量热仪氧弹自动检测装置研究

量热仪氧弹自动检测装置研究
张遥奇; 刘思潮; 苏龙; 胡彪; 莫晓山; 邓月明
【期刊名称】《《中国测试》》
【年(卷),期】2019(045)008
【总页数】6页(P124-129)
【关键词】氧弹; 电感应涡流测距; 自动检测装置; 安全性能
【作者】张遥奇; 刘思潮; 苏龙; 胡彪; 莫晓山; 邓月明
【作者单位】湖南省计量检测研究院湖南长沙410014; 湖南师范大学信息科学与工程学院湖南长沙410081
【正文语种】中文
【中图分类】TH71
0 引言
氧弹是量热仪中的关键部件，试验时内部会产生高压[1]，如果氧弹存在安全隐患，会发生爆炸事故。

为保证量热仪氧弹的使用安全，国家标准GB/T 31423—2015《氧弹热量计性能验收导则》[2]、国家检定规程JJG 672—2001《氧弹热量计》[3]、电力部DL/T 661—1999《热量计氧弹安全性能技术要求及测试方法》[4]、煤炭部 MTT 737—1997《量热仪氧弹安全性能检验规范》[5]等对氧弹安全性能
提出了检验要求，如其中DL/T 661—1999 对氧弹的耐水压、弹性变形、永久变形、连接环与杯体的螺蚊松动度等技术参数进行检测。

但标准和规范实施多年来一
直没有相应的满足全部要求的专用检测设备，标准规范没有得到有效实施，对氧弹安全性能检测的可操作性带来很多的困难，也给氧弹使用带来了较大的安全隐患。

电力部DL/T 661—1999 中长度参量测量采用千分尺，该方法测量的不确定度较大，且操作麻烦，实施难度大，目前有压力测试装置[6-7]，但没有自动尺寸测量
装置。

针对以上情况，本文采用电感应涡流测距[8]等技术，研制一种量热仪氧弹
自动检测装置。

1 试验装置组成及原理
1.1 试验装置组成
装置主要由气压气密性单元、气/液换向单元、水压耐压测试单元、形变微距检测
单元、精密压力测量及主控单元、步进电机精密控制旋转定位单元、计算机通信及控制单元组成。

图1 为氧弹自动检测装置结构原理图，图2 为氧弹自动检测装置
主视图，其技术参数见表1。

图1 氧弹自动检测装置结构原理图
1）气压气密性单元，检测氧弹杯体是否存在气体泄漏等问题。

气体压力为 4.0 MPa+0.2 MPa，气体压力加压系统测量范围为0～6 MPa，准确度等级为0.05 级。

2）气/液换向单元，使用二位三通阀开关，控制气压气密性单元与水压耐压
测试单元，使其中一个导通，另一个则关闭。

3）水压耐压测试单元，实现对氧弹变形进行测量的功能。

水压为20 MPa，压力表0.1 级，形变量测试应小于0.13 mm，永久变形量测量系统位移传感器测量范围为0～2 mm，准确度为0.2%。

4）形变微距检测单元，实现对氧弹螺纹松动度测量的功能。

测量系统位移传感器测量范围为0～1 mm，准确度为0.2%。

5）精密压力测量及主控单元，对测量数据进行分析、传输、控制、显示，采用单片机作为内核处理。

6）步进电机精密控制旋转定位单元，使用步进电机控制传感器探头旋转，可实现45°、72°、36°等角度
旋转。

7）计算机通信及控制单元，对数据进行计算、处理、比较等。

1.2 工作原理
整机系统的工作原理是通过测距探头，首先在氧弹打压前对氧弹尺寸从3 个方向
进行测量，存入计算机；然后用水压加压和气体打压，加压后的氧弹再次用测距探头进行3 个方向的测量。

通过计算机测试软件对数据处理，得出氧弹的耐水压、
弹性变形、永久变形、连接环与杯体的螺蚊松动度、形变量、气密性等结果，判断合格与否，形成检验报告并输出。

图2 氧弹自动检测装置主视图1.主机；2.主控制器主机；3.被测氧弹；4.氧弹压头支架；5.氧弹压头；6.摇柄；7.压力接头；8.测压标准压力模块；9.径向、螺纹形
变测量头；10.形变测量传感器；11.测量头支架；12.测量头安装座；13.氧弹托盘；
14.旋转转台；15.底部传感器安装座；16.底部形变测量传感器；17.压力接口；18.水杯；19.预压泵头；20.主机底脚。

