比例电磁阀静特性测试系统设计

蔡胜年，周利德，庞宝麟

(沈阳化工大学信息工程学院，辽宁沈阳110142)

0 引言

随着工业技术的日益发展，电磁阀在工业系统中所起的作用与日俱增。电磁阀具有结构简单、外形尺寸小且响应时间短等优点，其性能好坏直接关系到整个系统的安全性及可靠性。因此，电磁阀自动测试是电磁阀研发和生产中不可或缺的重要环节。以往的人工测试劳动强度大、效率和测试精度都较低，增加生产成本并且产品测试性能误差较大。随着科技的发展，对电磁阀产品性能要求越来越高，因此研制高精度、短周期的电磁阀自动测试系统成为电磁阀研制和生产单位的首选。电磁阀综合特性测试的测试项目多，其测试系统复杂且要求高可靠性和柔性。国际上有较为先进的电磁阀检测设备，可实现对各种型号电磁阀的高精度和高效率自动测试;不足之处是这类检测设备的价格昂贵且设备供应周期和后期维护都较困难。而目前国内则鲜有对同类课题的报道。作者利用某电磁技术研究所生产的电磁阀，研制一种基于虚拟仪器技术的电磁阀特性自动测控系统。该系统实现了电磁阀动静态特性的各项测试和测试过程中的自动控制，大大提高了电磁阀特性测试的测试精度和效率［1－2］。

1 测试系统总体设计

该系统设计中，利用装有LabVIEW的计算机作为主控制系统，再结合数据采集卡、驱动器、控制器、传感器等一些相关硬件组成测试系统，可以自动控制比例电磁阀不同的开度，并且自动检测相应开度下通过比例电磁阀的流量，同时可以测试电磁阀的密闭特性、耐压特性而且生成完整的检测报告。总体设计框图如图1所示。

实验内容包括:

(1)密闭性实验。电磁阀的泄漏测试作为开关量的检测也可以由系统自动完成。在测试开始之前，先根据泄漏测试要求，在压力传感器上设置好上限值，然后单击“运行”开始测试。当泄漏量高于上限值时会发出报警提示，相应地便会在虚拟仪器界面上观察到“泄漏报警”指示灯闪烁报警。

(2)流量特性实验。此系统设计的初衷便是强调自动测试特性，改善现阶段手动测试的不便性，所以在实验开始时只需要在虚拟仪器界面点击“运行”，系统测试便开始。在运行过程中，通过程序控制AD采样、DA自动完成一个0～500 mA的去回程等过程，待测试结束后，便会得到实验数据以及绘制的反映比例电磁阀特性的滞回曲线。

(3)误差分析。采集了一组平均数据，将其作为基准数据，系统读取已保存的数据，在相同的条件下将采集的数据与其做对比，进行误差分析，低于误差率则是合格，反之则是不合格。

2 测试系统硬件设计

2.1 数据采集装置

针对该测试系统对于动静态特性等多个参数进行自动测试的要求，要考虑其模拟量与开关量等通道数、采样精度、速率、数据匹配度、分辨率、测量范围等指标能否满足系统测试以及日后数据分析等环节的精度要求。通过计算，USB2833多功能数据采集板满足其精度、速率、数据匹配等各项要求。它的AD芯片最大转换速率500 kHz，模拟输入通道总数:16路单端，8路双端，时间分辨率为:

8/500 kHz=8/(500 ×1 000)Hz=16 μs

而电磁阀响应时间在10 ms左右满足要求。其量程:±10 V、±5 V(默认)、±2.5 V、0～10 V，转换精度:13位(Bit)，第13位为符号位，非线性误差为±1 LSB(最大)，系统测量精度为0.1%。其各项指标都满足整个测试系统的需求精度。

