比例電磁閥靜特性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡勝年，周利德，龐寶麟

(沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧沈陽110142)

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的日益發(fā)展，電磁閥在工業(yè)系統(tǒng)中所起的作用與日俱增。電磁閥具有結(jié)構(gòu)簡單、外形尺寸小且響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，其性能好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全性及可靠性。因此，電磁閥自動(dòng)測(cè)試是電磁閥研發(fā)和生產(chǎn)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。以往的人工測(cè)試勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率和測(cè)試精度都較低，增加生產(chǎn)成本并且產(chǎn)品測(cè)試性能誤差較大。隨著科技的發(fā)展，對(duì)電磁閥產(chǎn)品性能要求越來越高，因此研制高精度、短周期的電磁閥自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)成為電磁閥研制和生產(chǎn)單位的首選。電磁閥綜合特性測(cè)試的測(cè)試項(xiàng)目多，其測(cè)試系統(tǒng)復(fù)雜且要求高可靠性和柔性。國際上有較為先進(jìn)的電磁閥檢測(cè)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種型號(hào)電磁閥的高精度和高效率自動(dòng)測(cè)試;不足之處是這類檢測(cè)設(shè)備的價(jià)格昂貴且設(shè)備供應(yīng)周期和后期維護(hù)都較困難。而目前國內(nèi)則鮮有對(duì)同類課題的報(bào)道。作者利用某電磁技術(shù)研究所生產(chǎn)的電磁閥，研制一種基于虛擬儀器技術(shù)的電磁閥特性自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電磁閥動(dòng)靜態(tài)特性的各項(xiàng)測(cè)試和測(cè)試過程中的自動(dòng)控制，大大提高了電磁閥特性測(cè)試的測(cè)試精度和效率［1－2］。

1 測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用裝有LabVIEW的計(jì)算機(jī)作為主控制系統(tǒng)，再結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動(dòng)器、控制器、傳感器等一些相關(guān)硬件組成測(cè)試系統(tǒng)，可以自動(dòng)控制比例電磁閥不同的開度，并且自動(dòng)檢測(cè)相應(yīng)開度下通過比例電磁閥的流量，同時(shí)可以測(cè)試電磁閥的密閉特性、耐壓特性而且生成完整的檢測(cè)報(bào)告。總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括:

(1)密閉性實(shí)驗(yàn)。電磁閥的泄漏測(cè)試作為開關(guān)量的檢測(cè)也可以由系統(tǒng)自動(dòng)完成。在測(cè)試開始之前，先根據(jù)泄漏測(cè)試要求，在壓力傳感器上設(shè)置好上限值，然后單擊“運(yùn)行”開始測(cè)試。當(dāng)泄漏量高于上限值時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警提示，相應(yīng)地便會(huì)在虛擬儀器界面上觀察到“泄漏報(bào)警”指示燈閃爍報(bào)警。

(2)流量特性實(shí)驗(yàn)。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷便是強(qiáng)調(diào)自動(dòng)測(cè)試特性，改善現(xiàn)階段手動(dòng)測(cè)試的不便性，所以在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)只需要在虛擬儀器界面點(diǎn)擊“運(yùn)行”，系統(tǒng)測(cè)試便開始。在運(yùn)行過程中，通過程序控制AD采樣、DA自動(dòng)完成一個(gè)0～500 mA的去回程等過程，待測(cè)試結(jié)束后，便會(huì)得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及繪制的反映比例電磁閥特性的滯回曲線。

(3)誤差分析。采集了一組平均數(shù)據(jù)，將其作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)讀取已保存的數(shù)據(jù)，在相同的條件下將采集的數(shù)據(jù)與其做對(duì)比，進(jìn)行誤差分析，低于誤差率則是合格，反之則是不合格。

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集裝置

針對(duì)該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于動(dòng)靜態(tài)特性等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試的要求，要考慮其模擬量與開關(guān)量等通道數(shù)、采樣精度、速率、數(shù)據(jù)匹配度、分辨率、測(cè)量范圍等指標(biāo)能否滿足系統(tǒng)測(cè)試以及日后數(shù)據(jù)分析等環(huán)節(jié)的精度要求。通過計(jì)算，USB2833多功能數(shù)據(jù)采集板滿足其精度、速率、數(shù)據(jù)匹配等各項(xiàng)要求。它的AD芯片最大轉(zhuǎn)換速率500 kHz，模擬輸入通道總數(shù):16路單端，8路雙端，時(shí)間分辨率為:

8/500 kHz=8/(500 ×1 000)Hz=16 μs

而電磁閥響應(yīng)時(shí)間在10 ms左右滿足要求。其量程:±10 V、±5 V(默認(rèn))、±2.5 V、0～10 V，轉(zhuǎn)換精度:13位(Bit)，第13位為符號(hào)位，非線性誤差為±1 LSB(最大)，系統(tǒng)測(cè)量精度為0.1%。其各項(xiàng)指標(biāo)都滿足整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的需求精度。

