基于高壓放電的大輸液塑瓶泄漏檢測(cè)技術(shù)研究

嚴(yán)扎杰，任德均，陳儒俠，高永勛，付興勇

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基于高壓放電的大輸液塑瓶泄漏檢測(cè)技術(shù)研究

嚴(yán)扎杰，任德均，陳儒俠，高永勛，付興勇

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

為了驗(yàn)證利用高壓放電進(jìn)行大輸液塑瓶微小泄漏檢測(cè)的可行性，首先對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置建立了等效電路，并進(jìn)行了高壓放電檢漏的原理分析。由此設(shè)計(jì)了實(shí)際實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)通過數(shù)據(jù)采集卡采集試驗(yàn)過程中的電流數(shù)據(jù)，通過基于LabVIEW采集程序的上位機(jī)讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，接著利用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最終經(jīng)過實(shí)際實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了利用高壓放電進(jìn)行大輸液塑瓶微小泄漏檢測(cè)的可行性。

高壓放電；檢漏；數(shù)據(jù)采集；LabVIEW；MATLAB

隨著大輸液塑瓶的廣泛應(yīng)用，由大輸液包裝容器各工藝設(shè)備造成的質(zhì)量問題逐漸暴露出來[1]，如瓶口和瓶蓋等部分熔封不可靠造成的大輸液塑瓶出現(xiàn)微孔或微小裂縫泄漏。輸液瓶一般是微負(fù)壓封口，一旦出現(xiàn)泄漏，空氣中的氧氣、微生物就會(huì)侵入容器，產(chǎn)品可能被氧化，影響產(chǎn)品穩(wěn)定性。且微生物侵入后，如果填充的產(chǎn)品適合微生物生長(zhǎng)，微生物會(huì)迅速繁殖、污染藥品，給病人的安全埋下隱患。對(duì)于大輸液塑瓶傳統(tǒng)采用人工施壓檢漏的方式，既費(fèi)時(shí)又耗費(fèi)人工，還無(wú)法檢測(cè)出微小泄漏。利用介質(zhì)阻擋放電[2]的非接觸式檢漏方式可檢測(cè)微小泄露。本文對(duì)高壓放電狀態(tài)下的大輸液塑瓶建立數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB進(jìn)行仿真分析，在此基礎(chǔ)上，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 檢測(cè)原理分析

高壓放電檢漏法工作原理：將交流電源變頻升壓后，產(chǎn)生的高頻高壓作為檢測(cè)電源的頻率和電壓。當(dāng)包裝容器出現(xiàn)泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)的容器壁電阻和容抗就會(huì)降低，因此與合格品檢測(cè)電流相比，泄露品檢測(cè)電流增大，泄露品檢測(cè)電流與合格品檢測(cè)電流的變化差就是判斷包裝容器泄漏與否的依據(jù)。將相當(dāng)于絕緣介質(zhì)的大輸液塑瓶瓶口部分置于施加的交流高壓電極之間，可以看作一個(gè)介質(zhì)阻擋放電裝置。出現(xiàn)微小泄漏的大輸液塑瓶與沒有出現(xiàn)微小泄漏的大輸液塑瓶相比，其絕緣性能下降，從而實(shí)現(xiàn)電流的變化，利用這種電流的變化來區(qū)分大輸液塑瓶有無(wú)微小泄漏。原理如圖1所示。

圖1 大輸液塑瓶高壓放電檢漏原理圖

根據(jù)所盛液體與電極之間的電學(xué)特性可以將其等效為兩個(gè)電容1和2，大輸液塑瓶中的藥品溶液可以等效為電阻[3]。在電極之間施加高壓電后，電源與兩個(gè)電容和電阻形成串聯(lián)回路（圖2（a）），若輸液瓶存在微小泄漏，相當(dāng)于液體直接與外界接觸，即可認(rèn)為等效電路中的1消失（圖2（b））。

對(duì)放電裝置分析，得到檢測(cè)電流計(jì)算公式：

式中：為放電電壓，V；1為合格品檢測(cè)電流，A；2為泄漏品檢測(cè)電流，A；Δ為泄漏品檢測(cè)電流與合格品檢測(cè)電流的變化，A；R為包裝容器內(nèi)溶液電阻，Ω；Z1為1的阻抗，Ω；Z2為2的阻抗，Ω。

