毛細(xì)管泄露檢測(cè)研究

無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 華旭奮

中國(guó)汽車(chē)制造業(yè)增勢(shì)迅猛，中國(guó)最大汽車(chē)制造商上汽集團(tuán)股份有限公司在周四的報(bào)告中稱(chēng)其2011年第四季度盈利激增67%，中國(guó)已超越美國(guó)成為全球最大的汽車(chē)市場(chǎng)。隨之帶來(lái)的能源消耗也越來(lái)越大。

電控汽油噴射技術(shù)是目前運(yùn)用最為廣泛的新型燃油噴射技術(shù)，電磁噴油器是發(fā)動(dòng)機(jī)電控噴射系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵執(zhí)行器，它接受ECU送來(lái)的噴油脈沖信號(hào)，精確計(jì)量汽油噴射量。要求其動(dòng)態(tài)流量范圍大，抗堵塞和抗污染能力強(qiáng)以及霧化性能好。其最常見(jiàn)的故障包括噴油器閥芯卡滯、噴油器阻塞和泄漏。當(dāng)噴油器出現(xiàn)泄漏故障時(shí)，會(huì)引起機(jī)械動(dòng)作失效，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

噴油器的型號(hào)是與汽車(chē)型號(hào)相匹配的。生產(chǎn)噴油器的企業(yè)不同，那么生產(chǎn)的噴油器型號(hào)也不同，也就是說(shuō)一旦這個(gè)企業(yè)開(kāi)發(fā)的汽車(chē)使用了某公司的某批噴油器，那就必須一直使用該公司產(chǎn)品，具有很強(qiáng)的依賴(lài)性。而液壓泄漏測(cè)試在噴油器產(chǎn)品眾多性能測(cè)試中占有一個(gè)非常重要的地位，液壓泄漏測(cè)試不合格的產(chǎn)品如果留到客戶(hù)那里會(huì)引起自燃，爆缸等嚴(yán)重的問(wèn)題，所以對(duì)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)噴油器的泄漏檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求非常高的。本文就是對(duì)電磁噴油器在不通電情況下的靜態(tài)泄露檢測(cè)進(jìn)行研究。

圖1 測(cè)量原理圖

圖2 方波和振蕩器產(chǎn)生的脈沖波形

圖3 測(cè)試流程

1.測(cè)量方法現(xiàn)狀

隨著技術(shù)的進(jìn)步及檢測(cè)方法的改善，所謂“絕對(duì)不漏”或“無(wú)泄漏”只是一個(gè)模糊的概念，已經(jīng)不符合生產(chǎn)實(shí)際要求。判別一個(gè)測(cè)量物品漏或者不漏需要一個(gè)更為準(zhǔn)確的、數(shù)量上的標(biāo)準(zhǔn)，特別是對(duì)像噴油器內(nèi)部泄漏這種測(cè)量微小泄漏的場(chǎng)合。

傳統(tǒng)的泄漏檢測(cè)方法是將待測(cè)物品充入一定壓力的氣體介質(zhì)(通常為壓縮空氣)，而后置水中觀察，以被測(cè)物品周?chē)欠癞a(chǎn)生氣泡作為是否泄漏的標(biāo)準(zhǔn)。

隨著工業(yè)控制的自動(dòng)化技術(shù)不斷進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了上、下料機(jī)構(gòu)、自動(dòng)密封裝置及電氣控制、氣動(dòng)系統(tǒng)、液壓、泄漏檢測(cè)系統(tǒng)等等都組合在一條加工生產(chǎn)線(xiàn)上，使得零部件的在線(xiàn)泄漏檢測(cè)成為可能。常見(jiàn)方法有：

(1)壓差法

由于閥后和閥前的壓力差不同，泄漏量不同閥后和閥前的聲音值會(huì)也會(huì)不同，通過(guò)計(jì)算分貝值， 但由于在高壓下液體壓縮性的影響以及泵本身在高壓下的漏失量的影響，誤差也較大。

(2)流量平衡法

將計(jì)量泵設(shè)定的注入流量看成是出口的流量，但由于在高壓下液體壓縮性的影響以及泵本身在高壓下的漏失量的影響，誤差也較大。

2.研究思路

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，引入不銹鋼毛細(xì)管測(cè)量理論，將毛細(xì)管設(shè)計(jì)在噴油器的上方，空氣壓力就施加在從毛細(xì)管到噴油器的這一段液柱上，如果存在一定的泄漏，試驗(yàn)液會(huì)順著縫隙流出噴油器，則存在于噴油器加毛細(xì)管中的液體體積減少。圖1為靜態(tài)泄露測(cè)量原理圖。

在毛細(xì)管中豎立一根金屬針位于毛細(xì)管的正中間，它與毛細(xì)管不直接接觸，并且將其固定在毛細(xì)管正中間的固定物是良好的絕緣體。毛細(xì)管本身也是金屬制成的。這兩個(gè)金屬體之間就形成了圓柱形電容。根據(jù)其間存在的物質(zhì)的介電常數(shù)不同，會(huì)產(chǎn)生不同的電容值。試驗(yàn)液和空氣的介電常數(shù)不一樣，當(dāng)液面從l0下降l1時(shí)，空氣會(huì)占據(jù)更多的體積，兩個(gè)電極間的電容值會(huì)變化。即對(duì)確定的毛細(xì)管來(lái)說(shuō)，通過(guò)毛細(xì)管的液體高度與毛細(xì)管等效電容成正比。如果液體性質(zhì)確定，則只要準(zhǔn)確測(cè)量毛細(xì)管等效電容就能準(zhǔn)確計(jì)量毛細(xì)管中液面高度。也就是將毛細(xì)管當(dāng)做一個(gè)電容傳感器。而微電容傳感器測(cè)量是一項(xiàng)十分成熟的技術(shù)。將毛細(xì)管的這種特性用于液體微流量測(cè)量，將會(huì)很好的解決目前存在的問(wèn)題。