2.2 驱动控制装置

D/A控制电磁阀驱动模块作为软件系统程序的一个子功能模块，它主要通过在采集板内设置控制程序，通过程序设置采集板的电压输出控制控制器［3］，从而利用控制器完成对电磁阀阀口开度的控制改变流量。其控制思想主要采用板卡输出电压控制控制器电流输出，从而控制电磁阀不同的开度。控制器选择该电磁技术研究所自主研发的控制器，其输入信号可以为0～5、0～10 V的电压信号，输出信号为0～1、0～2 A的电流信号，其控制电路如图2所示。

2.3 传感器装置

传感器作为数据采集的执行器件，其性能的好坏影响整个测试系统。在考虑到该测试系统精度达到要求的前提下，结合实验室具体情况，选取松下DP-100型压力传感器与GFM-57型流量传感器。实物与技术参数如下所示:

DP-100型压力传感器分辨率1/2 000;温度特性±0.5%FS;反应时间2.5 ms;重复精度0.1%FS;显示单位0.1 kPa;

GFM-57型流量传感器满量程流量范围10～1 000 mL/min;精度1.5%FS(15～25℃，0.04～0.41 MPa之间线性);重复性0.5%FS;输出信号为0～5 V线性输出，1 000 Ω负载;4～20 mA，50～250 Ω回路电阻;气体压力推荐0.14 MPa。

以上硬件选取完毕最后定其硬件电路，如图3所示。

3 测试系统软件设计

系统采用LabVIEW的虚拟仪器图形化编程语言，采用结构化模块程序设计，便于调试与维护［4］。系统操作简单、快捷，具有多种实时检测功能和友好的人机界面，并具有系统完善的试验数据显示、保存、分析功能。软件结构如图4所示。

4 实验内容与实验数据分析

为了验证该控制系统是否能够实现电磁阀高精度控制以及电磁阀控制与数据采集触发精密配合情况，采用电磁技术研究完整的气路系统，结合完整的电路系统组成，选用2218G1/8电磁阀，直流稳压电源选用IT670型60V-5A-100W开关电源为控制器和驱动电路提供电源，在30 N压力条件下进行测试，其整体实验装置如图5所示。

4.1 实验数据分析

以大量测量数据的平均值作为基准数据，以后所测数据与其做对比并计算拟合误差，按照经验以及以往客户要求平均误差在10%之内认为电磁阀可靠，可以显示完整的流量滞环曲线以及误差曲线 (如图6所示)，并用报表将其输出 (如图7所示)。

如图7所示:电流为200 mA时电磁阀开始启动，由此会出现一个波动，同时在回程的时候也会出现波动，说明电磁阀启动电流不同，电磁阀关断电流也不同。并且从报表中可以看出:在整个误差拟合曲线中，整体误差都在10%之内，所以由此可以判断该电磁阀是合格产品。

5 结论

将虚拟仪器技术应用于电磁阀测试中，研制了多功能电磁阀测试实验台，运用LabVIEW编程开发出测试软件。应用该测控系统对电磁阀进行了各项综合特性测试，证实该测控系统测定的参数准确，可大大降低测试工人的劳动强度，提高测试精度和效率。并且考虑到操作要尽可能以最直接、最易于理解的方式呈现在用户面前，自动生成了满足实验要求及客户需求的表格及曲线，并可实现测试数据的报表展现，很直观地给用户展现电磁阀的性能指标，大大提高了测试效率，为科研单位及生产企业进行电磁阀开发与检测提供了有力的工具。

【1】杨洪涛，张炜，张晶，等.基于LabVIEW的高精度电磁阀控制系统设计［J］.自动化与仪表，2012(1):31－35.

【2】汪志刚，张敬国，杨建国.电磁阀测试装置的开发及其试验研究［J］.阀门，2006(1):13 －16.

【3】倪文波，王雪梅，李萧，等.基于PWM技术的电控比例阀研究［J］.机车电传动，2005(3):12 －15.

【4】岂兴明，田京京，夏宁.LabVIEW入门与实战开发100例［M］.北京:电子工业出版社，2011:59－76.

【5】曹建荣，姚庆梅，张玫，等.基于LabVIEW的频率特性测试仪的设计［J］.仪表技术与传感器，2005(10):17－19.