表1 氧弹检测装置技术参数检测项目技木参数描述备注微量形变测量测量范围：0～6 mm；分辨率：1 μm；准确度：0.2%测量间距可调，满足不同规格氧弹水
压耐压范围压力范围：0～25 MPa；准确度等级：0.05级气压气密性范围压力
范围：0～4 MPa；准确度等级：0.05级温度传感器-20～80 ℃；分辨率：0.01 ℃测距探头测距原理如图3 所示。

按照法拉第电磁感应原理，测量探头对准氧弹测
量时，探头线圈两端通以正弦交变电压，导体内将产生感应电流j1，测距传感器
采用电涡流效应。

电流j1流过闭合线圈产生磁场H1，要反抗H1增加，就会在金属导体上生成H2，它跟H1方向相反，并生成互感电动势产生电流，这个电流就
是j2电涡流，这样会导致传感器探头的阻抗相应的变化，探头与氧弹距离越大，
电涡流越小，当磁导率μ、电阻R、线圈圈数、正弦交流电、线圈的形状一定时，电涡流与两者的距离x成线性关系，z=z（x），这就是氧弹测距的基本原理[9]。

该技术应用已在美国、英国及法国的实验室取得了一些成功[10-12]。

图3 氧弹测距探头测距原理
2 试验装置功能特性
2.1 测量功能
2.1.1 氧弹螺纹松动度测量功能
氧弹螺纹松动度是检测螺纹配合之间的间隙，其检测原理如图4 所示，采用高精
度电涡流传感器，增加自动化设备，进行自动检测，集成控制，数据自动处理。

图4 螺纹松动度检测原理图1.氧弹；2.自动旋转定位装置；3.底部形变检测传感器；
4.传感器安装调节装置；
5.中部形变检测传感器；
6.螺纹径向检测传感器；
7.螺纹
轴向检测传感器；8.传感器安装支架；9.机箱主体；10.端盖拖环。

测量内容包括：1)径向松动度，沿氧弹杯体直径方向的连接环与杯体质检螺纹的最大间隙；2)轴向松动度，沿氧弹杯体中心轴方向的连接环与杯体之间螺纹的最大间隙；3)对连接环与杯体间的螺纹松动度测量范围可满足0～1.00 mm。

2.1.2 弹性变形量测量功能
加水压至20 MPa，比较水压实验前后各测量点位置的变化量，包括杯体中部直径和杯体底部中心点位置的弹性变形量。

2.1.3 永久变形量测量功能
与水压实验前比较，得到卸压后各测量点位置的变化量，包括杯体中部直径和杯体底部中心点位置的永久变形量。

测量系统满足氧弹在水压试验中加压前后杯体的弹性变形量的以下规定测量：
1）杯体底部中心点位置弹性变形量；
2）杯体中部直径位置弹性变形量。

2.1.4 液压测量功能
采用测压标准压力模块（如图2 中8），以水为介质，进行液压测量，通信接口为RS232(可选RS485)。

增加自动化设备，进行自动检测，集成控制，数据自动处理。

其中液体压力发生系统由液体压力发生器、测试仪与氧弹连接管路组成。

液体压力
发生器为自动水介质压力源，安全压力范围为0～40 MPa，氧弹实验压力为
20MPa+0.2MPa，满足弹性变形量与永久变形量需加压至20 MPa 的技术要求。

测试仪与氧弹连接管路采用进口高压软管，承受压力60 MPa；安全无泄漏储液罐采用防锈处理，防止生锈。

2.1.5 氧弹气密性测试功能
本文采用泄漏率表示氧弹气密性：氧弹内加入4.0 MPa+0.2 MPa 空气后，3 min 后测量压力，10 min内变化量小于2 kPa。

如图5 所示，氧弹内每次加入空气的
压力不得少于0.0002MPa。

系统由气体压力泵、精密气体压力测量仪表组成。

图5 氧弹气密性测试界面
2.2 旋转定位功能
分度机构（与螺纹松动度测量系统共用）对氧弹测量时旋转角度自动定位，可满足实验时要求的转动72°/5 次 (螺纹松动度实验)、转动36°/10 次 (轴向松动度实验)、转动45°/8 次(杯体中部形变实验)、转动90°(初始状态)。

