全壓式交變機的設計與試驗

甘 蓉 ，郝羅亮 ，汪 帥 ，張劍霜 ，劉 莎

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

壓力儀表的交變試驗是壓力儀表型式評價大綱要求必做的試驗項目，主要用于測試壓力敏感元件在疲勞工作狀態下計量性能的穩定性.目前壓力交變試驗機采用活塞往復式控制原理，通過控制活塞位移控制受壓腔內壓力大小，達到交變實驗的目的[1].活塞往復式交變試驗機作為主流中、高壓交變試驗設備，已廣泛應用.由于采用活塞系統而導致的密封性不足，溫度影響穩定性和介質壓縮比等參數的限制，活塞式往復交變機常應用于0.6～60.0 MPa液體介質的壓力儀表交變試驗.對要求使用氣體介質的壓力類儀表及微壓級別儀表的交變試驗，活塞式往復交變試驗機不能滿足要求，使用氣體介質進行交變試驗還無法有效的實現.

與活塞往復式交變試驗機不同，本文利用充壓、放壓的原理，消耗一定的工作介質產生壓力正弦波信號，這樣的設計具有以下優點：每一個交變周期都進行充壓動作，避免傳統活塞往復式交變機在試驗過程中由于系統泄漏需要進行補壓的缺點[2]；采用氣體介質，滿足單真空或壓力真空復合式壓力儀表的交變試驗要求；準確控制交變壓力上下限，同時滿足差壓類壓力儀表在一定的靜壓環境下進行差壓量程的壓力交變要求.

全式交變機不僅可調交變幅度、交變頻率，通過計數模塊，還能實現自動記錄交變次數，根據預設的交變次數自動停機的功能，真正意義上實現交變試驗全過程無人值守[3].設計上采用壓力傳感器采集壓力信號，經過放大后轉換成數字信號[4]，利用設置菜單，更改交變上、下限值，最后通過控制電磁閥的通斷，得到一個正弦波形的壓力信號.

1 工作原理

進行表壓交變試驗時，差壓部分控制閥門關閉，系統壓力升高時，進氣電磁打開，氣源進入系統，系統壓力持續升高.當系統壓力升高到設置的上限交變值時，單片機控制進氣電磁閥關閉，排氣電磁閥打開，氮氣持續排除，系統壓力下降.系統壓力下降到設備下限交變值時，單片機控制排氣電磁閥關閉，進氣電磁閥打開，系統再次升壓，完成一個交變周期，如圖1所示，圖中：M為電機；H、L分別為差壓的高、低端；P1～Pn為n個被測口；P為壓力標準.

一個交變周期內，系統壓力上升的時間和下降的時間.（即交變頻率.）取決于進氣和排氣的流量，電路部分的時頻模塊檢測同一電磁閥兩次動作的時間.壓力上升時，進氣電磁閥從開到閉的時間由進氣流量決定[5]，進氣流量越大電磁閥開閉時間越短，交變上升時間越短，反之同理.壓力下降時，排氣電磁閥從開到閉的時間由排氣流量決定.在進氣壓力恒定的情況下，通過改變進氣、排氣流量控制交變上升、下降的時間[6].通過脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）信號到進氣流量控制閥和排氣流量控制閥[7]，分別控制進氣流量和排氣流量，實現控制交變頻率.

圖 1 工作原理Fig.1 Schematic of working principle

完成一個交變周期時，進氣電磁閥通斷一次，通過測量進氣電磁閥開啟的次數，就能得到交變次數.通過預設交變次數，在交變次數達到設置上限時，輸出一組開關量信號，控制氣源電磁閥由常通變為常斷，同時輸出另一組開關量信號，控制放空電磁閥由常斷變為常通，氣源斷開，系統與大氣相通，交變試驗完畢.

在靜壓環境下進行差壓交變試驗時，將主傳感器更換為差壓傳感器，選擇差壓模式.差壓模式中，差壓電磁閥組參與工作，實現在靜壓環境下進行差壓交變的功能.

