安全阀性能试验装置数据采集与软件功能设计

乔晓阳，王晓钧

（1.北京凱孚奥机械设备有限公司,北京 10000；2.合肥通用机械研究院,安徽合肥 230000）

0 引言

安全阀产品是锅炉、压力容器、压力管道最重要的安全保护装置，用以防止系统超压、确保压力系统的安全运行。安全阀产品的性能极大地关系到人身和设备的安全。2003年3月，国务院颁布的《特种设备安全监察条例》，明确包括承压设备安全附件等属于特种设备，并纳入了安全监察管理。其对特种设备类产品的生产、使用、检验检测、监督检查、法律责任作了明确的规定，确立了特种设备安全监察基本制度；以及对特种设备的设计、制造、安装、改造、维修、使用、检验检测等环节的严格要求。积极开展安全阀产品的性能试验研究，能有效减少安全事故的发生。

如果能在安全阀加压过程中获得开启动作的真实动态曲线，就能掌握安全阀的动作特性，正确判断安全阀动作是否灵敏、可靠。对此，需要一定的数据采集条件。在计算机实现快速数据采集的情况下，可以获得安全阀在动作全过程的真实动态曲线。

1 测试系统设计

安全阀测试装置系统原理见图1。该试验系统可以进行安全阀的密封、开启压力、排放压力、回座压力、开启高度、排量及机械特性的试验。

2 测试依据

GB/T 12241—2005《安全阀一般要求》；GB/T 12242—2005《压力释放装置性能试验规范》；GB/T 12243—2005《弹簧直接载荷式安全阀》（第二版）；JB/T 9624—1999《电站安全阀 技术条件》（第一版）；JB/T 6441—1993《压缩机用安全阀》。

3 数据采集总体方案

为了获得真实、动态的动作曲线，压力传感器和位移传感器的数据采集频率≥50次/s，并要求传感器的实际采样频率＞数据采集频率。

图1 安全阀性能试验装置系统

（1）数据采集器的选择。根据安全阀测试的特殊性及对绘制动态开启曲线的要求，只能选用快速采集器。经综合分析，确定使用美国国家仪器公司的USB-9215A型采集器。

NI USB-9215A型采集器的数据采集模块具有集成式信号调理功能，通过USB接口实现即插、即用，使设置和测量更加快捷。该设备具有4路16位精度同步采样电压输入，可扫描多个通道时的延迟（极短），提供每通道100 kS/s采样速率。NI USB-9215A型采集器具有螺栓端子和BNC（Bayonet Neill Concelman，尼尔·康塞曼卡扣或射频端子同轴电缆连接器）连接器可供选择，能实现灵活而低成本的信号连接。该模块还具有250 Vrms通道-地面接地隔离，实现安全、抗扰和高共模电压范围。NI USB-9215A型数据采集器随机提供NI-DAQmx驱动软件，方便测试软件的开发。

（2）位移传感器的选择。位移传感器是安全阀性能测试中最重要的传感器。为了获得真实、动态的开启曲线，对位移传感器的要求是非常高的。测量精度和采样频率是最重要的2个参数。综合考虑目前市场上接触式和非接触式位移传感器的技术参数和价格后，确定使用Omron ZX-L系列激光位移传感器。

ZX-L系列激光位移传感器的采样速度是0.15 ms，分辨率（0.25～16）μm，用户可以选择信号的输出形式，可以是（4～20）mA的电流信号，也可以是电压信号。

（3）压力传感器的选择。根据被测安全阀铭牌上标识的开启压力，选择与之相适应的压力传感器量程，以保证测量精度。由于不同的安全阀工作压力范围较广，单一压力传感器无法满足高精度测量要求，因此测试装置配备一组不同量程的压力传感器。

压力传感器选择麦克MPM480系列。该系列传感器覆盖常用压力范围，传感器的采样时间＜5 ms，测量精度±0.1%FS，工作环境温度为（-30～80）℃。

4 硬件拓扑结构

图2为安全阀测试装置的硬件拓扑结构。需要注意：为了提高传感器信号的品质，过滤信号干扰，在传感器和数据采集器之间，增加了信号变送器。信号变送器的规格：输入（4～20）mA，输出（0～5）V。