圖2 大輸液塑瓶高壓放電檢漏等效電路圖

由式（1）、式（2）可得1＞2，因此可以通過檢測(cè)出回路中的電流值，判斷檢測(cè)品與合格品之間的電流差來檢測(cè)藥瓶是否存在微小泄漏。由于采用的放電電源為交流高壓電源，因此需要考慮到電源的頻率，假設(shè)電源頻率為，根據(jù)等效電路可得：

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高壓放電檢漏實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由試驗(yàn)臺(tái)、高壓電源、控制器、數(shù)據(jù)采集卡和上位計(jì)算機(jī)五部分組成，如圖3所示。試驗(yàn)臺(tái)由傳送帶和高壓放電裝置組成，當(dāng)有輸液瓶經(jīng)過光電傳感器時(shí)，控制器接收到光電傳感器信號(hào)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡開始采集數(shù)據(jù)，輸液瓶掃過放電裝置的高壓電極時(shí)，高壓電極、低壓電極與藥瓶之間形成通路，產(chǎn)生的電流通過控制器的轉(zhuǎn)換電路，由數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)缴衔挥?jì)算機(jī)，由上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2.2 控制器設(shè)計(jì)

控制器組成以基于ARM-cortexM3內(nèi)核的STM32微控制器為核心，外圍電路主要由信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和通信電路組成，如圖4所示。信號(hào)轉(zhuǎn)換電路主要用于光電傳感器和數(shù)據(jù)采集卡與STM32微控制器之間的電平轉(zhuǎn)換和隔離、以及將實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生的電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)采集卡的采集范圍內(nèi)。通信電路用于和上位機(jī)的通信，可通過上位機(jī)修改控制器控制參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)過程中，上位機(jī)通過控制器實(shí)現(xiàn)高壓電源的遠(yuǎn)程開關(guān)及電源電壓、頻率的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。并且利用藥瓶經(jīng)過光電傳感器時(shí)的信號(hào)來觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集工作，減少數(shù)據(jù)采集卡的無(wú)效工作。

圖4 控制器組成示意圖

2.3 LabVIEW采集程序設(shè)計(jì)

本研究所用的高壓電源最高可提供20 kHz的高壓，依據(jù)Nyquist采樣定律可知，當(dāng)采樣頻率≥2倍采樣信號(hào)最高頻率時(shí)，可保證采樣的數(shù)字信號(hào)完整保留原始信號(hào)中的信息。依據(jù)以上條件及保證數(shù)據(jù)采集卡價(jià)格低廉、采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定、容錯(cuò)率低等特點(diǎn)。研究采用思邁克華USB-2000數(shù)據(jù)采集卡、16位A/D轉(zhuǎn)換器，單通道采用頻率可達(dá)125 kSa/s，可以滿足采樣速度和精度要求，同時(shí)支持LabVIEW開發(fā)支持，便于數(shù)據(jù)采集。

虛擬儀器是一種基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字化自動(dòng)測(cè)試儀器系統(tǒng)，它通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件資源結(jié)合起來[4]，利用圖形化編程語(yǔ)言完成對(duì)被測(cè)量的采集、分析、判斷、顯示、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)生成。

采集程序有采集卡采樣參數(shù)設(shè)置、采集卡狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及按照輸入的編號(hào)、序號(hào)和當(dāng)前時(shí)間對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。采樣參數(shù)設(shè)置包括采集卡選擇、采樣頻率、采樣通道、采樣范圍、采樣時(shí)間和采樣觸發(fā)源的設(shè)置。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

在采用高壓放電進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多種放電現(xiàn)象：電暈放電、小氣隙擊穿和沿面放電，因此通過數(shù)據(jù)采集卡采集獲得的原始數(shù)據(jù)中混有大量噪聲干擾，同時(shí)放電時(shí)間很短，影響對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的判斷。對(duì)原始數(shù)據(jù)經(jīng)過傅里葉變換后發(fā)現(xiàn)，無(wú)法區(qū)分有用信號(hào)的高頻部分和由噪聲引起的高頻干擾，常見的濾波方式濾波效果較差，無(wú)法可靠穩(wěn)定地判別藥瓶是否存在微小泄漏。小波變換能夠在時(shí)間（空間）頻率的局部化分析，通過伸縮平移運(yùn)算對(duì)信號(hào)（函數(shù)）逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化，最終達(dá)到高頻處時(shí)間細(xì)分、低頻處頻率細(xì)分、能自動(dòng)適應(yīng)時(shí)頻信號(hào)分析的要求[5]。因此小波變換去噪可以很好地保護(hù)有用的信號(hào)尖峰和突變信號(hào)。因此小波變換適合用于暫態(tài)信號(hào)和瞬態(tài)信號(hào)的噪聲去除方面，以及抑制高頻噪聲的干擾，有效將高頻信息和高頻噪聲區(qū)分開來。