2 結構及組成

全壓式交變機由氣路部分和控制部分組成.氣路部分采用氮氣作為測試介質，減壓閥控制氣源壓力，開關電磁閥與比例電磁閥控制交變壓力.控制部分采用STM32單片機進行信號采集及運算[8]，采用磁隔離芯片實現電路隔離，L9352B驅動芯片驅動開關電磁閥和比例電磁閥[9].

2.1 氣路結構

氣路部分由減壓閥、開關電磁閥、流量電磁閥和壓力傳感器組成，壓力傳感器用于采集壓力信號.預留3～6個試驗樣品安裝接口，可同時進行多量程多臺樣品的試驗.

氣體間斷性進入和排出系統，對氣源有一定損耗.在設計中將氣路系統總容積盡量縮小，減小對氣源的消耗，節約成本的同時延長氣源使用時間.

2.2 控制部分

壓力信號來源于壓力傳感器，選用單晶硅壓力傳感器，響應時間 ≤ 1 ms，輸出信號為mV級.根據傳感器特性在激勵電壓5 V時，輸出信號為 -30～150 mV.通過信號放大器得到數字信號參與運算.信號采集頻率與傳感器響應時間同步，達到1 kHz.交變試驗要求交變頻率60次/min，在一個交變周期內能采集約1 000次的壓力信號，能準確地為單片機提供輸入信號.

進行表壓交變試驗時，選擇表壓模式，這時靜壓進氣閥、靜壓平衡閥和靜壓放空閥始終關閉.開始試驗后，運算部分控制開關控制器向氣源電磁閥發出開關量信號，控制氣源電磁閥開啟，向放空電磁閥發出開關量信號，控制放空電磁閥關閉，試驗開始；當系統壓力值達到交變壓力上限時，運算部分控制開關控制器向進氣電磁閥發出開關量信號，控制進氣電磁閥關閉，同時向排氣電磁閥發出開關量信號，控制排氣電磁閥開啟，系統排壓；系統壓力下降到交變壓力下限時，運算部分控制開關控制器向進氣電磁閥發出開關量信號，控制進氣電磁閥開啟，同時向排氣電磁閥發出開關量信號，控制排氣電磁閥關閉，系統升壓，此時完成一個交變循環.

運算部分采集進氣電磁閥通斷時間，與設置的時間作比較，采集時間大于設置時間時，運算部分控制驅動芯片調整進氣流量閥正向動作，進氣流量增大，此時下次循環的采集時間減小，如此往復，直至與設置時間一致.同理，運算部分采集排氣電磁閥由斷到通的時間，與設置的時間作比較，可控制排氣時間.

由上可知，進氣電磁閥兩次通路時一個交變循環完成，計數器采集到進氣電磁閥通路的次數予以累加，達到顯示部分設置的次數時，控制氣源電磁閥關閉，同時開啟放空電磁閥，氣源截斷，系統放空，交變試驗結束.

在進行靜壓環境下差壓交變試驗時，選擇差壓模式，然后手動將靜壓減壓閥排氣端調整到所需要的靜壓力.單片機控制靜壓進氣閥和靜壓平衡閥開啟.在差壓傳感器和被測表兩端施加靜壓.開始試驗時，靜壓平衡閥關閉.差壓傳感器和被測表高、低壓端截斷.差壓傳感器兩端測得壓力差，后續原理與表壓交變試驗相同.差壓交變試驗結束后，靜壓進氣閥關閉，靜壓平衡閥打開，差壓傳感器高低壓端連通，差壓為零，再打開放空電磁閥，系統通大氣.差壓模式下，靜壓減壓閥始終保持低壓端的壓力為要求靜壓力，無需進行人工干涉.

3 系統設計

3.1 硬件設計

系統采用模塊化設計，分別將傳感器部分、計數部分與控制部分模塊化[10].模塊化設計便于更換量程，實現不同量程的試驗要求.系統設計采用STM32單片機控制電路，由STM32信號產生電路、隔離電路和驅動電路組成，同時控制開關型電磁閥和流量閥，不同的是芯片輸出信號的差異，分別為數字信號和PWM信號.

