基于研華數據采集卡的智能張壓力測試系統設計

肖卓名，廖 攀

1 設計背景

在石油測井行業，由于所使用測井儀器中張力短節工作一段時間容易出現傳感器不準或失靈等故障，若沒有及時校驗測試會導致重大事故發生；且油田測井操作人員長期駐外工作，若將測井儀器帶回總部計量校驗，則路途遙遠，操作不便。因此開發便于攜帶、方便使用的張壓力校驗設備，對測井儀器張力短節中的張力傳感器進行現場校驗，或現場測試電纜、弱點螺釘等的拉斷力尤為必要，可配備于油田各駐外基地現場使用。為此，本文介紹了一款智能張壓力測試系統。它使用研華數據采集卡的工控機作為主控單元，使用Labwindows/CVI進行上位機編程，通過PID調節控制系統壓力，對待標定儀器進行標定，構成一種虛擬儀器的控制系統[1]。

2 基本原理和重要技術參數

由于所測試內容為張力短節中傳感器校驗，或測井電纜、弱點螺釘、三錐套等的拉斷拉脫測試，因此所選傳感器量程必須大于所測試對象最大測試范圍。根據行業經驗，測井儀器中張力短節傳感器量程均在10 t以下，φ11.8 mm規格電纜最大拉斷力不超過12 t；對于剛性構件，拉伸或壓縮時彈性形變非常微小，對于電纜拉斷，1.5 m電纜拉斷最大拉伸量不超過20 cm.因此，所選張力傳感器量程應大于12 t，所選位移傳感器量程應大于200 mm.

2.1 基本原理

智能張壓力測試系統主要包括：工控機、力加載驅動系統、液壓缸及其夾具、力測試原件及其夾具。其中工控機作為主控單元，包括電腦主機和研華數據采集卡，為控制系統的核心；力加載驅動系統和液壓缸及其夾具構成一個完整的液壓動力系統，具體構成見第3節。組成框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

開始測試前，先將試樣用工裝夾具固定于液壓缸和力測試原件之間，之后可啟動工控機，打開編寫的測試軟件選擇測試模式，測試板卡將會根據程序對力加載系統進行控制，從而對液壓系統進行控制。即通過寫有測試軟件的工控機對力加載驅動系統和液壓缸及其夾具組成的液壓動力系統進行控制，從而完成對試樣的標定或拉斷或拉脫試驗。

2.2 重要技術參數

2.2.1 環式壓力傳感器

由于受系統結構影響，所測試儀器必須穿過液壓缸，因此壓力傳感器應定制為環式結構，所選量程大于12 t即可；為保證精度，以免信號傳輸中信號失真，傳感器輸出信號應為電流信號。參數如下：

①最大測量：±15 t

②供電電壓：5~15 VDC

③輸出阻抗：350 Ω

④輸出靈敏度：2 mv/V

⑤輸出信號：4~20 mA

2.2.2 赫斯曼插入式一體式溫度傳感器

系統對于溫度傳感器沒有太大要求，常用油溫計即可。參數要求如下：

①測溫范圍：-50℃~100℃

②供電電壓：24 VDC

③輸出信號：4~20 mA

2.2.3 位移傳感器

位移傳感器主要用于測試電纜拉斷時電纜的拉伸長度，因此量程應大于測試電纜最大拉伸量200 mm的范圍，因此選擇如下參數：

①量程范圍：0~325 mm②供電電壓：24 VDC

③輸出信號：4~20 mA

3 液壓動力系統

3.1 液壓動力系統的組成及主要參數

液壓系統由液壓泵站、溢流閥、球閥、電磁比例閥、高速油管軟管、壓力表、手動液壓閥、手壓泵、加熱帶、溫度傳感器、油箱和液壓缸等組成。

主要技術參數為：

①油泵壓力：21 MPa（額定工作壓力為14 MPa）②油泵流量：3.5 L/min

③各種閥門壓力：31.5 MPa（額定工作壓力<16 MPa）

④油泵電機：單相交流電機。功率：750 W，轉速：1 400 r/min，電壓：220 VAC

⑤液壓缸最大拉力：150 kN

3.2 結構方案及工作原理

系統液壓原理如圖2所示。其中，電機泵為系統提供動力；過濾器防止顆粒污染物進入液壓系統損壞液壓元件；三位四通電磁比例溢流閥通過上位機軟件可以控制液壓缸的負載能力，來達到不同的張、壓力需求，和壓力傳感器形成閉環控制，可以提前設定目標值；手動開關用于切換自動化控制和手動操作控制；溢流閥設定值為系統最高壓力負載，用于保護整個液壓系統；壓力傳感器檢測整個系統壓力負載，同時帶有指示表頭，用于在斷電情況下顯示系統壓力；位移傳感器用于檢測液壓缸位移，從而檢測試件被拉伸長度；手動液壓源用于在沒有電的情況下，系統實驗用。