MATLAB擁有小波工具箱，適用于信號(hào)和圖像分析、綜合、去噪、壓縮等領(lǐng)域[6-7]。在MATLAB環(huán)境下，對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行小波去噪。相關(guān)代碼如下：

%小波濾噪?yún)?shù)

regular='heursure';

threshold='s';

adjust='one';

level=7;

wavebase='db3';

%讀取原始數(shù)據(jù)，并去噪

S=xlsread('current_signal0.xlsx');

current_signal0=A0(:,2);

current_signal=wden(current_signal0,regular,threshold,adjust,level,wavebase);

使用db3對(duì)其進(jìn)行7層分解，閾值選擇規(guī)則選擇“heursure”，采用軟閾值，所使用的閾值不需要重新調(diào)整。去噪后的波形如圖5所示，可以根據(jù)所檢測(cè)藥瓶與合格品的電流差異，判斷藥瓶是否存在微小泄露。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了基于高壓放電的大輸液塑瓶泄漏檢測(cè)技術(shù)的工作原理，給出了等效電路，借 助公式推導(dǎo)與分析闡明了檢測(cè)系統(tǒng)的電路原理，并設(shè)計(jì)了完整的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、控制器以及數(shù)據(jù)采集程序和數(shù)據(jù)處理方案。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，實(shí)際驗(yàn)證了利用高壓放電進(jìn)行大輸液塑瓶微小泄漏檢測(cè)的可行性。

圖5 去噪后的電流波形對(duì)比圖

[1]林騰. 塑料輸液瓶高壓電火花檢漏機(jī)的原理與特點(diǎn)[J]. 機(jī)電信息，2010（20）：38-39.

[2]邵建設(shè). 正弦波高壓放電塑瓶漏液檢測(cè)可靠性的仿真和實(shí)驗(yàn)研究[J]. 高電壓技術(shù)，2014，40（6）：1895-1902.

[3]楊劍. 基于介質(zhì)阻擋放電原理的安瓿瓶檢漏系統(tǒng)研究[J]. 電力與能源，2014，35（6）：690-695.

[4]王建平. 基于LabVIEW的地震動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)[J]. 機(jī)械，2013，40（4）：71-73，80.

[5]張湘?zhèn)? 小波分析在測(cè)試信號(hào)分析中的應(yīng)用[J]. 應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，1998，19（3），203-207.

[6]陳偉. 基于MATLAB的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與分析研究[J]. 電子測(cè)量技術(shù)，2008，32（8），92-94.

[7]張德豐. MATLAB小波分析[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011，75-76.

Research on Large Infusion Plastic Bottle Leakage Detection Technology Based on High Voltage Discharge

YAN Zhajie，REN Dejun，CHEN Ruxia，GAO Yongxun，F(xiàn)U Xingyong

( School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

In order to verify the feasibility of detecting tiny leakage of large infusion plastic bottles by using high voltage discharge, an equivalent circuit for the experimental device was established and the principle of high voltage discharge leakage detection was analyzed. The actual experiment platform is designed on this basis. The platform collects the current data through the data acquisition card during the test. The host computer reads the experimental data based on LabVIEW acquisition program, and processes the experimental data by using MATLAB. The feasibility of using high voltage discharge to detect tiny leakage of large infusion plastic bottle is verified in actual experientmemt.

high voltage discharge；leakage detection；data acquisition；LabVIEW；MATLAB

TH772

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.006

1006－0316 (2018) 12－0019－04

2018－03－05

嚴(yán)扎杰（1994－），男，藏族，甘肅舟曲人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧娇刂葡到y(tǒng)；任德均（1971－），男，四川成都人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榍度胧娇刂葡到y(tǒng)、機(jī)電一體化、機(jī)器視覺；陳儒俠（1993－），男，四川南充人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺；高永勛（1991－），男，河南鄭州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺；付興勇（1990－），男，山東菏澤人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺。