制冷用熱力膨脹閥工作壽命自動檢測系統

孔 明，丁 超，趙 軍

（中國計量學院 計量測試工程學院，杭州 310018）

熱力膨脹閥是空調制冷系統中四大部件之一，負責把制冷劑從冷凝壓力降至蒸發壓力，并按比例對制冷劑流量加以控制，熱力膨脹閥性能的好壞直接影響整個系統的運行性能，其中熱力膨脹閥的工作壽命能否達到設計要求，更是對空調系統的運行壽命、制冷效果、運行成本具有重要的意義[1]。目前國內熱力膨脹閥的產量很大，但性能檢測技術相對落后，其中檢測效率較低、穩定性差、檢測精度低等問題相對突出，無法滿足大批量檢測的要求。本文針對國內相關企業的實際需求，研發了一套多工位熱力膨脹閥工作壽命自動檢測系統，實現對多個熱力膨脹閥工作壽命自動檢測和評價，滿足企業需求。

1 檢測氣路設計方案

熱力膨脹閥的工作壽命的檢測原理是通過快速地對熱力膨脹閥反向充放氣，模擬熱力膨脹閥反復開閉的工作狀態，在多次開閉動作后，檢測熱力膨脹閥是否還能正常工作，即檢測熱力膨脹閥的靜止過熱度是否能達到初始設定值。根據上述檢測原理，熱力膨脹閥工作壽命檢測氣路如圖1所示。

圖1 熱力膨脹閥工作壽命檢測氣路Fig.1 Working life of the thermal expansion valve testing gas circuit diagram

檢測氣路的工作流程為工作時，關閉進氣閥1以封閉閥進口端，把感溫包放置在0℃的恒溫槽內，打開進氣閥2將氣體由外平衡管通入到膨脹閥膜片或波紋管下側使閥關閉，然后關閉進氣閥2，打開排氣閥，反復使膜片全行程上下運動，膨脹閥反復開閉，反復動作100000次[2]。調節進氣閥2的開閉時間并控制氣體壓力按一定頻率高低變化，通過壓力控制器檢測氣壓的高低變化，并用計數器統計氣壓的高低變化次數，即可統計出膨脹閥的作動次數。

完成上述工序后，關閉進氣閥2，打開進氣閥1，感溫包放置在0℃恒溫槽內，調節比例閥使閥前端壓力值P1保持恒定，讀取閥后壓力傳感器2的壓力值P2，即可確定靜止過熱度[3]。從而判斷經工作壽命檢測后的膨脹閥的靜止過熱度是否符合設定值，即判斷該熱力膨脹閥的工作壽命是否符合要求。

2 系統硬件設計

本文研究的熱力膨脹閥工作壽命檢測系統，以PLC作為控制與數據采集處理中心，控制進氣閥2的通斷，實現系統的充放氣過程；采集壓力控制監測數據以及計數器所統計的熱力膨脹開閉作動次數，通過顯示屏顯示；通過壓力傳感器檢測膨脹閥空氣作動值，即可得到靜止過熱度。該系統的組成框圖如圖2所示，主要傳感器性能參數如下：

壓力傳感器本系統采用MEAS-M5100壓力傳感器，壓力檢測范圍為0～2.07 MPa，精度為±0.25%FS，同時采用4～20 mA的輸出方式，將檢測系統管道內的氣體壓力值轉化為電信號輸出，用以讀取氣路管道中的壓強并輔助判斷膨脹閥是否關閉。

壓力控制器本系統采用BL-YX18-X型智能壓力控制器，壓力控制范圍為-0.1～60 MPa， 控制精度為±0.5%FS，具有壽命長的特點，適用于作動壓力反復變化的工作條件，同時其輸出2路開關量和1路模擬量，便于計數器對作動壓力變化次數統計。

電氣比例閥本系統采用TYPE-3000電氣比例閥，輸出壓力范圍為0～4 MPa，控制精度為±0.2%FS，輸入命令信號為0～10 VDC或4～20 mA，適用于PLC自動控制系統以實現對供氣氣壓的自動調節與控制[4]。

圖2 硬件系統組成Fig.2 Hardware system composition

目前，熱力膨脹閥多為大批量生產，熱力膨脹閥的工作壽命性能的檢測多為抽檢的方式，為了提高檢測系統的檢測效率，本系統采用多工位多氣路綜合控制的設計方案，能夠實現同時檢測多個熱力膨脹閥的工作壽命，并做出評價，從而達到高效準確的檢測目的[5]。

3 系統軟件設計

本系統采用PLC作為運行控制及數據處理中心，檢測系統的軟件采用梯形圖的編程語言進行設計開發。軟件系統主要由主程序及2個檢測項目的子程序組成，其中主程序的基本流程如圖3所示。檢測系統啟動后，首先對各硬件設備進行初始化，然后進入主程序界面，對各個工位的工作狀態進行設定，未處在工作狀態的工位無法進行充氣操作。工位的工作狀態進行設定完成后，選擇所要檢測的熱力膨脹閥性能參數即工作壽命和靜止過熱度，完成檢測項目的選擇后，系統開始執行對所選性能參數的檢測，完成性能檢測后，根據獲得的檢測結果，對檢測的熱力膨脹閥性能是否合格做出判斷，對于檢測不合格的熱力膨脹閥，其所處的工位作報警提示。最后將檢測數據及結果存儲并生成報表。