圖2 液壓原理圖

工作原理為：油泵電機啟動后帶動齒輪泵轉動，從油泵排出的液壓油經閥組進入液壓缸，推動活塞桿移動。活塞桿的拉伸（收回油缸）和回程（推出油缸）是通過比例換向閥切換液壓油的流向來實現的。油泵的啟動和停止、油缸拉伸和回程、油缸停止等功能均可用計算機自動控制，也可手動控制。利用計算機自動控制時，油缸拉伸和回程達到設定值后可自動停止。

4 電氣部分

4.1 電氣部分主要組成

智能張壓力系統的電氣部分主要由信號調理箱、試樣裝卡電機、油泵電機、電磁換向閥、傳感器、計算機六大部分組成。傳感器信號通過信號調理箱進行濾波、放大等處理進入采集卡，通過上位機軟件自動控制，計算機輸出信號再次通過調理箱對固態繼電器、比例閥等器件進行控制，實現手動、自動多功能控制。

4.2 計算機控制系統

裝有研華PCI-1716數據采集卡的工控機作為控制系統的核心部分，基于Labwindows/CVI平臺編寫的上位機控制軟件對整套系統進行操作，可對系統參數如系統張、壓力、液壓缸位移、溫度等參數實時監測顯示，它起著操作設備完成試驗和顯示數據、打印試驗結果兩大任務。除此之外，計算機還能把每次試驗結果長期保存，以便查找。系統信號原理圖如圖3所示。

圖3 系統信號原理圖

采集卡實時讀取張力傳感器、位移傳感器等數據并返回給上位機，壓力傳感器、位移傳感器和比例閥開口大小形成閉環控制，通過PID算法實時動態調節比例閥開口大小，從而對系統壓力和液壓缸移動速度進行控制調節[2]。如測試系統初始化設定標定最大壓力（或張力）為10 t，標定點數為10個，則系統自動按標定區間和點數平均分配10個點，即1 t標定1次。當系統壓力（或張力）從0升至1 t時，計算機通過PID調節會將系統壓力穩定在1 t，穩定時間超過設定值或點擊下一點標定則進入下一點2 t的標定。以此類推，直至10個點標定完成。在工件測試時，能正確響應任意張、壓力值的設定（設備張力范圍內），當系統張力值達到設定值后，液壓缸活塞桿停止運動，張力值保持在設定值，當再次操作時，液壓缸活塞桿根據預設狀態繼續工作。

其中工控機有自帶有RS-232串口，通過RS232轉RS485電路，可將測試系統實時壓力值通過RS485發送給外掛顯示儀表，以便試驗操作時更直觀了解系統情況。

同時，該上位機軟件可針對不同測試件（如電纜、弱點螺釘）對應選擇相應的測試模式，進行連續測試或間斷測試。

5 結束語

該系統很好地實現了檢測電纜、弱點螺釘等的拉斷力值，檢測電纜在三錐套的拉脫力值，測井儀器張力計等的張力和壓力試驗的專用設備測試。設備整體實物圖如圖4所示，對測井儀器張力短節標定曲線如圖5所示。相比于現階段測試設備：每次測試手動選擇測試點，在測試點處難以保持力的穩定，且測試數據手動記錄分析，該系統充分運用計算機技術對試驗機進行各種參數預設，自動測量控制、數據處理、繪制曲線以及打印等。該系統有著良好的人機界面，可廣泛應用于電力供電部門和油田測井公司及其他工礦企業、質檢單位、學校科研單位對各種用于長軟試件破斷試驗測試。

圖4 智能張壓力設備實物圖

圖5 力與時間局部放大曲線

[1]張愛平.LabVIEW入門與虛擬儀器[M].北京：電子工業出版社，2004.

[2]楊 智，朱海峰，黃以華.PID控制器設計與參數整定方法綜述[J].化工自動化及儀表，2005，32（5）：1-7.