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安全阀校验测试仪的研制

2014/11/13 18:42:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  【摘要】在对安全阀校验现状进行分析的基础上,较详细地叙述了安全阀校验测试仪的设计。该测试仪可以对安全阀校验过程中压力和位移进行实时测量,自动识别和显示安全阀的开启压力和开启高度,并具有RS485数据通讯功能。

  1 引言

  安全阀是石油化工企业中一种常用而又重要的设备,它的作用是保证与之相连的压力容器或管路中的最高压力不会超过某一设定值(即安全阀的开启压力),防止重大事故的发生。由于安全阀的开启压力等参数是否满足要求直接关系到整个生产过程的安全,而在使用过程中安全阀的开启压力等参数会发生变化,因此国家劳动部规定必须定期对正在使用的安全阀进行强制性校验。

  2 安全阀校验的现状分析

  安全阀的校验可以分为离线校验和在线校验两种方式。目前,受校验方法及校验设备等方面的限制,绝大多数安全阀都采用离线校验的方式,即将安全阀拆卸下来,放到专用的安全阀校验台架上进行校验,也称为台架校验。目前常见的安全阀校验台架的工作原理示意图如图1所示,利用它进行安全阀校验的过程一般如下:

  (1)关闭排气阀和进气阀,用压板或其他机构将被校验的安全阀紧固在校验台架上;

  (2)打开进气阀,并控制进气阀的开度,使高压气源按一定的速度向校验台架的内腔充气,校验台架内腔的气压值可以从与之相连的压力表上读出。由于安全阀与校验台架的内腔是相通的,腔内的气压也作用于安全阀上,当气压低于安全阀的开启压力时,安全阀无动作;

  (3)操作人员一边调节进气阀的开度,一边注视着压力表的读数,使高压气源继续通过进气阀向校验台架的内腔缓慢充气;

  (4)随着充气时间的增加,腔内气压逐渐升高,当气压升高到某一值时,安全阀开启,操作人员根据开启瞬间排气的声音来判别安全阀的开启时刻,并读下此刻的压力表读数作为安全阀的开启压力。

  (5)关闭进气阀,打开排气阀,使校验台架内腔中的剩余气体排出,并卸下安全阀。

  对上述的安全阀校验过程进行分析可以看出,现有的安全阀台架校验方法存在以下几方面的问题:

  (1)校验结果不准确 由于校验过程中,压力表的读数始终是在变化的,特别是安全阀开启后,校验台架内腔的气体由安全阀排出,压力表读数迅速回落,要精确读出压力表上的瞬间读数是非常困难的,此外,凭声音来判断安全阀的开启时刻也存在较大的误差。因此用该方法很难保证校验结果的准确性,而且校验结果与操作人员的素质有很大的关系。

  (2)校验过程的数据无据可查,校验结果的可信度较低 由于校验结果只是由某一操作人员在瞬间读出的,校验过程中无任何的历史数据记录,校验结果不仅容易被更改,而且当出现争议时,无据可查,使校验结果缺乏可信度。

  (3)操作人员的劳动强度大 在校验过程中,操作人员必须手、眼、耳并用,精神处于高度紧张状态,增加了操作人员的工作强度。

  为了解决安全阀校验中存在的上述问题,开发研制了安全阀校验测试仪,用于自动测量和识别安全阀校验的开启压力和开启位移。

  3 安全阀校验测试仪的硬件设计

  通过认真分析安全阀的校验规程及要求,对所设计的安全阀校验测试仪提出了以下的功能要求:

  (1)能够对压力和位移传感器输出的信号进行变换和测量。

  (2)能够对测量结果进行分析和处理,自动识别开启压力和开启高度。

  (3)仪表应具有必要的显示输出与按键输入功能,用以现场操作和观察。

  (4)仪表应具有计算机通讯接口和相应的通讯接口协议,满足上位计算机自动数据采集的要求。

  根据以上要求设计出的安全阀校验测试仪的构成原理图如图2所示。它由MSP430C325微控制器、压力信号变换电路、位移信号变换电路、键盘显示器、串行EEPROM,RS485接口转换电路等功能模块电路构成。

