Автоматизация испытаний изделий на герметичность с использованием вибрации

    Рисунок 1 – Микроманометрическая измерительная  схема с фотоэлектрической следящей системой 

    Измеряемая  микроманометром разность давления определяется по перепаду уровней жидкости в сосуде и трубке.

    Наряду  с высокой чувствительностью к изменению давления микроманометр прост по конструкции, малогабаритен и удобен с точки зрения автоматизации процесса измерения малых изменений давления.

    4.2 Описание процесса измерения

    Внутрь  испытываемого изделия 1 и эталонной емкости 3 подается воздух под давлением 0,12 МПа при открытых клапанах 2 и 6. В дальнейшем закрывается клапан 2 и после небольшой выдержки для выравнивания давления в обеих полостях клапан 6, разобщая изделие и эталонную ёмкость. После этого открываются клапаны 11 и 12 и начинается процесс контроля герметичности Уменьшение давления в изделии 1 в результате утечки воздуха через течь приводит к перемещению уровня жидкости в трубке микроманометра 3 при открытых клапанах 11 и 12.

    

    Контролируемое  1 изделие и эталонная емкость разделены между собой жидкостью, заключенной в микроманометре 3, с одной стороны, и клапаном 6 — с другой стороны. 
 

      

    Рисунок 2 – Обобщенная гистограмма распределения  утечек воздуха при контроле герметичности  теплообменников [2] 
 

    При отключении контролируемого изделия необходимо предварительно закрыть клапан 11 во избежание выброса жидкости из-за образовавшегося перепада давления. Клапан 6 обеспечивает приведение схемы в исходное положение после окончания процесса контроля.

    Предельное значение чувствительности схемы составляет 10 см³/мин. [1] Таким образом, чувствительность жидкостного микроманометра достаточна для контроля герметичности теплообменников. Это подтверждается гистограммой распределения утечек воздуха при контроле герметичности теплообменников (рисунок 2), которая показывает, что более 80% утечек воздуха лежат в диапазоне от 0 до 100 см³/мин.

    4.3 Фотоэлектрический способ регистрации герметичности

    Для преобразования величины утечки в электрический сигнал часто применяется фотоэлектрические элементы (фотосопротивления, фотодиоды и т.д.). Применение фотоэлементов обусловлено рядом преимуществ, главными из которых являются бесконтактность измерения, их высокая чувствительность, малые габариты.

    Один  из способов применения фотоэлементов основан на свойстве стеклянной трубки, заполненной жидкостью, фокусировать световые лучи источника света на поверхность светочувствительного слоя фотоэлемента. Это свойство иллюстрируется на рисунке 3. Лучи света, фокусируясь на фотоэлемент, вызывают увеличение тока в электрической цепи. Причем фоторезистор, находящийся точно на линии фокуса стеклянной трубки при соответствующем напряжении питания, имеет резко выраженный максимум тока. Любое отклонение фотопреобразователя на некоторый угол от линии фокуса приводит к уменьшению величины выходного тока. 

    

 

    Рисунок 3 – Принцип фотоэлектрической регистрации герметичности изделия 

    Указанные свойства стеклянной трубки (пустой и заполненной) позволяют применять ее для построения системы поиска уровня жидкости в микроманометре и определения герметичности изделия по изменению этого уровня жидкости,

    Рассмотрим подробнее схему слежения за уровнем жидкости (см. рисунок 1).

    Электрическая часть схемы состоит из двух малогабаритных фоторезисторов 10, лампочки-осветителя 9, размещенных на подвижной каретке 8, электродвигателя переменного тока 5. Перемещение каретки 8 осуществляется электродвигателем 5 с помощью винта 7.

    Цикл  работы начинается с подачи сигнала  для поиска уровня жидкости. В результате поиска один из резисторов оказывается ниже уровня жидкости, второй — выше, т. е. нижний резистор освещается сфокусированным пучком света и имеет малое сопротивление, верхний из фоторезисторов освещается несфокусированным пучком света и имеет большое сопротивление. При такой комбинации сигналов происходит остановка двигателя и подготовка системы к началу контроля герметичности.

    

    Если  теперь в процессе контроля герметичности уровень жидкости поднимается вверх, что говорит о наличии негерметичности в изделии 1, происходит засветка верхнего фоторезистора и систему управления поступает сигнал об изменении уровня жидкости.

