热力膨胀阀开度测试系统研制

刘 鹏，蒋 庆，马天明，王彦峰

(中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018)



热力膨胀阀开度测试系统研制

刘 鹏，蒋 庆，马天明，王彦峰

(中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018)

根据国标QC/T663—2000，对热力膨胀阀开度特性测试方法进行了研究，提出测试系统方案、硬件结构和软件设计，对测试结果进行了分析。结果表明：该系统的测量指标均达到技术要求，且具有稳定、准确、高效等优点。

热力膨胀阀； 开度； 测控系统

0 引 言

热力膨胀阀是制冷系统的重要节流元件，其可根据蒸发器出口处的制冷剂温度变化自动调节阀口的开度，从而调节流入蒸发器的制冷剂流量[1]。膨胀阀的开度性能是评价膨胀阀与制冷系统匹配的重要指标。

传统的热力膨胀阀开度检测设备存在自动化程度低、操作性差、测试不准确等缺点，一次系统匹配开度测试时间需要半天时间[2]。因此，设计与开发一台高精度、高效率的热力膨胀阀开度测试系统，可大大提高企业进行热力膨胀阀性能匹配实验的工作效率。

1 系统总体设计

热力膨胀阀开度特性测试主要包括开度—压力特性曲线、开度—温度特性曲线的测试。

根据国标QC/T663—2000，开度测试原理(以外平衡阀为例)如图1所示。1)开度—压力特性曲线的测试方法是将感温包浸于0 ℃恒温槽内，调节压力调节阀，向平衡口以0.01 MPa以下间隔增加压力，测得对应压力下的膨胀阀开度；再以0.01 MPa以下间隔降低压力，测得对应压力下的膨胀阀开度。2)开度—温度特性曲线的测试方法是将感温包浸于恒温槽内，向平衡口加标准额定条件的压力(5 ℃时制冷剂所对应的饱和压力为0.35 MPa)，并以1 ℃以下间隔增加恒温槽温度，测得对应温度下的膨胀阀开度；再以1 ℃以下间隔降低恒温槽温度，测得对应温度下的膨胀阀开度。

图1 膨胀阀开度特性测试原理图Fig 1 Principle diagram of openness characteristic test of expansion valve

设计系统实现4工位开度特性同步测试，平均测试节拍1个/h，压力测试精度的要求为0.1 %，范围0～0.35 MPa，开度测试精度的要求为0.01 mm，范围0～3 mm，温度控制波动度为±0.1 ℃，范围0～25 ℃。

热力膨胀阀开度测试系统结构框图如图2所示。1)可编程逻辑控制器(PLC)实现对执行单元与温控单元的控制以及对测试单元所测数据的处理，显示器显示测试结果，设定系统测试参数等。2)执行单元：对相关电磁阀与电控比例阀的驱动。3)测试单元：对开度值、压力值的测试。4)温控单元：对恒温槽温度的控制。

图2 系统结构框图Fig 2 Block diagram of system structure

1.1 系统气路设计

开度测试系统的气路原理框图如图3所示。气源提供稳定压力的压缩空气，经过滤减压阀过滤杂质并将压力调至1 MPa。电控比例阀主要是为平衡口提供可通过PLC控制的压力的作用，采用输出量程为0～900 kPa，精度为满量程的6 %。4个工位共用1个电控比例阀和恒温槽，降低设计成本，实现多工位开度特性曲线同步测试，提高检测效率。

图3 系统气路原理框图Fig 3 Principle block diagram of system air path

1.2 系统电器设计

开度测试系统的电器原理框图如图4所示。系统选用欧姆龙CP1H系列的PLC与MCGS人机交互界面，PLC可以方便相关的数据采集处理、调试实验；MCGS为用户提供了一个良好的操作界面，方便对整个操作系统进行监控，对相关的参数进行设置，以及电气检测和仪表修正等[3]。

该系统通过压力变送器与位移传感器采集相应的压力、位移模拟量，经由数据采集模块传输给PLC，人机交互界面通过串行通信连接PLC，监控整个测试过程。压力变送器选用的是以扩散硅作为压力检测元件的压阻式压力变送器，量程为0～0.6 MPa，精度为0.1 %FS。位移传感器是用来测量待测阀的阀杆位移(开度)，量程为0～10 mm,测量精度为0.008 mm。恒温槽选用的量程为-5～30 ℃，控制波动度为±0.1 ℃。

图4 系统电器原理框图Fig 4 Electrical principle diagram of system

1.3 系统软件设计

测试系统的软件由PLC与MCGS 操作界面来实现，实现测试过程的自动化，实时显示相关部件的状态、测试结果等。软件流程图如图5、图6所示，特性曲线可在MCGS界面进行实时监控，待测试完成后，还可将数据以Excel格式导出，供用户分析。

