基于MATLAB 的快开门压力容器安全联锁装置校验仪的研究

钱国忠，卞清泉，郝俊杰

（江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏 南京 210036）

0 引言

快开门压力容器安全联锁装置对于化工、轻工纺织、建筑以及医药等众多行业有巨大的贡献，如消毒锅、蒸气釜、硫化罐、蒸煮罐等[1]，上述容器处于湿度高、温差大、压力低、腐蚀性强的运行环境内，任何不当操作都会导致严重的安全责任事故。

中国对快开门压力容器的定期检验是在设备停用状态下进行的。因此，无法对安全联锁装置进行工作状态下安全可靠性校验。因此，解决快开门压力容器定期检验中对安全联锁装置无有效检查手段的问题，研发快开门式压力容器安全联锁功能检测设备并推广应用是改变我国快开门式压力容器和安全联锁装置不够规范、事故多发现状的基础，也为落实检验责任、保证快开门设备安全运行提供一项重要保障。

截至目前，对于开门压力容器安全联锁装置校验仪的研究，尤其是超声波获取并处理容器内部图像方面，主要研究有：陈柄舟[2]等构建超声波传感器阵列的方式，研究表明：在近距离测量条件下，基于超声波传感器阵列的空间感知方法可获得更佳的空间感知效果；崔乔[3]通过Matlab 对图像进行直方图分布，发现可利用峰值寻找图像阈值的方法和维纳滤波法和中值滤波法都适合去除高斯白噪声的结论；谢研等[4]依据超声波相控阵检测在不同的典型缺陷下所呈现出的图像，提出一种基于灰度共生矩阵（GLCM）的灰色关联为评价标准的缺陷识别方法。基于灰度图像处理方法的研究相对完整，但未形成由灰度图像处理转化为压力监测的方法。由压力容器和安全连锁的灰度差值处理，设计快开式压力容器安全联锁装置校验仪。

1 快开门压力容器安全联锁装置校验仪的工作原理

1.1 安全联锁装置校验仪系统设计

基于引言所述问题，本设计的快开门压力容器安全联锁装置校验仪和监控柜如图1 所示。图中1为监控柜柜体，2 为SB-168 气泵，3 为Asmik SUPY810 型智能数字压力表，4 为蜂鸣器，5 为显示面板。主要功能模块如图2 所示，包括：数据接收模块、图像处理模块、检校检测模块、元件执行模块、数据储存模块和日程评价模块，从而实现了对其的整体性信息进行自动化地采集、处理。

图1 快开门压力容器安全联锁装置校验仪及监控柜

图2 快开门压力容器安全联锁装置校验仪功能模块图

图3 为检验仪面板图。图3（a）中所示为数据接收模块，通过数据采集按钮接收压力容器的内外检校状态信息和安全联锁装置的检校状态信息；其中压力容器的内外检校状态信息由振动传感器感应的压力容器外表面的振动频率值、超声波感应头采集的压力容器的内部图像信息、磁性发生头发送并由磁性接收头接收的压力容器的磁通量值构成，而安全联锁装置的检校状态信息由压力传感器感应的压力容器内的压力差值和超声波感应头采集的安全联锁装置部件的内部图像信息构成。

图3 快开门压力容器安全联锁装置校验仪面板图

通过图3（a）数据校验按钮，将压力容器外表面的振动频率值、压力容器的磁通量值和压力容器内的压力差值发送给检校检测模块。

如图3（b）所示为图像处理模块显示面板，用于实时获取图3（a）数据接收模块内的压力容器的内部图像信息和安全联锁装置部件的内部图像信息。然后将其分别转化为压力容器的图像灰度数值和安全联锁装置部件的图像灰度数值，计算压力容器的灰度总值和安全联锁装置部件的灰度总值，进而将其与预设灰度值进行相减，从而分别得到压力容器的灰度差值Pa= 569 和安全联锁装置部件的灰度差值Pb= 456，将生成的压力容器的灰度差值Pa和安全联锁装置部件的灰度差值Pb发送到检校检测模块。

1.2 检测原理理论依据

校检测模块接收到压力容器外表面的振动频率值、压力容器的磁通量值、压力容器内的压力差值、压力容器的灰度差值Pa和安全联锁装置部件的灰度差值Pb后，将压力容器外表面的振动频率值、压力容器的磁通量值、压力容器内的压力差值分别标定为Q、T和V，然后依据算式（1）得到容装衰变检修因子A。

其中e1、e2、e3、e4和e5为权重修正系数，权重修正系数使计算的结果更加的接近真实值，e5>e2>e4>e3>e1，e1+e2+e3+e4+e5≈17.36；进而将生成的容装衰变检修因子A与预设阈值a进行比较，阈值a设置为0.95，当A≥a时，则产生衰变检修信号，反之，则不产生衰变检修信号，如图3（b）所示。