    При герметичном изделии комбинация сигналов фоторезисторов сохраняется до конца цикла, и после окончания выдержки.

    Работа  данной схемы циклическая. Цикл работы определяется прежде всего временем, необходимым для определения самых минимальных негерметичностей, характерных для изделий, и устанавливается заранее.

    Фотоэлектрические датчики выполнены в виде самостоятельных узлов.

    В качестве фотоэлектрических преобразователей использованы малогабаритные фотосопротивления. Датчики могут работать как в непрерывном, так и в пороговых режимах. С помощью датчиков можно определять изменение положения уровня жидкости в наклонной трубке с точностью ±1,0 мм, что эквивалентно изменению давления 0,2 мм вод. ст. Подобная чувствительность позволяет применять фотоэлектрические датчики для высокочувствительного контроля герметичности изделий.

    4.4 Цель использования в установке вибрации

    Особенностью  движения жидкостей, их смесей и растворов через капилляры и узкие щели является уменьшение (вплоть до прекращения) утечки с течением времени вследствие облитерации этих каналов.

    Одна  из причин уменьшения утечки жидкости — образование слоя адсорбированных  на их поверхности молекул жидкости. Толщина этого слоя зависит от молекулярной структуры жидкости и для некоторых жидкостей может составлять несколько микрометров, поэтому при течении жидкости через малые зазоры этот слой может существенно уменьшить площадь поперечного сечения зазора или даже полностью его перекрыть. Процесс «зарастания» щели наблюдается даже при отсутствии течения жидкости.

    Облитерация каналов происходит также вследствие их засорения твердыми и смолообразными частицами, находящимися в жидкости они образуют у твердых стенок рыхлые структуры, способные выдерживать большое гидростатическое давление, но легко разрушаемые, например, с помощью вибрации или при пульсирующем изменении давления жидкости [3].

    

    Кроме того, испытания изделий на герметичность в условиях производства производятся при статических давлениях, а в реальных условиях .большинство полых изделий работают при знакопеременных нагрузках и утечки через микрощели существенно интенсифицируются. Результаты испытаний влияния вибрационной нагрузки на герметичность фланцевых соединений показывают, что приложение вибрации снижает герметичность соединения [4].

    Поэтому с целью приближения условий  испытаний изделий к работе радиаторов в эксплуатационных условиях и повышения эффективности контроля герметичности изделий путем интенсификации утечек через микрощели и уменьшения общего времени испытаний в данной установке при испытании изделию сообщают вибрацию (механические колебания) с заданными амплитудой и частотой. Для этого в установке предусмотрен вибростол с приводом от электродвигателя с эксцентриком. Также имеются датчики для контроля амплитуды и частоты колебаний изделия (акселерометр) и система поддержания заданных параметров вибрации. 

 

     5 Блок нормализации  сигналов от датчиков  и ввода их в УВМ

    В блок нормализации сигналов датчиков и ввода их в МСУ входят:

    - модуль ограничения аналоговых  сигналов по максимуму и выбора необходимой чувствительности аналоговых измерительных преобразователей на резисторах R1 – R31 (нечетные номера), R2 – R32 (четные номера) и стабилитронах DV1 – DV16;

    - модули усиления и фильтрации  аналоговых сигналов Е1.1 – E1.16;

    - модули  формирования инициативных сигналов от аналоговых датчиков Е2.1 - Е2.6;

    - модули ввода в MСУ дискретных сигналов Е.3.1 – Е3.13;

    - модуль  коммутаторов, АЦП и параллельного интерфейса ввода аналоговых сигналов от ИП а МСУ;

    - разъемы XI, Х2, ХЗ, Х6, Х7, Х8, Х9.

    Разъем X1 содержит электрические цепи D0 - D7, А0, А1, I/OR и I/OW и другие и обеспечивает управление работой параллельного интерфейса DD10, АЦП DC11 и коммутаторов DD6, DD7, DD8. Все эти устройства входят в модуль под названием "Модуль коммутаторов, АЦП и параллельного интерфейса ввода аналоговых сигналов от ИП в МСУ". К этому же модулю подключен также разъем Х2 с линиями связи 12 - ВК107 и Р1.5 - READY внешний.