圖3 主程序流程Fig.3 Main program flow chart

熱力膨脹閥工作壽命檢測的程序流程如圖4所示。進入工作壽命檢測子程序后，需對電氣比例閥1的輸出氣壓值（即工作壽命檢測充氣氣壓）、作動次數和電氣比例閥2的輸出氣壓值（即靜止過熱度檢測充氣氣壓）進行設置，設置完成后打開進氣閥2進行充氣，并通過壓力傳感器2對管道內氣壓實時監測，當壓力傳感器2檢測到的壓力值P2達到充氣氣壓設定值時，關閉進氣閥2進行保壓待氣壓穩定后，打開排氣閥排氣，膨脹閥完成一次作動，壓力控制產生一個開關量，計數器值加1[6]。按照此流程循環多次，當循環次數N到達設定值后進行靜止過熱度檢測，以判斷經過工作壽命試驗后的膨脹閥是否仍能正常工作（即靜止過熱度值是否在出廠設定范圍內）。

圖4 工作壽命檢測流程Fig.4 Flow chart of testing working life

靜止過熱度檢測的程序流程如圖5所示。進入靜止過熱度檢測子程序后，需對電氣比例閥2的輸出氣壓值 （即靜止過熱度檢測充氣氣壓）和所檢測的膨脹閥出廠靜止過熱度值進行設置，設置完成后打開進氣閥1進行充氣，并通過壓力傳感器1對管道內氣壓實時監測，當壓力傳感器1檢測到的壓力值P1達到充氣氣壓設定值時，關閉進氣閥1進行保壓待氣壓穩定后，讀取壓力傳感器2所檢測到的壓力值即熱力膨脹閥的實際靜止過熱度值[7]。

圖5 靜止過熱度檢測流程Fig.5 Flow chart of testing static superheat

4 試驗測試與評價

為了測試熱力膨脹閥綜合檢測系統的性能，對EBH-10M152型熱力膨脹閥進行了工作壽命和靜止過熱度（空氣作動值）的性能測試，分別從工作壽命檢測的作動頻率及檢測時間和靜止過熱度檢測精度來評價測試系統的性能。

4.1 工作壽命檢測

首先對熱力膨脹閥進行充氣，充氣氣壓為0.4 MPa，以確定管道內氣壓達到穩定值所需時間[8]。根據壓力傳感器2所監測到的管道內氣壓變化如圖6所示，可以看出開始充氣后，管道內氣壓迅速升高，由于進氣氣流的沖擊造成管道內氣壓短時間內出現較強的波動，經過1.8 s后氣壓逐漸趨于平穩，穩定在0.4063 MPa左右。經過1.2 s的保壓后進行排氣，完成一個作動的時間在4 s左右。

圖6 氣壓變化Fig.6 Pressure variation

由上述過程可以推出本測試系統的理論作動頻率為15次/min。在實際的測試中，分別對熱力膨脹閥進行 1000次、5000次、10000次、50000次、100000次作動試驗，記錄各自所需時間，計算作動頻率，試驗數據如表1所示。

表1 作動時間和頻率Tab.1 Actuation time and frequency

隨著作動次數的增加各電磁閥不斷地開閉，電磁閥的氣密性勢必受到影響，增加從充氣到氣壓平衡的時間，因此會造成作動頻率的下降，但是，熱力膨脹閥作動100000次所需時間136 h 26 min 43 s，作動頻率13.5次/min，仍然符合JB/T 3548-2013標準中的作動頻率不低于10次/min的要求。本測試系統可以同時檢測20個熱力膨脹閥，從而提高熱力膨脹閥工作壽命檢測的效率，彌補100000次作動時間過長對檢測效率造成的影響。

4.2 靜止過熱度檢測

空氣作動值與靜止過熱度從本質上來講是同一個概念，由于空氣作動值為壓力值便于檢測[10]。因此，目前熱力膨脹閥的生產企業多采用壓力值來表示靜止過熱度。本測試系統亦采用這種檢測方式對熱力膨脹閥的靜止過熱度值進行檢測。

測試實驗選取一經過檢定的熱力膨脹閥作為測試對象，其靜止過熱度值為0℃作動值：0.130 MPa[9]。實驗時將感溫包放置在0℃恒溫槽內，調節比例閥使充氣氣壓為1.03 MPa，待閥前端壓力值達到穩定時，讀取閥后壓力傳感器2的壓力值P2，即可確定靜止過熱度。多次測量后得到的靜止過熱度數值如表2所示。

經過10次測量所得結果的平均值為0.1301 MPa，絕對測量誤差均在±0.003 MPa范圍內，相對誤差絕對值均小于1%，由此可以看出本系統對靜止過熱度檢測能夠達到較高檢測精度，同時測量的重復性為0.0002 MPa，具有較好的測量重復性。

5 結語

本文設計了一套熱力膨脹閥工作壽命檢測系統，將熱力膨脹閥進行工作壽命作動試驗和靜止過熱度測試整合到同一臺檢測設備上，能夠快速高效地進行工作壽命作動試驗，并對熱力膨脹閥的工作壽命是否符合要求做出準確評價。總體上來看，本測試系統具有效率高、準確度高、自動化程度高的特點，保證了熱力膨脹閥的質量指標，降底了熱力膨脹閥的檢測成本。

表2 靜止過熱度測試數據Tab.2 Static superheat test data

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