一种新型便携式差压气密性检测仪的设计

摘  要： 设计了基于差压检测原理的以S3C2440处理器为控制核心的气密性检测仪，介绍了该检测仪的工作原理、软硬件构成和系统性能等。通过电磁阀的自动控制功能实现了一定容积和压力下密封器件的自动检测。数据处理过程中使用了模糊综合评判方法，判断并分析了被测器件的气密性。
关键词： ARM9； 微差压； A/D驱动； 放大器
        现代化生产的不断进步，对检测手段提出了越来越高的要求，气密性检测作为检测方式的一种，在保证产品质量等方面起着越来越重要的作用。对严格要求密封性的产品来说，如果在使用过程中发生泄漏且泄漏量超过了允许范围，将直接影响产品的可靠性、经济性等，还可能引起火灾、爆炸、有害气体溢出等严重后果，引发不可挽回的损失[1]。如何快速高精度地检测泄漏量，一直是相关企业关注且急待解决的问题。国内现有且常用的气密性检测方法主要有以下几种[2]：水检法、流量测量法、氦气法、直压式检测法及差压式检测法等。由于差压式检测法检测速度快且精度高，在此采用差压式检测法，并结合嵌入式开发平台设计了一款轻巧可携带的气密性检测仪。
1 检测原理与系统气路实现
     差压式检测仪的基本检测原理与化学实验中所用的天平如出一辙。在该检测方法中引入了一个标准的对比器件，使用精密对称的检测气路进行测量。在检测过程中，通过对称气路同时向两个器件内充入一定压力的气体。当被检测器件出现泄漏时，两个器件间的差压传感器就能够检测出被测器件与标准器件之间的压力差值，之后经过一定的数据处理，计算出泄漏量。
     为计算泄漏量，根据玻意耳-马略特定律可知，被测器件内的气压值的变化为[2]：
     

2 系统的硬件设计
　    系统主要由中央处理模块、数据采集模块、信号调理模块、电磁阀控制和声光报警模块、电源模块和人机交互等模块构成。气密性检测仪的硬件设计框图如图2所示。
   
   2.1 中央处理模块
     该部分为整个系统的控制中心，其主要功能是通过ARM9主控制器实现对各个阀门的开关控制，同时利用传感器将系统各个阶段的气压信号、温度信号等转变成电压信号，再由ARM9主控器通过A/D接口完成信息的采集，并完成最后的数据处理，进而实现一次完整的差压式气密性检测。本系统ARM9主控制器采用三星公司开发的S3C2440为主处理器。S3C2440微处理器为手持数码设备和一般类型应用提供了低功耗、低价格、高性能微控制器的解决方案。S3C2440集成了丰富的内部设备，从而降低了整体系统成本。S3C2440基于ARM920T内核,采用了新的总线架构AMBA(Advanced Micro controller Bus Architecture),实现了AMBA BUS、MMU和Harvard高速缓冲体系结构，这一架构具有独立的16 KB数据cache和16 KB指令cache。
2.2 数据采集模块
     该部分主要负责各种环境变量的采集工作，包括标准器件和被测器件之间的差压值、被测器件的绝对气压值和外部的环境温度值等。
　 选用SM5651/SM5652系列微压量程是0.15 psi的SM5651微差压压力传感器来检测标准器件与被测器件之间的气压差值。它具有如下特性[3]：信号输出与差压值成正比，在满量程输出时最大可达到75 mV；芯片的迟滞性为±0.65%FS，线性度为±2.5%FS，灵敏度匹配性为±5.0%FS；采用恒流源激励，温度补偿范围在0~60°，跨度校准正高达2%，有零点校准及温度补偿。
　  被测器件的绝对气压值是需要测量的另一个重要参量，在此选用NovaSensor的NPI系列量程是15 psi的NPI-19型压力传感器。它具有如下特性：固态传感器的高可靠性；信号输出与气压值成正比，在满量程输出时最大可达到100 mV;具有1.0 mA激励电流下100 mV FSO的高灵敏度,典型线性度为0.1%FS,典型的热准确度为0.2%FSO；采用1mA的恒流源激励，温度补偿范围在0~70°，有零点校准及温度补偿。
     此外，由于微小的环境温度变化也会影响到测试系统的差压值的绝对值，所以需对外部环境温度进行实时的检测。本系统选用了DS18B20温度传感器，主要是因其具有成本低、外围电路简单和调试维护方便的特点。DS18B20连入ARM9主控器的通用I/O端口GPF0， ARM9主控制器可直接控制DS18B20进行温度采集。
2.3 信号调理模块
     标准器件和被测器件之间的气压差信号经过微差压传感器SM5651采集以及被测器件的绝压信号经过NPI-19型压力传感器后采集得到的微弱的电流信号，都不适宜直接进行模数转换处理，需要通过信号调理电路对其进行放大，并把电流信号转换为电压信号，才能提供给ARM主控制器的模数转换电路做进一步的数据处理。由此，采用Analog Microelectronics GmbH（AMG）公司提供的电压转换集成电路AM401来实现信号的处理。AM401是一个带有附加功能和电路保护功能的信号放大集成电路，具有极性保护和输出短路保护功能，又可以输出几乎为零的零点信号。很少的外围元器件使电路板的设计很快就可完成[4]。本系统的信号调理电路如图3所示。