具體應(yīng)用方法如下：將已知內(nèi)徑、長(zhǎng)度參數(shù)的毛細(xì)管設(shè)計(jì)在噴油器的上方，利用電容傳感器測(cè)量電路計(jì)量毛細(xì)管此時(shí)的等效電容，然后利用電容檢測(cè)電路公式即可算出毛細(xì)管內(nèi)液體的準(zhǔn)確高度。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3.泄漏原理描述和公式推導(dǎo)

(1)毛細(xì)管電容和液面高度之間的轉(zhuǎn)換

噴油器的泄漏率就是在額定壓力下，單位時(shí)間內(nèi)從噴油器泄漏出去的規(guī)定介質(zhì)的體積。

假設(shè)有一根長(zhǎng)為L(zhǎng) 厘米，一個(gè)內(nèi)直徑為D毫米的毛細(xì)管，中間的細(xì)金屬絲內(nèi)徑為d，其中有粘度為L(zhǎng)mbar/s的介質(zhì)油，在額定壓力下，假設(shè)在t=t0時(shí)，液面高度為l0，由于噴油器本身的泄漏，存在于噴油器和毛細(xì)管中的液體減少，在毛細(xì)管中的液面會(huì)下降。在t=t1時(shí)，液面高度或下降到l1，如圖1所示。

由于時(shí)間的變化是連續(xù)的，體積的變化是連續(xù)的，液面高度的變化也是連續(xù)的，令毛細(xì)管總長(zhǎng)為L(zhǎng)，液柱長(zhǎng)度為l，忽略由于毛細(xì)管對(duì)地和由于金屬針的支撐件造成的附加電容。所以毛細(xì)管總電容：

當(dāng)液位發(fā)生變化時(shí)，在Δt的時(shí)間內(nèi)液面高度變化了Δl，則電容變化了， 兩邊同處以時(shí)間變化并微分化，推導(dǎo)出：

式②即為液體在毛細(xì)管內(nèi)變化的數(shù)學(xué)公式。從公式可以看出，當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑、外徑一定，液體一定(介電常數(shù)確定)時(shí)，液面高度與電容值成正比關(guān)系。只要準(zhǔn)確計(jì)算電容值就能保證液面高度的準(zhǔn)確計(jì)量。

(2)等效電容的測(cè)量

對(duì)于電容傳感器而言，電容值及電容變化量的讀出是一個(gè)難點(diǎn)。從工業(yè)角度而言，一個(gè)完善的微小電容測(cè)量電路應(yīng)該具備低成本、低漂移、響應(yīng)速度快、抗雜散性好、高分辨率、高信噪比和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)際上常用的是利用電荷轉(zhuǎn)移原理的開(kāi)關(guān)電容電路。但是，開(kāi)關(guān)電容電路組成的測(cè)量電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝精度要求也比較高。 另一種常用的測(cè)量方法是，利用敏感電容的不斷充放電構(gòu)成振蕩電路，振蕩頻率取決于電容值。通過(guò)一個(gè)計(jì)數(shù)電路測(cè)得輸出頻率，可求得敏感電容值，從而反映待測(cè)物理量的變化。本文的設(shè)計(jì)正是基于這種V/T變換原理。

將運(yùn)放組成的振蕩電路產(chǎn)生的方波信號(hào)和參考高頻振蕩器(設(shè)計(jì)中采用的參考振蕩器f=100MHZ，T=10ns)產(chǎn)生的脈沖經(jīng)“與門(mén)”和“與非門(mén)”處理后，由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，將方波高電平時(shí)的計(jì)數(shù)值Z2，乘以10nS就是方波高電平的時(shí)間TH；將方波低電平時(shí)的計(jì)數(shù)值Z1，乘以10nS就是方波低電平的時(shí)間TL，把兩個(gè)時(shí)間相加，就可以得出振蕩器產(chǎn)生的方波信號(hào)的頻率，從而得出敏感電容值，通過(guò)公式③即可得出液面高度，測(cè)量原理如圖2所示。

4.測(cè)試

為了驗(yàn)證上述理論，我們專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了測(cè)試流程，如圖3所示。其中，毛細(xì)管內(nèi)內(nèi)直徑大約為2mm，中間有一根0.5mm的細(xì)金屬絲，毛細(xì)管長(zhǎng)度為60mm；運(yùn)放選用OPA260，低失真：1KHz下0.0003%，低噪聲： ，高旋轉(zhuǎn)率： ，大增益帶寬：20MHz；計(jì)數(shù)器采用一個(gè)8為同步加減計(jì)數(shù)器74F269。其典型計(jì)數(shù)頻率為115MHz；微處理器采用AVR單片機(jī)系列的MEGA128， MEGA 128 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz。測(cè)試壓力：3Bar。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

5.結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出如下結(jié)論：

(1)在測(cè)試壓力保持不變的情況下，毛細(xì)管液面的高度會(huì)隨著時(shí)間的變化發(fā)生不同程度的下降。

(2)測(cè)試壓力的波動(dòng)、測(cè)試液的空氣含量也會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)帶來(lái)影響。

[1]邵東亮等.液體微流量計(jì)量方法研究[J].石油儀器,2005,19(24):69-72.

[2]嚴(yán)劍明.高精度電感傳感器相關(guān)技術(shù)研究[D].黑龍江:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.