比例電磁閥靜特性測試系統設計

蔡勝年，周利德，龐寶麟

(沈陽化工大學信息工程學院，遼寧沈陽110142)

0 引言

隨著工業技術的日益發展，電磁閥在工業系統中所起的作用與日俱增。電磁閥具有結構簡單、外形尺寸小且響應時間短等優點，其性能好壞直接關系到整個系統的安全性及可靠性。因此，電磁閥自動測試是電磁閥研發和生產中不可或缺的重要環節。以往的人工測試勞動強度大、效率和測試精度都較低，增加生產成本并且產品測試性能誤差較大。隨著科技的發展，對電磁閥產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測試系統成為電磁閥研制和生產單位的首選。電磁閥綜合特性測試的測試項目多，其測試系統復雜且要求高可靠性和柔性。國際上有較為先進的電磁閥檢測設備，可實現對各種型號電磁閥的高精度和高效率自動測試;不足之處是這類檢測設備的價格昂貴且設備供應周期和后期維護都較困難。而目前國內則鮮有對同類課題的報道。作者利用某電磁技術研究所生產的電磁閥，研制一種基于虛擬儀器技術的電磁閥特性自動測控系統。該系統實現了電磁閥動靜態特性的各項測試和測試過程中的自動控制，大大提高了電磁閥特性測試的測試精度和效率［1－2］。

1 測試系統總體設計

該系統設計中，利用裝有LabVIEW的計算機作為主控制系統，再結合數據采集卡、驅動器、控制器、傳感器等一些相關硬件組成測試系統，可以自動控制比例電磁閥不同的開度，并且自動檢測相應開度下通過比例電磁閥的流量，同時可以測試電磁閥的密閉特性、耐壓特性而且生成完整的檢測報告。總體設計框圖如圖1所示。

實驗內容包括:

(1)密閉性實驗。電磁閥的泄漏測試作為開關量的檢測也可以由系統自動完成。在測試開始之前，先根據泄漏測試要求，在壓力傳感器上設置好上限值，然后單擊“運行”開始測試。當泄漏量高于上限值時會發出報警提示，相應地便會在虛擬儀器界面上觀察到“泄漏報警”指示燈閃爍報警。

(2)流量特性實驗。此系統設計的初衷便是強調自動測試特性，改善現階段手動測試的不便性，所以在實驗開始時只需要在虛擬儀器界面點擊“運行”，系統測試便開始。在運行過程中，通過程序控制AD采樣、DA自動完成一個0～500 mA的去回程等過程，待測試結束后，便會得到實驗數據以及繪制的反映比例電磁閥特性的滯回曲線。

(3)誤差分析。采集了一組平均數據，將其作為基準數據，系統讀取已保存的數據，在相同的條件下將采集的數據與其做對比，進行誤差分析，低于誤差率則是合格，反之則是不合格。

2 測試系統硬件設計

2.1 數據采集裝置

針對該測試系統對于動靜態特性等多個參數進行自動測試的要求，要考慮其模擬量與開關量等通道數、采樣精度、速率、數據匹配度、分辨率、測量范圍等指標能否滿足系統測試以及日后數據分析等環節的精度要求。通過計算，USB2833多功能數據采集板滿足其精度、速率、數據匹配等各項要求。它的AD芯片最大轉換速率500 kHz，模擬輸入通道總數:16路單端，8路雙端，時間分辨率為:

8/500 kHz=8/(500 ×1 000)Hz=16 μs

而電磁閥響應時間在10 ms左右滿足要求。其量程:±10 V、±5 V(默認)、±2.5 V、0～10 V，轉換精度:13位(Bit)，第13位為符號位，非線性誤差為±1 LSB(最大)，系統測量精度為0.1%。其各項指標都滿足整個測試系統的需求精度。

2.2 驅動控制裝置

D/A控制電磁閥驅動模塊作為軟件系統程序的一個子功能模塊，它主要通過在采集板內設置控制程序，通過程序設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研究所自主研發的控制器，其輸入信號可以為0～5、0～10 V的電壓信號，輸出信號為0～1、0～2 A的電流信號，其控制電路如圖2所示。

2.3 傳感器裝置

傳感器作為數據采集的執行器件，其性能的好壞影響整個測試系統。在考慮到該測試系統精度達到要求的前提下，結合實驗室具體情況，選取松下DP-100型壓力傳感器與GFM-57型流量傳感器。實物與技術參數如下所示:

DP-100型壓力傳感器分辨率1/2 000;溫度特性±0.5%FS;反應時間2.5 ms;重復精度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);重復性0.5%FS;輸出信號為0～5 V線性輸出，1 000 Ω負載;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 測試系統軟件設計

系統采用LabVIEW的虛擬儀器圖形化編程語言，采用結構化模塊程序設計，便于調試與維護［4］。系統操作簡單、快捷，具有多種實時檢測功能和友好的人機界面，并具有系統完善的試驗數據顯示、保存、分析功能。軟件結構如圖4所示。

4 實驗內容與實驗數據分析

為了驗證該控制系統是否能夠實現電磁閥高精度控制以及電磁閥控制與數據采集觸發精密配合情況，采用電磁技術研究完整的氣路系統，結合完整的電路系統組成，選用2218G1/8電磁閥，直流穩壓電源選用IT670型60V-5A-100W開關電源為控制器和驅動電路提供電源，在30 N壓力條件下進行測試，其整體實驗裝置如圖5所示。

4.1 實驗數據分析

以大量測量數據的平均值作為基準數據，以后所測數據與其做對比并計算擬合誤差，按照經驗以及以往客戶要求平均誤差在10%之內認為電磁閥可靠，可以顯示完整的流量滯環曲線以及誤差曲線 (如圖6所示)，并用報表將其輸出 (如圖7所示)。

如圖7所示:電流為200 mA時電磁閥開始啟動，由此會出現一個波動，同時在回程的時候也會出現波動，說明電磁閥啟動電流不同，電磁閥關斷電流也不同。并且從報表中可以看出:在整個誤差擬合曲線中，整體誤差都在10%之內，所以由此可以判斷該電磁閥是合格產品。

5 結論

將虛擬儀器技術應用于電磁閥測試中，研制了多功能電磁閥測試實驗臺，運用LabVIEW編程開發出測試軟件。應用該測控系統對電磁閥進行了各項綜合特性測試，證實該測控系統測定的參數準確，可大大降低測試工人的勞動強度，提高測試精度和效率。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在用戶面前，自動生成了滿足實驗要求及客戶需求的表格及曲線，并可實現測試數據的報表展現，很直觀地給用戶展現電磁閥的性能指標，大大提高了測試效率，為科研單位及生產企業進行電磁閥開發與檢測提供了有力的工具。

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

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

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

【4】豈興明，田京京，夏寧.LabVIEW入門與實戰開發100例［M］.北京:電子工業出版社，2011:59－76.

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