    На  разъем Х3 выводятся инициативные аналоговые сигналы от компараторов Е2.1 - Е2.6. Этим сигналам присваивается обозначение IR7 – IR11 для последующего подключения к входам контроллеров прерывания.

    Разъем  Х6 предназначен для подключения аналоговых датчиков. Аналоговые сигналы от датчиков должны иметь токовый выход 0-5 mA. На входном разъеме Х, указывают обозначение измерительного преобразователя (датчика), или преобразователя сигналов, от которого сигнал подается в МСУ, и номер позиции. 

    Для усиления аналоговых сигналов от измерительных  преобразователей, а также для  уменьшения пульсаций сигналов и  недопущения прохождения в МСУ  колебаний частотой 50 и 100 Гц используются входные модули усиления и фильтрации аналоговых сигналов Е1.1 – Е1.16. Развернутая схема модуля содержит три операционные усилителя DA1 - DA3 типа К140УД1В, режекторный (заграждающий) Т-образный RC - мостовой фильтр, настроенный на 50 Гц, и Т-образный фильтр низкая частот с частотой среза 5.0 Гц.

    Усилители DA1 - DA3 имеют по два входа прямой и инверсный. На усилитель DA1 входной сигнал подается на инверсный вход. Через резистор R52 осуществляется положительная обратная связь, На выходе усилителя DA1 сигнал инвертируется. Инвертирование сигнала обеспечивает дополнительное ограничение сигнала по максимуму. На усилитель DA2 входной сигнал поступает на прямой вход, а сигнал обратной связи - инверсный вход, что обеспечивает отрицательную обратную связь (улучшающую качество выходного сигнала).

    Усилитель DA3 включен аналогично усилителю DA1 с положительной обратной связью через конденсатор С6. Резисторы R51, R57, R62 являются резисторами смещения рабочей точки усилителей. Резисторы R52, Р.58, R60, R61 обеспечивают обратную связь сигналов по постоянному току, а конденсаторы С4 и С6 - обратную связь для сигналов переменного тока.

    Резисторы R1 и R2 предназначены для формирования потенциала рабочей точки на входе микросхемы DD5.1 типа К155ЛН1 и для ее четкого срабатывания при изменении состояния контакта дискретного датчики или другого устройства, подключаемого к линии связи 1. Когда контакт, соединенный с линией связи 1, разомкнут и не соединяет линию связи 1 с корпусом модуля, тогда на выходе модуля в линии 140 U=1, а когда этот контакт замкнут и линия связи 1 соединена с корпусом модуля, тогда в линии 140 U=0 . Значения логических сигналов на выходе модуля согласованы для работы в схемах с микропроцессором КР560ИК80А.

    

    Конденсатор С1 предназначен для исключения ложных срабатываний микросхемы DD5.1, то есть защищает модуль от "дребезга" контакта, который подключается к линии связи 1.

    Резистор  R3 предназначен для отвода потенциала с линии связи 140 на корпус, когда выход элемента DD5.1 переключается в нулевое состояние.

    На  выходе усилителя DA3 установлен Т – образный фильтр низших частот (пропускает на выход низкие частоты) на резисторах R59 и R61 и конденсаторе С5. 

    При автоматизации технологических процессов иногда требуется пассивные аналоговые сигналы, поступающие в МСУ через модули усиления и фильтрации, преобразовать в инициативные сигналы. Такая необходимость возникает, например, при организации световой и звуковой сигнализации или при переходе на подпрограмму для выполнения необходимого технологического регламента. По каждому регулируемому параметру при разработке систем автоматизации и управления обычно предусматривается по четыре сигнала. Первые два сигнала выводятся на сигнализацию о том, что значение регулируемого параметра выше или ниже рекомендуемого предела, то есть используется как предупредительная сигнализация об отклонении технологических параметров от нормального хода. Вторая пара сигналов обеспечивает аварийную сигнализацию, которая выводится или только на пульт управления, или осуществляет также и аварийные переключения исполнительных механизмов или приводов технологического оборудования. Кроме сигналов на сигнализацию от каждого из аналоговых датчиков могут формироваться дополнительно по одному или по несколько инициативных сигналов различного уровня.