如图3（b）所示，元件执行模块，接收到衰变检修信号立即编辑检修修正文本，并将其发送到触控显示屏显示。其中检修修正文本为“压力容器安全联锁装置的部件使用达到极限，请及时对其进行检修和维护”。

2 快开门压力容器安全联锁装置校验仪的结构设计

快开门压力容器安全联锁装置校验仪如图4 所示，包括环形支撑架和控制面板，控制面板安装在环形支撑架的外端，而控制面板上安装有启动按钮、增压按钮、减压按钮和触控显示屏，增压按钮和减压按钮分设于启动按钮的两侧，启动按钮的正上方为触控显示屏，环形支撑架开设有侧开口，环形支撑架内对称设计有两个自走检效组件，两个自走检效组件之间为隙配合，自走检效组件传动连接有检测锁定组件，检测锁定组件与环形支撑架的内壁滑动连接，检测锁定组件抵接有拖起旋定组件，且拖起旋定组件安装于环形支撑架内，侧开门设有拖起旋定组件的下方，侧开门的外侧活动抵接有刚性门杆，刚性门杆的一端与环形支撑架铰接，刚性门杆的另一端与环形支撑架通过螺栓固定。

图4 快开门压力容器安全联锁装置校验仪主视图

2.1 自走检效组件结构设计

自走检效组件包括弧形套壳、主动轮组、随动轮组、超声波感应头、磁性发生头、磁性接收头和表面清感组件，主动轮组、随动轮组、超声波感应头、磁性发生头、磁性接收头和表面清感组件均安装于弧形套壳内侧，随动轮组对称设于主动轮组的两侧，磁性发生头和磁性接收头对称设置，同时，磁性发生头和磁性接收头分别安装于两个弧形套壳上，而主动轮组、随动轮组、超声波感应头、磁性发生头和磁性接收头设于同一水平面上，表面清感组件设于主动轮组的正下方，具体结构如图5 所示。

图5 图1 的A-A 处的剖面图

2.2 表面清感组件结构设计

表面清感组件包括感应缸套、振动传感器、感应弹性块、感应滑杆、感应滑块、支撑弹簧、弧形壳杆和清洁弧套，感应缸套对称设置，感应缸套的一端固定设于弧形套壳内，所述振动传感器、感应弹性块和感应滑块依次设置并抵接于感应缸套内，感应滑块的外端与感应缸套的内壁滑动连接，感应滑块远离感应弹性块的一端与感应滑杆固定连接，感应滑杆远离感应滑块的一端滑动贯穿感应缸套的内壁延伸到其外部并与弧形壳杆固定连接，支撑弹簧套接于感应滑杆的外端，支撑弹簧套的两端分别抵接于弧形壳杆的外端和感应缸套的端面。

3 快开门压力容器安全联锁装置校验仪Matlab建模及预设灰度值获取

3.1 图像处理模块Matlab 建模

目前无损检测技术领域内，超声波相控阵技术作为一种较为新型的定量检测技术，其主要检测焊接构件的缺陷检测。然而在提取和评价其他缺陷类型的纹理特征方面仍存在难点。此外，对于超声波相控阵技术扫描图像而言，首先需从图像纹理特征中提取所需的关键信息，然后识别其类型。由于然而压力容器及其安全联锁装置的内部被识别的图像特征属于关系不明显的信息系统，故其图像纹理特征的定性分析判断相对来说是比较困难的。不过灰色关联分析法为本文的定量分析提供了一种新方案，该方案是：以参考缺陷和未知缺陷的差异程度作为基准，即本文第一章所述的压力容器的灰度总值和安全联锁装置部件的灰度总值与对应预设灰度值的差值，故本文将灰度值作为评价标准引入到压力容器安全联锁装置检测的校验中。

3.2 超声回波信号建模

在宽带窄脉冲信号超声检测中，根据超声回波的物理特性，超声换能器的脉冲响应可以模拟成高斯信号：

其中θ= [α，τ，fc，φ，β]，α为带宽；τ为到达时间，fc为中心频率；φ为相位；β为幅度系数。

单回波模型做加性白噪声（WCG）得：

其中v（t）：加性白噪声。图6（a）为仿真超声回波信号，此处以以下数据示意：β= 0.8，α= 25MHz，fc=5 MHz，τ= 3.5 μs，φ= 1.8 rad。如图6（b）所示为Matlab 中所运行的代码，可使用Matlab/Simulink 中的M 函数功能Matlab Fiction 调用。

图6 仿真超声回波信号及代码

3.3 超声回波信号数据处理

由上节所得超声信号经正交解调（Demodulation）处理流程最终得到I/Q 信号，I/Q 信号是本文需要用来计算位移估算组织位移进而估算相对杨氏模量的信号。其基本处理流程如下，经正弦和余弦处理将原始频率分解，其目的是：将每一线的数据在其频域中找到中心频率，然后将中心频率移到零频附近，对移频后的数据进行低通滤波，可以得到滤波之后的数据。移频的过程是：在时域中，将信号的实部乘以，虚部乘以，其中，n是频域中中心频率对应的点数，N是一线数据一共的数据点数。所以，频域内的操作，可以直接在时域中通过对实部和虚部直接进行操作实现。需要计算的是从数据的频域中找到N，方法：由于数据在频域中心对称，所以只需要找到频域数据从[1，n/2]个数据中最大值对应的点数，即是N。

