高壓空氣壓縮機容積效率測量裝置的設計

張玉峰，陳遠江，雷 潔，彭 磊

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高壓空氣壓縮機容積效率測量裝置的設計

張玉峰，陳遠江，雷 潔，彭 磊

（武漢軍械士官學校，武漢 430075）

容積效率是衡量高壓空氣壓縮機性能的一項重要指標。本文論述了容積效率測量的基本原理，設計了利用氣瓶、壓力傳感器、溫度傳感器、電磁閥和計算機直接對高壓空氣壓縮機容積效率進行測定的裝置，利用該裝置對高壓空氣壓縮機容積效率測量進行了測量。試驗結果表明：該裝置工作性能穩定，平均誤差在3％以內，系統測量精度高，適用范圍廣。

空氣壓縮機 容積效率 測量裝置

0 引言

氣動系統主要動力部件是空氣壓縮機，氣動系統壓力比較高，因而高壓空氣壓縮機發生故障的也比較多。高壓空氣壓縮機的故障是多方面的，其故障檢測比較復雜，高壓空氣壓縮機工作部分封閉在殼體內，難于從外部直接觀測，測量；其次高壓空氣壓縮機故障原因復雜，例如，氣動系統壓力不足，不僅與高壓空氣壓縮機有關，還和氣動系統壓力控制閥、外負載的狀態有關。近幾十年來，高壓空氣壓縮機故障診斷迅速發展，從早期的專家個人經驗診斷，現已發展到高壓空氣壓縮機的在線診斷。

目前，高壓空氣壓縮機的在線故障診斷技術主要是以工況監視為特點，對設備特征信號進行檢測、分析和處理，利用特征信號進行故障診斷。高壓空氣壓縮機中有許多相對運動的部件，運動部件相互摩擦并磨損，導致高壓空氣壓縮機內泄漏增大，容積效率下降。此外，高壓空氣壓縮機橡膠密封件老化，也會導致內泄漏增大，特別是在常見的活塞式氣動缸，活塞密封圈老化失效會使高壓空氣壓縮機不能工作，因此測量高壓空氣壓縮機容積效率，是高壓空氣壓縮機在線故障診斷主要技術之一，在高壓空氣壓縮機進行檢查、維修時，須對容積效率進行測定。筆者設計了一種高壓空氣壓縮機容積效率測量裝置，利用容積效率變化對高壓空氣壓縮機進行故障診斷，測量方法簡單，精確性高，自動化好，非常實用。

1 容積效率測量的基本原理

根據理想氣體狀態方程，氣瓶初時的空氣質量為：

（1）式中，p為氣瓶4容積，為摩爾氣體常數，為摩爾質量。末時的空氣質量為：

（2）

在2-1時間內高壓空氣壓縮機壓入氣瓶4的空氣質量為：

=2-1時間內吸氣狀態下的空壓機理論排氣量為：

式中，為高壓空氣壓縮機工作頻率，g為高壓空氣壓縮機工作容積，3為標準大氣壓力，3為環境溫度，排氣電磁閥1打開時，1=3、1=3。被測高壓空氣壓縮機容積效率為：

根據計算方法，系統邏輯控制主要是控制進氣和排氣電磁閥的開啟和關閉，當達到一定條件時監測記錄氣體壓力和溫度，綜合這些參數，按照公式即可完成容積效率的計算[1]。

2 系統設計

高壓空氣壓縮機容積效率測量裝置分為三部分，一是容積效率測量機械裝置，二是控制電路的硬件，三是邏輯控制功能軟件。

2.1容積效率測量機械裝置

容積效率測量機械裝置主要有氣瓶、連接部件、氣電閥和傳感器等。氣瓶4兩端有帶外螺紋的進氣口5和排氣口3，排氣口3通過外螺紋連接有排氣電磁閥1，進氣口5通過外螺紋連接有四通接頭8，四通接頭下接頭13通過內螺紋連接氣瓶進氣口5，四通接頭左接頭11通過內螺紋連接壓力傳感器12，右接頭7通過內螺紋連接溫度傳感器6，上接頭10通過內螺紋連接進氣電磁閥9。

具體見圖1。

圖1測量裝置結構圖

2.2控制電路硬件的設計

硬件電路主要涉及氣電閥的控制和傳感器信號的采集，硬件電路框圖如圖2所示，以單片機MC9S12XS128為核心控制單元，MC9S12XS128通過其控制氣電閥專用驅動芯片L9349實現對進氣電磁閥和排氣電磁閥的開啟和關閉控制。同時，氣電閥的狀態也能通過L9349傳遞到MC9S12XS128，實現氣電閥狀態實時監控。壓力傳感器和溫度傳感器實時監測系統壓力和溫度，其輸出信號為4-20 mA電流信號，電流信號具有較強的抗干擾能力，但是不能直接被MC9S12XS128采集，通過信號隔離器，將電流信號轉換為0-5 V的電壓信號，送入MC9S12XS128的AD模塊。

