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

摘要：为准确有效检测氧弹量热仪中氧弹的安全性能，解决目前人工千分尺测不准的问题，研制一种量热仪氧弹自动检测装置。该装置经液体加液，用电涡流测距传感器测氧弹形变，测量范围0～6mm，分辨率1μm，准确度0.2%，压力范围0～25MPa，准确度等级0.05级，满足DL/T661-1999《热量计氧弹安全性能技术要求及测试方法》对氧弹安全性能检测要求。装置操作自动化程度高、准确、安全，可作为计量部门对量热仪氧弹安全性能检测标准装置。

关键词：氧弹;电感应涡流测距;自动检测装置;安全性能

中图分类号：TH71 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）08-0124-06

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

收稿日期：2018-08-31;收到修改稿日期：2018-10-21

基金项目：湖南省科技创新计划资助（2018XK2008）

作者简介：张遥奇（1963-），男，湖南长沙市人，高级工程师，主要从事计量检测方法与管理研究。力部DL/T 661-1999《热量计氧弹安全性能技术要求及测试方法》147、煤炭部MTT 737-1997《量热仪氧弹安全性能检验规范》157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，目操作麻烦，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、气腋换向单元、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。

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4.0MPa+0.2MPa，气体压力加压系统测量范围为0～6MPa，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20MPa，压力表0.1级，形变量测试应小于0.13mm，永久变形量测量系统位移传感器测量范围为0-2mm，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0～1mm，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。

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jl，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，并生成互感電动势产生电流，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]。

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。

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0～1.00mm。

2.1.2 弹性变形量测量功能

加水压至20MPa，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0～40MPa，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20MPa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60MPa;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4.0MPa+0.2MPa空气后，3min后测量压力，10min内变化量小于2kPa。如图5所示，氧弹内每次加人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。

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。

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

s=e/d（1）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：

a=（2πf）²d（2）

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：

计算相对值：

3.2 不確定度传播律

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u_rel（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10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u_rel（e）。根据数表证书误差为0.21mV，在100mV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u_rel（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u_rel（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：

u_rel（s）=k×u_crel（s）=2.1%

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

[1]莫晓山，胡彪，许光平，等.可燃物质热值测量仪—氧弹量热仪综述[J].计量技术，2014（2）：23-26.

[2]氧弹热量计性能验收导则：GB/T31423-2015[S].北京：中国质检出版社，2015.

[3]氧弹热量计：JJG 672-2001[S].北京：中国计量出版社，2001.

[4]热量计氧弹安全性能技术要求及测试方法：DL/T661-1999[S].北京：中国电力出版社，1999.

[5]量热仪氧弹安全性能检验规范：MT/T737-1997[S].北京：中国煤炭工业出版社，1997.

[6]左钢.氧弹水压试验方法的改进[J].中国计量，2010（1）：74.

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[11]SMITH R A，HUGO G R.Transient eddy current NDTfor ageing aircraft-capabilities and limitations[J].Insight：Nondestruct Test Condition Monitor，2001，43（1）：14-25.

[12]CLAUZON T，THOUOM F，NICOLAS A.Flawscharacterization with pulsed Eddy current NDT[J].IEEETrans Magnet，1999，35（3）：25-29.

[13]莫晓山，周国雄，陈宪.基于VC技术的计量仪器证书自动生成系统[J].计量技术，2011（8）：57-59.

（编辑：李刚）