5 软件设计

5.1 软件层测结构（图3）

最底层是操作系统；中间层是NI-DAQmx驱动程序接口；上层是按照试验标准要求编写的安全阀测试软件。

图2 安全阀测试装置硬件拓扑结构

5.2 软件功能

（1）安全阀测试软件功能模块。参数管理与配置模块、数据采集模块、测试数据分析模块、测试报告处理模块。

（2）针对安全阀测试的特殊性，软件功能模块的设计重点是数据采集模块。该模块要实现的功能：数据的快速采集与处理、采集数据在屏幕上的实时呈现、关键点的自动捕捉或人工获取、历史数据的存储和试验报告的自动形成。

（3）快速采集与慢速采集的设计。基于数据存储策略的考虑，在高速采集状态下，内存的耗用非常快，所以在试验准备阶段，数据采集模块运行在慢速状态，目的是让试验人员能够观察到各测试参数的当前状态。当位移参数发生明显变化时，系统可自动迅速切换到高速采集状态，以获得各参数的准确变化过程。

（4）数据采集分析模块的设计。对于已经做过的试验，可以根据以往的测试数据，在屏幕上复现当时的测试过程及安全阀开启的细节过程。设计分析人员可以利用该模块对安全阀进行综合分析并优化、改进。该模块的应用窗口和数据采集模块的应用窗口继承自同一窗口，只是数据来源不同，这样可大大简化用户的操作。

6 软件关键功能

（1）测试软件开发平台选用标准C++程序。数据存储采用Microsoft Access数据库，充分发挥多线程的特点。

（2）数据采集线程的设计利用采集器快速的特点，把数据采集放在一个单独的线程中，并对采集数据进行软件滤波处理。由于USB-9215A型采集器的每个通道可以达到100 kS/s采样速率，在实际使用过程中，综合考虑传感器的采样速度和计算机内存占用等有关因素；对于每个通道，以100次对同一通道的采集结果的平均值作为此通道的测量值，在满足使用要求的前提下提高数据采集的稳定性和精度。

7 实际案例

国家泵阀产品质量监督检验中心安全阀性能试验装置，按照本文论述的方案设计并运行2 a,检测效果完全满足标准和试验的要求。

（1）被试机铭牌参数的设置。提供被测产品描述信息的输入接口，输入的信息用于打印试验报告和测试结果的电子数据存档（图4）。

（2）测试过程功能概述。测试过程模块是整个测试软件的核心，包括快慢速控制、曲线坐标表达范围设置、操作模式选择、特殊数据分析与获取等功能。在测试过程中，采集的数据以曲线和数字的形式实时显示在屏幕上。测试完成后，可以在曲线上对关切的部分进行截取，以减小测试报告存储的数据量。图5为测试过程窗口示意。

图3 软件层测结构

图4 被测试产品试验信息的输入

图5 测试过程界面示意

（3）测试结果分析模块。借用数据采集过程模块的操作界面，保持与用户操作的一致性；差别在于数据来源不同。该模块数据来源是以往测试过的测试结果文件，通过打开测试文件操作，把测试数据重新加载到图形分析窗口（图6）。分析人员可以再次对测试结果进行分析，也可以重新生成新的测试结果文件，真正做到对测试过程的离线分析。

（4）试验报告输出。测试结果的输出分两部分：一是测试数据，二是测试结果曲线。曲线输出如图7所示。

8 结束语

安全阀动作性能测试项目需在动态试验条件下进行。因安全阀的排放动作时间较短，动作变化快、情况复杂，无法目测压力和位移，必须用高速采集系统来监控及测量压力和位移同时变化的情况，才能更好地分析和改进安全阀的性能。

图6 安全阀性能测试结果分析界面

图7 测试结果（曲线）输出