对数据进行频移之后，则有价值的数据被移至低频段，本文在关于压力容器和安全联锁装置内部图像，整体灰度变化较为均匀，可进行低通滤波处理。可通过如下两个函数：fir = fir1（n，ωn），其中n为滤波器的阶数，ωn为截止频率。

存在压力容器及其安全联锁装置的超声回波信号数据处理的另一个问题是：经正交解调和低通滤波处理之后，其数据量仍然非常大，需对数据进行抽取采样且保证数据采样频率大于频域中中心频率的两倍，以避免数据频谱上文间隔距离过大而导致的混叠。因此，选取采样因子中需注意的是：在采样数据滤波进程中，采样频率与采样因子的比值应远大于滤波器设计的截止频率ωn。

3.4 超声回波图像的灰度处理及预设灰度值的获取

在对图像进行灰度处理之前，首先应确定预设灰度值，由于压力容器和安全联锁装置内部图像与背景面积相差较大，预设灰度值应选用灰度值的中间值。如图7（a）所示为压力容器内部的灰度图像直方图，图7（b）是由图5（a）经直方图均衡化函数adapthisteq处理后得到的图，目的将诱导边界消除，因此可以得到其预设灰度值为881。

图7 灰度图像直方图

通过imadjust 函数调整灰度范围，其中，可通过参数gamma 调整图像亮度，若gamma<1，加强亮色值输出；gamma>1，加强暗色值输出。

根据超声回波得到的压力容器的灰度总值和安全联锁装置部件的灰度总值，与上文所述的预设灰度值进行相减，可以得到得到压力容器的灰度差值Pa和安全联锁装置部件的灰度差值Pb，进而可以判断压力容器和安全联锁装置是否需要检修。

4 快开门压力容器安全联锁装置校验仪实验测试

安全联锁装置影响快开门盖开启运动（放开）的压力为常压。但压力容器内降压到常压是一个无限趋近的过程，安全联锁装置的回复压力应该非常接近常压，但不可能为常压，这就是所谓的联镇装置精度，因此，试验设备必须用微压测试的方法，模拟压力容器准备升压或内部压力完全释放的状态，这样才能够在冷态条件下检测快开门压力容器安全联锁装置工作状态下（热态）的联锁动作的准确性和安全可靠性。

通过如下两种方法进行测试：

（1）利用手动气囊或微型气泵向校验仪供气，观察高精度微压表，当压力升至5 kPa 以上时，检查安全联锁装置的电控柜是否“釜内无压”指示灯灭，“釜内有压”指示灯亮。

（2）操作“开门操作”按钮，检查开门控制线路是否断电自锁；利用排气阀缓慢排气，当校验仪内压力降至3 kPa 以下时，观察安全联锁装置的电控柜是否“釜内有压”指示灯灭，“釜内无压”指示灯亮。操作“开门操作”按钮，检查开门控制线路是否通电解锁。

首先打开联机开关，利用微型气泵向校验仪供气，观察高精度微压表，如图8 所示，当压力升至5 kPa 以上时，检查安全联锁装置的电控柜是否“釜内无压”指示灯灭，“釜内有压”指示灯亮。操作“开门操作”按钮，检查开门控制线路是否断电自锁，此时容器监控柜面板显示为5.1 kPa，显示有压，禁止开门。

图8 充压自锁测试

如图9 所示，缓慢调节泄压阀，将压力降到表压力显示2.964 kPa 时，电控柜面板显示为2.9 kPa，等待数秒后，面板显示无压，允许开门。再次调节压力到5 kPa 以上时控制柜面板显示有压。检测结果显示，安全联锁装置有效。故并未发送检修文本。

图9 泄压开门测试

实验表明本装置实现了快开门式压力容器安全联锁装置在微压下产生锁紧或放开动作时的压力值测量，从根本上改变了当前快开门式压力容器联锁装置没有准确、便捷的测试工具的局面，进一步提高了快开门式压力容器安全使用的可靠度。

5 结语

根据快开门压力容器安全联锁装置校验仪所存在的问题，对安全联锁装置校验仪结构进行设计，给出了其工作原理与以及理论支撑。使用Labview 软件对前面板进行设计，并通过Labview 调用matlab script 进行图像灰度值处理，且本文将检修因子A 以及灰度值等概念，引入了压力容器和安全联锁装置的定量分析，给出一种对快开门压力容器安全联锁装置仿真的方法，对以后的安全联锁装置校验仪有一定的借鉴作用，且通过测试分析确定本文所述检测仪的可靠度。