图5 开度—压力测试流程图Fig 5 Flow chart of opening-pressure test

2 测试结果分析

在将试验工况控制在国标要求的范围后，对所试验阀进行多次开度测试，取平均值，得到开度—压力特性曲线、开度—温度特性曲线，如图7和图8所示。

图7所示，膨胀阀随着平衡压力的增加，阀口开度逐渐变小，直到平衡口压力增加到0.2 MPa左右，阀口趋于关闭状态。从开始增压到全闭点过程中，随着压力升高，膨胀阀的开度几乎呈线性减小。

图6 开度—温度测试流程图Fig 6 Flow chart of opening-temperature test

图7 开度—压力特性曲线Fig 7 Characteristic curve of opening-pressure test

图8 开度—温度特性曲线Fig 8 Characteristic curve of opening-temperature test

图8所示，膨胀阀在温度低于6 ℃时，一直处于静止状态，当温度高于6 ℃后，膨胀阀开启。膨胀阀的开启点在感温包温度为6 ℃，全开点在16 ℃左右，从开启点到全开点过程中，随着温度升高，膨胀阀的开度几乎呈线性增加。

在汽车空调行业，常用机器能力指数来评价所开发系统的可靠性、稳定性，它仅考虑设备本身因素对质量的影响[4]。机器能力指数主要由两部分组成，分别是准确能力指数Cmk和重复性能力指数Cm。对于机器重复性能指数Cm，若Cm越大，则表示设备检测的重复性越好。而对于准确能力指数Cmk值越大，则设备的准确性越好[5]。而且企业一般对于Cmk要求大于1.67，方能满足企业的要求。

对于开度—压力特性曲线，选取0.003,0.010,0.020 MPa 3个压力点，用标准膨胀阀在4个工位分别测试3个压力点所对应的开度值各50次，并计算机器能力指数如表1所示。

3个压力点所对应开度的基准值分别为0.770,0.590,0.000 mm，公差范围为0.020 mm。

表1 开度—压力曲线测试能力分析

由表1可知，对于所选取的3个压力点，在4个工位测得对应压力下的开度值，计算得到Cm,Cmk均都大于1.67，所以,该系统对热力膨胀阀开度—压力特性曲线测试能力满足企业要求。

同理，对于开度—温度特性曲线，选取7.0,13.0,24.0 ℃共3个温度点，用标准膨胀阀在4个工位分别测试3个温度点所对应的开度值各50次，并计算机器能力指数如表2所示。3个温度点所对应开度的基准值分别为0.050,0.510,0.610 mm，公差范围为0.02 mm。

由表2可知，计算得到Cm,Cmk均大于1.67，所以，该系

表2 开度—温度曲线测试能力分析

统对热力膨胀阀开度—温度特性曲线测试能力满足企业要求。

3 结束语

该测试系统结构简单、操作方便，测量指标达到技术要求，且具有便捷的人机交互操作界面。该系统已成功投入某企业的热力膨胀阀开度特性测试中应用半年，系统运行稳定，提高热力膨胀阀性能匹配实验的工作效率至少3倍以上，符合企业的生产检测要求。

[1] 徐 博，江挺候，陈江平，等.热力膨胀阀感温元件特性试验研究[J].制冷学报，2011,32(2):217-222.

[2] 郭晓铃，姚 燕，蒋 庆，等.基于模糊自适应的热力膨胀阀容量测试系统[J].仪表技术与传感器，2014,6(6):65-68.

[3] 张 玺，蒋 庆，邵建文，等.电子膨胀阀流量特性测试台的设计与开发[J].传感器与微系统，2012,31(6):116-118.

[4] 蒋 庆，李 婷，姚 燕，等.模态参数识别在压力开关同步检测中的应用[J].传感器与微系统，2011,30(11):142-148.

[5] 朱正德.机械加工设备能力的评定指标机器能力指数[J].航空精密制造技术,2003,39(3):25-28.

Research and fabrication of thermal expansion valve opening test system

LIU Peng,JIANG Qing,MA Tian-ming,WANG Yan-feng

(College of Metrology and Measurement Engineering,China Jiliang University, Hangzhou 310018,China)

According to national standard QC/T663—2000,study on opening characteristic test method of thermal expansion valve,put forward test system solutions,hardware structure and software design,and analyze on test result.The test results show that measurement indexes of the system meet technical requirements,and has advantages of stable,accurate and high efficient.

thermal expansion valve;opening;measurement and control system

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0097—03

2016—08—08

TP 271

A

1000—9787(2016)11—0097—03

刘 鹏(1992-)，男，浙江金华人，硕士研究生，主要研究方向为自动化检测。