硬件系統控制核心采用STM32單片機，采用專用集成驅動芯片L9352B來控制和監測電磁閥[11].電磁閥電路框圖如圖2所示，采用隔離芯片實現主控芯片與驅動芯片的隔離，ARM輸出的PWM或者數字信號在隔離芯片隔離后控制L9352B，從而控制電磁閥；電磁閥的狀態通過L9352B輸出后再經過隔離芯片隔離后輸入ARM，實現了電磁閥狀態的監控和統計.

圖 2 電磁閥電路Fig.2 Circuit diagram of solenoid valve

3.2 軟件設計

系統軟件在Keil uVision 4的開發的環境中進行開發，使用C語言編寫，采用從上到下的模塊化設計方法[12].以STM32單片機控制進氣電磁閥為例，程序流程如圖3.

初始后首先檢查故障，如有故障，處理后重新檢測，直到無故障.下一步檢查是否接收到數據，如果未接收到數據，重新檢查故障，如果接收到數據，則判斷電磁閥打開還是關閉.如果電磁關閉，返回故障檢測，如果電磁閥打開，則統計打開次數.最后判斷打開次數是否達到預設次數，如果未達到預設次數，再次返回故障檢測，如果達到預設次數，則結束試驗.其中電磁閥打開次數統計控制流程如圖4，圖中，NPN為開關量信號.

圖 3 進氣電磁閥控制流程Fig.3 Flow chart of control program for inlet solenoid valve

圖 4 計數器程序流程Fig.4 Counter program flow chart

4 試驗與分析

根據工作原理可知，每個交變周期的交變上限壓力全部由氣源提供，避免了活塞往復式交變試驗機由系統泄漏帶來的壓力上限逐漸減小的情況，交變試驗波形在試驗前后完全一致，試驗數據如圖5.

選取 -100～100 kPa的壓力真空表進行交變試驗，試驗波形如圖5（e），根據型式評價大綱[13]的要求，交變試驗上限壓力為滿量程的75%（50 kPa），交變試驗下限壓力為滿量程的25%（-50 kPa）.分析試驗波形圖可知，一個交變周期內壓力值的采集次數以及壓力傳感器的準確度直接影響交變試驗中交變上、下限壓力的準確.一個交變周期的壓力信號采集頻率達到1 kHz，在一個振幅內的采集次數達到250次，由采集頻率帶來的分辨力p1如式（1）所示.選用準確度等級為0.2級的壓力傳感器，由壓力傳感器帶來的傳感器誤差p2如式（2）所示.交變機的最大誤差p如式（3）所示.

圖 5 交變試驗數據Fig.5 Alternating test data

式中：P為壓力量程，kPa.

經過試驗，計算得出交變機最大控制誤差為0.28%，完全滿足交變試驗要求.

5 結 論

（1）解決了傳統活塞往復式交變機在交變試驗中需要人為去操作的問題，試驗中采用一種全新的工作原理，結合簡單的控制方式，實現了在壓力交變試驗中的全自動試驗功能.

（2）補充了傳統活塞往復式交變機無法實現的單真空或正壓真空復合型交變試驗的空缺.

（3）實現在差壓類壓力儀表在靜壓環境下進行差壓量程的交變試驗，彌補了原先技術層面上的空缺.

（4）自主開發控制軟件，功能完整，人機交互界面友好，操作簡單，真正意義上做到無人值守.

由試驗數據可知，由于工作原理與活塞往復式交變試驗機完全不同，試驗結果優于設計技術指標，也優于活塞活塞往復式交變試驗機.特別在介質要求為氣體和量程偏小的情況下具有很多優點.除滿足型評類壓力儀表交變試驗的要求外，對某些特殊行業和具有特殊要求的交變試驗要求，如要求壓力波形為三角波、方波等，也能具有改動空間.在對交變試驗機的改進和發展上具有探索的方向.