效果很好。
的导数得到拟合曲线和替换的结果(16)。流值之间的比较图最后获得并收集平滑流量计如图7(b),在测量过程中,最小差异达到0.0037毫升/分钟,最低位置发生在196.3秒的时间,和最大差异达到39 345.3毫升/分钟的年代。检测偏差为14.4%。后期的大偏差的原因测量是由于减少的压力测试室,这是接近大气压力,导致测量精度和减少计算误差。这也表明,该方法具有较高的准确性在高压下,和准确性将减少过度的泄漏。此外,压力传感器具有较高的测量精度和高速度,它克服了低精度和低效率的问题,传统的测量方法。
4.3。5 L罐的实验结果
大师的趋势的压力空气罐和测试柜充电和测量是一致的3 L测试坦克。图8(一个)显示了两院的压力变化。在充电过程中,两人的压力值保持同步,直到他们达到0.49 MPa。然后,两个坦克增加的差异由于主槽和冷却的冷却效果和泄漏测试。测试罐的压力降低到0.14 MPa,而在主槽0.48 MPa。测量开始在183年代和587年代,和结果所示安装
这是显示在图8(b)通过计算5 L罐泄漏值并比较相应的流量检测价值。最小误差为69.68毫升/分钟在183年代,和最大误差为412.4毫升/分钟386.7秒,偏差率为28.3%。类似于在3 L槽实验测量结果,这种方法保持优越的适用性在测量5 L罐泄漏的。
与两个实验相比,压力增加,温度增加5 L罐更强烈,这验证了模拟计算体积和泄漏之间的关系。计算值和检测到的值在容许误差范围内是相似的。和误差主要是由压力传感器的测量误差引起的。
5。讨论
仿真和实验的过程中,压差测试可以得出结论的预防措施。
对称差压检测的基本条件是,两院的温度应该一律平等。然而,由于气体流量和体积的变化在充电时,气体温度测量过程中会改变,导致压力的变化。通过这种方式,不能进行测量,直到气体进入系统达到完全平衡。平衡时间会影响测量的效率。因此,形状、大小、材料和壁厚的样品腔体积应该一样测量工件。同时,应该使用相同的接口密封条件让双方之间的能量交换气体的传感器,以抵消温度对测量过程的影响。
在实验之前,应进行系统泄漏检测。主室和测试室应同时充电。阻止通货膨胀后,保持压力一段系统的真空度是否减少。如果有必要,连接器应该用密封胶密封。由于检测误差造成的压力测试系统的变化,标准和测试材料时,必须充分考虑发展中泄漏检测设备。
真空注入完成后和真空源被切断,主室真空度和测试室可能不等于由于管道的长度,连接管的内径,孔隙大小的液体供应商会。因此,有必要切断之间的路径比较源和测量工件平衡后数秒。这条路是由阀门控制,但当阀门关闭会压力的影响。因此,它应该是稳定的几秒钟在开始测试之前。
6。结论
压缩空气泄漏主要是由气动元件的小孔。然而,当前的方法不能有效地检测到泄漏在严酷的环境和复杂结构的测量腔的情况。提高现有的压差检测方法。通过引入不漏失主腔,参考腔之间的压力差和测量腔泄漏,温度,结合,实现快速提取泄漏,泄漏的精确测量腔。
在仿真中,主腔的固有参数的影响压差,温度差,泄漏测试和计算主腔进行了分析。最后,测试腔设置3 L和5 L罐,分别在实验分析该模型的准确性。实验过程中保持相同漏开的坦克。在这项实验中,最大的实验误差3 L坦克是39毫升/分钟检测误差为14.4%,而5 L罐的最大实验误差是412.4毫升/分钟检测误差为28.3%。它基本上是与仿真结果一致,与先前的泄漏检测方法相比有很大改进。实验还表明,泄漏可以测量快速准确。
在未来的阶段,一系列的改进。不仅温度补偿方法应该用于减少测量时间,还各种泄漏方法和泄漏量应选择使本研究更加普遍。持续改进后,这个泄漏测试方法对提高检验和试验水平具有重要意义和气动元件制造质量,促进气动行业的发展。
命名法
| : | 气源压力 |
| : | 主燃烧室压力 |
| : | 测试室压力 |
| : | 环境压力 |
| : | 主腔体积 |
| : | 气体源温度 |
| : | 主室温度 |
| : | 测试室温度 |
| : | 环境温度 |
| : | 测试腔体积 |
| : | 主腔质量增量 |
| : | 泄漏测试室的质量 |
| : | 测试腔换热 |
| : | 主腔换热 |
| : | 测试腔换热 |
| : | 定容热容 |
| : | 定压热容 |
| : | 主腔声导 |
| : | 在标准条件下空气密度 |
| : | 标准条件温度 |
| : | 主腔临界压力比 |
| : | 散热系数的主腔 |
| : | 散热面积主腔 |
| : | 测试腔声导 |
| : | 测试腔临界压力比 |
| : | 散热系数测试腔 |
| : | 散热面积测试腔 |
| : | 主槽之间的压力差和3 L测试罐(MPa) |
| : | 主舱和5 L之间的压差测试罐(MPa) |
| : | 测量过程的时间价值(年代)。 |
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作得到了中国国家自然科学基金青年基金(批准号52105044),中国国家重点研发项目(批准号2019 yfc0121702),中国国家重点研发项目(批准号2019 yfc0121703)。