机构包括自动旋转电机
等零件。

2.3 数据采集、计算及显示功能
通过气压气密性单元、水压耐压测试单元、形变微距检测单元检测出氧弹的螺纹松动度及气密性泄漏率等参数，数据由精密压力测量及主控单元通过通信接口
（RS232）传输至计算机进行处理并同时按标准进行计算，得出结果，数据传输至彩色液晶显示器进行数据显示。

对当前测量值、测量角度及顶端测量值等数据显示如图6 所示。

图6 数据采集、计算及显示界面
3 试验数据及装置测距灵敏度的不确定度分析
依据DL/T661-1999，本装置对氧弹螺纹松动度、径向松动度、轴向松动度、水
压试验、气密性试验等进行测试，测试结果如表2 所示。

氧弹自动检测装置测距传感器，放置在位移传感器检定装置上测量，按照检定规程JJG644-2003《振动位移传感器》，将测距传感器装入检定台上，进行测量，按动态灵敏度公式计算。

3.1 建立测量模型
测距传感器的灵敏度s为测距传感器输出电压与位移量之比，即动态灵敏度公式为
式中：e——氧弹测距传感器的输出电压，mV；
d——位移量，mm。

由于加速度（a）与位移量（d）、振动频率（f）的关系为：
在式（3）中a、 f、e是相互独立的，其氧弹测距传感器的灵敏度的相对不确定度为：
表2 氧弹自动检测结果报表项目名称检测结果标称值MT(煤碳部) 标称值DL （电力部）螺纹径向松动度值Sd/mm 0.42 0.45 0.62螺纹轴向松动度值Sa/mm 0.17 0.27 0.36中部弹性变形量Dn/mm 0.11 0.13 0.13底部弹性变形量Db/mm 0.08 0.13 0.13中部永久变形量PDn/mm 0.01 0.02 0.02底部永久变形量
PDb/mm 0.01 0.02 0.02气密性压力泄漏率/(kPa·min-1) 0.1 0.2 0.2
计算相对值：
3.2 不确定度传播律
引入重复性的不确定分量：
灵敏系数分别为：
3.3 标准不确定度分量的评定
1）测量重复性引入的相对标准不确定度urel（d）。

将氧弹自动检测装置测距传
感器固定在中频振动台上，设置重复性条件下 1 0 次所得：4.30，4.32，4.31，4.29，4.31，4.29，4.31，4.32，4.31，4.32，算术平均值灵敏度为：
单次测得标准偏差：
相对标准不确定度：
属B 类不确定度，正态分布。

2）氧弹测距传感器输出电压测量引入的相对标准不确定度urel（e）。

根据数表
证书误差为0.21 mV，在100 mV 的测量误差上，相对误差为0.21%，属B 类不确定度，均匀分布：
3）检定台输入量加速度引入的标准不确定度urel（a）。

检定台加速度引入的扩
展标准不确定度为2.0%，则：
4）输入量频率引入的标准不确定度urel（f）。

根据数表测量频率，检定证书上
一年的测量精确度指标为0.004%，它的相对标准不确定度为B 类评定，均匀分布，为：
综上，氧弹自动检测装置测距灵敏度不确定度合成如表3 所示。

氧弹自动检测装置测距灵敏度合成标准不确定度为：
取包含因子k=2，氧弹自动检测装置测距灵敏度的相对扩展不确定度为：
表3 氧弹自动检测装置测距灵敏度不确定度合成a重复性测量正态 0.26e输出电压测量均匀0.12α加速度测量均匀 1.0f频率测量均匀 0.002
4 结束语
目前国内氧弹生产企业采用千分尺、水压试验机、不锈钢试验平台、精密压力表对氧弹安全性能的各个参数进行逐一检测，检测过程繁琐，检测精度不高，受环境、人为因素影响大。

氧弹热量计氧弹自动检定装置是专门对氧弹安全性能进行综合测试而开发的一种新型仪器，可通过单台设备对氧弹所有安全技术要求进行测试，并对其是否安全进行判断的多功能综合测试仪。

仪器具有自动化高、操作简单快捷、测量快速准确、性能稳定可靠、证书可自动生成[13]等优点，可作为计量部门氧弹热量计计量标准装置的配套设备或专用于对氧弹安全性能进行综合测试的设备。

参考文献
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