2.2 驅(qū)動(dòng)控制裝置

D/A控制電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊作為軟件系統(tǒng)程序的一個(gè)子功能模塊，它主要通過在采集板內(nèi)設(shè)置控制程序，通過程序設(shè)置采集板的電壓輸出控制控制器［3］，從而利用控制器完成對(duì)電磁閥閥口開度的控制改變流量。其控制思想主要采用板卡輸出電壓控制控制器電流輸出，從而控制電磁閥不同的開度。控制器選擇該電磁技術(shù)研究所自主研發(fā)的控制器，其輸入信號(hào)可以為0～5、0～10 V的電壓信號(hào)，輸出信號(hào)為0～1、0～2 A的電流信號(hào)，其控制電路如圖2所示。

2.3 傳感器裝置

傳感器作為數(shù)據(jù)采集的執(zhí)行器件，其性能的好壞影響整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。在考慮到該測(cè)試系統(tǒng)精度達(dá)到要求的前提下，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室具體情況，選取松下DP-100型壓力傳感器與GFM-57型流量傳感器。實(shí)物與技術(shù)參數(shù)如下所示:

DP-100型壓力傳感器分辨率1/2 000;溫度特性±0.5%FS;反應(yīng)時(shí)間2.5 ms;重復(fù)精度0.1%FS;顯示單位0.1 kPa;

GFM-57型流量傳感器滿量程流量范圍10～1 000 mL/min;精度1.5%FS(15～25℃，0.04～0.41 MPa之間線性);重復(fù)性0.5%FS;輸出信號(hào)為0～5 V線性輸出，1 000 Ω負(fù)載;4～20 mA，50～250 Ω回路電阻;氣體壓力推薦0.14 MPa。

以上硬件選取完畢最后定其硬件電路，如圖3所示。

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用LabVIEW的虛擬儀器圖形化編程語言，采用結(jié)構(gòu)化模塊程序設(shè)計(jì)，便于調(diào)試與維護(hù)［4］。系統(tǒng)操作簡單、快捷，具有多種實(shí)時(shí)檢測(cè)功能和友好的人機(jī)界面，并具有系統(tǒng)完善的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示、保存、分析功能。軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證該控制系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)電磁閥高精度控制以及電磁閥控制與數(shù)據(jù)采集觸發(fā)精密配合情況，采用電磁技術(shù)研究完整的氣路系統(tǒng)，結(jié)合完整的電路系統(tǒng)組成，選用2218G1/8電磁閥，直流穩(wěn)壓電源選用IT670型60V-5A-100W開關(guān)電源為控制器和驅(qū)動(dòng)電路提供電源，在30 N壓力條件下進(jìn)行測(cè)試，其整體實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

以大量測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以后所測(cè)數(shù)據(jù)與其做對(duì)比并計(jì)算擬合誤差，按照經(jīng)驗(yàn)以及以往客戶要求平均誤差在10%之內(nèi)認(rèn)為電磁閥可靠，可以顯示完整的流量滯環(huán)曲線以及誤差曲線 (如圖6所示)，并用報(bào)表將其輸出 (如圖7所示)。

如圖7所示:電流為200 mA時(shí)電磁閥開始啟動(dòng)，由此會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波動(dòng)，同時(shí)在回程的時(shí)候也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，說明電磁閥啟動(dòng)電流不同，電磁閥關(guān)斷電流也不同。并且從報(bào)表中可以看出:在整個(gè)誤差擬合曲線中，整體誤差都在10%之內(nèi)，所以由此可以判斷該電磁閥是合格產(chǎn)品。

5 結(jié)論

將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于電磁閥測(cè)試中，研制了多功能電磁閥測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，運(yùn)用LabVIEW編程開發(fā)出測(cè)試軟件。應(yīng)用該測(cè)控系統(tǒng)對(duì)電磁閥進(jìn)行了各項(xiàng)綜合特性測(cè)試，證實(shí)該測(cè)控系統(tǒng)測(cè)定的參數(shù)準(zhǔn)確，可大大降低測(cè)試工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高測(cè)試精度和效率。并且考慮到操作要盡可能以最直接、最易于理解的方式呈現(xiàn)在用戶面前，自動(dòng)生成了滿足實(shí)驗(yàn)要求及客戶需求的表格及曲線，并可實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的報(bào)表展現(xiàn)，很直觀地給用戶展現(xiàn)電磁閥的性能指標(biāo)，大大提高了測(cè)試效率，為科研單位及生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行電磁閥開發(fā)與檢測(cè)提供了有力的工具。

【1】楊洪濤，張煒，張晶，等.基于LabVIEW的高精度電磁閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀表，2012(1):31－35.

【2】汪志剛，張敬國，楊建國.電磁閥測(cè)試裝置的開發(fā)及其試驗(yàn)研究［J］.閥門，2006(1):13 －16.

【3】倪文波，王雪梅，李蕭，等.基于PWM技術(shù)的電控比例閥研究［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2005(3):12 －15.

【4】豈興明，田京京，夏寧.LabVIEW入門與實(shí)戰(zhàn)開發(fā)100例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011:59－76.

【5】曹建榮，姚慶梅，張玫，等.基于LabVIEW的頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2005(10):17－19.