  安全阀校验测试仪采用美国TI公司生产的高性能16位微控制器MSP430C325作为主控芯片,该控制器内置16k程序存储器和512字节RAM,而且还具有以下显著特点:

  (1)集成度高 MSP430C325的内部集成了6通道14位逐位逼近式的A/D转换器及内部参考电压SVCC、恒流源、84段LCD驱动器、定时器等功能模块。

  (2)抗干扰能力强 MSP430C325的时钟采用外部晶振与内部振荡器锁频的工作方式产生,使得在晶振引脚上出现干扰脉冲时,不会引起运行时钟脉冲的异常变化,从而达到稳定。该微控制器为工业级产品,可以工作在-40~85℃的环境温度中。

  (3)功耗低 MSP430C325的多个内部模块被设计成可关断的,使得它的功耗根据工作组态方式的不同可以有较大的变化。当工作电压为3V时,片内A/D关断时的活动模式的工作电流为400μA,当处于省电模式LPM1~LPM4时,工作电流分别为50μA、6μA、1.5μA和0.1μA.

  MSP430C325微控制器的上述特性使之在检测仪表方面的应用有很大的优势。采用它作为主控芯片不仅简化了仪表电路的设计,而且大大提高了仪表的测量精度和稳定性。

  压力信号变换电路是将压力传感器输出的信号变换处理成适合进行A/D转换的电压(0~5 V)。压力信号变换电路的原理如图3所示,该电路有4个输入端,无需对电路进行任何改动,就可以与0~10 mA、4~20mA、0~5V 3种常见压力输出信号连接,具有较好的适应性。电路中的运算放大器,接成了跟随器方式,大大提高了该电路的输入阻抗,减小了对压力传感器输出信号的影响。电阻R和电容C组成低通滤波器,可以有效抑制信号中的高频干扰。

  位移信号变换电路的功能和原理与压力信号变换电路类似,只是增加了对电阻型位移传感器的输入接口,由于MSP430C325片内集成了恒流源,因此将电阻型位移传感器接到MSP430C325的恒流源输出端就可将位移传感器的电阻变化精确转换为电压变化。安全阀校验测试仪采用LCD显示,可以直接与MSP430C325的LCD驱动端连接,四键的简易键盘也是直接连接到MSP430C325的I/O端口。

  串行EEPROM是用来保存设置的仪表自身参数。RS485接口转换电路将MSP430C325内部的TTL串行信号转换成符合RS485规范的串行信号,实现与上位计算机的通讯。

  4 安全阀校验测试仪的软件设计

  安全阀校验测试仪的软件采用MSP430汇编语言编写而成。软件的主模块流程框图如图4所示。从图中可以看出,安全阀校验测试仪有两种工作状态:仪表参数设置状态和测量状态。仪表工作在哪种状态由上电复位时设置开关的状态来决定,且两种工作状态的切换必须通过重新上电才能实现。

  仪表参数设置模块用于设置压力零点、压力转换系数、位移零点和位移转换系数4个参数。对于线性传感器,通过零点和转换系数的设置可以补偿传感器及仪表自身参数偏差所引起的测量误差,因此可以获得较高的测量精度。为了提高参数设置的灵活性,在软件中设计了直接设置和自动设置两种参数设置方式。直接设置方式就是通过简易键盘直接输入某个参数的数值,而自动设置就是仪表对当前的输入进行测量,并经过运算自动计算出某个参数的值,例如自动设置压力零点时,将压力传感器接入仪表,并使之处于零压力状态,此时按下确认键,仪表将自动对当前的压力传感器输出信号进行A/D转换,并将该值作为压力零点值。仪表参数的设置值保存在EEPROM中,并在每次上电时读出,作为压力和位移测量的计算参数。

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