MC9S12XS128單片機是NXP公司S12XS系列的一種型號，是新一代16位微控制器，可以兼容S12XE系列，具有較高的運行效率和豐富的外圍設備接口，同時具有低成本、低功耗的優勢[2]，S12XS系列運行在等待狀態的情況下可以為所有外圍設備和存儲器提供16位寬的訪問。

L9349是ST公司設計的用來驅動感性負載的功率器件，具有4路獨立的驅動通道且每路通道帶有實時狀態反饋功能，可以直接與MC9S12 XS128單片機IO接口相連，實時識別電磁閥是否存在短路、開路、溫度過高或負載太大的情況。同時，芯片內部具有自我保護和ESD保護功能，適應復雜環境，提高了系統運行的可靠性。L9349與MC9S12XS128連接電路如圖3所示。

圖2 硬件電路框圖

圖3 L9349與MC9S12XS128連接電路圖

邏輯控制功能是通過軟件，控制儲氣瓶中氣體的流動過程，實現氣壓的精確測量，由邏輯控制單元實現

2.3 邏輯控制設計

高壓空氣壓縮機容積效率測量裝置工作時：將高壓空氣壓縮機出氣口與進氣電磁閥進氣口相連，工作時，打開進氣電磁閥、排氣電磁閥，高壓空氣壓縮機工作，待高壓空氣壓縮機工作穩定，關閉排氣電磁閥，計算機記下氣瓶初壓力值1、時間1、溫度1，高壓空氣壓縮機繼續工作，到達設定的額定壓力值時計算機記下氣瓶壓力值2、時間2、溫度2，排氣電磁閥打開，邏輯控制流程見圖4。

本設計的控制需要注意的是，由于數據計算中涉及浮點運算的乘除法，而 MC9S12XS128只能進行定點運算，沒有專門的浮點運算器，系統通過模擬的方式進行浮點運算，實現了低成本的控制方式，顯著提高了硬件系統經效比[3]。

3 試驗數據和結果

根據2.3方法進行實驗，測得實驗數據。將實驗過程采集的數據按一定的方法進行處理，以減小實驗過程的數據處理誤差。本試驗中氣瓶初始壓力值1=0.1 MPa，初始時間1=0 min，初始溫度1=24℃將其輸入系統，開機運行即可測得高壓空氣壓縮機容積效率。如此重復3～5次，求平均值。數據見表1。

圖4 邏輯控制流程圖

表1 實驗數據

實驗結果表明，該裝置能對高壓空氣壓縮機容積效率測量進行測量，平均誤差在3％以內。通過實際檢驗，該系統有如下優點：傳感器接入比較簡便，系統操作界面簡單，工作性能穩定，系統測量精度高，該裝置適用范圍廣。

4 結束語

隨著我國現代化工業的迅猛發展，勢必對氣動性能檢測提出更高更快更準確的要求，而高壓空氣壓縮機容積效率作為高壓空氣壓縮機性能檢測中的一項重要指標，對氣動性能檢測起著重要的作用。本系統的設計成功，可提高以往高壓空氣壓縮機容積效率檢測的不足，適合于氣動系統檢測部門和檢驗中心，方便快捷地對高壓空氣壓縮機進行檢測。

[1] 杜慧勇, 謝春華, 王站成. MC9S12DGl28單片機在頻率測量系統中的應用[J]. 河南科技大學學報(自然科學版), 2009, (3): 40-42.

[2] 陳森林, 田華. 快速浮點除法運算及其在單片機上的實現[J]. 陜西師范大學學報(自然科學版), 2004, 32(2): 43-45.

[3] 段國麗, 張曉東. 單片機中的浮點乘法運算方法[J]. 江漢大學學報, 2001, 18(6): 78-82.

Design of a Volumetric Efficiency Measuring Device for High Pressure Air Compressor

Zhang Yufeng, Chen Yuanjing, Lei Jie, Peng Lei

(Wuhan Ordnance Noncommissioned Officer School, Wuhan 430075, China)

TH137.31

A

1003-4862（2017）06-0078-03

2016-09-25

張玉峰（1959-），男，教授。研究方向：空氣壓縮機。